专利名称：基于嵌入式gps模块时钟校正的无线传感器网络的节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络技术，更具体地说，涉及一种基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点。
背景技术：
无线传感器网络是由部署在目标区域的大量传感节点相互协作、感知、自组织构成的一种多跳网络。传感节点间通过相互分エ和合作来监测被部署的目标区域的信息。传感节点实质上是ー种特殊的微小型的嵌入式系统，传感节点包括由传感器和具有AD模数转换功能的模块组成的传感单元、由CPU和嵌入式操作系统等组成的处理单元、由无线通信模块组成的通信単元和电源。所述传感节点受到エ艺及成本的约束，一般采用电池作为电源，致使传感节点的 能量非常有限。传感节点有限的电源限制了无线传感器网络的生存周期，在某些应用领域内，更换电源几乎是不可能的，例如军事侦察领域，并且更换电源的成本甚至要超出重新部署ー个传感节点的成本。通常,采用嵌入永久时钟的MAC (Medium Access Control媒体访问控制)同步机制的传感节点能够在很大程度上減少能耗，并且有效增加数据的吞吐量。但是，采用嵌入永久时钟的MAC (Medium Access Control媒体访问控制)同步机制的传感节点会随着时间的推移产生时钟偏移，使得通信效率下降。传感节点之间发送同步数据包会带来部分能耗，同时频繁的发送同步数据包会使整个无线传感器网络变得不稳定。例如S-MAC、T-MAC和TEA-MAC等基于竞争的MAC协议都必须通过严格的同步时钟来协调。所以将同步时钟作为硬件嵌入到传感节点中，并将传感器在出厂时便设置好统ー的同步时钟，于是出厂后的传感器都拥有相同的侦听/睡眠周期，且步调一致。图I示出了现有技术中的周期为Is的时间段内的传感节点的状态分布示意图。如图所示，在ー个周期为I秒的时间段内，传感节点处于侦听状态的时间为300ms，传感节点处于睡眠状态的时间为700ms。在侦听状态中，传感节点开启无线射频并侦听信道，等待接收其他传感节点向其发送数据。在睡眠状态中，传感节点关闭无线射频，只运行系统所必须的一些应用程序，此时传感节点的同步时钟仍继续运行，直到睡眠状态的时间片结束。在嵌入永久时钟的传感节点中，时钟的运行始于传感器的出厂，直到传感器的能源消耗殆尽为止。时钟以固定的侦听/睡眠周期不间断地运行在传感器的整个生命周期内。由于无线传感器的能源主要消耗在接收数据和发送数据的能耗上，在系统运行和处理数据以及保持时钟方面消耗的能源所占的比例很小，所以即使时钟运行在无线传感器的整个生命周期内，时钟运行的能源消耗也是十分微小的。嵌入永久时钟的传感节点最大的优点在于传感节点之间不需要彼此发送同歩数据包来校正时钟。因为传感节点内部都运行有统ー的时钟，每个传感节点都在统ー的时刻下运行，所以同步时钟的校正可以忽略。周期侦听与睡眠状态之间的切换也节省了能源，且实现起来并不复杂。通过嵌入永久时钟解决了传感节点之间的同步问题，但是在S-MAC协议中，使用周期侦听/睡眠机制会遇到一些问题由于传感节点大部分时间处于睡眠状态，用于接收或发送数据的状态占用的时间很少，因此，在一条传输链路建立起来后需要很长一段时间才能将数据发送出去，导致信道利用率低，呑吐量不大。鉴于上述问题，图2示出了现有技术中的接入唤醒机制下的链路建立的示意图。图3示出了现有技术中的基于永久时钟的接入唤醒机制的流程示意图。如图所示，如果在无线传感器网络中一条传输链路建立起来之后，通过应用程序屏蔽使得传感节点退出周期性的侦听/睡眠状态，进入正常的无睡眠工作模式。此时传感节点内部的永久时钟仍然运行，只是通过应用程序将其屏蔽，等待数据传输完成后，释放该传输链路，再将传感节点激活，此其恢复原来的周期性的侦听/睡眠模式。在屏蔽前，所有传感节点的时钟都在同步的模式下运行，所以激活后该传感节点内部的时钟仍然与其它传感节点的时钟保持同歩。这种周期性的侦听/睡眠模式与正常模式之间的切換大大提高了信道的利用率，増加了传输 链路的数据吞吐量。任何ー个时钟随着时间的推移都会不可避免的发生不同程度的时间偏差。一般而言，时钟偏移的程度与时间成正比的关系，即，时间越长时钟偏移越严重。对于寿命较短(通常在ー个月以内)的无线传感器网络而言，在传感节点整个生命周期内时钟偏移都是非常微小的。此时，可以认为时钟偏移对短寿命的无线传感器网络不会产生影响。然而，在寿命较长的无线传感器网络中，随着时间的推移，时钟偏移的幅度越来越大，大幅度的时钟偏移会造成无线传感器网络通信质量的严重下降。周期状态偏移依据嵌入永久时钟的传感节点的定义，所有传感节点在ー个周期内的侦听时间段和睡眠的时间段都是重合的，即在某ー时间区间内，ー个传感节点在侦听状态，其它传感节点同样处于侦听状态。图4示出了现有技术中传感节点的周期状态偏移的示意图。如图所示，如果发生了严重的时间偏差，即在ー个时间区间内，节点A处于侦听状态，节点B可能处于侦听与睡眠交替的状态。当A、B两节点建立链路时，节点A向节点B发送消息而此时节点B有可能已进入睡眠状态而最終无法收到消息，直到在下ー个周期的公共侦听时间区间内，节点B才能收到节点A的消息。周期状态重合周期状态重合是周期状态偏移的一种极端情況。图5示出了现有技术中传感节点的周期状态重合的示意图。如图所示，节点A在处于侦听状态的整个时间段内，节点B完全处于睡眠状态，则A、B在任意时刻都无法建立连接互相通信。为了克服上述这些缺陷，需要设计ー种使用GPS时钟校正的新型的无线传感器网络的节点。
发明内容
本发明提供基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，所述节点包括传感单元、处理单元、通信単元和电源，其中，所述电源与所述传感単元、所述处理単元、所述通信単元相连接，所述传感単元与所述处理単元相互连接，所述通信単元与所述处理単元相互连接，所述节点还包括GPS模块，所述GPS模块与电源相连接，所述GPS模块与所述处理単元相互连接；所述处理単元使用ARMHDMI-S LPC2132微控制器；所述通信単元使用CC2420无线收发芯片。优选的是，所述CC2420的SCLK引脚与所述ARMHDMI-S LPC2132的SCLK引脚相连。优选的是，所述CC2420的SO引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的MISO引脚相连。优选的是，所述CC2420的SI引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的MOSI引脚相连。优选的是，所述CC2420的CSn引脚与所述ARMHDMI-S LPC2132的GIO 2引脚相
连。 优选的是，所述CC2420 的 SFD 引脚与所述 ARMHDMI-S LPC2132 的 Timer Capture引脚相连。优选的是，所述CC2420的CCA引脚与所述ARMHDMI-S LPC2132的GIO I引脚相连。优选的是，所述CC2420 的 FIFOP 引脚与所述 ARMHDMI-S LPC2132 的 Interrupt引脚相连。优选的是，所述CC2420的FIFO引脚与所述ARMHDMI-S LPC2132的GIO 0引脚相连。优选的是，所述GPS模块使用BNX1315。优选的是，所述ARMHDMI-S LPC2132通过RxDl和TxDl接ロ与所述GPS模块相连接。采用如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点的通信方法，所述通信方法包括如下步骤(I)对所述节点进行所述通信的初始化准备，对所述处理単元、所述通信单元以及所述GPS模块进行初始化；(2)关闭中断屏蔽，打开中断；(3)开启所述节点内部的永久时钟；(4)向SCLK端ロ输出时钟状态，并通过所述永久时钟来控制所述节点的周期性的侦听/睡眠状态；(5)检测是否有来自所述通信模块的中断数据的请求，如果有来自所述通信模块的中断数据的请求，则进行步骤(6)，如果没有来自所述通信模块的中断数据的请求，则进行步骤(7)；( 6 )具有来自所述通信模块的中断数据的请求，进行中断现场的保护，然后读取所述通信単元中的数据，所述处理単元处理所述数据，然后，恢复断点并继续运行；(7)没有来自所述通信模块的中断数据的请求，检测所述GPS模块是否有发送数据的请求，如果所述GPS模块有发送数据的请求，则进行步骤(8 )，如果所述GPS模块没有发送数据请求，则返回步骤(5)。(8)所述GPS模块有发送数据读取请求，则接收时间消息并发送“确认”信息，更新永久时钟的时间值，并将新的时间数据发送到所述通信模块，所述通信模块将所述新的时间数据转发给其附近的传感节点，以使各传感节点内的时钟同歩。本发明的优点在于解决了传感节点之间为了同步时钟而发送同步数据包会带来的能量消耗，克服了周期状态偏移和周期状态重合的问题。
为了使本发明便于理解，现在结合附图描述本发明的具体实施例。图I示出了现有技术中的周期为Is的时间段内的传感节点的状态分布示意图。图2示出了现有技术中的接入唤醒机制下的链路建立的示意图。图3示出了现有技术中的基于永久时钟的接入唤醒机制的流程示意图。图4示出了现有技术中传感节点的周期状态偏移的示意图。图5示出了现有技术中传感节点的周期状态重合的示意图。图6示出了本发明ー优选实施例的通过卫星校正节点时钟的示意图。
图7示出了图6所示的优选实施例的GPS模块的工作流程示意图。图8示出了本发明的一优选实施例的嵌入式节点的总体硬件结构示意图。图9示出了图8中的优选实施例的所述CC2420与所述微控制器的接ロ的示意图。图10示出了图9中的优选实施例的所述GPS模块与所述微控制器的接ロ的示意图。图11示出了本发明的又一优选实施例的传感节点的工作流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进ー步详细描述。权利要求中构成要件和实施例中具体实例之间的对应关系可以如下例证。这里的描述意图在于确认在实施例中描述了用来支持在权利要求中陈述的主题的具体实例，由于在实施例中描述了实例，不意味着该具体实例不表示构成要件。相反地，即使在此包含了具体实例作为对应一个构成要件的要素特征，也不意味着该具体实例不表示任何其它构成要件。此外，这里的描述不意味着对应于实施例中陈述的具体实例的所有主题都在权利要求中引用了。换句话说，这里的描述不否认这种实体，即对应实施例包含的具体实例，但不包含在其任何一项权利要求中，即，能够在以后的修正被分案并申请、或増加的可能发明的实体。应当注意的是，“系统”在此意味着由两个或更多设备构成的处理。本发明通过在传感节点中嵌入GPS模块来对实现长寿命无线传感器网络的内部时钟进行校正。然而，由于GPS模块的尺寸难以压缩并且价格昂贵，因此GPS模块不可能嵌入到每个传感节点中。基于这种情况，可以对无线传感器网络的传感节点采用分簇管理。图6示出了本发明ー优选实施例的通过卫星校正节点时钟的示意图。图7示出了图6所示的优选实施例的GPS模块的工作流程示意图。如图所示，姆个簇中校正内部时钟的任务由嵌入GPS模块的簇的首节点负责，每隔一段时间(ー个月到两个月)先由簇的首节点与卫星建立连接，收到卫星的校正时钟同步数据包后再向其相邻节点转发所述时钟同步数据包，然后在由其收到同步数据包的节点转发至簇内其它节点，如此完成了对整个传感器网络的时钟校正。图8示出了本发明的一优选实施例的嵌入式节点的总体硬件结构示意图。如图所示，在所述的优选实施例中，采用CC2420和LPC2132搭建符合ZigBee标准的嵌入式传感节点。所述传感节点的通信单元的射频部分选用CC2420作为IEEE 802. 15. 4RF芯片。微控制器部分选用ARMTTDMI-S LPC2132。CC2420是面向2. 4GHz IEEE 802. 15. 4兼容的单片RF (无线)收发器，其具有高度集成、低成本、低电压、低功耗等特点，内置数字直接序列扩频调制解调模块，数据通信速率可达 250Kb/s。LPC2132微控制器是飞利浦公司推出的基于ー个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARMTTDMS-S CPU，并带有嵌入式的高速Flash存储器。所述微控制器通过SPI接ロ与CC2420的射频模块相连接，收发无线分组数据，并引出测试点以便用示波器观察各测试点的波形，同时预留了ー些GPIO以供用户灵活使用。GPS模块采用BNX1315，通过串ロ与ARMTTDMI-S LPC2132相连接。所述GPS模块体积小、授时精确、启动快且功耗低。图9示出了图8中的优选实施例的所述CC2420与所述微控制器的接ロ的示意图。 如图所示，所述CC2420的SCLK引脚与所述LPC2132的SCLK引脚相连。所述CC2420的SO引脚与所述LPC2132的MISO引脚相连。所述CC2420的SI引脚与所述LPC2132的MOSI引脚相连。所述CC2420的CSn引脚与所述LPC2132的GIO 2引脚相连。所述CC2420的帧开始定界符，即SFD引脚与所述LPC2132的Timer Capture引脚相连。所述CC2420的CCA引脚与所述LPC2132的GIO I引脚相连。所述CC2420的FIFOP引脚与所述LPC2132的Interrupt引脚相连。所述CC2420的FIFO引脚与所述LPC2132的GIO 0引脚相连。此外，如果所述微控制器有硬件SPI接ロ，则可以更方便地操作所述CC2420。所述微控制器通过下述方式对所述CC2420进行控制所述微控制器通过四线SPI总线(SI、SO、SCLK和CSn)与所述CC2420进行双向通信，向所述CC2420发送控制指令，并通过所述SPI总线读取所述CC2420的状态信息。所述微控制器利用中断的方式读写所述CC2420的先进先出寄存器(FIFO)以获取无线通信数据。所述微控制器通过读取所述CC2420的CCA引脚状态信息进行空闲信道评估。所述微控制器通过与所述CC2420的SFD引脚相连，向所述CC2420发送时序信息，表示一帧数据的开始。图10示出了图9中的优选实施例的所述GPS模块与所述微控制器的接ロ的示意图。如图所示，所述微控制器ARMTTDMI-S LPC2132通过RxDl和TxDl接ロ与所述GPS模块相连，接收来自所述GPS模块的NEMA格式的数据。通过RxDl接ロ，所述GPS模块将时间数据发送给所述微控制器ARMHDMI-S LPC2132。图11示出了本发明的又一优选实施例的传感节点的工作流程示意图。如图所示，所述传感节点先进行初始化，也包括所述微控制器和所述无线收发模块CC2420以及所述GPS模块初始化。然后，关闭中断屏蔽，打开中断。第三，开启传感节点内部的永久时钟。第四，向SCLK端ロ输出时钟状态，并通过永久时钟来控制接收模块的周期性的侦听/睡眠状态。第五，响应来自所述CC2420无线收发器的中断数据的请求。第六，检测GPS串ロ是否有发送数据的请求，有接收时间消息并发回确认。第七，更新永久时钟的时间值，并将新的时间数据发送到所述CC2420无线收发器，所述CC2420将所述新的时间数据转发给其附近的传感节点，以使各传感节点内的时钟同歩。上述详细描述通过实施例和/或示意图阐明了系统和/或过程的各种实施例。就这些示意图和/或包含一个或多个功能和/或操作而言，本领域技术人员将理解，这些示意图或实施例中的每ー个功能和/或操作都可由各种各样的硬件、软件、固件、或实际上其任意组合来単独地和/或共同地实现。应该理解，本文描述的方法可以结合硬件或软件，或在适当时结合两者的组合来实现。因此，本发明的方法，可以采用包含在诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其他机器可读存储介质等有形介质中的程序代码(即，指令)的形式，其中，当程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备通常包括处理器、该处理器可读的存储介质(包括易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备、以及至少ー个输出设备。ー个或多个程序可以例如，通过使用API，可重用控件等来实现或利用结合本发明描述的过程。这样的程序优选地用高级过程语言或面向对象编程语言来实现，以与计算机系统通信。然而，如果需要，该程序可以用汇编语言或机器语言来实现。在任何情形中，语言可以是编译语言或解释语言，且与硬件实现相结合。需要说明的是，本发明的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点的方案的范畴包括上述各部分之间的任意組合。尽管具体地參考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以·理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。
权利要求
1.基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，所述节点包括传感单元、处理单元、通信単元和电源，其中， 所述电源与所述传感单元、所述处理单元、所述通信单元相连接， 所述传感单元与所述处理单元相互连接， 所述通信単元与所述处理単元相互连接，其特征在干， 所述节点还包括GPS模块，所述GPS模块与电源相连接，所述GPS模块与所述处理単元相互连接； 所述处理单元使用ARMHDMI-S LPC2132微控制器； 所述通信単元使用CC2420无线收发芯片。
2.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于,所述CC2420的SCLK引脚与所述ARMHDMI-S LPC2132的SCLK引脚相连。
3.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于,所述CC2420的SO引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的MISO引脚相连。
4.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于,所述CC2420的SI引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的MOSI引脚相连。
5.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于,所述CC2420的CSn引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的GIO 2引脚相连。
6.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的SFD引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的Timer Capture引脚相连。
7.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的CCA引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的GIO I引脚相连。
8.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的FIFOP引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的Interrupt引脚相连。
9.如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的FIFO引脚与所述ARMTTDMI-S LPC2132的GIO 0引脚相连。
10.采用如权利要求I所述的基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点的通信方法，其特征在于，所述通信方法包括如下步骤 (1)对所述节点进行所述通信的初始化准备，对所述处理単元、所述通信单元以及所述GPS模块进行初始化； (2)关闭中断屏蔽，打开中断； (3)开启所述节点内部的永久时钟； (4)向SCLK端ロ输出时钟状态，并通过所述永久时钟来控制所述节点的周期性的侦听/睡眠状态； (5)检测是否有来自所述通信模块的中断数据的请求，如果有来自所述通信模块的中断数据的请求，则进行步骤(6)，如果没有来自所述通信模块的中断数据的请求，则进行步骤(7)； (6 )具有来自所述通信模块的中断数据的请求，进行中断现场的保护，然后读取所述通信単元中的数据，所述处理単元处理所述数据，然后，恢复断点并继续运行； (7)没有来自所述通信模块的中断数据的请求，检测所述GPS模块是否有发送数据的请求，如果所述GPS模块有发送数据的请求，则进行步骤(8 )，如果所述GPS模块没有发送数据请求，则返回步骤(5)。
(8)所述GPS模块有 发送数据读取请求，则接收时间消息并发送“确认”信息，更新永久时钟的时间值，并将新的时间数据发送到所述通信模块，所述通信模块将所述新的时间数据转发给其附近的传感节点，以使各传感节点内的时钟同歩。
全文摘要
本发明提供基于嵌入式GPS模块时钟校正的无线传感器网络的节点，所述节点包括传感单元、处理单元、通信单元和电源，其中，所述电源与所述传感单元、所述处理单元、所述通信单元相连接，所述传感单元与所述处理单元相互连接，所述通信单元与所述处理单元相互连接，所述节点还包括GPS模块，所述GPS模块与电源相连接，所述GPS模块与所述处理单元相互连接；所述处理单元使用ARM7TDMI-S LPC2132微控制器；所述通信单元使用CC2420无线收发芯片。本发明的优点在于解决了传感节点之间为了同步时钟而发送同步数据包会带来的能量消耗，克服了周期状态偏移和周期状态重合的问题。
文档编号H04W64/00GK102833853SQ201210320109
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者田景文, 张振彬, 高美娟 申请人:北京联合大学