无线传感器网络节点的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络领域，特别是涉及无线传感器网络节点。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络是指由分布在特定区域内足够多的无线传感器节点构成的一种新型信息获取系统。每一个传感器节点配备有一种或多种传感器，例如温度传感器、湿度传感器、声音感应器、光照传感器、红外线感应器、磁感应器、震动传感器等，并且具有一定的运算处理能力。
[0003]无线传感器网络是由大量体积小，成本低，具有无线通信、环境传感、数据处理等能力的传感器节点组成的。在无线传感器网络中，每个传感器节点的功能都是相同的。大量节点被布置在整个观测区域中，各个节点将所探测到的有用信息经过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户。数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。现有应用于无线传感器网络的节点在应用过程中，无论是模块组成还是相互通讯均存在功率损耗高的问题，这必然影响工作时长、无线传输质量差，甚至导致缩短网络寿命。
【发明内容】
[0004]本发明提供无线传感器网络节点，解决现有无线传感器网络节点功率消耗高的问题。
[0005]本发明通过以下技术方案解决上述问题:
[0006]无线传感器网络节点，主要由中央处理器模块、检测模块、无线收发模块以及能量管理模块组成；所述检测模块的输出端与中央处理器模块相连；所述无线收发模块与中央处理器模块相连；所述能量管理模块的输出端与中央处理器模块相连；所述中央处理器模块还与外部各附加设备的输入端相连，所述中央处理器模块还有外部能量产生器相连。
[0007]上述方案中，进一步包括存储器模块；所述存储器模块与中央处理器模块相连。
[0008]上述方案中，所述中央处理器模块为MSP430。
[0009]上述方案中，所述无线收发模块为CC2420。
[0010]上述方案中，所述检测模块由传感器子模块和信号处理子模块组成；所述传感器子模块的输出端经信号处理子模块与中央处理器模块相连。
[0011]本发明的优点与效果是:中央处理器模块采用低功耗芯片MSP430，可以在低压电压下以超低功耗状态工作，具有五级节能机制，通过设置把MSP430内部暂时不工作的功能单元关闭来降低总功耗；无线收发模块采用低功耗芯片CC2420，性能稳定，功耗极低，可通过增加天线的方向增益并降低每次传输的功率来优化能效，通过上述两个芯片的选择达到解决现有无线传感器网络节点功率消耗高的目的。
【附图说明】
[0012]图1为无线传感器网络节点的原理框图。
【具体实施方式】
[0013]无线传感器网络节点，由中央处理器模块、检测模块、无线收发模块、存储器模块以及能量管理模块组成；其中，检测模块的输出端与中央处理器模块相连；无线收发模块与中央处理器模块相连；存储器模块与中央处理器模块相连；能量管理模块的输出端与中央处理器模块相连；中央处理器模块还与外部各附加设备的输入端相连，中央处理器模块还有外部能量产生器相连。
[0014]检测模块完成外部信号采集的功能模块，检测模块由传感器电路子模块和信号处理电路子模块组成，传感器子模块的输出端经信号处理子模块与中央处理器模块相连。传感器电路子模块负责采集外部的温度、光度和磁场等信息，分别送入相应的信号处理电路子模块，后者完成将上述物理量传化为系统容易处理的电信号，再通过积分、放大进行整形处理，经过A/D转换器编程数字信号，最后将信息传送给中央处理器模块。检测模块还预留相应的扩展接口，便于扩展更多传感器。传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要，对于小电流工作的传感器，可由中央处理器模块的I/O 口直接驱动，当不用该传感器时，将I/O 口设置为输入方式，这样外部传感器没有能量输入，也就没有能量消耗。对于大电流工作的传感器模块，I/O 口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管来控制后级电路能量输入。当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制。
[0015]无线收发模块采用CC2420，CC2420工作在2.4GHz — ISM频段，有很高的集成度、性能出色、功耗低、接口电路扩展丰富。CC2420收发芯片兼容2.4GHz IEEE802.15.4，可快速应用到ZigBee产品中。CC2420具有集成度高，工作电压低、功耗低和灵敏度高等优点。采用直接序列扩频方式，抗噪声干扰能力强；MAC子层支持信息包处理、数据缓存、突发传输、地址识别、信道能量检测、链路质量指示和空闲信道评估等功能，从而可减轻主控制器负担，可与低成本的控制器配合使用。CC2420的选择性和敏感性指数都超过了 IEEE802.巧.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持的最高数据传输率达到250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。
[0016]存储器模块为扩展Flash存储器M25PS0，用于外部数据存储，容量为MB。芯片内部分为16段，每段为64kB，共分4096页，每页256B，每页都能够被独立编程；但是，必须按段擦除(64kB)或整块擦除(IMB)。M25P80与CC2420无线收发芯片在设计上共享SPI总线线路。因此，在读/写Flash时要特别小心，避免与CC2420通信发生冲突。我们需要为MCU的SPI总线设计一个软件仲裁协议来避免这种情况的发生。
[0017]能量管理模块，本发明的供电来源可以通过2个途径:电池供电或者USB供电。当节点插入USB接口进行驱动编写或是与主机进行数据通信时，它可以从主机上获得能量。标准USB总线提供的电压为5V，可提供的最大电流为500mA，完全可以满足本发明的各芯片正常工作的需要。由于芯片需要3.3V电压，需要进行直流降压转换。采用模块化的电源管理芯片TC55RP33。该芯片可以把输入的5V电压转换为3.3V输出，静态电流消耗低，电压转换精度高，稳定，并且最大能提供250mA的输出电流。节点也可由2节从电池来供电。AA电池可以工作在2.1V到3.6V的直流状态下。然而，需要改写中央处理器模块内部Flash或外部Flash时，电压必须高于2.7V。中央处理器模块具有电池电压监视功能，可根据剩余电压的变化调整节点的工作状态。当节点处于电池供电状态时，利用一只肖特基二极管，阻隔电池与USB主控芯片之间的电流通路，防止电流倒灌，降低功耗。
[0018]外部能量产生器用于为整个无线传感器网络节点供电是节点正常顺利工作的保证。由于是无线网络，所以无法采用普通的工业电能，只能使用自己已存储的能源或者是自然界的给予。因此，采用什么能源，采取什么样的供电方式显得尤为重要，本模块中必须解决好能源消耗与网络运行可靠性的关系。电池种类很多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要，DC/DC模块的效率也至关重要；另外，还可以利用自然界的能源来补充电池的能量。无线传感器网络节点一般工作在户外，可以利用自然能源来补给电池的能量。自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能、核能等。由于可充电电池的次数是有限的，而且大多数可充电电池有记忆效应，因此利用自然界的能量不能频繁对电池充电，否则会大大缩短电池的使用寿命。
[0019]中央处理器模块为MSP430，MSP430MCU系列提供业界较低的电流消耗，工作电压为1.8V，实时时钟待机时的电流消耗仅为1.1pA，而运行模式时的电流消耗更低至300pAo ToleS节点和ZebraNet节点就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。系列MCU+CC2420无线收发模块作为基本的芯片配置，使用两节AA电池提供能源，再附之其他功能模块，实现整个传感器节点的功能。MSP430系列MCU集成度高，芯片尺寸仅1mmx1Inln, 1/0 口扩展丰富且功耗极低；CC2420工作在2.4GHz — ISM频段，也有很高的集成度，合于无线节点的应用需求。该单片机电源采用1.8V — 3.6V的低电压，RAM非常适数据保持方式下耗电仅为0.1微安，可以在低电压下以超低功耗状态工作。MsP430系列掉电状态下的泄漏电流只有0.1pA,待机状态下消耗电流仅为0.8pA,正常工作状态下每MIPS仅消耗250“A电流，最快唤醒时间可低于lps。该型处理器具有5级节能机制以此来降低总功耗，进一步彰显其低功耗的优势。MSP430系列MCU的架构是为高效地执行C代码而特别优化的，它采用先进的线性存储器寻址方法，内置有大容量的闪存和RAM，采用正交指令集，而且处理时没有累加器瓶颈问题。该系列MCU强大的硬件支持完全可以满足复杂的无线网络协议或Zigbee协议的要求。芯片集成的Flash存储器可以支持在线编程和仿真，并具有较强的处理能力和丰富的片内外设。MSP430系列MCU集成有完整的信号链电路，包括10-16位带缓冲ADC、12位DAC、DMA、乘法器、比较器、定时器、UART/IrDA/LIN接口、IZC和SPI串行接口、USI (通用串行接口)、IXD驱动器等。其中，集成的12bit模拟/数字转换器(ADC12)带有内置的参考电压和温度传感器，这样就可以非常方便的连接各种传感器。
【主权项】
1.无线传感器网络节点，其特征在于: 主要由中央处理器模块、检测模块、无线收发模块以及能量管理模块组成； 所述检测模块的输出端与中央处理器模块相连；所述无线收发模块与中央处理器模块相连；所述能量管理模块的输出端与中央处理器模块相连；所述中央处理器模块还与外部各附加设备的输入端相连，所述中央处理器模块还有外部能量产生器相连。2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于:进一步包括存储器模块；所述存储器模块与中央处理器模块相连。3.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于:所述中央处理器模块为MSP430o4.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于:所述无线收发模块为CC2420o5.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于:所述检测模块由传感器子模块和信号处理子模块组成；所述传感器子模块的输出端经信号处理子模块与中央处理器模块相连。
【专利摘要】本发明提供的无线传感器网络节点，中央处理器模块采用低功耗芯片MSP430，可以在低压电压下以超低功耗状态工作，具有五级节能机制，通过设置把MSP430内部暂时不工作的功能单元关闭来降低总功耗；无线收发模块采用低功耗芯片CC2420，性能稳定，功耗极低，可通过增加天线的方向增益并降低每次传输的功率来优化能效，通过上述两个芯片的选择达到解决现有无线传感器网络节点功率消耗高的目的。
【IPC分类】H04W84/18
【公开号】CN105163404
【申请号】CN201510546713
【发明人】胡国旺
【申请人】胡国旺
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月31日