复合传感器节点设计（精选7篇）
复合传感器节点设计 篇1
摘要：传感器节点是无线传感器网络硬件平台的重要组成。本文提出了一种新型无线振动传感器节点的设计思路, 借助现有传感器、数据采集板和无线节点, 自行设计接口电路, 集成具有实时采集、传输功能的节点。
关键词：无线传感器网络,无线节点,振动检测
0 引言
无线传感器网络是由具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点组成的网络。传感器节点是无线传感器网络中部署到监控区域内, 负责收集和转发信息、协作完成特定任务的主体, 作为一种微型化的嵌入式系统, 构成了无线传感器网络的基础支撑平台[1]。因此它对所使用的传感器节点有一些严格的限制条件。一般而言, 由于节点由电池供电, 能源受限, 所以优先使用低功耗微型器件, 只是在其功能不能满足要求的条件下才考虑传统的器件。
1 节点设计
本文预期设计一种新型振动传感器节点, 当节点部署后, 自组织网络建立无线路由, 能够实现振动信号的实时感知、数据采集、无线传输等功能。硬件选择以小体积、低功耗、高精度的微型器件为主, 满足无线传感器网络对节点硬件的要求。
1.1 节点硬件组成
本文自选ADXL330型三轴加速度传感器;数据采集设备和无线节点直接选用美国Crossbow公司的产品:MDA300CA型数据采集板, IRIS无线节点。以上设备通过接口电路连接, 组成具有信号感知、采集、无线发送功能的完整节点。
1.1.1 ADXL330加速度传感器
ADXL330是美国模拟器件公司 (ADI) 推出的MEMS三轴加速度传感器。该器件具有尺寸小、功耗低的特点, 自带信号调理电路, 在单片集成电路上实现三维模拟信号输出, 输出的模拟电压信号与加速度成正比。[2]
1.1.2 MDA300CA数据采集板
MDA300CA是在加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 嵌入式网络传感器中心 (CENS) 开发的多功能数据采集板。由于具有微型螺钉连接方式使其更适合于自定义传感器类应用。MDA300CA提供了一个高精度的模拟信号获取手段, 可以与Crossbow所有无线模块通过51针接口相连。
1.1.3 IRIS无线节点
IRIS是美国Crossbow科技公司推出了一款超低功耗、更远距离传输的无线传感器网络Mote模块。IRIS用于低功耗无线传感器网络, 工作在2.4 GHz, 支持IEEE802.15.4协议。IRIS增加的几点新特性从整体上提高了Crossbow无线传感器网络产品的性能:
1) 超低功耗, 休眠电流减半, 更长电池寿命;
2) 相对MICA系列产品, 三倍作用距离, 双倍存储空间;
3) 基于IEEE802.15.4/ZigBee协议RF发送器, 工作在2.4-2.4835GHz, 全球兼容的ISM波段;
4) 即插即用, 可连接Crossbow所有传感器板、数据采集板、网关和软件。
1.2 硬件连接
本文节点组成:与外围电路集成的ADXL330传感器, MDA300CA数据采集板, IRIS无线节点。MDA300CA带有螺钉式数据接口, 与传感器PCB各引脚连接, 为其提供电源并接收模拟输出信号, 再通过51针接口与IRIS无线节点连接。
1.2.1 ADXL330-PCB与MDA300CA的连接
将ADXL330外围电路集成在PCB上, 共有5个引脚, 两个固定孔。其中, T1=Vcc (+2.0V~+3.6V) , T2=GND, T3=XOUT, T4=YOUT, T5=ZOUT, T6、T7为电路板固定孔。C1、C2为电源去耦电容。C3、C4、C5实现低通滤波功能。本文设计节点主要测量中低频信号, 选取C3=C4=C5=0.01μF限制带宽, 3d B带宽计算公式:
1.2.2 MDA300CA与IRIS的连接
MDA300CA数据采集板与IRIS无线节点, 都是美国Crossbow科技有限公司开发的基于WSN的硬件平台。两者直接通过51针接口相连, 能够互相兼容。节点工作时, 需要加载MDA300CA数据采集板的驱动才能实现功能。在安装Crossbow配套开发软件MoteWork后, MDA300CA的驱动在该安装目录下:CrossbowcygwinoptMoteWorkappsxmeshXMDA300。
2 节点数据采集
节点工作过程中, 传感器感知振动并输出模拟信号, 数据采集板MDA300CA将该信号进行模数转换, 由节点无线发送模块将数据包送入无线网络, 最终上传至用户端计算机并显示。
3 结论
本文提出了一种无线振动传感器节点的设计思路。通过设计外接接口电路, 将低功耗传感器与数据采集和无线发送模块集成, 构成具有振动信号感知、采集和无线发送功能的新型传感器节点, 经实验验证, 该节点功能实现良好。
参考文献
[1]王丽琴.无线传感器网络密钥管理方案研究.硕士学位论文.陕西:武警工程学院, 2010.
[2]孟维国.三轴加速度计ADXL330的特点及其应用[J].国外电子元器件, 2007, 2:47-50.
[3]郭斌, 李欣昕.无线传感网用振动加速度传感器几点探索[J].今日电子, 2007, 3:64-65, 72.
温度传感器节点软件设计 篇2
在工农业生产、医疗和智能家电中,具有感知、计算、存储和通信能力的无线数据采集系统的应用越来越广泛。无线数据采集系统由传感器将各种复杂环境中的物理量转化成电信号,经过微处理器的信号处理,然后通过无线收发模块将信号发送给PC机等监控设备,实现短距离信号监测和控制。应用无线数据采集系统可以帮助提高工农业生产过程管理的精准性、便捷性和无人值守等。
温度传感器节点的设计应用到Cypress的可编程片上系统芯片CY8C27443,该器件包括一个8位的微处理器、8个可编程的数字模块和模拟模块。应用PSo C1 Designer基于图形化的开发软件,可以直接将系统中需要的各种应用模块拖放到设计区,进行简单的参数设置,即可以完成系统电路的设计。
1 P S o C 1系统全局资源配置
如图一所示,对温度传感器节点中的CY27443进行系统资源参数设计。为了达到低功耗的设计目标,系统的工作时钟选择12MHz,休眠时钟选择64Hz。
2 添加C y Fi S N P模块应用
Cy Fi SNP模块是实现星型网络协议的专用模块。在PSo C1 Designer软件的User Modules窗口中,选择RF→Cy Fi SNP→NODE,在打开的对话框中,选择Node选项,并按图二进行模块的参数设置。
3 添加定时器模块
选择PSo C1系统中的8位定时器模块,并把时钟设定为32KHz,定时器的计数周期值设定为255。其他具体参数设定如图三所示。
4 添加模数转换器
温度采集需要用到模数转换电路。PSo C1芯片中已经集成了可编程的模数转换器,可以直接将其拖放到设计区。本设计选择12位的ADC,具体参数配置如图四所示。
5 添加信号调理放大器模块
为了对温度传感器获得的模拟电压信号进行调理,需要对信号进行放大,因此在系统中需要放置一个PGA模块。本模块的参数设置如图五所示。
6 添加符合8位R S-232数据格式的串行发送器模块
为了实现数据的传送,在PSo C1系统中直接拖放一个TX8模块,并将时钟设定为系统时钟24MHz。具体配置如图六所示。
7 添加数据缓存器模块
PSo C1系统中有专用的数字缓冲器Dig Buffer,便于在进行数据传送时实现稳定、可靠的数据处理。在设计中放置一个简单了两路输入两路输出的数字缓冲器,模块的参数设置如图七所示。
8 芯片引脚配置
PSo C1芯片的引脚功能可灵活配置,根据硬件的PCB设计,可以把系统中各模块电路的输入输出分配到任意的引脚。本设计的芯片CY27443引脚配置如图八所示。
9 系统全局内部网络连接
在放置好各模块电路之后,PSo C1 Designer设计的最后一步是对各模块电路进行内部连接,使各模块电路组建成一个完整的应用系统。本设计温度传感器节点的全局网络连接如图九所示。
1 0 结束语
本文只介绍了单传感器节点的软件设计的具体步骤,对一个网络中有多个传感器节点的应用没有作具体的设计。在多节点的应用设计中,软件设计方面有待进一步研究。
参考文献
[1]刘宁,归奕红.一种安全的无线传感器网络结构设计方案[J].计算机与数字工程,2011,39(01):90-92,120.
复合传感器节点设计 篇3
Zig Bee技术是为低速数据传输、低功耗、低成本应用而产生的一种新型的无线通信技术,在应用简单、功耗低、有自组网能力、网络容量大、可靠性高、使用成本低等方面有很大优势。Zig Bee能弥补IEEE 802.11、蓝牙和超宽带等短距离无线通信技术在组网能力和节能方面的不足,适合组建节能型的大规模无线传感器网络。
虽然Zig Bee网络的能耗低于普通的无线网络,但是众多场合下Zig Bee网络的节点没有固定基础设施支持,大都采用电池供电,而Zig Bee网络的生命周期一般都至少是几个月。Zig Bee应用的特殊性使得Zig Bee对节点的能耗控制严格要求。
1 Zig Bee现有的节能方法
为了实现低能耗,Zig Bee引入了多种降低功耗的方法:一是Zig Bee基于IEEE802.15.4协议,采用DSSS(直接序列扩谱)技术;二是采用间接数据传输,大部分时间里,节点将关闭其收发设备处于睡眠状态;三是Zig Bee的传输速率低,传输数据量很小,因而信号的收发实际时间很短;四是采用了AODV(按需距离矢量路由)和Cluster-Tree相结合的路由算法来降低能耗等等。
现在很多机构和个人对Zig Bee的节能机制及Zig Bee节点的能量有效性进行研究。部分研究者从硬件层面来考虑节能方法,采用低功耗电路设计方法和高效的电源管理方法,降低传感节点的功耗。为了延长节点寿命,考虑从节点周围的环境中获取能量为节点使用,如采用光电池。除电源外,节点还包括处理器、传感器和无线通信模块。其中针对处理器的节能有一些较为成熟的节能方法,如通过切换处理器工作状态而节能的动态功率管理(DPM)技术[1],通过对处理器的工作电压和工作频率动态调整而节能的动态电压调节(DVS)技术[2]。也有研究者从网络层面来考虑节能方法。目前研究较多的节能技术包括:节点休眠/唤醒调度机制,功率管理算法、报文驱动的节能机制和时间驱动的节能机制,数据融合技术,改进路由算法和组网方式等等。
在大部分Zig Bee网络的应用中,事件发生的偶然性很强,监测节点没有必要时刻保持在高速的工作状态。节点一般处于睡眠状态,必要时加以唤醒,将显著地降低节点的能耗,是一种有效的节能方案。休眠唤醒的方法通常有定时唤醒和射频唤醒两种。定时唤醒无需对节点硬件进行改动,只需利用软件预先设定节点的工作状态时刻表,但定时唤醒在延长无线网络寿命的同时降低了系统的实时性,不能达到最佳的节能效果。而射频唤醒对网络的实时性损害很小,能更大程度地降低节点的功耗,延长无线传感器网络的寿命。尤其在一些实时性要求比较高的特殊区域,可以采用定时唤醒与射频唤醒相结合的工作方式,在对硬件进行改进的同时,在软件的编写中使用定时时刻表[3]。
2 低功耗节点设计
2.1 硬件电路
无线网络节点一般由传感器、处理器、无线通信和能量供应四大模块组成。本系统增加了一个射频唤醒模块,其作用是给微处理器模块一个中断使其从睡眠状态唤醒到工作状态。
本文选择西安华凡科技有限公司的HFZ-CC2430CC2431ZDK开发套件,以CC2430芯片作为Zig Bee无线传感器网络的核心元件。CC2430集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机、1个8位增强型51内核MCU、128 KB可编程闪存和8 KB的RAM,带有2个强大的支持几组协议的USART,以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器[4]。CC2430在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27 m A或25 m A;在休眠模式时仅0.9μA的流耗,同时具有从休眠模式转换到主动模式时间超短的特性。
射频唤醒模块由接收电路和发射电路两部分组成。由于Zig Bee节点之间的距离较近(几十米),选用低频唤醒的方式比较适合。选用Atmel公司的具有超低功耗、序列头侦测功能的ATA5276和ATA5283,其中ATA5276用于发射125KHz电磁波,ATA5283用于接收125KHz电磁波。ATA5276待机电流小于50μA。ATA5283在接收数据前处于待机侦听模式时电流仅为1u A,接收数据的过程中功耗为2u A。射频唤醒模块的低频信号与CC2430的高频信号采用不同的天线。本文采用单极天线电感加载方式来接收125KHz电磁波。
2.2 工作方式
CC2430的五种工作模式和对应的工作电流如下:发送(24.7m A)、接收(27m A)、空闲(190u A)、掉电(0.9 u A)和关闭(0.6u A)。本系统采用数据采集节点在数据采集间隔期进入掉电工作模式,唤醒之后系统进入正常工作模式(发送/接收)。
节点在初始状态下处于睡眠状态,其射频唤醒模块A-TA5283则处于待机侦听模式,可以接收电磁波。ATA5283接收到一个完整的序列头后会在N_WAKEUP脚给出一个低电平去唤醒CC2430。CC2430通过读取ATA5283的N_DATA脚可以获得ASK解调输出的串行数据。当CC2430判断数据已接收完,给出一个高电平到ATA5283的RESET脚,它就会回到待机侦听模式。如果需要唤醒周围的其他节点进行数据的转发操作,CC2430就通过一个单线双向接口控制A-TA5276配合天线线圈发射125k Hz低频载波传送数据和能量,来唤醒周围节点协助工作。节点在处理完事件后,会判断是否继续停留在全速工作状态,如果不需要就再次进入睡眠状态等待下一次被唤醒。
2.3 系统测试
在50平方米的房间里随机放置了一个协调节点,六个采集节点。每个采集节点用两节1600m Ah的电池供电。测试时采集节点的工作状态分三种情况:一是始终处于工作状态;二是采用定时唤醒机制,设定状态切换周期为4秒(3795ms休眠,5ms过渡,200ms侦听);三是采用射频唤醒机制。假定每天有20个随机事件发生,每个事件持续1分钟,则6个节点一天内消耗的总能量分别为8463.5m Ah.V、536.4m Ah.V、42.3m Ah.V。经过比较,射频唤醒机制下能耗最低,是定时唤醒机制下的7.9%,是始终处于工作状态下的
0.5%。
3 结论
本文在分析现有节能机制的基础上着重研究射频唤醒机制,设计低功耗节点,有效控制节点的唤醒时间,降低的节点的能量消耗,对于Zig Bee无线传感器网络技术的推广有一定的实际意义。S
摘要：本文在分析现有ZigBee传感器网络节能机制的基础上着重研究了休眠调度机制。从单个节点的设计入手,通过射频唤醒模块来控制节点工作状态,使节点适时地进行睡眠/唤醒工作状态之间的切换。最终实现节点的低功耗,达到整个ZigBee网络节能的目的。
关键词：ZigBee,节能,休眠,射频唤醒
参考文献
[1]Sinha and A.Chandrakasan.Operating System and Algorithmic Techniques for Energy Scalable Wireless Sensor Networks[R].Proc.of the Second International Conference on Mobile Data Management,Jan,2001.
[2]Pering T,Burd T,Brodersen R.Dynamic Voltage Scaling and the Design of a Low-power Microprocessor System[C]//Proceeding of Power Driven Microarchitecture Workshop at ISCA98,Barcelona,Spain,1998.
[3]吴鹏程.无线传感器网络射频唤醒机制研究[D].重庆大学,2008.
复合传感器节点设计 篇4
传感器网络最先应用到军事领域, 在战场检测上发挥了巨大的作用。经过近年来的发展, 传感器网络如今已经广泛的应用于民用领域, 如救灾、环境监测、工业、智能家居等。随着物联网的提出, 作为物联网技术的重要组成部分, 传感器网络得到了更为迅速的发展[1]。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术, 能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息, 并对其进行处理, 将信息传送至用户。传感节点作为组成传感器网络的重要组成部分, 是感知信息在网络中传送的起点, 需要唯一、无歧义地标识[2]。目前, 国家标准《信息技术传感器网络第501部分:标识:传感节点标识符编制规则》[2]于2014-12-05发布了, 并于2015-04-01起正式实施。然而, 目前还没有相应的传感器网络传感节点标识符注册管理, 影响了传感节点标识符大规模应用推广。
对标识符注册进行有效管理, 是标识符的后续应用的基础, 对推广传感节点标识符的大规模应用具有重要意义, 本文设计的传感器网络传感节点标识符注册管理包括标识符注册过程的管理和标识符注册内容的管理。
1 传感节点身份标识符注册管理
传感节点身份标识符的注册管理流程如图1所示, 首先, 需要对注册的传感节点的身份标识符进行标准符合性和唯一性验证, 然后, 将通过验证的身份标识符存入注册服务器的数据库中, 完成身份标识符的注册。传感节点身份标识符规范符合性和唯一性验证流程如图2所示, 第一步需要验证身份标识符的长度是否符合规范, 根据国家标准《信息技术传感器网络第501部分:标识:传感节点标识符编制规则》的规定, 传感节点身份标识符的结构如图2所示;第二步将身份标识符分割为管理机构代码、版本号、生产厂商代码、产品代码四部分, 分别用正则表达式去验证是否符合规范, 若符合规范则进入第三步, 若不符合则输出内容不符合规范, 验证失败;第三步判断生产厂商代码是否注册, 若成功则进入第四步, 若失败则输出生产厂商没有注册, 验证失败;第四步判断此标识符是否已经注册过, 若没有注册过, 则此步验证通过, 若没通过, 则输出此身份标识符已注册, 验证失败。
2 属性标识解析服务器的注册管理
属性标识解析服务器存储由传感节点生产厂商提供的节点身份属性和应用属性信息, 并提供解析服务。属性标识解析服务器注册的内容为属性标识解析服务器的IP地址和生产厂商代码。在属性标识解析服务器的注册管理中, 需要对注册的属性标识解析服务器的IP地址进行管理, 确保注册的内容符合规范, 如式2.1所示为匹配IP地址的正则表达式[4]。
在式2.1所示的正则表达式中“25[0-5]”用来匹配以25开头, 个位为0-5的三位字段, 表示的数字范围为250-255, “2[0-4]d”用来匹配以2开头, 十位为0到4, 各位为任何数字的三位字段, 表示的数字范围为200-249, 1d{2}用来匹配百位为1, 个位和十位为任何数字的三位字段, 表示的数字范围为100-199, [1-9]?d用来匹配十位为1-9, 个位为任何数字的两位字段, 表示的数字范围为0-99, 再向字符串后添加一个“.”就可以划分一个段, 将“ ( (?: (?:25[0-5]|2[0-4]d| ( (1d{2}) | ([1-9]?d) ) ) .) ”作为一个分组并重复三次, 然后添加 ( (?: (?:25[0-5]|2[0-4]d| ( (1d{2}) | ([1-9]?d) ) ) .) 就形成一个IP地址的正则表达式。
3 传感层标识解析服务器注册管理
传感层标识解析服务器注册的内容为传感层标识解析服务器的IP地址和传感节点身份标识符, 需要对注册的传感层标识解析服务器的IP地址和传感节点身份标识符进行管理, 确保注册的内容符合规范。注册的传感层标识符解析服务器的IP地址的管理参照第二节的属性标识解析服务器的注册管理, 传感节点的身份标识符的管理可以参考第一节的传感节点身份标识符注册的管理。
4 总结
本文利用VS2010开发环境和SQL Server数据库, 开发了传感器网络传感节点身份标识符注册管理系统, 通过测试, 本文设计的传感器网络传感节点标识符管理能够对标识符的注册过程和注册内容进行有效管理。
摘要：目前, 国家标准《传感节点标识符编制规则》正式实施。然而, 目前还没有相应的传感器网络传感节点标识符注册管理, 影响了传感节点标识符大规模应用推广。本文设计了传感网络传感节点标识符注册管理, 对标识符的注册过程和标识符注册内容进行管理, 对推广传感节点标识符的大规模应用具有重要意义。
关键词：传感器网络,标识符,注册管理
参考文献
[1]徐冬梅, 徐全平, 董挺.传感器网络标识技术及标准化[J].信息技术与标准化, 2012 (4) .
[2]钱志鸿, 王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报, 2013 (1) :215-227.
[3]GB/T30269.501-2014.信息技术传感器网络第501部分:标识:传感节点标识符编制规则[S].
复合传感器节点设计 篇5
关键词：无线传感器网络,节点,ZigBee,CC2530
0 引言
由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统就是无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)[1]。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。ZigBee[2]作为一种基于IEEE802.15.4[3]标准的短距离、低速率、低功率和低成本的无线网络通信技术,其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式,在此基础上通过软件协议栈发展出大容量、不依赖现有通信网络和现有电力网络的无线网络。协议栈不需注册,ZigBee技术使用免费的IMS的2.4GHz、915MHz和868MHz频段[2],传输速率为20k~250kbps。与蓝牙、红外和WiFi等无线通信技术相比有着成本和开发简单等优势,所以ZigBee是无线传感网主要的无线通信技术标准。
ZigBee具有低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等特点,可广泛应用在2.4GHz IEEE 802.15.4系统,RF4CE遥控制系统,ZigBee系统,家庭/建筑物自动化,照明系统,工业控制和监视,低功耗无线传感器网络,消费类电子和卫生保健[4]。
1 方案设计
1.1 方案选择
目前ZigBee技术提供方式有三种[5]:
(1)ZigBee RF+MCU 例如:TI CC2420+MSP430、FREESCLAE MC13 XX+GT60、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU。
(2)单芯片集成SOC 如:TI CC2430/CC2431(8051内核)、FREESCALE MC1321X、EM250。
(3)单芯片内置ZigBee协议栈+外挂芯片JENNIC SOC+EEPROM、EMBE R 260+ MCU。
不同处理器会导致节点的整体能耗和节点的工作寿命的不同。射频单元决定无线通信频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。选用TI公司针对2.4GHz频段推出的CC2530F256芯片,CC2530[6]是TI 公司推出的最新一代ZigBee标准芯片,适用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用。符合IEEE802.15.4规范,结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈(Z-StackTM),提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。也是目前众多ZigBee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。其主要特性如下:
(1)片内集成了极好性能的一流RF收发器,工业标准增强性8051 MCU,支持代码预取;256kB Flash ROM和8kBRAM,支持硬件调试。
(2)具有2个USART、1个16位、2个8位定时器;32kHz睡眠定时器;8通道输入可配置12位AD转换器;看门狗等智能外设。硬件支持CSMA-CA、强大的DMA功能(片内集成5通道DMA),具备电源管理与温度感测功能;高密度集成化电路节约设计成本[1]。
(3)宽电源电压范围(2V~3.6V);支持5种工作模式[1],且转换时间短:唤醒模式0.2mA、睡眠模式1μA、中断模式0.4μA。在接收和发送模式下,电流损耗分别为24mA和29mA,可以较好地满足超低功耗系统的要求。
(4)由于硬件设计简单,功耗低,封装小等特点,得到了越来越广泛地应用。包括2.4GHz IEEE802.15.4系统、RF4CE远程控制系统、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗WSN等领域[2]。
1.2 硬件设计
分析节点需要实现的功能包括控制传感器采集信息,控制微处理器进行信息存储和处理以及通过无线收发模块完成数据收发[7]。在实际应用中,由于需要节点长时间地工作,要求有效降低功耗,因此需要节点硬件系统结构设计简单、精简。包括以下几部分:供电部分、CC2530片上系统、天线、32MHz系统时钟和32.768kHz的实时时钟、串行接口及JTAG调试接口。CC2530片上系统消耗大部分能量,其余电路与之相比可忽略。CC2530芯片正常工作时,在接收和发送模式下,电流损耗分别为24mA和29mA,所以系统整体比较省电,具有较低功耗[8],可以满足长时间工作的要求。
节点的硬件结构框图见图1。
1.2.1 电源电路
电源是所有电子系统的基础,电源模块的设计直接关系到节点的寿命。能量供应模块[9]主要的功能是负责为传感器节点提供运行所需的能量,一般情况下使用微型电池。
我们采用外接交流电对其供电。提供9V~15V(最好是9V)未稳压的直流电源,经过变压器变压、稳压后提供3V和5.5V两种电压。图2为电源模块。
1.2.2 JTAG调试接口
图3为JTAG调试接口的电路图,DEBUG_DD是调试数据线,DEBUG_DC是调试时钟信号线,信号线P1.6/MOSI,P1.7/MISO连接CC2530芯片的串口,P0.0,P0.1可以用作普通接口线,也可用作ADC的信号线,其中通过仿真器下载程序中需要用到的引脚是电源线、地线、复位线和DEBUG_DD及DEBUG_DC接口。
1.2.3 串口通信模块
串口通信模块为了方便监测网络中数据传输的正常,需要串口来连接计算机,读取节点内部的数据。连接串口到CC2530,必须加max232进行电平转换[10]。串口通信最高波特率高达230kbps。
1.2.4 ZigBee无线通信模块
ZigBee网络节点硬件设计的核心模块是处理器模块和无线收发模块,处理器在无线收发模块的协作下保证无线网络的建立与维护,数据采集与处理,无线数据收发以及ZigBee2007/pro协议栈的正常运行。
数据先存放在数据储存器当中,处理器通过寄存器、中断、串口和SPI等方式控制串口及无线收发模块。处理器单元决定了节点的数据处理能力,路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度。
2 电路设计中的注意事项
(1)CC2530芯片是比较敏感的芯片,在电路设计过程中要重视电源部分的设计,电源的滤波电路要设计好,是电路设计成功的关键。本设计中为了防止电源信号的不稳定,滤除电源噪声,电源输入端注意滤波电容的选择。
(2)CC2530芯片复位引脚是低电平复位,CC2530有五个复位源。以下事件产生复位:强制RESET_N输入引脚为低;上电复位条件;布朗输出复位条件;看门狗定时器复位条件;时钟丢失复位条件。
(3)32.768kHz的实时时钟可以不使用,不影响网络通信。
(4)天线设计部分,如果不适用PCB天线,则采用外接的50Ω单极天线,要注意微波传送带线,主要完成阻抗匹配[11]。在2.4GHz情况下,它是两段1/4波长的走线,微波传送带线总长不超过5.8cm。在天线部分区域尽量减少元器件放置,多设置接地,降低干扰。
(5)PCB电路设计中,要注意的是器件的封装、布局的位置有可能对整个电路性能产生很大的影响[11],尤其是无线通信部分的电容、电阻、电感都推荐使用0402封装的器件,并根据原理图尽量放置在距离CC2530芯片各个引脚比较近的位置上。
3 性能指标
4 结束语
本文结合系统的实际要求,设计出了无线传感器节点的硬件设计方案。选用CC2530处理器作为系统的微处理器,介绍了ZigBee网络节点芯片选型、结构框架、性能特点和较为详尽的设计过程;给出了外围电路的设计和各元器件参数及PCB设计中的注意事项。选用ZigBee协议作为无线传感器网络的传输协议,实现了一种低功耗的无线传感器网络节点硬件平台,为系统的应用提供了必要的基础。
参考文献
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复合传感器节点设计 篇6
物联网依靠一些信息采集、传感和定位设备来构建物与物、物与人、人与人之间联系, 以最终实现远程识别、定位、调控等功能, 是不断提高智能化和数字化程度的重要技术。物联网的网络结构分为三层, 分别为感知层、传输层和应用层。为了设计与应用方便, 一般将感知层与传输层的接入部分集成到一个模块内, 构成了物联网传感器节点。各种形式的信息采集、处理和传输设备以及传感器设备构成了物联网传感器节点的主要部分, 在功能需要时会集成一些执行机构作为补充。在条件允许的区域, 采用电力线载波通信 (PLCC) 的方式来实现物联网内信息的传递具有明显的优势。基于PLCC的物联网可以充分利用电力系统现有的传输线路, 节省大量基础建设成本。另外, 电力系统网络分布广泛, 除部分偏远地区, 几乎全部的居民、企业和单位都连入电力网络。利用PLCC通信技术可以方便的读取电表信息, 并构建覆盖范围广的防火防盗监控系统。因此, 设计基于PLCC的物联网传感器节点具有广阔的市场空间和良好的发展前景。
1 基于PLCC的物联网传感器关键元件
在综合考察当前的物联网技术发展现状和PLCC技术的特点后, 本文设计的基于PLCC的物联网传感器节点的主控单元选择为So C (Systemon Chip) 单片机C8051F021, 而PLCC芯片的型号则为SC1128, 配合其它电子元器件, 构成了本文设计的传感器节点。
So C单片机C8051F021运行功耗低, 与MCS-51系列单片机兼容性好, 指令执行速度快。相比于MCS-51系列单片机, C8051F021具有更多的功能元件和资源, 包括额外的外部数据存储器、定时器/计数器、D/A和A/D转换器等。SC1128芯片是专门针对我国电网现状而设计的PLCC通信芯片, 不仅成本较低, 而且具有功能全面、传输速率高、抗干扰能力强等特点, 特别适合在物联网传感器节点中使用。
本文设计的物联网传感器节点适用于小区监控、家居智能化系统等弱电工程, 主要目标是搭建一个可以为不同种类的传感器提供接口, 以PLCC通信技术实现网内通信, 并通过引入控制电路和执行机构实现远程动作的物联网节点。该物联网传感器节点的基本功能包括:采集和传输传感器感知的信息、执行上层指令和调整自身运行状态。传感器感知的模拟或者数字信号经单片机处理后, 传输到PLCC芯片中进行调制, 然后进电力线输送至物联网络中。物联网的控制中心也可以下发控制指令至传感器节点, 经PLCC芯片解调和单片机解析后, 通过调动相关控制电路来实现执行机构的动作。此外, 该物联网传感器节点还能够根据外部设备配置的动态变化和电网的运行状态调整自身的工作参数, 以维护物联网信息传递的稳定性, 提高传感器节点对不同工作环境的适应能力。
2 基于PLCC的物联网传感器节点的设计
本文设计的物联网传感器节点可以提供三种数字传感器接口和两个模拟传感器接口, 控制电路的输出形式包括OC门、可控硅和光耦三种。模拟传感器采集的信号经过放大器放大和低通滤波器过滤后, 进入单片机的输入端, 由单片机对上述信号进行再次放大并转换为数字信号。模拟输入通路的增益放大器型号为PGA103, 可提供1、10、100三种电压增益倍数, 结合单片机内部的5档程控放大器, 该通路可以提供0.5~1600的电压增益, 可以满足大部分模拟传感器的要求。单片机C8051F021具有SPI、UART和I2C三种并不同形式的数字传感器接口, 可以接入多种类型的数字传感器。
基于PLCC的物联网传感器节点的设计核心内容是SOC单片机C8051F021的程序设计。
初始化是单片机运行的首要动作, 主要任务是对单片机的接口工作模式、振荡频率和端引脚等进行设置, 以保证单片机处在预定的运行状态。检测工作参数和节点参数配置是指通过对单片机接口UART1进行检测仪确定是否有新的工作参数输入。新输入的工作参数经鉴别后会被存入单片机内部的参数表中, 实现工作参数的更新。然后, 系统会比对当前传感器节点的各元器件的工作参数与已经更新的参数表, 并按照参数表对元器件工作参数进行修改和配置, 以保证整个传感器节点的正常工作。完成这一动作后, 单片机采集各传感器感知的信号, 经过处理后送入PLCC芯片进行调制并耦合输入电力线路中, 实现物联网信息和数据的远程传输。物联网的上位机接受到传感器节点输送的信息后, 返回相应的控制命令。这些控制命令经由PLCC芯片解调后输入单片机进行处理, 由单片机调动相应的控制电路实现指令的执行操作。
3 结语
本文设计的基于PLCC的物联网传感器节点经试验测试后, 显示出良好的性能。传感器信息采集的误差较小, PLCC的通信性能也稳定可靠, 均达到了相应的性能指标要求。而且, 该物联网传感器节点具有较高的灵活性, 可以根据需要配置多种外接传感设备, 从而实现远程监控、家居环境自动调节、门禁控制和消防报警等功能。随着信息技术和互联网技术对人类生活和生产方式的影响不断深入, 智能化和数字化已经是现代社会发展的必然趋势。基于PLCC的物联网传感器节点在满足了基本功能需求的基础上, 可以大大减少物联网的基础建设成本, 具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]吴振强, 周彦伟, 马建峰.物联网安全传输模型[J].计算机学报, 2011 (8)
复合传感器节点设计 篇7
微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步,推动了低功耗多功能传感器的快速发展, 使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络[1](Wireless Sensor Network,WSN) 就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统[2], 其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息, 并发送给观察者。本文将设计的节点通过制定的协议组成一个小型的无线传感器网络来完成信息的检测和传输。
2 数据采集部分硬件电路的设计
本模块采用电池供电, 由于电池的容量是有限的,所以模块应尽量选用低功耗的外围电路器件。
2.1 单片机的选取
本模块选用TI公司的超低功耗单片机MSP430F1232 作为微控制器[3], 其工作电压为1.8 ~ 3.6V。该单片机的耗电电流在0.1 ~ 400u A之间, 因不同的工作模式而不同, 用中断请求将CPU唤醒只需要6us, 因此本款单片机能在低功耗模式下具有很好的响应实时性。此外,MSP430F1232 是16 位单片机, 有较高的处理速度, 在8MHz晶体的驱动下, 指令周期为125ns。MSP430F1232[4]还集成了许多功能, 如8 路10 位精度的A/D模块,3 个16 位的定时记数器, 串口/SPI接口,片内看门狗定时器等。因此,MSP430F1232 适合于许多要求高集成度、低功耗的场合。为了进一步降低系统的功耗, 单片机在进行A/D转换时采用外部32.768KHz的晶体震荡器作为时钟源。
2.2 传感器的选取
本模块是用于采集温度和人体热释红外信息, 实际应用中可以根据需要接入其它的传感器进行相应的参数检测。
(1) 温度传感器
温度传感器选用Dallas公司[5]的可编程单线制数字式温度传感器DS18B20 实现室内温度采集。该传感器体积小, 外形如普通三极管, 其内部集成有测温传感器及逻辑控制电路。DS18B20 的外围电路简单, 成本低, 但其测温精度较高, 可以设定9 ~ 12 位的分辨率,精度为 ±0.5℃ , 可以满足一般应用的要求。它还有很多优点, 例如: 直接输出数字信号, 省去了后继的信号放大及模/ 数转换部分; 一根信号线上可以挂接多个DS18B20, 便于多点测量; 分辨率设定, 及用户设定的报警温度存储在EEPROM中, 掉电后依然保存。
(2) 人体热释红外传感器
人体热释红外传感器主要由热释电红外传感器RE200和红外传感信号处理器BISS0001两个器件构成。热释电红外传感器是一种新型敏感元件, 它是由高热电系数材料, 配以滤光镜片和阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来自人体发出的红外辐射, 将其转化成电信号输出, 并可有效抑制人体辐射波长以外的干扰辐射, 如阳光、灯光及其反射光。BISS0001 对RE200 检测到的信号进行放大处理, 如果RE200 检测到人体红外信息, 传感器最终将输出一个高电平信号。
2.3 无线收发部分
无线通信部分选用n RF905 作为无线收发芯片, 其工作在433/868/915MHZ的ISM频段, 最大发射功率为+10d Bm, 高抗干扰的GFSK调制, 传输频率为50k Hz。n RF905 收发芯片专为点对多点无线通信设计,工作电压为1.9 ~ 3.6V, 待机功耗为2u A, 适用于低电压、低功耗系统中, 内置完整的通信协议和CRC, 只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。
2.4 节点的硬件原理框图
节点采用2 个8 段数码管来显示温度, 人体红外信息用一个红色LED来指示。同时节点检测到或接收到的数据还可以通过RS232 接口发送到计算机上进行显示, 数据由射频n RF905 传输。检测节点原理框图如图1 所示。
3 数据通信技术研究
3.1 基于单通道的MAC层控制算法
目前AD Hoc网络中MAC协议有多种, 由于本系统终端发送业务的时间比较少, 网络的业务量小, 网络节点不多。MAC层可采用载波监听多路访问接入协议CSMA, 退避算法采用1- 坚持算法。通过设计相应的路由协议, 实际使用中测得整个网络的吞吐量可达到65%。MAC层数据包的格式:
其中:
包头: 一个字节数据,0x AA。路由表:7 个字节数据, 第一个字节是发送数据的源地址, 接下来的5 个字节是从起始地址到尾地址按路由顺序排列, 最后一个字节是目的地址。路由指针: 一个字节, 总是指向下一个地址。数据类型: 一个字节,0x11 为数据帖,0x33 为路由帖,0x44 为确认帖,0x55 为重发帖。数据:2 个字节,可以是控制命令或测量的数据。CRC16 校验码:2 个字节, 采用查表法生成16 位CRC校验码。包尾: 一个字节,0x55。
3.2 路由协议
关于无线自组网中的路由策略,目前已有多种办法,例如,基于表驱动的主动路由协议DSDV、WRP协议等;另一类是基于按需要求的DRS、AODV协议等。本系统负载稳定、节点少、拓扑结构变化不大, 采用主动路由协议, 在DSDV和DRS协议基础上自行设计了无线自组网路由协议。
每一个节点事先固定一张路由表, 遇到连续10 次发送失败, 则进行路由发现和维护。路由路径为7 字节数组,Addr[0] 是始发地址,Addr[1] ~ Addr[5] 是所有节点的地址按顺序的排列, 如果节点少于5 个, 则剩余位由0 补上,Addr[6] 是终点地址。当某个节点有数据要发送时, 该节点首先判断自己在Addr[1] ~ Addr[5] 中的位置, 然后将该Addr[x] 中的x加1 后赋给路由指针,其它节点在接收到数据时, 首先判断是不是发给自己的( 通过判断Addr[ 路由指针] 是否等于本节点的地址),若不是则不管; 如果是, 再判断是不是终点地址, 如果是则校验并按本节点路由表的路径回复。如果为中间节点, 则修改路由指针, 使其加1, 其它不变的将数据转发出去。简单的说就是在数据传送的过程中, 通过路由指针的改变来避免中间节点多次重发, 减少冲突, 提高系统吞吐量。
3.3 路由发现和维护
整个网络每隔一段时间就会对路由信息进行更新和维护, 同时如果数据连续10 次发送失败也会进入路由发现阶段。路由发现包的格式为:
其中:
路由指针: 一个字节, 每一位对应一个节点的地址。在进行路由发现时, 经过一个节点就将与之对应的位置1, 否则清0。其它定义均与数据包的定义相同。
当节点在收到路由包时, 如果发现在路由指针中与自己对应的位已经置1, 就表明它已经处理过该路由包,不再处理该包, 避免了因重复处理路由包而导致网络的能量和带宽的浪费。
路由包处理过程如图2 所示。
3.4 节点的整体程序设计
程序设计部分使用IAR公司提供的C语言集成调试环境, 采用C430 进行编程。程序的大致工作过程:首先是程序的初始化, 包括串口、A/D及NRF905 等的初始化过程, 然后进行参数( 温度、人体红外和供电电池的电量等) 检测, 如出现异常情况, 即温度过高,电池电量过低等, 则将数据发送出去。无线数据通信部分采用一次握手机制, 即数据发送完之后就等待接收确认信息, 如果收到表示通信成功, 否则则表示通信失败,如果连续10 次通信失败则表示原有的路由失效, 进入发现新的路由阶段, 找到新的路由后则更新本地的路由表, 然后按照新的路由来发送数据, 直到将数据发送成功为止。数据发送结束后, 单片机进入低功耗模式,1s后由定时器唤醒, 然后重复执行上述过程。具体流程如3 图所示。
4 结束语
本文设计的节点主要用于采集温度和人体热释红外信息, 但只要稍做修改, 就可以用于采集其它的参数, 以满足不同应用场合。无线网络采用的通信频率是433MHz, 这一点与真正意义上无线传感器网络的通信频率是不同的, 本文只是对于无线传感器网络研究的一次尝试。
摘要：本文设计了基于MSP430F1232的用于温度和人员热释红外信息检测的无线传感器网络节点。该节点同时具有集成度高、低功耗等特点。同时详细介绍其硬件电路设计及相关软件设计,并提出协议将节点组成网络来实现数据的无线传输。
关键词：无线传感器网络,MSP430F1232,无线传输,低功耗
参考文献
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