一种适用于协作波束成形技术的无线传感器网络节点的制作方法

本实用新型涉及无线传感器网络领域，特别是涉及一种适用于协作波束成形的无线传感器网络节点。

背景技术：

无线无线传感器网络(WSN)通常由大量的低能耗和能量受限的传感器节点组成，这些节点随机地分布在广阔的被监测区域中不断采集、感知和融合环境数据。由于WSN通常部署在人迹罕至的室外环境，远距离通信造成的通信时延较高。同时，其多跳通信的方式无疑也将导致较高的路由开销，降低了通信的可靠性。另外，无线传感器网络能量受限也极易造成数据完整性缺失，更会由于节点的死亡导致网络不连通，形成信息孤岛。

由于传感器节点发射功率受限，导致其直接与基站通信较为困难。因此，传统的无线传感器网络节点通过多跳方式与基站通信。然而，该方式时延较高、通信可靠性较差且能耗较大。基于无线传感器网络的协作波束成形技术可有效降低单个节点的发射功率并扩展单个节点的通信距离。在该技术中，传感器节点可以组成虚拟阵列天线，不经多跳通信、利用虚拟天线阵列形成的高增益及高方向性波束直接与基站通信。利用协作波束成形技术，不但可以降低通信时延，而且可以获得能耗增益并延长网络生存期。

现有的传感器节点均只适用于传统的基于多跳通信的无线传感器网络。然而，基于无线传感器网络的协作波束成形技术需解决节点间的时间同步、相位同步及载波同步等问题。因此，需要设计一种适用于协作波束成形技术的无线传感器网络节点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种适用于协作波束成形的无线传感器节点。

本实用新型装置，其特征在于：所述无线传感器节点，包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源系统、接口模块和天线；

优选地，所述电源系统包括设有充电接口的高性能锂电池，用以给整个无线传感器节点进行供电；

优选地，所述无线通信模块是射频收发一体化模块，可接收目标节点的反馈信号，从而适用于分布式协作波束成形并应用闭环同步的迭代反馈法来解决协作波束成形的同步问题。所述无线通信模块包括振荡器、移相器和放大器，能够解决在无线传感器网络中应用协作波束成形时的节点同步和信息共享问题；

所述振荡器用于同步各个协作节点的载波频率，以便解决协作波束成形的频率同步问题；所述移相器用于在协作波束成形中消除各个协作节点到达目的节点的相位偏移；所述放大器用于增强各个节点的发射信号强度；

优选地，所述传感器模块包括各类进行参数测量的传感器及进行模数转换的A/D转换器，其一端与处理器模块相连接，另一端与各种传感器电路相连接；

优选地，所述的A/D转换器的型号为ADC0803，用于对数模信号进行转换；

所述数据存储模块用于存储接收通信模块接收的或者处理器模块处理后的各种数据。

优选地，所述处理器模块为ARM11微处理器；

优选地，所述处理器模块上运行有嵌入式操作系统，所述操作系统为嵌入式操作系统Linux、TinyOS、UcLinux、WindowsCE、UC/OS及VxWorks中的一种；

优选地，所述天线为Whip天线或PCB天线；

优选地，所述接口模块包括USB接口、串口接口及SPI接口。该接口模块与处理器模块相连接，同时电源系统可对接口模块进行供电。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型设计了一种新的无线传感器网络节点，较之传统的无线传感器网络节点，本实用新型更加适用于基于无线传感器网络的分布式协作波束成形技术。

(2)本实用新型设计了一种新的无线通信模块，能够解决在无线传感器网络中应用协作波束成形时的节点同步和信息共享问题。

(3)本实用新型能够应用于具有较高能量效率的协作波束成形技术，极大地降低系统功耗、减少充电次数并延长节点的使用寿命，进而延长整个无线传感器网络的生存周期。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种适用于协作波束成形的无线传感器网络节点结构图；

图2是本实用新型提供的一种无线通信模块内部结构图；

图3是本实用新型提供的一种适用于协作波束成形的无线传感器网络系统图；

具体实施方式：

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整的描述与说明：

1、如图1所示，本实用新型包括：处理器模块(1)、电源系统(2)、传感器模块(3)、数据存储模块(4)、无线通信模块(5)、天线(6)和接口模块(7)。

处理器模块(1)采用ARM11微处理器，处理器模块上可运行有操作系统，所述操作系统为嵌入式操作系统Linux、TinyOS、UcLinux、WindowsCE、UC/OS及VxWorks中的一种；

电源系统(2)是整个无线传感器节点的能量供给单元，通过充电接口可以为高性能锂电池充电；

传感器模块(3)包括各类进行参数测量的传感器及进行模数转换的A/D转换器，其一端与处理器模块相连接，另一端与各种传感器电路相连接；其中，所述的A/D转换器的型号为ADC0803；

数据存储模块(4)用于存储处理器模块接收或者处理后的各种数据，并向无线通信模块传输数据；

接口模块包括(7)USB接口、串口接口及SPI接口。该接口模块与处理器模块(1)相连接，同时电源系统(2)可对接口模块进行供电。

本实用新型为适应不同的应用场景、信号质量以及出于对成本的综合考量，在该无线传感器网络节点内同时设计了PCB和Whip两种天线(6)；

无线通信模块(5)是射频收发一体化模块，可接收目标节点的反馈信号等，从而适用于分布式协作波束成形并应用闭环同步的迭代反馈法来解决协作波束成形的同步问题。所述无线通信模块包括振荡器(8)、移相器(9)和放大器(10)，能够解决在无线传感器网络中应用协作波束成形时的节点同步和信息共享问题；

2、如图2所示，所述振荡器(8)是用于在分布式协作波束成形下使各个协作节点相互同步使得具有相同的载波频率，以便解决协作波束成形的载波同步问题；所述移相器(9)用于在协作波束成形中消除各个协作节点到达目的节点的相位偏移；所述放大器(10)用于增强节点的信号发射功率；

3、如图3所示，无线传感器网络节点在协作工作过程中，各个无线传感器网络节点(11)通过协作波束成形的方式，形成虚拟天线阵列；该阵列将各个协作节点采集的数据转发给汇聚节点或者基站(12)，汇聚节点(12)是无线传感器节点(11)利用协作波束成形和数据中心(13)进行数据交换的中间部件，其功能主要是接收来自基于无线传感器网络节点组成的虚拟天线阵列发送的数据并向数据中心(13)转发该数据。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。