[发明专利]一种无线传感器网络低功耗节点设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络低功耗的节点设计方法。

背景技术

目前，国内的多数应用都是以Microchip或Freescale公司所提供的开发套件为平台，进行定位和组网等功能的研究，这种研究是把精力放在上层应用程序算法的开发上。少数有自己的硬件平台，这种硬件平台是参考了业内公司所提供的解决方案的典型电路的，并且其软件仍是在Microchip或Freescale公司所提供的底层协议API接口基础之上来开发实现的。国内外对于无线传感器网络节点设计普遍采用8位或16位高性能单片机和射频收发机的基本架构，节点可以完成数据采集、发送、接收和处理等基本任务，但数据处理能力弱，速率低，灵活性差，不足以达到广泛应用的无线传感器网络在各个领域的要求。

发明内容

为了解决现有无线传感器网络节点的不足，本发明提供一种基于FPGA的无线传感器网络节点设计方案，FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的成果，它具有非常强大的并行数据处理能力，数据容量大，处理效率高，内部结构灵活，可重复配置等优点，能进一步改善节点的功能，实现一个可重复编程，配置自由而且低功耗、低成本的无线传感器网络。

无线传感器网络节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。其中，传感器模块主要负责采集监测区域内的数据，同时对数据进行转换，将模拟信号转换成数字信号；处理器模块负责控制节点的工作，除了存储和处理本身采集到的数据外，还需接收或者转发其它节点发来的数据或者指令；无线通信模块主要负责与其它节点间的通信，将数据或控制信息传送到处理器，或者将处理器的信息或数据发送到其它节点；能量供应模块主要提供节点所需的能量，一般采用一次性的电池供电。

无线传感器网络节点的软件系统用于控制底层硬件的工作行为，为各种算法、协议的设计提供一个可控的操作环境，同时便于用户有效管理网络，实现网络的自组织、协作、安全和能量优化等功能，从而降低无线传感器网络的使用复杂度。本次发明在FPGA平台上采用SoPC技术设计了代码精简的最小系统，编写了个系统模块驱动程序，其中包括UART驱动程序，传感器模块数据采集程序和射频通信程序，在进一步分析Zigbee协议组网的原理及过程的基础上，实现了节点具有数据采集和无线通信的功能，并开发了上位机软件，该软件能对节点采集的数据进行分析处理。

本发明节点系统的工作步骤：

无线传感器网络的组建是由事前被定义为协调器的主节点来建立的，主节点承担协调器的任务，从节点申请入网。一开始节点都需要进行初始化，并确定网络信道，传播速率和波特率等。然后由主节点开始组建网络，一旦子节点入网成功后，协调器可以对网络中任一节点发出采集数据的任务。收到任务的节点将开始工作，MCU发送启动命令给传感器模块，在采集数据完后，MCU以ACK命令来确认，并开始传输数据，将数保存在据寄存器中，等待下一步发送命令。

当子节点收到协调器发出传送送数据的请求后，MCU经SPI总线将数据传到射频模块，射频模块将数据处理并选择射频信道将数据发送给协调器后休眠状态。协调器将接收到的数据处理后经串口发送到PC机上显示。用户通过上位机软件的监测，可以实时观察到温湿度的变化情况。

本发明的有益效果是：从表1可以看出，相对于国内典型节点，本发明的节点功耗非常低，应用此节点组建的无线传感器网络的网络寿命可以得到有效的提高，且节点整体性能优良，具备低成本，微型化，适用范围广，可扩展性和计算能力强等优势，满足复杂多变的监测任务的需求，能快速应用于无线传感器网络的多种具体应用中。

表1

附图、表说明

图1是本发明的节点硬件体系结构框图。

图2是本发明节点中的处理器模块电路图。

图3是本发明节点中的处理器模块与射频模块连接图。

图4是本发明节点中的射频模块电路图。

图5是本发明节点中的硬件PCB图。

图6是本发明节点的最小硬件系统框图。

图7是本发明节点的组网测试效果图。

下面结合附图、表和实施方式对本发明进一步说明。

具体实施方式