专利名称：一种双频无线传感器节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其是涉及一种长距离通信的无线传感器 节点。
背景技术：
无线传感器网络是将大量的传感器节点布置在监测区域内，节点间通过无线通讯 自组织而构成的一种网络。无线传感器网络通常由三个部分组成传感器节点、网关节点和 用户管理节点。传感器节点包括传感数据采集、数据处理、无线数据传输等部件，每个节点 能够采集其周围环境的数据，如温度、湿度、光强、震动、磁场等等，各个节点之间使用无线 多跳方式通信，监测数据经过多跳后到达到网关节点，最后由网关节点对收集到的数据进 行处理并通过互联网或卫星传送给用户管理节点。用户通过管理节点可以对无线传感器网 络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据等。从网络拓扑结构上来看，传感器网络主要有两种结构平面结构和层次结构。在平 面结构中，所有节点的地位是平等的，不存在任何等级差异。平面结构具有较好的健壮性， 但缺点是可扩展性差。在层次结构中，具有某种关联的传感器节点组成簇，并选举簇头节点 负责簇的管理。簇内节点组成一个网络，而簇头节点之间组成了更高一层的网络。层次结 构具有较好的可扩展性，在工程中得到了广泛应用。目前，无线传感器网络普遍采用ZigBee技术，这是一种基于802. 15. 4无线标准研 制开发的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术，它工作在2. 4GHz ISM频段上，传输距离 为IOm 75m。但是在实际应用中，当簇头节点之间距离较大时，采用Zigbee技术无法进行
通{曰。
发明内容为了克服现有技术节点间通信距离短的不足，本发明提供一种双频无线传感器节 点，能够加大节点通讯距离，有效解决现有Zigbee无线传感器节点无法充当簇头节点的问 题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括数据采集模块、数据处理模块 和电源模块，还包括两个无线数据传输模块，其中一个是基于ZigBee的短距离无线通讯模 块，另一个是采用无线功率放大电路的远距离无线通讯模块，所述远距离无线通讯模块和 短距离无线通讯模块分别与数据处理模块相接。数据采集模块采集到周围环境的数据后传 递给数据处理模块进行分析处理，然后根据需要选择一个无线数据传输模块，进行远距离 或近距离的数据传输，电源模块为上述各模块供电。所述远距离无线通讯模块包括无线通讯芯片及无线射频功率放大芯片；所述出具 处理模块的输出结果经无线通讯芯片处理后由无线射频功率放大芯片进行功率放大，然后 通过天线发射。所述远距离无线通讯芯片为CCllOO芯片，所述无线射频功率放大芯片为PA2460-H-· I I心片。所述短距离无线通讯模块为与天线相接的CC2420芯片。所述短距离无线通讯模块与天线之间接有射频输入/输出匹配电路IC1。所述数据处理模块为ATmegal28L单片机。所述电源模块为电压为1. 5V的碱性电池。所述远距离无线通讯模块还包括两个电子转换开关芯片、一个平衡转换器和两个 滤波电路，所述远距离无线通讯芯片依次与平衡转换器、一个电子转换开关芯片、一个滤波 电路、无线射频功率放大芯片、另一个滤波电路、另一个转换开关芯片以及天线相接，用于 需要功放的信号发射与不需要功放的信号接收两个状态的切换。所述电子转换开关芯片为SKY13270芯片。本发明的有益效果是本发明在充分发挥ZigBee技术的优势的同时，也能满足簇 头节点之间长距离通信的需求。本发明以AVR单片机ATmegal28L为核心，以无线收发模块 CC2420芯片和CCllOO芯片加功放电路为无线通讯模块，并结合外围传感器组成，因而通过 本发明所述的双频无线传感器节点所构建的网络，既可工作于2. 4GHz基于ZigBee协议进 行数据通讯，也可工作于433MHz利用CCllOO和功放电路进行远距离通信，具有很强的灵活 性。通过本发明的应用，使得无线传感器节点同时具有远、近两种通讯能力，并可以由软件 根据节点所处的实际情况对两个无线通讯模块进行控制，具有很大的灵活性，同时也是对 现有无线传感器网络所存在问题的一种解决方案。综上所述，本发明设计新颖、合理且使用 操作简便，能从加大节点通讯距离的角度有效解决现有无线传感器节点所存在的能耗不均 和瓶颈节点问题。
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的电路框图。图2为本发明数据处理模块的电路原理图。图3为本发明短距离无线通讯模块的电路原理图。图4为本发明远距离无线通讯模块的电路原理图。图5为本发明所述双频无线传感器节点的数据传输示意图。图6为本发明所述双频无线传感器节点孤立网络的数据通讯示意图。图中，1-数据采集模块；2-数据处理模块；3-无线数据传输模块；3-1-远距离无 线通讯模块；3-2-短距离无线通讯模块；4-电源模块；5-天线；6-基站；7-双频无线传感 器节点；8-监视区域；9-死亡节点；10-可互通讯节点；11-瓶颈节点。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括数据采集模块1、对数据采集模块1所采集信号进行分析 处理的数据处理模块2、与数据处理模块2相接且配置有无线通讯用天线5的无线数据传输 模块3，以及对各用电模块进行供电的电源模块4。所述无线数据传输模块3包括远距离无 线通讯模块3-1和基于ZigBee协议进行组网的短距离无线通讯模块3_2，所述远距离无线 通讯模块3-1和短距离无线通讯模块3-2分别与数据处理模块2相接。[0025]所述数据采集模块1包括温度、湿度等多种类型传感器以及与各传感器相接的A/ D转换电路模块，由于节点体积和能量的限制要求置于数据采集模块1内部的所有传感器 体积要尽可能小、功耗要低且外围电路简单，本实施例中，将所有传感器单独放置在一个小 电路板中，通过51针的插口将传感器与节点母板即数据处理模块2的电路板相连。结合图2、图3及图4，所述远距离无线通讯模块3-1包括远距离无线通讯芯片以 及与所述远距离无线通讯芯片相接的无线射频功率放大芯片；所述无线射频功率放大芯片 与天线5相接。本实施例中，所述远距离无线通讯芯片为CCllOO芯片，所述无线射频功率 放大芯片为PA2460芯片。所述数据处理模块2为ATmegal28L单片机，同时所述ATmegal28L单片机以 AT45DB041B芯片作为其扩展的存储芯片。数据处理模块2是本发明的计算核心，承担着 对传感器数据、无线通讯数据的处理，同时还要对节点自身的任务分配、能量消耗等进行管 理。ATmegal28L单片机是采用低功耗CMOS工艺生产的高性能8位微处理，可工作于6种 睡眠模式，具有丰富的资源和非常低的功耗，很适合无线传感器节点对低能耗的要求。所 述ATmegal28L单片机与CC2420芯片和CC1100芯片之间通过SPI总线进行数据交换。 ATmegal28L单片机工作于SPI主模式，CC2420芯片和CC1100芯片工作于SPI从模式。发送 数据时，ATmegal28L单片机首先通过CC2420芯片的CC2420_CSN或CC1100芯片的CC1100_ CSN片选信号选择无线数据传输模块3中相应的无线通讯模块(即短距离无线通讯模块 3-2或远距离无线通讯模块3-1)，然后ATmegal28L单片机通过SPI总线将待发送数据送 入所选中的无线通讯模块发送出去；所述无线通讯模块接收到信息时，则通过中断引脚 CC2420芯片的CC2420_INT或CC1100芯片的CC1100_INT通知ATmegal28L单片机接收信 肩、ο所述短距离无线通讯模块3-2为与天线5相接的CC2420芯片，所述CC2420芯片 与天线5之间接有射频输入/输出匹配电路IC1。所述CC2420芯片是Chipcon推出的首 款符合2. 4GHz ZigBee标准的射频收发器，该芯片基于Chipcon公司的SmartRF 03技术， 以0. 18um CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。具体而言，所述 ATmegal28L单片机的PC7/A15、PED4/0C3B/INT4和PC0/A8引脚对应分别接所述CC2420芯 片的 FIFO,FIFOP 和 CSN 引脚，所述 ATmegal28L 单片机的 PC1/A9、PC2/A10 和 PC3/A11 引脚 分别经电阻R34、R33和R32后接所述CC2420芯片的SCLK、SI和SO引脚，所述ATmegal28L 单片机的PD6/T1和PD4/IC1引脚分别接所述CC2420芯片的CCA和SFD引脚；所述CC2420 芯片的RF_P、TXRX_SWITCH和RF_N引脚对应分别与射频输入/输出匹配电路ICl对应的3 个引脚相接。所述远距离无线通讯模块3-1中除CCllOO芯片和PA2460芯片外，还包括两个电 子转换开关芯片SKY13270、一个平衡转换器Pl和两个滤波电路Lbl和Lb2，所述CC1100芯 片依次与平衡转换器P1、一转换开关芯片SKY13270、滤波电路Lb2、PA2460芯片、滤波电路 Lbl、另一个转换开关芯片SKY13270以及天线5相接，所述两个电子转换开关芯片SKY13270 相接。所述CCllOO芯片是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计，其 电路主要设定为315、433、868和915MHz的ISM(工业，科学和医学)和SRD (短距离设备) 频率波段。本实施例中，CCllOO芯片设定在433MHz。PA2460芯片是一款400MHz至480MHz 的无线射频功率放大芯片，将它作为CCllOO芯片的功放电路，可增加CCllOO芯片的传输距离。综上，通过远距离无线通讯模块3-1进行发送信息时，两个电子转换开关芯片SKY13270 经切换后将PA2460芯片接入射频信号电路中，对待发送信号进行放大后，送入天线5进行 发射；当通过CCllOO接收信息时，不需要功放电路即PA2460芯片，两个电子转换开关芯片 SKY13270改变连接，将PA2460芯片从信号传输电路中隔离出去。具体而言，所述ATmegal28L单片机的PED4/0C3C/INT5和PD7/T2引脚分别接所述 CCllOO 芯片的 GD02 和 CSN 引脚，所述 ATmegal28L 单片机的 PC1/A9、PC2/A10 和 PC3/A11 引 脚分别接所述CCllOO芯片的SCLK、SI和SO引脚；所述CCllOO芯片的的RF_P和RF_N引脚 对应分别与平衡转换器Pl的两个引脚Xl和X2相接，平衡转换器Pl的输入/输出引脚Ul 接一转换开关芯片SKY13270的Jl引脚，且此转换开关芯片SKY13270的J3引脚经滤波电路 Lb2后接所述PA2460芯片的RF_IN引脚，所述PA2460芯片的两个RF_0UT引脚均接滤波电 路Lbl的信号输入端，所述滤波电路Lbl的信号输出端接另一个转换开关芯片SKY13270的 J2引脚，所述另一个转换开关芯片SKY13270的Jl引脚经电容C29后与天线5相接，并且所 述另一个转换开关芯片SKY13270的J3引脚接第一个转换开关芯片SKY13270的J2引脚。 第一个转换开关芯片SKY13270的Vl和V2引脚分别经电阻R17和R20后接RE和TE端，另 一个转换开关芯片SKY13270的V2和Vl引脚分别经电阻R21和R22后接RE和TE端。所述电源模块4为两节串联的电压为1. 5V的碱性电池。所述电源模块4控制着整 个双频无线传感器节点7的能量分配。由于数据采集模块1中所有的传感器、ATmegal28L 单片机、CC2420芯片以及CCllOO芯片的工作电压都为+3V，因而只需在各自电源端加滤波 电容后就可直接由电源模块4进行供电。对于ATmegal28L单片机而言，其VCCl和VCC2引 脚均接电源模块4的VCC电源端，而ATmegal28L单片机的AVCC引脚经电阻R18后接电源模 块4的VCC电源端且所述AVCC引脚经电容C15后接地。但是，所述PA2460芯片的工作电 压为+1. 2V和+5V，其所需的+1. 2V和+5V工作电压采用美信的直-直转换芯片MAX8640Y 和MAX1524将+3V电压进行转换后得到。实际使用过程中，当双频无线传感器节点7不需 要进行远距离通信时，置芯片MAX8640Y和MAX1524的4脚为低电平，关闭直-直转换电路， 以降低能耗。如图5所示，利用本发明所述的双频无线传感器节点7在监视区域8内构建无 线网络后，开始时各双频无线传感器节点7只启动其内部的短距离无线通讯模块3-2即 CC2420芯片，所述CC2420芯片工作于2. 4GHz且基于ZigBee协议进行组网。当与基站6距 离较近的双频无线传感器节点7死亡(即成为死亡节点9)后，离基站6较远的双频无线传 感器节点7则同时打开其内部的远距离无线通讯模块3-1即CCllOO芯片，所述CCllOO芯 片利用433MHz与基站6进行远距离通讯，同时启动短距离无线通讯模块3-2和远距离无线 通讯模块3-1的双频无线传感器节点7则称为可互通讯节点10。结合图6，由于在所述CCllOO芯片上还加有无线功率放大电路即PA2460芯片，因 而能使单个双频无线传感器节点7的通讯距离达到近1000m，远大于ZigBee协议的最大通 讯距离75m的范围。当然，从节能的角度考虑，还可以控制双频无线传感器节点7的发射功 率，使其能与基站7进行通信即可。这样网络中就有很多单跳通信距离覆盖基站6的节点， 从而延长网络使用寿命；对于瓶颈节点问题，先用现已提出的“准瓶颈节点”查找算法，找出 整个无线网络中的瓶颈节点12，然后根据瓶颈节点12及其周围节点的能量储备情况，选择 合适的双频无线传感器节点7，使其同时工作于433MHz远距离通讯模式，即成为可互通讯节点10。这样，孤立分布的网络即多个孤立监视区域8之间，就有更多的可互通讯节点10 可以进行相互通讯。从而消除了瓶颈节点12的影响，也避免了移动其它节点所产生的能耗 及所受地理环境限制。综上，本发明能从加大节点通讯距离的角度，来解决现有无线传感器 节点所存在的能耗不均和瓶颈节点两个问题。 综上所述，本发明主要由数据采集模块1、数据处理模块2、无线数据传输模块3以 及电源模块4四个模块组成。其中，电源模块4包括两节1. 5V碱性电池、转换开关、直-直 转换电路以及滤波电路，它负责给各用电模块供电。数据采集模块1由光强、温度、湿度、大 气压及加速度等多种类型传感器和A/D转换电路模块组成，用来采集监视区域8内的信息 并转换为数字量。数据处理模块2以ATmegal28L单片机为核心，并用AT45DB041B芯片作 为扩展的存储芯片，该模块负责整个节点的路由协议、数据融合、任务管理等工作。无线数 据传输模块3则由CC2420芯片以及CCllOO芯片外接无线功放电路PA2460芯片两部分组 成，负责数据通讯。
权利要求一种双频无线传感器节点，包括数据采集模块、数据处理模块和电源模块，其特征在于还包括两个无线数据传输模块，其中一个是基于ZigBee的短距离无线通讯模块，另一个是采用无线功率放大电路的远距离无线通讯模块，所述远距离无线通讯模块和短距离无线通讯模块分别与数据处理模块相接；数据采集模块采集到周围环境的数据后传递给数据处理模块进行分析处理，然后根据需要选择一个无线数据传输模块，进行远距离或近距离的数据传输，电源模块为上述各模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种双频无线传感器节点，其特征在于所述的远距离无线 通讯模块包括无线通讯芯片及无线射频功率放大芯片；所述出具处理模块的输出结果经无 线通讯芯片处理后由无线射频功率放大芯片进行功率放大，然后通过天线发射。
3.根据权利要求1所述的一种双频无线传感器节点，其特征在于所述的远距离无线 通讯芯片为CCllOO芯片，所述无线射频功率放大芯片为PA2460芯片。
4.根据权利要求1所述的一种双频无线传感器节点，其特征在于所述的短距离无线 通讯模块为与天线相接的CC2420芯片。
5.根据权利要求1所述的一种双频无线传感器节点，其特征在于所述的短距离无线 通讯模块与天线之间接有射频输入/输出匹配电路IC1。
6.根据权利要求1所述的一种双频无线传感器节点，其特征在于所述的数据处理模 块为ATmegal28L单片机。
7.根据权利要求1所述的一种双频无线传感器节点，其特征在于所述的电源模块为 电压为1. 5V的碱性电池。
8.根据权利要求1所述的一种双频无线传感器节点，其特征在于所述的远距离无线 通讯模块还包括两个电子转换开关芯片、一个平衡转换器和两个滤波电路，所述远距离无 线通讯芯片依次与平衡转换器、一个电子转换开关芯片、一个滤波电路、无线射频功率放大 芯片、另一个滤波电路、另一个转换开关芯片以及天线相接，用于需要功放的信号发射与不 需要功放的信号接收两个状态的切换。
专利摘要本实用新型公开了一种双频无线传感器节点，包括数据采集模块、数据处理模块和电源模块，还包括两个无线数据传输模块，其中一个是基于ZigBee的短距离无线通讯模块，另一个是采用无线功率放大电路的远距离无线通讯模块，所述远距离无线通讯模块和短距离无线通讯模块分别与数据处理模块相接；数据采集模块采集到周围环境的数据后传递给数据处理模块进行分析处理，然后根据需要选择一个无线数据传输模块，进行远距离或近距离的数据传输，电源模块为上述各模块供电。本实用新型设计新颖、合理且使用操作简便，能从加大节点通讯距离的角度有效解决现有无线传感器节点所存在的能耗不均和瓶颈节点问题。
文档编号H04W84/18GK201757932SQ20102029861
公开日2011年3月9日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者李士宁, 李志刚, 杨志义, 马峻岩 申请人:西北工业大学