专利名称：用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无线传感器网络(WSN)技术领域，具体涉及一种用于距离测量和数 据传输的无线传感器网络节点设备。
背景技术：
无线传感器网络是新兴的研究领域，是目前IT领域中的研究热点之一。无线传感器网 络在军事、环境、健康、家庭、商业领域等许多方面有着巨大的潜在应用前景。
传感器节点需要完成信息采集、处理和传播的功能，同时要求成本低、体积小、功耗 极低、传感器节点一般由电池供电，在不更换电池的情况下要求能够工作数月至数年之久， 典型的传感器节点包括信息采集模板、信息处理模块、无线通信模块和电源模块。如何在 成本、体积和功耗的限制下，实现传感器节点是无线传感器网络需要解决的关键技术之一。
现有超声波进行测距时由于采用的超声波测距精度不高，导致利用该距离值执行跟踪 算法时存在较大误差而跟踪失败。同时由于超声波传感器始终处于一种周期性的工作状态， 导致超声波测距的能量损耗较大，不符合无线传感器网络节点设计的要求。
随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如WiFi、 ZigBee、蓝牙和超宽带 等，在办公室、家庭、工厂等得到了广泛应用。现有的无线传感器网络节点由于无线射频 收发模块本身的限制主要采用433MHZ， 868MHZ等管制频率的无线电传输频道，给用户 的使用带来了诸多的不便。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供用于距离测量和数据传输的无线传感 器网络节点设备，该节点设备具有主动测距，被动红外感应，信息处理，无线传输等功能， 能够组成无线传感器网络，整个节点设备测距精度高，功耗小，实用价值高。本实用新型
通过如下技术方案实现
用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，包括超声波测距模块，被动红 外感应模块，传感器扩展接口模块，微处理器和无线通信模块，电源模块。其中，微处理 器和无线通信模块和传感器扩展接口模块相连，传感器扩展接口模块分别和超声波测距模 块和被动红外感应模块相连,电源模块分别和其它各模块相连。
超声波测距模块采用型号为"SRF08"的高性能超声波传感器，其具有测量精度高， 数字信号直接输出的特点。SRF08超声波测距仪能提供了厘米甚至微米级的精度，检测范 围为最小3厘米，最大6米，工作频率为40KHz，外部管脚由SCL和SDA构成I2C总线。 每对超声波被赋予了一个不同的I2C总线地址，通过编程可以改变地址，数字输出可以是 英寸，厘米，或者是微秒表示的回波反射时间，可以工作在连续探测模式并支持神经元网络模式，能够将多次读数当作神经元网络的输入，从而进行更高级的算法处理。每对超声 波传感器有60度的角度，可以根据需要连接多个，SRF08并联连接，最多可以连16个。 采用I2C总线连接。
在本实用新型中，SRF08的"Do Not Connect"管脚接地，因为在出厂后所述"Do Not Connect"管脚被厂家用来对板载的PIC16F872进行编程用的，SRF08有一个内部上拉电阻。 实验验证了如果"Do Not Connect"管脚接地的话，电流消耗将从3mA下降到lmA。基于 此在本设计中利用这个特性来降低节点的电流消耗，降低节点能耗。管脚SCL和SDA不 需要外加上拉电阻，因为Micaz自身有个内部上拉电阻。
被动红外感应模块采用型号为"AMN14111"的被动红外传感器，检测范围达10米，
内置放大器，具有数字信号输出的特点。
传感器扩展接口模块为Crossbow公司的MDAIOOCB数据采集板，具有51pin的接口 。
微处理器和无线通信模块采用Crossbow公司的内部集成了 ATMegal28L和支持Zigbee 技术的CC2420射频芯片的Micaz节点，其具有51pin接口 ，和权利要求4所述的MDAIOOCB 数据采集板通过51pin接口相连。
电源模块由四节五号1.2V的充电电池组成的电池盒。超声波测距模块、被动红外感应 模块分别和5V电源相连，传感器扩展接口模块和3.3V电源相连。
本实用新型相对于现有技术具有如下有益效果
(1) 超声波主动测距能力，测距精度高SRF08超声波测距仪能提供了厘米甚至微米 级的精度
(2) 功耗小，节点设备的微处理器和无线通信模块都支持休眠功能，通过编程控制， 可使节点大部分时间都处于休眠状态，大幅度地降低节点的平均功耗。采用电池 作为能源，无需布线，显著降低布线成本和安全隐患。
(3) 通信效率高，成本低CC2420支持Zigbee技术，而Zigbee是一种新兴的短距离、 低速率无线网络技术，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电 波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。同时 Zigbee技术遵循无线传感器网络组网标准，具有自组织，自我修复功能，明显降 低了维护成本。
(4) 结构清晰、性能稳定节点设备各模块间功能划分和接口定义清晰，通过实测， 节点设备工作稳定，该节点设备能够用于室内定位，跟踪，避障以及室内安全监 领U，利用超声波距离能够实现预测目标位置或者采用三边定位算法实现定位。
图l无线传感器网络节点设备电路框图。图2为实施方式中超声波测距模块1的管脚图，图中的英文字母为管脚自身固有的名称。
图3为实施方式中被动红外感应模块2管脚图。 图4为实施方式中电源模块5管脚图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施例， 对本实用新型的一种用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备进行进一步详细 说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅以解释本实用新型，并不用于限定本实用 新型。
本实用新型的一种用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，本实用新型 针对事件驱动型无线传感器网络，设计了具有主动测距，被动红外感应，信息处理，无线 传输等多功能无线传感器网络节点设备，能够组成无线传感器网络，整个节点设备测距精 度高，功耗小，实用价值高。
以移动目标跟踪应用为实例说明本实用新型所述无线传感器节点设备工作过程如下 被动红外感应模块检测到有目标进入监测区域之后，启动超声波测距模块进行测距， 将测距所得距离值经传感器扩展接口模块传递给微处理器和无线通信模块，执行目标跟踪 滤波算法，持续跟踪目标。
如图1，本实用新型设计的一种用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备 包括超声波测距模块，被动红外感应模块，传感器扩展接口模块，微处理器和无线通信模 块，电源模块。其中，微处理器和无线通信模块和传感器扩展接口模块相连，传感器扩展 接口模块分别和超声波测距模块和被动红外感应模块相连,电源模块分别和各部分相连。
如图2，超声波测距模块采用型号为"SRF08"的高性能超声波传感器，管脚"GND， VCC"用于给SRF08供电，"SCL， SDA"为I2C总线管脚，管脚"Do Not Connect"可以 悬空或者接地，所述型号为"SRF08"的高性能超声波传感器具有测量精度高，数字信号 直接输出的特点。SRF08超声波测距仪能提供了厘米或者微米级的精度，检测范围为最小 3厘米，最大6米，工作频率为40KHz，外部管脚由SCL和SDA构成I2C总线。每对超 声波被赋予了一个不同的I2C总线地址，通过编程可以改变地址，数字输出可以是英寸， 厘米，或者是微秒表示的回波反射时间，可以工作在连续探测模式并支持神经元网络模式， 能够将多次读数当作神经元网络的输入，从而进行更高级的算法处理。每对超声波传感器 有60度的角度，可以根据需要连接多个，SRF08并联连接，最多可以连16个，采用I2C 总线连接。
在本实用新型中，SRF08的"DoNot Connect"管脚接地，因为在出厂后所述"DoNotCo皿ect"管脚被厂家用来对板载的PIC16F872进行编程用的，SRF08有一个内部上拉电阻。 实验验证了如果"Do Not Connect"管脚接地的话，电流消耗将从3mA下降到lmA。基于 此在我们的项目中我们利用这个特性来降低节点的电流消耗。管脚SCL和SDA不需要外 加上拉电阻，因为Micaz自身有个内部上拉电阻。
如图3，被动红外感应模块采用型号为"AMN14111"的被动红外传感器，检测范围达
10米，内置放大器，具有数字信号输出的特点。其中"Vdd"为电源管脚，"Gnd"为零电 平管脚，"Output"为信号输出管脚。
传感器扩展接口模块为Crossbow公司的MDAIOOCB数据采集板，其具有51pin的接 口。表格l为该MDAIOOCB数据采集板连接管脚对应图。其中"A F"， "1~17"用于协同 指定MDAIOOCB数据采集板各管脚位置，如"D2"指定了 MDAIOOCB数据采集板INT3 管脚的位置。
表1
ABCDEF
1GNDGNDGNDVCCVCCVCC
2OPENOPENUSARTl一CKINT3ADC2PW0
3OPENOPENUART0—RXINT2+ADC1+PW1+
4OPENOPENUART0—TXINT1ADC0+PW2
5OPENOPENSPI—SCKINTOTHERM一PWRPW3
6OPENOPENUSARTl一RXBAT—MONTHRU1PW4
7OPENOPENUSARTl一TXLED3THRU2PW5
8OPENOPENI2C—CLKLED2THRU3PW6
9OPENOPENI2C—DATALED1RSTNADC7
10OPENOPENPWM0RDPWM1BADC6
11OPENOPEN■PWM1AWROPENADC5
12OPENOPENAC+ALEOPENADC4
13OPENOPENAC-PW7OPENADC3
14GNDGNDGNDVCCVCCVCC
15OPENOPENOPENOPENOPENOPEN
16OPENOPENOPENOPENOPENOPEN
17OPENOPENOPENOPENOPENOPEN
微处理器和无线通信模块采用Crossbow公司的内部集成了 ATMegal28L和支持Zigbee 技术的CC2420射频芯片的Micaz节点，其具有51pin接口 ，和权利要求4所述的MDAIOOCB 数据采集板通过51pin接口相连。
如图4，电源模块由四节五号1,2V的充电电池组成的电池盒，"V1"为5V电源输出管 脚，"V2"为3.3V电源输出管脚，"Gnd"为零电平输出管脚。超声波测距模块、被动红外
6感应模块分别和5V电源相连，传感器扩展接口模块和3.3V电源相连。
超声波测距模块的"GND, Do not connect, SCL, SDA"管脚分别与传感器扩展接口 模块的"A1， F2， C8， C9"对应的管脚连接，超声波测距模块的"VCC"管脚和电源模块 的"V1"管脚连接，被动红外感应模块的"Vdd， Gnd"管脚分别与超声波测距模块的"VCC， GND"管脚连接，被动红外感应模块的"Output"管脚和传感器扩展接口模块的"C10"管 脚连接，传感器扩展接口模块的"F1"管脚和电源模块的"V2"管脚连接，电源模块的"Gnd" 管脚和传感器扩展接口模块的"A1"管脚连接。
权利要求1、用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，其特征在于包括电源模块(5)和分别与电源模块(5)连接的超声波测距模块(1)、被动红外感应模块(2)、传感器扩展接口模块(3)，微处理器及无线通信模块(4)和传感器扩展接口模块(3)相连，传感器扩展接口模块(3)分别和超声波测距模块(1)和被动红外感应模块(2)相连。
2、 根据权利要求l所述的用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，其特 征在于超声波测距模块(1)采用型号为SRF08的高性能超声波传感器。
3、 根据权利要求1所述的用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，其特 征在于被动红外感应模块(2)采用型号为AMN14111的被动红外传感器。
4、 根据权利要求1所述的用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，其特 征在于传感器扩展接口模块(3)为Crossbow公司的MDA100CB数据采集板，该数据采集 板具有51pin的接口。
5、 根据权利要求1所述的用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，其特 征在于微处理器及无线通信模块(4)采用Crossbow公司的内部集成了 ATMegal28L和支 持Zigbee技术的CC2420射频芯片的Micaz节点，具有51pin接口 ， Micaz节点通过51pin 接口与所述MDA100CB数据采集板相连。
6、 根据权利要求1 5任一项所述的用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点 设备，其特征在于超声波测距模块(1)、被动红外感应模块(2)分别和5V电源相连，传 感器扩展接口模块(3)和3.3V电源相连。
专利摘要本实用新型公开了用于距离测量和数据传输的无线传感器网络节点设备，包括微处理器及无线通信模块(4)、电源模块(5)和分别与电源模块(5)连接的超声波测距模块(1)、被动红外感应模块(2)、传感器扩展接口模块(3)，微处理器及无线通信模块(4)和传感器扩展接口模块(3)相连，传感器扩展接口模块(3)分别和超声波测距模块(1)和被动红外感应模块(2)相连。本实用新型提供的节点设备具有主动测距能力，信息处理能力强，功耗小，实用价值高，在实施中不需要布线的优点。
文档编号G01S7/52GK201392399SQ200920054000
公开日2010年1月27日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者刘贵云, 危阜胜, 健 岑, 明 曾, 胥布工, 高焕丽, 黎善斌 申请人:华南理工大学