一種無線傳感器網絡低功耗節點設計方法

2023-05-31 02:18:11

一種無線傳感器網絡低功耗節點設計方法
【專利摘要】本發明是一種能夠實時監控區域溫溼度值的無線傳感器網絡低功耗節點系統。該系統主要由處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、能量供應模塊和I/O口模塊組成，傳感器模塊採集監測區域內的溫溼度數據值，經處理器模塊處理後由無線通信模塊發送給用戶。本發明基於FPGA平臺，採用SoPC技術設計了最小Nios‖系統，添加了自行設計的IP核，包括接口驅動程序、數據採集程序、射頻通信和數據收發程序等，使節點絕大部分時間處於睡眠狀態，從而有效降低了幹擾，提高了節點性能。在組網方面，基於ZigBee協議，構建了一個小型無傳感器網絡，並設計了一款上位機軟體，實現了對節點數據採集和監控分析。本發明的節點具有低功耗，低成本，強大的可擴展性和計算能力，可滿足無線傳感器網絡在各個領域的應用需求。
【專利說明】一種無線傳感器網絡低功耗節點設計方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無線傳感器網絡低功耗的節點設計方法。

【背景技術】
[0002] 目前，國內的多數應用都是以Microchip或Freescale公司所提供的開發套件為 平臺，進行定位和組網等功能的研究，這種研究是把精力放在上層應用程式算法的開發上。 少數有自己的硬體平臺，這種硬體平臺是參考了業內公司所提供的解決方案的典型電路 的，並且其軟體仍是在Microchip或Freescale公司所提供的底層協議API接口基礎之上 來開發實現的。國內外對於無線傳感器網絡節點設計普遍採用8位或16位高性能單片機和 射頻收發機的基本架構，節點可以完成數據採集、發送、接收和處理等基本任務，但數據處 理能力弱，速率低，靈活性差，不足以達到廣泛應用的無線傳感器網絡在各個領域的要求。


【發明內容】

[0003] 為了解決現有無線傳感器網絡節點的不足，本發明提供一種基於FPGA的無線傳 感器網絡節點設計方案，FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的成 果，它具有非常強大的並行數據處理能力，數據容量大，處理效率高，內部結構靈活，可重複 配置等優點，能進一步改善節點的功能，實現一個可重複編程，配置自由而且低功耗、低成 本的無線傳感器網絡。
[0004] 無線傳感器網絡節點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應 模塊組成。其中，傳感器模塊主要負責採集監測區域內的數據，同時對數據進行轉換，將模 擬信號轉換成數位訊號；處理器模塊負責控制節點的工作，除了存儲和處理本身採集到的 數據外，還需接收或者轉發其它節點發來的數據或者指令；無線通信模塊主要負責與其它 節點間的通信，將數據或控制信息傳送到處理器，或者將處理器的信息或數據發送到其它 節點；能量供應模塊主要提供節點所需的能量，一般採用一次性的電池供電。
[0005] 無線傳感器網絡節點的軟體系統用於控制底層硬體的工作行為，為各種算法、協 議的設計提供一個可控的操作環境，同時便於用戶有效管理網絡，實現網絡的自組織、協 作、安全和能量優化等功能，從而降低無線傳感器網絡的使用複雜度。本次發明在FPGA平 臺上採用SoPC技術設計了代碼精簡的最小系統，編寫了個系統模塊驅動程序，其中包括 UART驅動程序，傳感器模塊數據採集程序和射頻通信程序，在進一步分析Zigbee協議組網 的原理及過程的基礎上，實現了節點具有數據採集和無線通信的功能，並開發了上位機軟 件，該軟體能對節點採集的數據進行分析處理。
[0006] 本發明節點系統的工作步驟：
[0007] 無線傳感器網絡的組建是由事前被定義為協調器的主節點來建立的，主節點承擔 協調器的任務，從節點申請入網。一開始節點都需要進行初始化，並確定網絡信道，傳播速 率和波特率等。然後由主節點開始組建網絡，一旦子節點入網成功後，協調器可以對網絡中 任一節點發出採集數據的任務。收到任務的節點將開始工作，MCU發送啟動命令給傳感器 模塊，在採集數據完後，MCU以ACK命令來確認，並開始傳輸數據，將數保存在據寄存器中， 等待下一步發送命令。
[0008] 當子節點收到協調器發出傳送送數據的請求後，MCU經SPI總線將數據傳到射頻 模塊，射頻模塊將數據處理並選擇射頻信道將數據發送給協調器後休眠狀態。協調器將接 收到的數據處理後經串口發送到PC機上顯示。用戶通過上位機軟體的監測，可以實時觀察 到溫溼度的變化情況。
[0009] 本發明的有益效果是：從表1可以看出，相對於國內典型節點，本發明的節點功耗 非常低，應用此節點組建的無線傳感器網絡的網絡壽命可以得到有效的提高，且節點整體 性能優良，具備低成本，微型化，適用範圍廣，可擴展性和計算能力強等優勢，滿足複雜多變 的監測任務的需求，能快速應用於無線傳感器網絡的多種具體應用中。
[0010]

【權利要求】
1. 一種無線傳感器網絡低功耗節點系統，低功耗節點系統，包括FPGA晶片匹配電路， 射頻電路，能量供應電路，傳感器電路，其特徵是：還包括系統下載配置電路，擴展I/O 口電 路，晶振電路，電壓穩定電路及電壓轉換電路，FPGA晶片通過兩線三態門接口與溫溼度傳感 器電路連接，通過四線的SPI接口與射頻電路連接，擴展I/O 口電路用於系統測試與升級， 通過控制傳感器與射頻電路的工作，使其絕大部分時間都處於休眠模式下，從而達到降低 節點功耗的目的。
2. 根據權利要求1所述的低功耗節點系統，其特徵是：傳感器電路中，數據三態門接口 與l〇k歐姆的上拉電阻相接，通過上拉電路的作用，實現接口的雙向控制，一旦處理器釋放 該接口，則傳感器即可控制，另一時鐘接口與處理器的時鐘輸出口相連，由處理器提供傳感 器所需的時鐘頻率，接地端接模擬地，與數字地模塊通過一個〇歐姆的電阻相連，傳感器在 測量溫溼度之後自動轉入休眠模式，直到下一命令的到來。
3. 根據權利要求1所述的低功耗節點系統，其特徵是：射頻電路中，通過偏阻器用來設 置一個精確的偏電流，兩個電容和兩個電感形成一個平衡轉換器，用以將射頻晶片CC1100 上的微分RF埠轉換成單端的RF信號，也將阻抗轉換以匹配50歐的天線或電纜，晶體振 蕩器使用一個帶兩個負載電容的外部晶體，大小為26MHz-28MHz頻率範圍，振蕩器為在晶 體的平行模式操作而設計，簡單的匹配電路，使得模塊集成度高，同時也減少了節點的體 積，增強節點的隱蔽性。
4. 根據權利要求1所述的低功耗節點系統的控制方法，其特徵是：FPGA晶片接收到用 戶發送的指令，開始指示溫度傳感器電路測量周圍環境的溫溼度度值，當測量完畢後，通過 上拉電阻告知處理器並開始傳輸數據，傳輸完畢後，傳感器進入休眠模式，處理器將數據壓 縮解碼後傳輸到射頻模塊，射頻電路將數據發送到匯聚節點，用戶通過上位機軟體接收節 點數據。
5. 根據權利要求1所述的低功耗節點系統的控制方法，其特徵是：用戶通過發送指令 控制節點在收發，監聽和休眠三種工作模式之間轉換，而使節點絕大部分時間處於休眠模 式以降低節點系統的功耗。
【文檔編號】H04W84/18GK104284403SQ201310292415
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月12日 優先權日:2013年7月12日
【發明者】李長庚, 盧浩昌, 廖東平 申請人:中南大學