專利名稱：基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，尤其涉及一種用于移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究 的裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究實(shí)驗(yàn)都是基于靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的。但靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (所有節(jié)點(diǎn)均為靜止)不可避免地存在能量空洞、冗余覆蓋和熱點(diǎn)等問題?，F(xiàn)有的很多無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都引入了移動傳感器節(jié)點(diǎn)，以解決上述問題。
現(xiàn)有的一些移動傳感器節(jié)點(diǎn)存在一些缺陷，例如價格昂貴，移動速度慢，數(shù)據(jù)存儲 量小，以及外擴(kuò)接口不豐富。有些移動傳感器通過購買機(jī)器人小車，并外接一個傳感器組 成，使得通信和移動不能有機(jī)地結(jié)合在一起，無法滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是設(shè)計一個移動無線傳感器節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)一個移動無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺。在該平臺中移動節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)之間相互通信，移動節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中 自由行走，可收集靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。此外移動節(jié)點(diǎn)可用于感知靜態(tài)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的區(qū) 域的環(huán)境。
技術(shù)方案本發(fā)明的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在 于該實(shí)驗(yàn)平臺包括基于智能小車的移動傳感器節(jié)點(diǎn)、靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、個人 計算機(jī)系統(tǒng)；其中，移動傳感器節(jié)點(diǎn)包括以下子系統(tǒng)主控制子系統(tǒng)包括微處理器Luminary LM3S1607、存儲器、I/O驅(qū)動電路； 傳感器子系統(tǒng)連接各種傳感器，起到了環(huán)境數(shù)據(jù)采集及處理的作用，把處理后的數(shù)據(jù) 傳送給主控制系統(tǒng)；執(zhí)行子系統(tǒng)采用L298P電機(jī)驅(qū)動模塊，由直流電機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)完成方向輪移 動；通信子系統(tǒng)，采用CHIPC0N的CCM30通信模塊，和靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線 通信；電源管理子系統(tǒng)采用9V/12V電源供電，使用電源適配器或者使用電池供電；經(jīng)穩(wěn)壓 器和供電管理模塊分別產(chǎn)生3. 3V和2. 5V電源給各個功能模塊供電，分別為9V/12V給執(zhí) 行子系統(tǒng)供電；3. 3V給通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)供電；2. 5V給主控制子系統(tǒng)供電；靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感模塊和電源供電模塊； 匯聚節(jié)點(diǎn)接收移動傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)；個人計算機(jī)系統(tǒng)完成無線網(wǎng)絡(luò)模擬、無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理；移動傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)相關(guān)協(xié)議逐個收集靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，或根據(jù)匯 聚節(jié)點(diǎn)的要求執(zhí)行環(huán)境感知任務(wù)。
其中移動傳感器節(jié)點(diǎn)主芯片采用基于ARM Cortex M3的Luminary LM3S1607，具有高性能的 32位處理能力。
通信子系統(tǒng)采用CHIPC0N的CC2430，無線通信的物理層和MAC層基于 IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，上層基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。
移動傳感器節(jié)點(diǎn)包含2路直流電機(jī)驅(qū)動電路，同時集成了雙UART、I2C、雙SPI、8 路12位ADC外圍部件接口，可外擴(kuò)多個種類的傳感器。
移動傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)指令收集靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，移動傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)匯 聚節(jié)點(diǎn)指令移動到指定位置感知環(huán)境。
所有節(jié)點(diǎn)均是可編程的，移動傳感器節(jié)點(diǎn)采用μ C/0S-II嵌入式操作系統(tǒng)，支持 內(nèi)部通信協(xié)議的修改。
有益效果本發(fā)明設(shè)計一個移動無線傳感器節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)一個移動無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺。通過該平臺可實(shí)現(xiàn)多種基于移動環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，從而提高系統(tǒng)性 能并具有以下有益效果1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富。本發(fā)明可以用于不同環(huán)境下的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。例如模擬智能 交通的實(shí)驗(yàn)或農(nóng)業(yè)智能灌溉的實(shí)驗(yàn)。此外，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式開發(fā)與傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合， 可用于傳感器課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。
2、系統(tǒng)開放。本發(fā)明公開了主控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等的功能原理圖，方 便用戶根據(jù)自身需求該進(jìn)移動傳感器節(jié)點(diǎn)。
3、系統(tǒng)配置靈活。移動傳感器與靜態(tài)傳感器移植了操作系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的通信協(xié) 議，編程方便，可組成多種結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。


圖1是實(shí)驗(yàn)平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖2是移動傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)圖。
圖3是電機(jī)驅(qū)動電路原理圖。
圖4是無線射頻通訊電路設(shè)計原理圖。
圖5是Telosb無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺包括基于智能小車的 移動傳感器節(jié)點(diǎn)、靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、個人計算機(jī)系統(tǒng)；其中，移動傳感器節(jié)點(diǎn) 包括以下子系統(tǒng)主控制子系統(tǒng)包括微處理器Luminary LM3S1607、存儲器、I/O驅(qū)動電 路；傳感器子系統(tǒng)連接各種傳感器，起到了環(huán)境數(shù)據(jù)采集及處理的作用，把處理后的數(shù)據(jù) 傳送給主控制系統(tǒng)；執(zhí)行子系統(tǒng)采用L298P電機(jī)驅(qū)動模塊，由直流電機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動結(jié)構(gòu) 完成方向輪移動；通信子系統(tǒng)，采用CHIPC0N的CCM30通信模塊，和靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信；電源管理子系統(tǒng)采用9V/12V電源供電，使用電源適配器或者使用電 池供電；經(jīng)穩(wěn)壓器和供電管理模塊分別產(chǎn)生3. 3V和2. 5V電源給各個功能模塊供電，分別 為9V/12V給執(zhí)行子系統(tǒng)供電；3. 3V給通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)供電；2. 5V給主控制子 系統(tǒng)供電；靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感模塊和電源供電 模塊；匯聚節(jié)點(diǎn)接收移動傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)；個人計算機(jī)系統(tǒng)完成無線網(wǎng)絡(luò)模擬、無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理；移動傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)相關(guān)協(xié)議逐個收集靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，或根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的要求執(zhí)行環(huán)境感知任務(wù)。
移動傳感器節(jié)點(diǎn)的主控制系統(tǒng)采用采用基于ARM Cortex M3的Luminary LM3S1607，操作系統(tǒng)采用yC/OS-II。電機(jī)驅(qū)動電路采用L298P，驅(qū)動兩路直流電機(jī)。無線 通訊電路采用CCM30為收發(fā)數(shù)據(jù)的控制芯片，CCM30是一個真正的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 2士88擾/802.15.4解決方案的片上系統(tǒng)。同時節(jié)點(diǎn)集成了雙UART、I2C、雙SPI、8路12位 ADC等眾多外圍部件接口，可外擴(kuò)多個種類的傳感器。靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)采用Telosb無線傳 感器節(jié)點(diǎn)，包括無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器模塊和電源供給模塊。移動節(jié)點(diǎn)和靜 態(tài)節(jié)點(diǎn)相互通行交換數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計一個移動無線傳 感器節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)一個移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺包 括移動傳感器節(jié)點(diǎn)、靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及個人計算機(jī)系統(tǒng)。移動傳感器節(jié)點(diǎn)和靜 態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)組成了移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，其與個人計算機(jī)系統(tǒng) 相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、處理與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂频取?br> 本發(fā)明設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個基于智能小車的移動傳感器節(jié)點(diǎn)。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所 示。移動傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括主控制子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)及輔助的電源管理子 系統(tǒng)。
主控制子系統(tǒng)選擇LM3S1607為控制器電路主板的微處理器芯片，計算處理接收 的指令和采集的數(shù)據(jù)，嵌入操作系統(tǒng)yc/os-n管理各個任務(wù)的協(xié)調(diào)和調(diào)度?？刂破麟娐?主板周邊引出微處理器的各外設(shè)接口和通用I/O管腳用于連接外設(shè)。其SPI接口和無線通 信設(shè)備連接，模擬輸入接口管腳連接傳感器，JTAG用于將程序固化到微處理器Flash中。
采用L298P驅(qū)動移動節(jié)點(diǎn)的2路直流電機(jī)。有兩個TTL/CM0S兼容電平的輸入，具 有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正反向運(yùn)動，它具有較大的電流驅(qū)動能 力，每通道能通過750 800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1. 5 2. OA ；同時它具有較 低的輸出飽和壓降。移動傳感器節(jié)點(diǎn)的電機(jī)驅(qū)動原理圖如圖3所示。
無線通訊電路采用CCM30為收發(fā)數(shù)據(jù)的控制芯片。CCM30是一個真正的基于無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee/802. 15. 4解決方案的片上系統(tǒng)。芯片上集成了性能卓越的射頻收發(fā) 模塊CCM20內(nèi)核、符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器和定位引擎，具有128K閃存、8K的 隨機(jī)存儲器、DMA控制器、定時器、AES-128協(xié)處理器、8_14位的ADC，串口、休眠模式下的定 時器及21個可編程I/O 口等豐富的外設(shè)。
以CCM30為核心的無線射頻通訊電路設(shè)計如圖4所示。
本實(shí)施例中使用的靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)為Telosb無線傳感器節(jié)點(diǎn)。它包括無線 通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器模塊和電源供給模塊，其連接關(guān)系如圖5所示。無線通 信模塊采用基于IEEE802. 15. 4協(xié)議的CCM20通信芯片實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理模塊采用基于TI MSP430微處理器實(shí)現(xiàn)，傳感模塊可以是光傳感、磁傳感、加速度傳感等。由于傳感器制造技 術(shù)已經(jīng)成為公知技術(shù)，在此不再贅述。
移動傳感器節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，上層采用Zigbee協(xié)議進(jìn) 行通信。移動傳感器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)可以完成數(shù)據(jù)收集與環(huán)境感知等功能。通過收集靜態(tài)節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)，可以減少靜態(tài)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而消耗的能量，提高網(wǎng)絡(luò)壽命，但同時也增加了延時，因此需要網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定的數(shù)據(jù)時延。另一方面，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)分析靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)，向移動傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令，使其能移動到指定的位置進(jìn)行環(huán)境感知，增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范 圍。
通過上述的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以很清楚的理解到本發(fā)明的實(shí) 現(xiàn)方式，同時也能很清楚的了解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計過程。上述實(shí)例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對 本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改，都落入本 發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在于該實(shí)驗(yàn)平臺包括 基于智能小車的移動傳感器節(jié)點(diǎn)、靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、個人計算機(jī)系統(tǒng)；其中，移動傳感器節(jié)點(diǎn)包括以下子系統(tǒng)主控制子系統(tǒng)包括微處理器Luminary LM3S 1607、存儲器、I/O驅(qū)動電路；傳感器子系統(tǒng)連接各種傳感器，起到了環(huán)境數(shù)據(jù)采集及處理的作用，把處理后的數(shù)據(jù) 傳送給主控制系統(tǒng)；執(zhí)行子系統(tǒng)采用L298P電機(jī)驅(qū)動模塊，由直流電機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)完成方向輪移動；通信子系統(tǒng)，采用CHIPC0N的CCM30通信模塊，和靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線 通信；電源管理子系統(tǒng)采用9V/12V電源供電，使用電源適配器或者使用電池供電；經(jīng)穩(wěn)壓 器和供電管理模塊分別產(chǎn)生3. 3V和2. 5V電源給各個功能模塊供電，分別為9V/12V給執(zhí) 行子系統(tǒng)供電；3. 3V給通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)供電；2. 5V給主控制子系統(tǒng)供電；靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感模塊和電源供電模塊；匯聚節(jié)點(diǎn)接收移動傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)；個人計算機(jī)系統(tǒng)完成無線網(wǎng)絡(luò)模擬、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理；移動傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)相關(guān)協(xié)議逐個收集靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，或根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的要求執(zhí)行 環(huán)境感知任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在 于移動傳感器節(jié)點(diǎn)主芯片采用基于ARM Cortex M3的LuminaryIiOS 1607，具有高性能的 32位處理能力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在 于通信子系統(tǒng)采用CHIPC0N的CCM30，無線通信的物理層和MAC層基于IEEE802. 15. 4標(biāo) 準(zhǔn)，上層基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在 于移動傳感器節(jié)點(diǎn)包含2路直流電機(jī)驅(qū)動電路，同時集成了雙UART、fC、雙SPI、8路12位 ADC外圍部件接口，可外擴(kuò)多個種類的傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在 于移動傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)指令收集靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，移動傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)匯聚節(jié) 點(diǎn)指令移動到指定位置感知環(huán)境。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在 于所有節(jié)點(diǎn)均是可編程的，移動傳感器節(jié)點(diǎn)采用μ C/os-II嵌入式操作系統(tǒng)，支持內(nèi)部通 信協(xié)議的修改。
全文摘要
基于移動傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，教學(xué)內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)環(huán)境開放，便于學(xué)習(xí)和研究移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)裝置包括基于智能小車的移動傳感器節(jié)點(diǎn)、靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、個人計算機(jī)系統(tǒng)。移動傳感器節(jié)點(diǎn)具有主控制子系統(tǒng)，包括微處理器、存儲器、I/O驅(qū)動電路、電源供電電路等；傳感器子系統(tǒng)，起到了環(huán)境數(shù)據(jù)采集及處理的作用，把處理后的數(shù)據(jù)傳送給主控制系統(tǒng)；執(zhí)行子系統(tǒng)，由直流電機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)完成動作；通信子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移動傳感器節(jié)點(diǎn)和靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信。
文檔編號H04W84/18GK102034369SQ201010584338
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者俞佳, 張麗麗, 張希偉, 陳貴海 申請人:南京大學(xué)