一種雙頻無線傳感器節點的製作方法
2023-07-19 17:06:41 2
專利名稱：一種雙頻無線傳感器節點的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡技術領域，尤其是涉及一種長距離通信的無線傳感器 節點。
背景技術：
無線傳感器網絡是將大量的傳感器節點布置在監測區域內，節點間通過無線通訊 自組織而構成的一種網絡。無線傳感器網絡通常由三個部分組成傳感器節點、網關節點和 用戶管理節點。傳感器節點包括傳感數據採集、數據處理、無線數據傳輸等部件，每個節點 能夠採集其周圍環境的數據，如溫度、溼度、光強、震動、磁場等等，各個節點之間使用無線 多跳方式通信，監測數據經過多跳後到達到網關節點，最後由網關節點對收集到的數據進 行處理並通過網際網路或衛星傳送給用戶管理節點。用戶通過管理節點可以對無線傳感器網 絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據等。從網絡拓撲結構上來看，傳感器網絡主要有兩種結構平面結構和層次結構。在平 面結構中，所有節點的地位是平等的，不存在任何等級差異。平面結構具有較好的健壯性， 但缺點是可擴展性差。在層次結構中，具有某種關聯的傳感器節點組成簇，並選舉簇頭節點 負責簇的管理。簇內節點組成一個網絡，而簇頭節點之間組成了更高一層的網絡。層次結 構具有較好的可擴展性，在工程中得到了廣泛應用。目前，無線傳感器網絡普遍採用ZigBee技術，這是一種基於802. 15. 4無線標準研 制開發的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術，它工作在2. 4GHz ISM頻段上，傳輸距離 為IOm 75m。但是在實際應用中，當簇頭節點之間距離較大時，採用Zigbee技術無法進行
通{曰。
發明內容為了克服現有技術節點間通信距離短的不足，本發明提供一種雙頻無線傳感器節 點，能夠加大節點通訊距離，有效解決現有Zigbee無線傳感器節點無法充當簇頭節點的問 題。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括數據採集模塊、數據處理模塊 和電源模塊，還包括兩個無線數據傳輸模塊，其中一個是基於ZigBee的短距離無線通訊模 塊，另一個是採用無線功率放大電路的遠距離無線通訊模塊，所述遠距離無線通訊模塊和 短距離無線通訊模塊分別與數據處理模塊相接。數據採集模塊採集到周圍環境的數據後傳 遞給數據處理模塊進行分析處理，然後根據需要選擇一個無線數據傳輸模塊，進行遠距離 或近距離的數據傳輸，電源模塊為上述各模塊供電。所述遠距離無線通訊模塊包括無線通訊晶片及無線射頻功率放大晶片；所述出具 處理模塊的輸出結果經無線通訊晶片處理後由無線射頻功率放大晶片進行功率放大，然後 通過天線發射。所述遠距離無線通訊晶片為CCllOO晶片，所述無線射頻功率放大晶片為PA2460-H-· I I心片。所述短距離無線通訊模塊為與天線相接的CC2420晶片。所述短距離無線通訊模塊與天線之間接有射頻輸入/輸出匹配電路IC1。所述數據處理模塊為ATmegal28L單片機。所述電源模塊為電壓為1. 5V的鹼性電池。所述遠距離無線通訊模塊還包括兩個電子轉換開關晶片、一個平衡轉換器和兩個 濾波電路，所述遠距離無線通訊晶片依次與平衡轉換器、一個電子轉換開關晶片、一個濾波 電路、無線射頻功率放大晶片、另一個濾波電路、另一個轉換開關晶片以及天線相接，用於 需要功放的信號發射與不需要功放的信號接收兩個狀態的切換。所述電子轉換開關晶片為SKY13270晶片。本發明的有益效果是本發明在充分發揮ZigBee技術的優勢的同時，也能滿足簇 頭節點之間長距離通信的需求。本發明以AVR單片機ATmegal28L為核心，以無線收發模塊 CC2420晶片和CCllOO晶片加功放電路為無線通訊模塊，並結合外圍傳感器組成，因而通過 本發明所述的雙頻無線傳感器節點所構建的網絡，既可工作於2. 4GHz基於ZigBee協議進 行數據通訊，也可工作於433MHz利用CCllOO和功放電路進行遠距離通信，具有很強的靈活 性。通過本發明的應用，使得無線傳感器節點同時具有遠、近兩種通訊能力，並可以由軟體 根據節點所處的實際情況對兩個無線通訊模塊進行控制，具有很大的靈活性，同時也是對 現有無線傳感器網絡所存在問題的一種解決方案。綜上所述，本發明設計新穎、合理且使用 操作簡便，能從加大節點通訊距離的角度有效解決現有無線傳感器節點所存在的能耗不均 和瓶頸節點問題。
以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1為本發明的電路框圖。圖2為本發明數據處理模塊的電路原理圖。圖3為本發明短距離無線通訊模塊的電路原理圖。圖4為本發明遠距離無線通訊模塊的電路原理圖。圖5為本發明所述雙頻無線傳感器節點的數據傳輸示意圖。圖6為本發明所述雙頻無線傳感器節點孤立網絡的數據通訊示意圖。圖中，1-數據採集模塊；2-數據處理模塊；3-無線數據傳輸模塊；3-1-遠距離無 線通訊模塊；3-2-短距離無線通訊模塊；4-電源模塊；5-天線；6-基站；7-雙頻無線傳感 器節點；8-監視區域；9-死亡節點；10-可互通訊節點；11-瓶頸節點。
具體實施方式
如圖1所示，本發明包括數據採集模塊1、對數據採集模塊1所採集信號進行分析 處理的數據處理模塊2、與數據處理模塊2相接且配置有無線通訊用天線5的無線數據傳輸 模塊3，以及對各用電模塊進行供電的電源模塊4。所述無線數據傳輸模塊3包括遠距離無 線通訊模塊3-1和基於ZigBee協議進行組網的短距離無線通訊模塊3_2，所述遠距離無線 通訊模塊3-1和短距離無線通訊模塊3-2分別與數據處理模塊2相接。[0025]所述數據採集模塊1包括溫度、溼度等多種類型傳感器以及與各傳感器相接的A/ D轉換電路模塊，由於節點體積和能量的限制要求置於數據採集模塊1內部的所有傳感器 體積要儘可能小、功耗要低且外圍電路簡單，本實施例中，將所有傳感器單獨放置在一個小 電路板中，通過51針的插口將傳感器與節點母板即數據處理模塊2的電路板相連。結合圖2、圖3及圖4，所述遠距離無線通訊模塊3-1包括遠距離無線通訊晶片以 及與所述遠距離無線通訊晶片相接的無線射頻功率放大晶片；所述無線射頻功率放大晶片 與天線5相接。本實施例中，所述遠距離無線通訊晶片為CCllOO晶片，所述無線射頻功率 放大晶片為PA2460晶片。所述數據處理模塊2為ATmegal28L單片機，同時所述ATmegal28L單片機以 AT45DB041B晶片作為其擴展的存儲晶片。數據處理模塊2是本發明的計算核心，承擔著 對傳感器數據、無線通訊數據的處理，同時還要對節點自身的任務分配、能量消耗等進行管 理。ATmegal28L單片機是採用低功耗CMOS工藝生產的高性能8位微處理，可工作於6種 睡眠模式，具有豐富的資源和非常低的功耗，很適合無線傳感器節點對低能耗的要求。所 述ATmegal28L單片機與CC2420晶片和CC1100晶片之間通過SPI總線進行數據交換。 ATmegal28L單片機工作於SPI主模式，CC2420晶片和CC1100晶片工作於SPI從模式。發送 數據時，ATmegal28L單片機首先通過CC2420晶片的CC2420_CSN或CC1100晶片的CC1100_ CSN片選信號選擇無線數據傳輸模塊3中相應的無線通訊模塊(即短距離無線通訊模塊 3-2或遠距離無線通訊模塊3-1)，然後ATmegal28L單片機通過SPI總線將待發送數據送 入所選中的無線通訊模塊發送出去；所述無線通訊模塊接收到信息時，則通過中斷引腳 CC2420晶片的CC2420_INT或CC1100晶片的CC1100_INT通知ATmegal28L單片機接收信 肩、ο所述短距離無線通訊模塊3-2為與天線5相接的CC2420晶片，所述CC2420晶片 與天線5之間接有射頻輸入/輸出匹配電路IC1。所述CC2420晶片是Chipcon推出的首 款符合2. 4GHz ZigBee標準的射頻收發器，該晶片基於Chipcon公司的SmartRF 03技術， 以0. 18um CMOS工藝製成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。具體而言，所述 ATmegal28L單片機的PC7/A15、PED4/0C3B/INT4和PC0/A8引腳對應分別接所述CC2420芯 片的 FIFO,FIFOP 和 CSN 引腳，所述 ATmegal28L 單片機的 PC1/A9、PC2/A10 和 PC3/A11 引腳 分別經電阻R34、R33和R32後接所述CC2420晶片的SCLK、SI和SO引腳，所述ATmegal28L 單片機的PD6/T1和PD4/IC1引腳分別接所述CC2420晶片的CCA和SFD引腳；所述CC2420 晶片的RF_P、TXRX_SWITCH和RF_N引腳對應分別與射頻輸入/輸出匹配電路ICl對應的3 個引腳相接。所述遠距離無線通訊模塊3-1中除CCllOO晶片和PA2460晶片外，還包括兩個電 子轉換開關晶片SKY13270、一個平衡轉換器Pl和兩個濾波電路Lbl和Lb2，所述CC1100芯 片依次與平衡轉換器P1、一轉換開關晶片SKY13270、濾波電路Lb2、PA2460晶片、濾波電路 Lbl、另一個轉換開關晶片SKY13270以及天線5相接，所述兩個電子轉換開關晶片SKY13270 相接。所述CCllOO晶片是一種低成本真正單片的UHF收發器，為低功耗無線應用而設計，其 電路主要設定為315、433、868和915MHz的ISM(工業，科學和醫學)和SRD (短距離設備) 頻率波段。本實施例中，CCllOO晶片設定在433MHz。PA2460晶片是一款400MHz至480MHz 的無線射頻功率放大晶片，將它作為CCllOO晶片的功放電路，可增加CCllOO晶片的傳輸距離。綜上，通過遠距離無線通訊模塊3-1進行發送信息時，兩個電子轉換開關晶片SKY13270 經切換後將PA2460晶片接入射頻信號電路中，對待發送信號進行放大後，送入天線5進行 發射；當通過CCllOO接收信息時，不需要功放電路即PA2460晶片，兩個電子轉換開關晶片 SKY13270改變連接，將PA2460晶片從信號傳輸電路中隔離出去。具體而言，所述ATmegal28L單片機的PED4/0C3C/INT5和PD7/T2引腳分別接所述 CCllOO 晶片的 GD02 和 CSN 引腳，所述 ATmegal28L 單片機的 PC1/A9、PC2/A10 和 PC3/A11 引 腳分別接所述CCllOO晶片的SCLK、SI和SO引腳；所述CCllOO晶片的的RF_P和RF_N引腳 對應分別與平衡轉換器Pl的兩個引腳Xl和X2相接，平衡轉換器Pl的輸入/輸出引腳Ul 接一轉換開關晶片SKY13270的Jl引腳，且此轉換開關晶片SKY13270的J3引腳經濾波電路 Lb2後接所述PA2460晶片的RF_IN引腳，所述PA2460晶片的兩個RF_0UT引腳均接濾波電 路Lbl的信號輸入端，所述濾波電路Lbl的信號輸出端接另一個轉換開關晶片SKY13270的 J2引腳，所述另一個轉換開關晶片SKY13270的Jl引腳經電容C29後與天線5相接，並且所 述另一個轉換開關晶片SKY13270的J3引腳接第一個轉換開關晶片SKY13270的J2引腳。 第一個轉換開關晶片SKY13270的Vl和V2引腳分別經電阻R17和R20後接RE和TE端，另 一個轉換開關晶片SKY13270的V2和Vl引腳分別經電阻R21和R22後接RE和TE端。所述電源模塊4為兩節串聯的電壓為1. 5V的鹼性電池。所述電源模塊4控制著整 個雙頻無線傳感器節點7的能量分配。由於數據採集模塊1中所有的傳感器、ATmegal28L 單片機、CC2420晶片以及CCllOO晶片的工作電壓都為+3V，因而只需在各自電源端加濾波 電容後就可直接由電源模塊4進行供電。對於ATmegal28L單片機而言，其VCCl和VCC2引 腳均接電源模塊4的VCC電源端，而ATmegal28L單片機的AVCC引腳經電阻R18後接電源模 塊4的VCC電源端且所述AVCC引腳經電容C15後接地。但是，所述PA2460晶片的工作電 壓為+1. 2V和+5V，其所需的+1. 2V和+5V工作電壓採用美信的直-直轉換晶片MAX8640Y 和MAX1524將+3V電壓進行轉換後得到。實際使用過程中，當雙頻無線傳感器節點7不需 要進行遠距離通信時，置晶片MAX8640Y和MAX1524的4腳為低電平，關閉直-直轉換電路， 以降低能耗。如圖5所示，利用本發明所述的雙頻無線傳感器節點7在監視區域8內構建無 線網絡後，開始時各雙頻無線傳感器節點7隻啟動其內部的短距離無線通訊模塊3-2即 CC2420晶片，所述CC2420晶片工作於2. 4GHz且基於ZigBee協議進行組網。當與基站6距 離較近的雙頻無線傳感器節點7死亡(即成為死亡節點9)後，離基站6較遠的雙頻無線傳 感器節點7則同時打開其內部的遠距離無線通訊模塊3-1即CCllOO晶片，所述CCllOO芯 片利用433MHz與基站6進行遠距離通訊，同時啟動短距離無線通訊模塊3-2和遠距離無線 通訊模塊3-1的雙頻無線傳感器節點7則稱為可互通訊節點10。結合圖6，由於在所述CCllOO晶片上還加有無線功率放大電路即PA2460晶片，因 而能使單個雙頻無線傳感器節點7的通訊距離達到近1000m，遠大於ZigBee協議的最大通 訊距離75m的範圍。當然，從節能的角度考慮，還可以控制雙頻無線傳感器節點7的發射功 率，使其能與基站7進行通信即可。這樣網絡中就有很多單跳通信距離覆蓋基站6的節點， 從而延長網絡使用壽命；對於瓶頸節點問題，先用現已提出的「準瓶頸節點」查找算法，找出 整個無線網絡中的瓶頸節點12，然後根據瓶頸節點12及其周圍節點的能量儲備情況，選擇 合適的雙頻無線傳感器節點7，使其同時工作於433MHz遠距離通訊模式，即成為可互通訊節點10。這樣，孤立分布的網絡即多個孤立監視區域8之間，就有更多的可互通訊節點10 可以進行相互通訊。從而消除了瓶頸節點12的影響，也避免了移動其它節點所產生的能耗 及所受地理環境限制。綜上，本發明能從加大節點通訊距離的角度，來解決現有無線傳感器 節點所存在的能耗不均和瓶頸節點兩個問題。 綜上所述，本發明主要由數據採集模塊1、數據處理模塊2、無線數據傳輸模塊3以 及電源模塊4四個模塊組成。其中，電源模塊4包括兩節1. 5V鹼性電池、轉換開關、直-直 轉換電路以及濾波電路，它負責給各用電模塊供電。數據採集模塊1由光強、溫度、溼度、大 氣壓及加速度等多種類型傳感器和A/D轉換電路模塊組成，用來採集監視區域8內的信息 並轉換為數字量。數據處理模塊2以ATmegal28L單片機為核心，並用AT45DB041B晶片作 為擴展的存儲晶片，該模塊負責整個節點的路由協議、數據融合、任務管理等工作。無線數 據傳輸模塊3則由CC2420晶片以及CCllOO晶片外接無線功放電路PA2460晶片兩部分組 成，負責數據通訊。
權利要求一種雙頻無線傳感器節點，包括數據採集模塊、數據處理模塊和電源模塊，其特徵在於還包括兩個無線數據傳輸模塊，其中一個是基於ZigBee的短距離無線通訊模塊，另一個是採用無線功率放大電路的遠距離無線通訊模塊，所述遠距離無線通訊模塊和短距離無線通訊模塊分別與數據處理模塊相接；數據採集模塊採集到周圍環境的數據後傳遞給數據處理模塊進行分析處理，然後根據需要選擇一個無線數據傳輸模塊，進行遠距離或近距離的數據傳輸，電源模塊為上述各模塊供電。
2.根據權利要求1所述的一種雙頻無線傳感器節點，其特徵在於所述的遠距離無線 通訊模塊包括無線通訊晶片及無線射頻功率放大晶片；所述出具處理模塊的輸出結果經無 線通訊晶片處理後由無線射頻功率放大晶片進行功率放大，然後通過天線發射。
3.根據權利要求1所述的一種雙頻無線傳感器節點，其特徵在於所述的遠距離無線 通訊晶片為CCllOO晶片，所述無線射頻功率放大晶片為PA2460晶片。
4.根據權利要求1所述的一種雙頻無線傳感器節點，其特徵在於所述的短距離無線 通訊模塊為與天線相接的CC2420晶片。
5.根據權利要求1所述的一種雙頻無線傳感器節點，其特徵在於所述的短距離無線 通訊模塊與天線之間接有射頻輸入/輸出匹配電路IC1。
6.根據權利要求1所述的一種雙頻無線傳感器節點，其特徵在於所述的數據處理模 塊為ATmegal28L單片機。
7.根據權利要求1所述的一種雙頻無線傳感器節點，其特徵在於所述的電源模塊為 電壓為1. 5V的鹼性電池。
8.根據權利要求1所述的一種雙頻無線傳感器節點，其特徵在於所述的遠距離無線 通訊模塊還包括兩個電子轉換開關晶片、一個平衡轉換器和兩個濾波電路，所述遠距離無 線通訊晶片依次與平衡轉換器、一個電子轉換開關晶片、一個濾波電路、無線射頻功率放大 晶片、另一個濾波電路、另一個轉換開關晶片以及天線相接，用於需要功放的信號發射與不 需要功放的信號接收兩個狀態的切換。
專利摘要本實用新型公開了一種雙頻無線傳感器節點，包括數據採集模塊、數據處理模塊和電源模塊，還包括兩個無線數據傳輸模塊，其中一個是基於ZigBee的短距離無線通訊模塊，另一個是採用無線功率放大電路的遠距離無線通訊模塊，所述遠距離無線通訊模塊和短距離無線通訊模塊分別與數據處理模塊相接；數據採集模塊採集到周圍環境的數據後傳遞給數據處理模塊進行分析處理，然後根據需要選擇一個無線數據傳輸模塊，進行遠距離或近距離的數據傳輸，電源模塊為上述各模塊供電。本實用新型設計新穎、合理且使用操作簡便，能從加大節點通訊距離的角度有效解決現有無線傳感器節點所存在的能耗不均和瓶頸節點問題。
文檔編號H04W84/18GK201757932SQ20102029861
公開日2011年3月9日 申請日期2010年8月19日 優先權日2010年8月19日
發明者李士寧, 李志剛, 楊志義, 馬峻巖 申請人:西北工業大學