投放式彈跳型無線傳感器網絡節點及其控制方法
2023-07-12 19:22:11 1
專利名稱：投放式彈跳型無線傳感器網絡節點及其控制方法
技術領域：
本發明屬於一種智能化可移動組網設備及其控制方法，特別是一種投放式彈跳型 無線傳感器網絡節點及其控制方法。
背景技術：
無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無 線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、採集和處理網絡 覆蓋區域中感知對象的信息，並發送給觀察者。無線傳感器網絡具有可快速部署、可自組 織、隱蔽性強和高容錯性的特點，非常適合在惡劣的環境下應用。無線傳感器網絡的自組織 性也使得它可用於危險工作環境。無線傳感器網絡節點往往是利用飛機、發射器等方式部署，並且處於危險的環境 中，容易遭到破壞，所以通過節點對周圍環境的觀察後移動以避免被破壞。從而改善節點的 生存能力，保證網絡通信。面對上述需求，現有技術的無線傳感器網絡節點技術主要存在以下缺陷1)只能 被動的通過飛機、發射器等方式投放，這樣投放到一定區域內很可能會分布不均勻。2)被投 放後的無線傳感器網絡節點不具有自身的續航能力，這樣一方面落地後會分布不均勻，另 一方面不能自動飛行增加續航能力。3)無線傳感器網絡節點是靜止和不能自身移動的，這 樣的節點只能是放置在車輛等運動載體上，通過載體運動而運動。4)不具備通過感知周圍 環境而運動的特性，即使放置在車輛運動載體上的節點也只能夠通過載體運動而運動，不 能根據自身的需要而運動。
發明內容
本發明的目的在於提供一種使節點自主彈跳移動的投放式彈跳型無線傳感器網 絡節點及其控制方法。實現本發明目的的技術解決方案為一種投放式彈跳型無線傳感器網絡節點，包 括投放模塊、彈跳模塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的I2C接口與 彈跳模塊的點火啟動控制接口相連接，將控制信號傳輸給彈跳模塊，控制節點彈跳；MCU模 塊的SPI接口與射頻模塊的差分電路接口相連接，將數據信號傳輸給射頻模塊，保證通信 數據的可靠傳輸，完成傳感器網絡節點的通信功能；MCU模塊的8路8/10位A/D轉換接口與 傳感器模塊的差分電路接口相連接，接收傳感器採集的模擬信號，並將控制信號傳輸給傳 感器模塊，完成節點狀態信息的採集與控制功能；MCU模塊的SCI接口與GPS模塊所採用的 SiRF star III並行20通道接口相連接，接收GPS模塊發送的定位信息並將控制信息傳輸 給GPS模塊，完成無線傳感器網絡節點的定位；投放模塊內設置微發射器，MCU模塊的RS232 轉換接口與投放模塊的通信接口相連接，將控制信號傳輸給將控制信號傳輸給投放模塊的 微發射器，控制微發射器啟動，從而將節點投放出去。本發明的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點的控制方法，包括以下步驟
1)節點發出投放指令，啟動投放模塊；2)利用無線傳感器網絡節點的GPS定位模塊實時採集節點方位信息，對傳感器節 點經緯度位置參量進行判斷，從而實時定位節點，當節點部署不當的時候，對投放模塊發出 控制，啟動微發射器；否則，跳轉到步驟3)，啟用傳感器模塊；3)利用傳感器模塊實時採集節點周圍環境信息，對傳感器節點溫度、溼度狀態參 量進行判斷，從而確定節點是否安全，當節點處於安全狀態時，跳轉到步驟2)，繼續保持對 節點的定位和狀態監測；當節點處於非安全狀態時，執行步驟4)，完成節點彈跳的準備工 作；4)MCU模塊發出點火啟動指令；5)點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令後，彈跳模塊開始彈跳， 之後返回步驟3)。本發明與現有技術相比，其顯著優點1)節點自身攜帶微型發射器，可使節點通 過飛機、發射器等方式部署後落地能夠均勻分布。2)節點自身攜帶微型發射器，可使節點具 有自身的續航能力，這樣一方面落地後會分布均勻，另一方面能自動飛行增加續航能力。3) 節點自身攜帶的彈跳模塊和微發射器，克服現有的無線傳感器網絡節點靜止和不能自身移 動的缺陷。4)節點自身攜帶的並具有定位功能的GPS模塊，可以判斷自身姿態的位置傳感 器模塊，克服現有的無線傳感器網絡節點不具備通過感知周圍環境而運動，從而不能根據 自身的需要而運動的缺陷。5)本發明是在動力學和計算機軟硬體等研究基礎上，充分考慮 了方便、實用、低價位等特點，使節點根據實際情況可以自主彈跳移動和續航能力，達到自 組織的目的。用於無線傳感器網絡中具有先進性和可行性。
圖1是本發明的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點原理圖。圖2是本發明的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點工作控制流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。結合圖1，本發明的一種投放式彈跳型無線傳感器網絡節點包括投放模塊、彈跳模 塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的I2C接口與彈跳模塊的點火啟 動控制接口相連接，將控制信號傳輸給彈跳模塊，控制節點彈跳，MCU根據片選模式對點火 狀態進行設置，完成不利環境下節點自動彈跳的功能；軟體設計時MCU根據片選模式對點 火狀態進行設置，如果傳感器反饋的數據顯示節點處於不利環境，則設置相關模式位，對彈 跳模塊發出點火指令，彈跳模塊收到點火指令後，在節點作用力驅使下完成節點彈跳運動； MCU模塊的SPI接口與射頻模塊的差分電路接口相連接，將數據信號傳輸給射頻模塊，保證 通信數據的可靠傳輸，完成傳感器網絡節點的通信功能，射頻模塊採用無線收發晶片，並利 用FSK調製解調技術，抗幹擾能力強，採納PLL合成技術，工作頻率為2. 4GHz，設置成SPI總 線接口方式與處理器進行通信；MCU模塊的8路8/10位A/D轉換接口與傳感器模塊的差分 電路接口相連接，接收傳感器採集的模擬信號，並將控制信號傳輸給傳感器模塊，完成節點 狀態信息的採集與控制功能，傳感器選用SMAC無線射頻收發器，集成小信號處理電路，有效收集無線傳感器節點狀態數據，MCU將採集到的模擬信號數據進過A/D轉換接口轉換成 射頻模塊易於處理的數位訊號；MCU模塊的SCI接口與GPS模塊所採用的SiRF star III並 行20通道接口相連接，接收GPS模塊發送的定位信息並將控制信息傳輸給GPS模塊，完成 無線傳感器網絡節點的定位，GPS模塊的節點定位信息以串口通信的方式通過通道接口交 由MCU處理，MCU根據GPS定位信息對節點進行控制；投放裝置中設置微發射器，MCU模塊的 RS232轉換接口與投放模塊的通信接口相連接，將控制信號傳輸給投放模塊的微發射器，從 而完成無線傳感器網絡的均勻布撒功能，MCU根據投放節點的狀態控制微發射器的啟動，保 證投放過程中飛行節點的續航能力。上述主控晶片MCU採用使用Freescale公司的無線晶片。傳感器模塊為WZIG-C MC13213SMAC無線傳感器採集接收板。GPS模塊採用直接集成在PCB板上的Leadtek LR9548GPS接收模塊。本發明的硬體方面使用Freescale公司的無線晶片作為主控晶片，添加傳感器 接口，點火啟動接口和GPS模塊接口，並具有微發射器和彈跳模塊。軟體方面以嵌入式 WindowsCE作為基礎平臺，加入啟動和定位等控制功能。最終形成一個智能可彈跳的投放式 無線傳感器網絡節點。投放模塊包括推進功能圓柱體、推進裝置、微發射器和保護材料，具體設計時，推 進功能圓柱體直徑12mm ；推進裝置質量小於IOg ；攜帶微型傳感器網絡節點的圓柱體直徑 24mm,長度57mm ；總體重量40g (不含電池)；節點通信距離50m ；節點體積40*16*3 (mm)。 投放模塊在收到軟體節點的投放指令後，推進功能圓柱體裝載網絡節點，推進裝置對網絡 節點產生作用力，將無線傳感器網絡節點布撒到周圍環境；在投放模塊內設置微發射器是 為了保證布撒節點的均勻。在投放過程中可以點火啟動微發射器，為運動中的節點提供作 用力，保證節點的飛行能力，達到續航目的。節點被投放模塊部署後，可根據周圍環境進行 彈跳，投放模塊採用包覆層和其他材料保護微型傳感器網絡節點免受推進劑燃燒的高溫影 響。彈跳模塊包括點火啟動模塊和彈跳部分，彈跳部分包括發射機構、推力室、尾噴機 構、外殼，發射機構內裝有火藥藥柱；點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令 後，彈跳模塊中的點火部分開始工作，點火啟動模塊包括電容電阻，該電容電阻可保證變壓 效率，點火時，電容突然釋放打出火花；電容釋放的火花引燃發射機構內的火藥藥柱，產生 爆破並釋放燃氣，發射機構釋放的燃氣推進到推力室，在尾噴機構內產生推力，按照作用力 方向向上彈起完成向上和前後左右的彈跳運動。射頻模塊使用的是串行外圍設備接口 SPI (Serial Peripheral Interface)通信 技術。接口採用同步串行3 4線方式進行通信，即1條時鐘線SCK、1條數據輸入線M0SI、 1條數據輸出線MIS0，另外還有1條從選線NSS (可選)，用於CPU與各種外圍器件進行全雙 工、同步串行通信。考慮到彈跳和續航節點對功耗、性能和尺寸大小的要求，採用Freescale公司 的無線晶片作為主控晶片。微處理器採用8位的HCS08內核，集成了 1個SPI (Serial Peripheral Interface)接口、1 個 8 路的 8/10 位 A/D 轉換器、2 個 TPM(Timer/PWM)模塊、 2 個 SCI (Serial Communication Interface)接口、2 個 I2C 和 1 個 8 路的 KBI (Keyboard Interrupt)接口。射頻模塊的工作頻段是2. 4GHz，通過SPI總線與處理器通信。
軟體方面採用嵌入式Windows CE作為系統的基本平臺，支持嵌入式NET、MFC、 SQL。傳感器採集模塊採用WZIG-C MC13213SMAC無線傳感器採集模塊，集成了多通道高 性能前端小信號處理電路，只需掛接傳感器就可對其輸出信號採集、輸出，支持星形、樹狀、 網狀網絡。在9x9x1mm 71引腳LGA封裝集成了低功耗的2. 4GHz RF收發器和8位微控制 器。MC13213器件具有60KB的快閃記憶體。小佔位面積封裝中的無線電收發器和微控制器的組合 使它成為成本效益的解決方案。GPS模塊採用Leadtek LR9548GPS接收模塊，它是SIRF最新款晶片，接收板結構採 用SiRF star III並行20通道，最高可達18000m，定位時間熱啟動時小於ls，重捕時間小 於0. ls，輸入電壓為3. 3V士5%，電流為70mA，功耗僅為230mW，尺寸僅為24X20X 2. 6mm，重 量僅為2. 5g，定位精度高，採用晶片式嵌入設計，可直接集成在PCB板上，最大限度的節省 了空間。節點數據處理模塊利用微處理器將GPS模塊接口接收到的GPS信息和傳感器接口 接收到的數據進行綜合處理後將指令傳到點火啟動接口，啟動彈跳模塊，從而使節點彈跳， 以適應網絡需要。結合圖2，本發明的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點的控制方法，其特徵在於， 包括以下步驟1)節點發出投放指令，啟動投放模塊；2)利用無線傳感器網絡節點的GPS定位模塊實時採集節點方位信息，對傳感器節 點經緯度位置參量進行判斷，從而實時定位節點，當節點部署不當的時候，對投放模塊發出 控制，啟動微發射器；否則，跳轉到步驟3)，啟用傳感器模塊；3)利用傳感器模塊實時採集節點周圍環境信息，對傳感器節點溫度、溼度狀態參 量進行判斷，從而確定節點是否安全，當節點處於安全狀態時，跳轉到步驟2)，繼續保持對 節點的定位和狀態監測；當節點處於非安全狀態時，執行步驟4)，完成節點彈跳的準備工 作；4)MCU模塊發出點火啟動指令；5)點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令後，彈跳模塊開始彈跳， 之後返回步驟3)。在投放節點時，節點軟體發出投放指令，投放模塊啟動，投放推進的圓柱體直徑為 12mm，推進裝置質量小於10g，攜帶微型傳感器網絡節點的圓柱體直徑24mm，長度57mm，總 體重量40g(不含電池)，節點通信距離50m，節點體積40*16*3 (mm) ；GPS採用實時定位， 接收板結構採用SiRF star III並行20通道，最高可達18000m，定位時間熱啟動時小於 ls，重捕時間小於0. ls，輸入電壓為3. 3V±5%,電流為70mA，功耗僅為230mW，尺寸僅為 24X20X2. 6mm，重量僅為2. 5g，定位精度高。傳感器採集模塊集成了多通道高性能前端小 信號處理電路，在9x9x1mm 71引腳LGA封裝集成了低功耗的2. 4GHz RF收發器和8位微控 制器。點火啟動模塊採用火藥點火，其內部有火藥藥柱，其中還有一些電容電阻來保證變壓 效率，用電容存儲，經過突然釋放打出火花。點火後，彈跳部分就是採用結構動力學原理，給 網絡節點一個作用力，按照作用力方向向上彈起完成向上和前後左右的彈跳運動。經過多次實驗驗證，本發明的GPS定位精度可達到IOm以內，在溫度為0 70°C的環境下能夠正常工作，彈跳高度可達到50m以上，彈跳距離數百米。
權利要求
一種投放式彈跳型無線傳感器網絡節點，其特徵在於，包括投放模塊、彈跳模塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的I2C接口[2]與彈跳模塊的點火啟動控制接口[1]相連接，將控制信號傳輸給彈跳模塊，控制節點彈跳；MCU模塊的SPI接口[4]與射頻模塊的差分電路接口[3]相連接，將數據信號傳輸給射頻模塊，保證通信數據的可靠傳輸，完成傳感器網絡節點的通信功能；MCU模塊的8路8/10位A/D轉換接口[5]與傳感器模塊的差分電路接口[6]相連接，接收傳感器採集的模擬信號，並將控制信號傳輸給傳感器模塊，完成節點狀態信息的採集與控制功能；MCU模塊的SCI接口[7]與GPS模塊所採用的SiRF star III並行20通道接口[8]相連接，接收GPS模塊發送的定位信息並將控制信息傳輸給GPS模塊，完成無線傳感器網絡節點的定位；投放模塊內設置微發射器，MCU模塊的RS232轉換接口[9]與投放模塊的通信接口[10]相連接，將控制信號傳輸給投放模塊的微發射器，控制微發射器啟動。
2.根據權利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點，其特徵在於，主控晶片 MCU採用Freescale公司的無線晶片。
3.根據權利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點，其特徵在於，傳感器模 塊為WZIG-C MC13213SMAC無線傳感器採集接收板。
4.根據權利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點，其特徵在於，GPS模塊採 用直接集成在PCB板上的Leadtek LR9548GPS接收模塊。
5.一種基於權利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網絡節點的控制方法，其特徵 在於，包括以下步驟1)節點發出投放指令，啟動投放模塊；2)利用無線傳感器網絡節點的GPS定位模塊實時採集節點方位信息，對傳感器節點 經緯度位置參量進行判斷，從而實時定位節點，當節點部署不當的時候，對投放模塊發出控 制，啟動微發射器；否則，跳轉到步驟3)，啟用傳感器模塊；3)利用傳感器模塊實時採集節點周圍環境信息，對傳感器節點溫度、溼度狀態參量進 行判斷，從而確定節點是否安全，當節點處於安全狀態時，跳轉到步驟2)，繼續保持對節點 的定位和狀態監測；當節點處於非安全狀態時，執行步驟4)，完成節點彈跳的準備工作；4)MCU模塊發出點火啟動指令；5)點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令後，彈跳模塊開始彈跳，之後 返回步驟3)。
全文摘要
本發明公開了一種投放式彈跳型無線傳感器網絡節點及其控制方法，節點包括投放模塊、彈跳模塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的接口與彈跳模塊的點火啟動控制接口相連接；MCU模塊的SPI接口與射頻模塊的差分電路接口相連接；MCU模塊的A/D轉換接口與傳感器模塊的差分電路接口相連接；MCU模塊的SCI接口與GPS模塊接口相連接；投放模塊內設置微發射器，MCU模塊的RS232轉換接口與投放模塊的通信接口相連接。本發明是在動力學和計算機軟硬體基礎上，充分考慮了方便、實用、低價位特點，使節點根據實際情況可以自主彈跳移動和續航能力，達到自組織的目的。
文檔編號H04W84/18GK101925198SQ20091003305
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月11日 優先權日2009年6月11日
發明者孫鑫, 曹兵, 楊餘旺, 樊春麗, 王磊, 鄭亞, 鞠玉濤 申請人:南京理工大學