专利名称：一种无线传感器网络节点开发平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及物联网和无线传感器网络节点的开发设备，尤其涉及适用于多种被感知环境的无线传感器网络节点开发平台。
背景技术：
微机电系统，片上系统，无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网络节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有广阔的应用前景，这些潜在的应用领域可以归纳为军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。美国商业周刊在预测未来技术发展的报告中，将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术之一，同时MIT技术评论也将其评为改变世界的10大技术之一。随着物联网技术的兴起，无线传感器网络技术正成为支撑物联网发展的核心关键技术之一。作为无线传感器网络的重要组成部分，无线传感器网络节点一直是核心研究热点之一，传感器节点一般由数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块以及电源模块组成。 开发无线传感器网络节点需要解决如下问题1、由于传感器的多样性和复杂性，数据采集单元需要用到传感器集成技术，并通过接口扩展以支持多种接口需求。2、由于系统的差异性，数据处理模块会在FPGA，DSP以及MCU的组合上有所取舍， 并且选择合适的存储器，而高效科学的算法也是提高系统性能的有利手段。3，考虑到无限传感器网络工作环境的特异性，多种供能方式的开发和结合利用是必不可少的。4、考虑到成本和环境因素，争对目前的无线传输技术进行有效评估，选择单一技术或多种技术的综合以适应具体环境需求，也是不可或缺的。正因为涉及到如此多的前沿技术，所以无线传感器节点的开发是一个系统庞大的工程，为了更有效的优化开发流程，节约开发成本，需要将这些技术的开发利用有机的结合起来，构建一个良好的系统框架，形成一个有效的开发平台，面对具体环境的节点开发时， 才能有的放矢，获取最佳方案。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有无线传感器网络节点开发过程中的局限性，提供了一种无线传感器网络节点开发平台，该平台可以有效支撑具体特定环境下的无线传感器网络节点开发，降低开发成本，缩短开发周期。本发明提供的一种无线传感器网络节点开发平台，其特征在于，该开发平台包括能量供给模块、数据采集模块、通用接口模块、无线通信模块以及数据处理模块，其中
能量供给模块分别与数据采集模块、通用接口模块、无线通信模块以及数据处理模块连接，用于管理各模块的供能方式，为整个平台提供正常工作的能源；数据采集模块与通用接口模块连接，用于监测区域内信息的采集，并将各种传感器采集的信号转变为数字信号，最后将数字信号通过通用接口模块传送给数据处理模块， 数据采集模块根据数据处理模块传送的数据采集控制信号，开始或停止数据采集；通用接口模块与数据处理模块连接，用于数据采集模块与数据处理模块的通信， 以及数据处理模块与外围的信息交互；无线通信模块与数据处理模块连接，用于与其它节点进行无线通信，交换控制信息和收发数据；数据处理模块用于控制整个平台的数据处理、数据存储、路由协议、功耗管理、任务管理，以及实现通信协议；并且用于开发期间作为嵌入式软件的载体，承载嵌入式软件的运行环境。采用本发明的无线传感器网络节点开发平台，与现有技术相比，融合了多种成熟的前沿技术，采用FPGA、DSP以及MCU作为平台核心，FPGA最大的特点就是灵活，实现你想实现的任何数字电路，可以定制各种电路，减少受制于专用芯片的束缚，真正为自己的产品量身定做，实现高效率的逻辑处理；DSP —般采用哈佛架构，超长指令字架构等，数据存取和指令分开，内部运算单元多，有专门的硬件乘加结构，因此运算速度极高，卓越的数据处理能力配合优秀的数据算法使其特别适合进行大量数字信号的实时处理。FPGA的高效率逻辑处理能力、DSP的高速数字信号处理能力以及MCU的强大控制功能的有效结合，使得平台具有高速数字信号处理和高效率逻辑处理能力，而且丰富的外围接口和多种通信协议的支持，使得平台的扩展性和兼容性大大增强，故有利于缩短产品研制周期，降低产品研制成本，以及提高产品稳定性。
图1是本发明的无线传感器网络节点开发平台的原理框图；图2是本发明的无线传感器网络节点开发平台实施例的具体结构框图；图3是本发明的无线传感器网络节点开发平台实施例的应用实例框图。
具体实施例方式以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。以下实施例仅仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。本发明提供的无线传感器网络节点开发平台的原理框图如图1所示，该开发平台包括能量供给模块1、数据采集模块2、通用接口模块3、无线通信模块5以及数据处理模块 4，其中能量供给模块1，分别与数据采集模块2、通用接口模块3、无线通信模块5以及数据处理模块4连接，用于管理各模块的供能方式，为整个平台提供正常工作的能源；数据采集模块2，与通用接口模块3连接，用于监测区域内信息的采集，并将各种传感器采集的信号转变为数字信号，最后将数字信号通过通用接口模块3传送给数据处理模块4，数据采集模块2根据数据处理模块4传送的数据采集控制信号，开始或停止数据采集；通用接口模块3，与数据处理模块4连接，用于数据采集模块2与数据处理模块4 的通信，以及数据处理模块4与外围的信息交互；无线通信模块5，与数据处理模块4连接，用于与其它节点进行无线通信，交换控制信息和收发数据；数据处理模块4，用于控制整个平台的数据处理、数据存储、路由协议、功耗管理、 任务管理，以及实现通信协议；并且用于开发期间作为嵌入式软件的载体，承载嵌入式软件的运行环境。承载嵌入式系统的运行环境包括数据处理模块4控制数据采集模块2的信息采集状态，控制能量供给模块1的供能方式，控制无线通信模块5的数据收发，访问存储器，节点与其它节点或网关节点进行信息交互，通过外围模块实现人机交互命令操作。如图2实线框部分所示，是本发明提供的无线传感器网络节点开发平台实施例的具体结构框图，其中能量供给模块1包括能源单元11和能源管理单元12，其中能源单元11与能源管理单元12连接，用于提供具体能源，能源单元11包括有源供能和无源供能，有源供能是指利用电池能量供能，无源供能是指利用环境能量实现自供能，环境能量包括电磁波能量、太阳能、水能、微机械能等；能源管理单元12对能源单元11的多种能源进行管理，并且能源单元11的能源通过能源管理单元12输出，以分别给数据采集模块2、通用接口模块3、数据处理模块4以及无线通信模块5供能。数据采集模块包括传感器单元21和模数转换单元22，其中传感器单元21与模数转换单元22连接，用于探测、感受外界信号，并将被测信号量的微小变化转换成电信号，然后将电信号传送给模数转换单元22 ；模数转换单元22，用于将传感器单元21输出的模拟信号转换为有规律的数字信号，信号经过数据采集模块传输单元31传输给数据处理模块4进行处理，根据传感器信号的带宽，选择合适的模数转换器，模数转换器采样频率的选择范围从200KHZ到20MHz，模数转换器精度的选择范围从4位到32位。通用接口模块3包括数据采集模块传输单元31、微处理器调试单元32以及外围扩展单元33，其中数据采集模块传输单元31，用于作为数据处理模块4面向数据采集模块2的端口的外延信道，实现数据采集模块2和数据处理模块4的数据传输，包括SPI、I2C、LVDS以及并行接口中的一种或多种；微处理器调试单元32，用于作为数据处理模块4调试端口的外延信道，实现开发过程中数据处理模块4和产品开发用计算机之间的数据通信，包括JTAG、USB以及SWD接口中的一种或多种；外围扩展单元33，用于作为数据处理模块4与外围设备或其它开发平台进行信息交互的端口的外延信道，实现数据处理模块4与外围设备或其它开发平台的数据通信，包括RS232、RS485等接口中的一种或多种。数据处理模块4包括微处理器单元41和存储单元42，其中
微处理器单元41，用于整个节点的数据处理、无线通信控制以及通信协议的实现， 并且作为嵌入式系统的载体，微处理器单元41将由数据采集模块传输单元31传送过来的数据进行处理后传送给通信处理单元51，或收到微处理器调试单元32、外围扩展单元33和无线通信模块5的数据后，进行数据反馈；存储单元42，用于保存平台信息参数，数据存储以及微处理器的数据缓存。无线通信模块5包括通信处理单元51和天线单元52，其中通信处理单元51，用于通信数据的处理和传输，将微处理器单元41传送过来的数据调制后传送给天线单元52，或将天线单元52传送过来的信号解调后传送给微处理器单元 41，支持包括 RFID、ZigBee, Bluetooth、HomeRF, UffB, GPRS、TD-SCDMA, GSM 以及 CMDA 等无线通信技术中的一种或多种通信标准，但不仅限于上述标准；天线单元52，用于收发无线通信信号，将收到的信号传送给通信处理单元51，或将通信处理单元51传送过来的信号发送出去，实现节点与其它节点或网关节点的通信。如图2所示的开发平台实施例的一个具体应用实例如图3所示，图2所示的各单元在图3中以具体部件对应实现，这里选择TI公司的ARM1806-375开发板，其中能源单元11包括锂电池和太阳能电池，锂电池作为有源供能方式，太阳能电池作为无源供能方式；能源管理单元12采用Linear公司的LTC4413电源管理芯片，选择供能方式给数据采集模块2、通用接口模块3、数据处理模块4以及无线通信模块5供能；传感器单元21采用Humirel公司的HSllOl湿度传感器和ADI公司的AD592AN温度传感器，采集所处环境的湿度和温度信息，并转换成电信号传送给模数转换单元22 ；模数转换单元22采用ADI公司的AD7992模数转换器，它是一款双通道12位SAR 模数转换器，它将传感器单元21传送过来的湿度和温度模拟信号转换成有规律的数字信号，并经过数据采集模块传输单元31传送给微处理器单元41 ； 数据采集模块传输单元31为I2C端口，集成在ARM1806-375开发板上，用于实现模数转换单元22与微处理器单元41的数据传输；微处理器调试单元32为JTAG端口，集成在ARM1806-375开发板上，用于实现产品开发用计算机与微处理器单元41的数据传输；外围扩展单元33为ARM1806-375开发板上外围设备端口，用于实现外围设备与微处理器单元41的数据传输；微处理器单元41为TI公司的ARM^6EJ-S芯片，集成在ARM1806-375开发板上， 用于处理数据以及实现通信协议；存储单元42为SST公司的16Mb Flash存储器SST39VF160，用于保存平台信息参数，数据存储以及微处理器的数据缓存；通信处理单元51为Atmel公司的ZigBee收发器AT86RF230芯片，用于无线通信数据的调制解调；天线单元52为2. 4GHz鞭状天线，用于收发无线通信数据。以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种无线传感器网络节点开发平台，其特征在于，该开发平台包括能量供给模块 (1)、数据采集模块(2)、通用接口模块(3)、无线通信模块(5)以及数据处理模块(4)，其中能量供给模块(1)分别与数据采集模块(2)、通用接口模块(3)、无线通信模块(5)以及数据处理模块(4)连接，用于管理各模块的供能方式，为整个平台提供正常工作的能源；数据采集模块(2)与通用接口模块(3)连接，用于监测区域内信息的采集，并将各种传感器采集的信号转变为数字信号，最后将数字信号通过通用接口模块(3)传送给数据处理模块(4)，数据采集模块(2)根据数据处理模块(4)传送的数据采集控制信号，开始或停止数据采集；通用接口模块(3)与数据处理模块(4)连接，用于数据采集模块(2)与数据处理模块 (4)的通信，以及数据处理模块(4)与外围的信息交互；无线通信模块(5)与数据处理模块(4)连接，用于与其它节点进行无线通信，交换控制信息和收发数据；数据处理模块(4)用于控制整个平台的数据处理、数据存储、路由协议、功耗管理、任务管理，以及实现通信协议；并且用于开发期间作为嵌入式软件的载体，承载嵌入式软件的运行环境。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点开发平台，其特征在于，能量供给模块 (1)包括能源单元(11)和能源管理单元(12 )，其中能源单元(11)与能源管理单元(12 )连接，用于提供具体能源，能源单元(11)包括有源供能和无源供能；能源管理单元(12)对能源单元(11)的多种能源进行管理，并且能源单元(11)的能源通过能源管理单元(12)输出，以分别给数据采集模块(2)、通用接口模块(3)、数据处理模块(4)以及无线通信模块(5)供能。
3.根据权利要求2所述的无线传感器网络节点开发平台，其特征在于，数据采集模块包括传感器单元(21)和模数转换单元(22 )，其中传感器单元(21)与模数转换单元(22)连接，用于探测、感受外界信号，并将被测信号量的微小变化转换成电信号，然后将电信号传送给模数转换单元(22 )；模数转换单元(22)，用于将传感器单元(21)输出的模拟信号转换为有规律的数字信号，信号经过数据采集模块传输单元(31)传输给数据处理模块(4)进行处理，根据传感器信号的带宽，选择合适的模数转换器。
4.根据权利要求3所述的无线传感器网络节点开发平台，其特征在于，通用接口模块(3 )包括数据采集模块传输单元(31)、微处理器调试单元(32 )以及外围扩展单元(33)，其中数据采集模块传输单元(31)，用于作为数据处理模块(4)面向数据采集模块(2)的端口的外延信道，实现数据采集模块(2)和数据处理模块(4)的数据传输；微处理器调试单元(32)用于作为数据处理模块(4)调试端口的外延信道，实现开发过程中数据处理模块(4)和产品开发用计算机之间的数据通信；外围扩展单元(33)用于作为数据处理模块(4)与外围设备或其它开发平台进行信息交互的端口的外延信道，实现数据处理模块(4)与外围设备或其它开发平台的数据通信。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络节点开发平台，其特征在于，数据处理模块(4)包括微处理器单元(41)和存储单元(42)，其中微处理器单元(41)，用于整个节点的数据处理、无线通信控制以及通信协议的实现，并且作为嵌入式系统的载体，微处理器单元(41)将由数据采集模块传输单元(31)传送过来的数据进行处理后传送给无线通信模块(5)，或收到微处理器调试单元(32)、外围扩展单元(33)和无线通信模块(5)的数据后，进行数据反馈；存储单元(42)用于保存平台信息参数，数据存储以及微处理器的数据缓存。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络节点开发平台，其特征在于，无线通信模块(5)包括通信处理单元(51)和天线单元(52)，其中通信处理单元(51)用于通信数据的处理和传输，将微处理器单元(41)传送过来的数据调制后传送给天线单元(52)，或将天线单元(52)传送过来的信号解调后传送给微处理器单元(41);天线单元(52)用于收发无线通信信号，将收到的信号传送给通信处理单元(51)，或将通信处理单元(51)传送过来的信号发送出去，实现节点与其它节点或网关节点的通信。
全文摘要
本发明披露了一种适用于多种被感知环境的无线传感器节点开发平台，包括能量供给模块，用于管理各模块的供能方式，为整个平台提供正常工作的能源；信息采集模块，用于采集区域内的信号并将其转换为有规律数字信号；通用接口模块，用于数据采集模块与数据处理模块的通信，以及数据处理模块与外围的信息交互；数据处理模块，用于控制整个平台的数据处理、数据存储、路由协议、功耗管理、任务管理，以及实现通信协议；并且用于开发期间作为嵌入式软件的载体，承载嵌入式软件的运行环境。本发明实现了多种成熟前沿技术的融合，扩展性强，兼容性好，且控制性能好。
文档编号H04W84/18GK102170712SQ201110087888
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者刘冬生, 田文卓, 程剑, 邹雪城, 郭擎, 陈宗正 申请人:华中科技大学