本实用新型涉及一种基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,包括电源模块、处理器模块、无线通信模块、传感器模块、存储器模块、串口设备和调试仿真模块。传感器模块由光强传感器、加速度传感器、温湿度传感器组成,完成多种环境的数据采集,将采集到的数据通过通用接口传输给主板处理。同时提供一种支持多传感器模块的通用模块化接口无线传感器网络节点,最终实现:避免重复设计节点设备主体硬件情况下,通过添加与通用模块化接口匹配的传感器模块,使发明可以适用于多种应用场景。其具有体积小、能耗低、测量精度高、适用范围广、可扩展性强、再开发成本低等优点。
1.一种基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,包括电源模块、处理器模块、无线通信模块、传感器模块、存储器模块、串口设备和调试仿真模块,其特征在于:还包括通用模块化接口模块,整个传感器节点以所述的通用模块化接口模块为中心,处理器模块、无线通信模块、电源模块、存储器模块、串口设备和调试仿真模块和传感器模块都通过所述的通用模块化接口进行信息和电源供应,所述通用模块化接口把从传感器采集的数据传送给所述的处理器模块,进行数据处理并发送至无线通信模块。
2.根据权利要求1所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:所述通用模块化接口包含以下接口:I²C、I/O、ADC、JTAG、SPI和USART。
3.根据权利要求1所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:处理器模块采用Atmega128L处理器模块核心芯片。
4.根据权利要求1所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:通过标准接口模块,可以实现多种模拟/数字传感器和存储器相连,扩展传感器节点的功能和应用,通用模块化接口的SCL接口、SDA接口分别和Atmega128L的25接口、26接口连接;通用模块化接口的PF3接口、PF2接口、PF1接口、PF0接口分别和Atmega128L的58接口、59接口、60接口、61接口连接,实现模拟传感器、数字传感器和控制器间的数据传输;通用模块化接口的TDI接口、TDO接口、TMS接口、TCK接口分别和Atmega128L的54接口、55接口、56接口、57接口连接,实现程序调试烧写的控制;通用模块化接口的CSn接口、SCLK接口、SI接口、SO接口分别和Atmega128L的10接口、11接口、12接口、13接口连接,通用模块化接口的FIFOP接口、FIFO接口、SFD接口、CCA接口分别和Atmega128L的8接口、9接口、29接口、31接口连接,共同实现与无线通信模块的数据通信;通用模块化接口的RXD接口、TXD接口、XCK接口分别和Atmega128L的27接口、28接口、30接口连接。
5.根据权利要求2所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:实现串口驱动芯片和控制器间的数据传输,通过所述通用模块化接口中的SPI标准接口,实现无线通信模块与处理器模块的数据通信。
6.根据权利要求2所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:通过所述通用模块化接口中的I²C、I/O和ADC标准接口连接多种传感器,完成数据的采集,并通过处理器模块和无线通信模块进行处理、封包、发送。
7.根据权利要求2所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:通过所述通用模块化接口中的I/O接口与电源模块连接,用于统一对节点各个模块的电源供给。
8.根据权利要求2所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:通过所述通用模块化接口中的JTAG标准接口连接调试仿真器,完成节点程序的调试烧写。
9.根据权利要求2所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:通过所述通用模块化接口中的USART标准接口连接串口驱动芯片,驱动串口的正常通信。
10.根据权利要求2所述的基于通用模块化接口的无线传感器网络节点,其特征在于:上述接口都可以作为标准I/O口使用,通过接口模块,能够实现对各种类型的传感器、无线通信芯片以及存储器的支持。技术领域
本实用新型涉及一种可实现多种信息采集的嵌入式无线传感器网络节点,该设备具有通用模块化接口设计,属于计算机网络领域。
背景技术
无线传感器网络是由多个节点组成的无线自组织网络,它结合了嵌入式、传感器、无线通信等多个技术领域。各传感器节点能够采集所在环境的目标传感器数据,通过无线的方式把传感器数据传送出去,并汇聚到现有互联网络,以实现对环境的实时监测。传感器节点作为无线传感器网络的基本单元,负责传感信息的采集和传输。传感器节点是无线传感器网络的基本组成部分,一方面,节点利用自身所带各种传感器,从所在环境中采集目标传感器数据;另一方面,节点把采集到的目标传感器数据通过无线自组织网络和网关等设备传输出去。节点传感器部分的信息采集能力最终决定着整个无线传感器网络的应用范围和场景。然而现有已成型的传感器节点功能单一、传感模块的可扩展性较差已经成为它们的致命缺陷:一旦节点设计完成,就难以对节点的传感功能进行扩展,对于新的应用场景,就要对节点整体硬件结构进行重新设计,由于二次再开发较复杂,并且需要更长的节点开发周期。不同机构都在致力于各自的无线传感器网络的研究,已有无线传感器网络节点都与某种特定的应用相关,在成本、精度、能耗和扩展性等各个方面均不能达到理想状态。缺少一种能够支持多种传感器、低成本、二次开发难度小、能够广泛应用于各种场景的新型传感器节点。实用新型内容针对无线传感器网络的迅速发展,为了扩展现有技术的应用领域,解决上述存在的问题,因此需要设计一种通用的、功能可重构、能够适用于多种场景的通用型传感器节点。从而保证节点框架灵活性较强,进而减少市场推广时面向各种应用场景的设计复杂度。本实用新型提供了一种支持多传感器模块的通用模块化接口无线传感器网络节点,最终实现:避免重复设计节点设备主体硬件情况下,通过添加与通用模块化接口匹配的传感器模块,完成对多种传感数据的采集,从而实现无线传感器网络适用于多种应用场景。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种通用模块化接口无线传感器网络嵌入式节点设备。该节点设备以通用模块化接口为核心,连接电源模块、处理器模块、无线通信模块和传感器模块;通用模块化接口包含以下接口标准:I²C、I/O、ADC、JTAG、SPI和USART,通过标准接口模块,可以实现多种模拟/数字传感器和存储器相连,扩展传感器节点的功能和应用;利用接口模块中的I²C、I/O和ADC标准接口连接多种传感器,完成数据的采集,并通过处理器模块和无线通信模块进行处理、封包、发送;利用接口模块中的I/O接口连接电源模块,统一对节点各个模块的电源供给;利用接口模块中的JTAG标准接口连接调试仿真器,完成节点程序的调试烧写;利用接口模块中的SPI标准接口,实现无线通信模块与处理器模块的数据通信;利用接口模块中的USART标准接口连接串口驱动芯片,驱动串口的正常通信;另外,上述接口都可以作为标准I/O口使用,通过接口模块,能够实现对各种类型的传感器、无线通信芯片以及存储器等器件的支持.所述的处理器模块核心芯片Atmega128L与通用模块化接口的连接电路:其25、26管脚分别和接口模块中I²C的SCL、SDA进行数据传输;第58、59、60、61管脚分别和接口模块的ADC标准接口连接,实现模拟传感器、数字传感器和控制器间的数据传输;第54、55、56、57管脚分别和接口模块中JTAG的TDI、TDO、TMS、TCK连接,实现程序调试烧写的控制;第10、11、12、13管脚分别和接口模块的SPI标准接口的CSn、SCLK、SI、SO连接,第8、9、29、31管脚分别和接口模块的FIFOP、FIFO、SFD、CCA连接,共同实现与无线通信模块的数据通信;第27、28、30管脚分别和接口模块的USART标准接口的RXD、TXD、XCK连接,实现串口驱动芯片和控制器间的数据传输。本实用新型的有益效果为:本专利提出了一种应用于无线传感器网络的通用节点设备。该设备适用于多种无线传感器网络应用环境,支持无线数据收发,可以载有多种模拟传感器和数字传感器,支持JTAG接口配置,具有体积小、能耗低、测量精度高、适用范围广、可扩展性强、再开发成本低等优点。1、节点采用通用模块化接口设计,把传感器模块从节点上分离出来,通过模块化接口与控制器进行连接。因为不同的应用场景所需要的传感器不同,节点可以根据需要连接不同的传感器进行工作。这样,既可以扩展应用的需要,又可以节省节点再开发的成本。2、节点传感器模块兼容多种传感器,可以包含温湿度传感器、光强传感器和加速度传感器。上述三种传感器可以覆盖无线传感器网络的常用领域,在工农业生产、军事、医疗、环境监测、智能建筑等领域有广泛的应用。3、多数据通信方式,可以通过串口、I²C、I/O以及JTAG和终端进行通信。能够兼容市场上主流的调试仪器。4、节点电源采用直流电源+电池协同供电模式,能够满足便携性和长时间工作的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对实用新型进一步说明。图1是节点硬件组成图。图2是通用接口模块外围电路原理图。图3是处理器模块核心芯片Atmega128L外围电路原理图。图4是无线射频芯片CC2420外围电路原理图。图5是数据采集和处理模块器件间连接电路图。图6是温度数据对比图。图7是湿度数据对比图。
具体实施方式
实施例1:如图1所示:描述了所发明节点的整体硬件组成图。从结构上看,分为电源部分、无线通信部分、处理器部分、传感器部分、通用模块化接口。整个传感器节点以通用模块化接口为中心,处理器部分、无线通信部分、电源部分和传感器部分等都通过模块化接口进行信息和电源供应。主板主要是由处理器、无线通信和电源组成,负责数据的处理、封包和发送接收,和网络中其他节点进行通信,构成网络。传感器部分主要是数据的采集,将采集到的数据通过通用接口传输给主板处理。电源部分由电压转换芯片MIC5209、肖特基整流稳压管、9v电源和9v电池组成。9v电源和9v干电池通过单刀双掷开关连接协同给传感器节点进行供电。通过MIC5209把9V电压转换为3.3v,并通过肖特基整流二极管进行稳压处理。无线通信部分由微带天线、射频芯片CC2420和电磁屏蔽罩组成。CC2420和微带天线之间通过不平衡转换电路提供50欧姆馈线阻抗,保证无线信号的稳定发送,电磁屏蔽罩能够有效防止内外电磁互扰。处理器部分采用ATMEL公司的ATmega128处理器。ATmega128是一款高性能低功耗的8位单片机,内置128kxa0FLASH、4kxa0EEPROM、4kxa0SRAM,支持USART、SPI、I2C等接口。如图2所示:接口模块采用通用模块化的设计思想,接口包括SPI接口、USART、ADC接口、JTAG接口、I²C接口、I/O接口、3.3v和GND以及复位。SPI接口主要用于与无线通信芯片进行数据交换,处理器通过SPI接口对无线通信模块进行控制,USART主要用于与其他终端或者节点进行通信和对节点调试,ADC接口用于连接模拟传感器,把模拟信号转换成数字信号,最大支持8bit模拟信号的处理,I²C可以连接支持I²C通信方式的各种传感器和数据存储器,I/O口可以通过模拟所需要的时序等方式与数字传感器和数据存储器进行通信,利用JTAG进行软件的控制和调试。其中:SO、SI、SCLK、CSn为SPI接口;TDI、TDO、TMS、TCK为JTAG接口;ADC3、ADC2、ADC1、ADC0为ADC接口;RXD1、TXD1、XCK1、T2为串口;SCL和SDA为I²C总线接口;GND、AGND接地;9v和3.3v提供板上其他设备的供电;RESET可以实现处理器ATmega128的重新启动,即可以实现整个传感器节点的重新启动和入网;FIFO、FIFOP、CCA、SFD为中断,可以用于与无线通信模块连接;XCK0、TXD0、RXD0可以用于串口通信。另外,上述端口都可以作为I/O口使用。因此,利用上述接口模块,能够实现对各种类型的传感器、射频芯片以及存储器等器件的支持。处理器芯片与模块化接口的连接方法如下:其25、26管脚分别和接口模块中I²C的SCL、SDA进行数据传输;第58、59、60、61管脚分别和接口模块的ADC标准接口连接,实现模拟传感器、数字传感器和控制器间的数据传输;第54、55、56、57管脚分别和接口模块中JTAG的TDI、TDO、TMS、TCK连接,实现程序调试烧写的控制;第10、11、12、13管脚分别和接口模块的SPI标准接口的CSn、SCLK、SI、SO连接,第8、9、29、31管脚分别和接口模块的FIFOP、FIFO、SFD、CCA连接,共同实现与无线通信模块的数据通信;第27、28、30管脚分别和接口模块的USART标准接口的RXD、TXD、XCK连接,实现串口驱动芯片和控制器间的数据传输。实施例2:由于通用模块化接口的多标准接口特性和处理器的性能支持,传感器部分可以包括温湿度传感器SHT11、光强传感器TSL2561和加速度传感器LIS3LV02DQ。如图3所示:上述传感器通过通用接口模块与处理器芯片ATmega128相连,光强传感器和加速度传感器使用I²C接口,温湿度传感器用I/O口模拟其通信时序。该设备可以有效协调各个模块完成系统功能:光强传感器采用TAOS公司的TSL2561-T,采用I²C通信方式,16bit数字输出,最大速率400kHz,具有低功耗、体积小的特点,能够设置阈值输出中断。温湿度传感器采用SENSIRION公司的SHT11,体积小,功耗低,数字输出,能够计算露点,稳定性好,灵敏度高。加速度传感器采用ST公司的LIS3LV02DQ,宽电压供电,SPI、I²C接口,可编程12或16bit输出,量程可选,能够设置校正寄存器、阈值寄存器等,管理和控制功能丰富。处理器ATmega128与光强传感器TSL2561-T和加速度传感器LIS3LV02DQ通过I²C总线相连。TSL2561-T和LIS3LV02DQ的时钟线与ATmega128的SCL连接,地址线与ATmega128的SDA连接,利用I²C通信时序设置读写地址和寄存器,读取传感器数据。TSL2561-T和LIS3LV02DQ的中断输出连接ATmega128的外部中断输入,如果TSL2561-T和LIS3LV02DQ的传感器数值超过已设定的阈值时,上述传感器给ATmega128一个外部中断。本实用新型的数据采集、处理、封包、发送工作过程如下:0、设备上电复位,启动软件;1、初始化传感器;2、设置传感器相应寄存器;3、控制传感器采集光强等数据;4、通过ATmega128把传感器数据按字节处理,并封包;5、通过ATmega128把封包的数据传给CC2420;6、CC2420以IEEE802.15.4格式发送数据;为了验证节点的性能,构建了一套应用系统,通过该系统实现对节点功能和性能的测试。功能设计如下:在户外,撒布20个点,对此区域的温度、湿度和光强等数据进行采集,并把结果经由网关传给服务器,由远端服务器实现对该区域的监控。通过各个节点的传感器,采集数据并发送给网关,利用米尺等工具测量不同发射功率的情况下通信距离的变化,以及各种传感器数据。图6为使用通用模块化接口传感器节点测量的温度数据,图中数据是在把传感器节点由冬季户外拿到室内再拿回到户外的过程中所测得的数据。通过与未使用通用模块化接口传感器节点测量温湿度进行比较,传感器节点的温度数据基本吻合。图7为使用通用模块化接口传感器节点测量所得的湿度数据,同样是在把传感器节点由冬季户外拿到室内再拿回到户外的过程中所测得的数据。通过与未使用通用模块化接口传感器节点测量湿度进行比较,传感器节点的湿度数据基本吻合,由于冬季室内空气比较干燥,所以湿度下降明显。