專利名稱：一種收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，屬新型無線傳感器節(jié)點電源及 控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的分布式無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 其目的是協(xié)作地監(jiān)測、采集和處理覆蓋區(qū)域內(nèi)的被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給信息用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。它的低功耗、低成本、小 型化等要求給物理層的設(shè)計帶來了很多困難。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量問題研究仍然非 常初步，亟待解決。以往的低功耗技術(shù)即活動狀態(tài)與休眠之間的切換，這種轉(zhuǎn)換模型已經(jīng)過 于簡單，還不具備實際的指導(dǎo)意義，有待進(jìn)一步的探討。一種收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一種新型的的結(jié)構(gòu)和新的方法，它不僅解 決的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量缺乏的不足，同時采用功能強(qiáng)大的芯片組及低功耗技術(shù)使得 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量得到最大化、最優(yōu)化的使用，而且增加了節(jié)點的集成度，降低了 成本，生產(chǎn)方便快捷。本節(jié)點采用的是模塊化設(shè)計，電源模塊可以收集太陽能，如果添加更多的收集能 量的裝置便可應(yīng)用于更多環(huán)境和場合。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的發(fā)明技術(shù)不足，本發(fā)明的目的公開一種收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)
點ο本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是節(jié)點采用模塊化設(shè)計，包括母板模 塊、射頻模塊、傳感器模塊和電源模塊，所述電源模塊采用收集能量的太陽能電池板和可充 電電池，并集成穩(wěn)壓電路LM7805、MAX690A芯片和AMSl 117-3. 3芯片，保證節(jié)點能量的穩(wěn)定 和長期有效；所述母板模塊集成了 STM32F103CBT7微處理器芯片、LED燈、接插件、電平轉(zhuǎn)換 芯片、6引腳IIC總線I/O接插件、JTAG接口和串口，保證節(jié)點的多功能性和多選擇性；射 頻模塊包括CC2480無線通信芯片、巴倫、天線、LED燈和8腳接插件，CC2480無線通信芯片 通過阻抗匹配電路和天線相連接，射頻模塊通過8腳接插件與母板模塊相連，保證無線數(shù) 據(jù)通信穩(wěn)定、高效；傳感器模塊采用數(shù)字溫濕度傳感器SHTlO芯片，傳感器模塊是通過6腳 IIC總線I/O接插件與母板模塊相連；所述電源模塊與所述母板模塊、所述射頻模塊、所述傳感器模塊電連接，為所述模 塊提供可靠而穩(wěn)定的電源；所述母板模塊與所述射頻模塊、傳感器模塊電連接，用于控制傳 感器模塊時分的采集數(shù)據(jù)及控制射頻模塊低功耗的與其他節(jié)點通信。本發(fā)明所具有的明顯的優(yōu)點是本發(fā)明采用高性能低功耗的ARM嵌入式微處理 器STM32F103CBT7以及固化了 zigbee協(xié)議的高性能低功耗高集成度的工業(yè)用射頻芯片 CC2480，節(jié)點間無線數(shù)據(jù)傳輸采用zigbeee協(xié)議，借助于Zigbee的優(yōu)點設(shè)計了一種適用于不同場合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，增加了無線傳感器節(jié)點能量和降低傳感器節(jié)點的能耗； 采用的收集能量的電源模塊化設(shè)計方案即雙電源設(shè)計，為傳感器信號的傳輸提供了的充足 能量，從節(jié)點有能量來源角度解決了節(jié)點能量問題，同時通過技術(shù)手段控制傳感器工作在 低功耗模式中，從而有效延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間；由于節(jié)點的模塊化設(shè)計，節(jié)點可以根據(jù) 不同的需求自由組合，使得節(jié)點可以適應(yīng)各種場合，也避免了一些重復(fù)設(shè)計，減少了開發(fā)成 本。


圖1系統(tǒng)框2母板模塊原理圖一圖3母板模塊原理圖二圖4射頻模塊原理5電源板原理6CC2480射頻模塊PCB7CC2480射頻模塊(反面)PCB8CC2480初始化流程圖
具體實施例方式母板模塊如圖2所示，母板模塊包括微處理器芯片，LED燈，接插件，電平轉(zhuǎn)換芯片，微處理 器分別與電源，LED燈，6引腳IIC總線I/O接插件，JTAG接口和經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片與串口相 連。處理器采用ST公司增強(qiáng)型STM32F103CBT7HB微處理器。32位的ARM Cortex -M3內(nèi) 核，工作頻率在72MHz，內(nèi)部有128K的閃存和20K的SRAM，豐富的增強(qiáng)I/O接口和連接到兩 條APB總線的外設(shè)，2個12位的ADC、7個通用16位定時器和一個PWM定時器、9個標(biāo)準(zhǔn)而 先進(jìn)的通信接口、2個IIC和SPI、3個USART、一個USB、一個CAN。內(nèi)嵌4 16MHz的高速 晶振，8MHz的調(diào)校的RC振蕩器工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2. OV至3. 6V寸。微處理器的第1引腳經(jīng)過IOOnF陶瓷電容連接到VDD電源上，3、4引腳接時鐘晶 振32. 768kHz, 5,6引腳接8MHz時鐘晶振，7引腳接0. 1 μ F的電容與開關(guān)按鍵并聯(lián)接地，8 引腳接地，9引腳接VDD并通過一個IOnF的陶瓷電容和1 μ F的膽電容接地，14、15、16、17 引腳為SPI總線接口分別和無線通信模塊的CC2480芯片第13、14、16、15引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸，20、44引腳通過IOK的電阻和撥動開關(guān)接VDD，21、22、42、43、45、46引腳為I2C總線接 口，經(jīng)100 Ω和4. 7Κ的上拉電阻與傳感器模塊連接。23、35、47引腳接地，24、36、48引腳接 VDD3. 3V并通過11個IOOnF陶瓷電容和一個4. 7 μ F膽電容接地，25、26、27、28引腳分別和 無線通信模塊的CC2480芯片的5、6、11、12引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，29、30、31、32引腳通過電平 轉(zhuǎn)換芯片ΜΑΧ3232與串口相連。34、37、38、39引腳為JTAG接口。射頻模塊如圖3所示，射頻模塊上采用的是IT公司推出的CC2480，它完全集成和加強(qiáng)的 IEEE 802. 15. 4兼容的2. 4GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器。具有高接受靈敏度和抗干擾性能力，并且只需要很少的外部元件便可以和處理器構(gòu)成一個功能比較強(qiáng)大的無線通信系統(tǒng)。 CC2480通過32、33、34引腳通過電感L321、L331、L332和一條PCB微波傳輸線引入天線，26 腳接外部精密電阻43kQ后接地，第24、25、27 31、35 40腳相連，24腳還接負(fù)載電容 220nF，42腳接負(fù)載電容lyF，第41、47、7、20、23引腳接3. 3V電源供電，43和44腳接時鐘 晶振32. 768kHz，獲得32kHz振蕩頻率，19和21腳接時鐘晶振32MHz獲得32MHz高速振蕩頻 率。射頻模塊的CC2480第5、6、11、12、13、14、15、16腳與母板模塊中微處理器相連。CC2480 射頻模塊PCB圖如圖6、圖7所示，CC2480射頻模塊初始化流程如圖8所示。電源模塊如圖4所示，電源模塊有+8V的太陽能電池板經(jīng)集成穩(wěn)壓電路LM7805在2200UF、 100UF的濾波電容和兩個0. IUF的去耦電容作用下穩(wěn)定成5V電壓。LM7805的輸出電壓作 為MAX690的VCC，同時經(jīng)過Rl，R2的調(diào)整作為PFI的輸入。MAX690是美國MAXIM公司的 微處理器監(jiān)控芯片，工作電壓VCC 1. 2 5. 5V ；靜態(tài)電流200uA ；備用電池方式靜態(tài)電流 5uA ；輸出電壓 V0UT(Iout = 50mA) :VCC-0. 25V ；MAX690 的復(fù)位電平為 4. 65V。當(dāng) VCC 高于 復(fù)位電平時，VOUT端由VCC供電；當(dāng)VCC高于VBATT，并且低于復(fù)位電平時，VOUT端由VCC 供電；當(dāng)VCC低于復(fù)位電平，并且低于VBATT時，VOUT端由VBATT供電。VOUT為母板模塊、 傳感器模塊和射頻模塊供電。WDI引腳懸空，為了使定時器停止工作，減小功耗。當(dāng)系統(tǒng)掉 電和供電過低的情況下，在VBATT端的備用電池就會自動為系統(tǒng)提供電源。同時也實現(xiàn)了 提高節(jié)點的工作時長，提高系統(tǒng)的整體生命周期的功能。然后VOUT通過IOOnF和IOuF電 容濾波、去耦，作為AMS1117-3. 3輸入端。AMSl 117-3. 3的輸出端同樣有IOuF和IOOnF的電 容。AMSl 117-3. 3的1引腳接地。通過由AMSl 117-3. 3組成的穩(wěn)壓電路，最后將電路電壓穩(wěn) 定在3. 3V。AMS1117-3. 3的Vout的輸出電壓為母板模塊、傳感器模塊和射頻模塊供電。
權(quán)利要求
一種收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括母板模塊、射頻模塊、傳感器模塊和電源模塊，其特征在于，所述節(jié)點采用模塊化設(shè)計，所述電源模塊采用收集能量的太陽能電池板和可充電電池，并集成穩(wěn)壓電路LM7805、MAX690A芯片和AMS1117 3.3芯片；所述母板模塊集成了STM32F103CBT7微處理器芯片、LED燈、接插件、電平轉(zhuǎn)換芯片、6引腳IIC總線I/O接插件、JTAG接口和串口；射頻模塊包括CC2480無線通信芯片、巴倫、天線、LED燈和8腳接插件，CC2480無線通信芯片通過阻抗匹配電路和天線相連接，射頻模塊通過8腳接插件與母板模塊相連；傳感器模塊采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT10芯片，傳感器模塊是通過6腳IIC總線I/O接插件與母板模塊相連；所述電源模塊與所述母板模塊、所述射頻模塊、所述傳感器模塊電連接，為所述模塊提供可靠而穩(wěn)定的電源；所述母板模塊與所述射頻模塊、傳感器模塊電連接，用于控制傳感器模塊時分的采集數(shù)據(jù)及控制射頻模塊低功耗的與其他節(jié)點通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于，所有模 塊均涉及采用低功耗技術(shù)，當(dāng)輸出功耗小于電源模塊的輸入功耗時，節(jié)點的能量為無限多， 消除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量限制，最大化利用節(jié)點的能量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，是一種可實現(xiàn)開源節(jié)流的節(jié)點。其特征是本發(fā)明的處理器及射頻處理器均采用高性能低功耗高集成度的QLP封裝的芯片，無線數(shù)據(jù)傳輸采用Zigbee協(xié)議，借助于Zigbee的優(yōu)點設(shè)計了一種適用于不同場合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。本發(fā)明還增加無線傳感器節(jié)點能量和降低傳感器節(jié)點的能耗，采用的收集能量的模塊化設(shè)計為傳感器信號的傳輸提供了的充足能量，同時通過技術(shù)手段控制傳感器工作在低功耗模式中，從而有效延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。由于節(jié)點的模塊化設(shè)計，節(jié)點可以根據(jù)不同的需求自由組合，使得節(jié)點可以適應(yīng)各種場合，也避免了一些重復(fù)設(shè)計，減少了開發(fā)成本。
文檔編號H04W84/18GK101945497SQ201010269408
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者周潔, 張磊, 鄧胡濱 申請人:華東交通大學(xué)