專利名稱：用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于距離測量和數(shù) 據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的研究領(lǐng)域，是目前IT領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)領(lǐng)域等許多方面有著巨大的潛在應(yīng)用前景。
傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成信息采集、處理和傳播的功能，同時(shí)要求成本低、體積小、功耗 極低、傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，在不更換電池的情況下要求能夠工作數(shù)月至數(shù)年之久， 典型的傳感器節(jié)點(diǎn)包括信息采集模板、信息處理模塊、無線通信模塊和電源模塊。如何在 成本、體積和功耗的限制下，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
現(xiàn)有超聲波進(jìn)行測距時(shí)由于采用的超聲波測距精度不高，導(dǎo)致利用該距離值執(zhí)行跟蹤 算法時(shí)存在較大誤差而跟蹤失敗。同時(shí)由于超聲波傳感器始終處于一種周期性的工作狀態(tài)， 導(dǎo)致超聲波測距的能量損耗較大，不符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求。
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如WiFi、 ZigBee、藍(lán)牙和超寬帶 等，在辦公室、家庭、工廠等得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由于無線射頻 收發(fā)模塊本身的限制主要采用433MHZ， 868MHZ等管制頻率的無線電傳輸頻道，給用戶 的使用帶來了諸多的不便。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感 器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，該節(jié)點(diǎn)設(shè)備具有主動(dòng)測距，被動(dòng)紅外感應(yīng)，信息處理，無線傳輸?shù)裙δ埽?能夠組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備測距精度高，功耗小，實(shí)用價(jià)值高。本實(shí)用新型
通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，包括超聲波測距模塊，被動(dòng)紅 外感應(yīng)模塊，傳感器擴(kuò)展接口模塊，微處理器和無線通信模塊，電源模塊。其中，微處理 器和無線通信模塊和傳感器擴(kuò)展接口模塊相連，傳感器擴(kuò)展接口模塊分別和超聲波測距模 塊和被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊相連,電源模塊分別和其它各模塊相連。
超聲波測距模塊采用型號(hào)為"SRF08"的高性能超聲波傳感器，其具有測量精度高， 數(shù)字信號(hào)直接輸出的特點(diǎn)。SRF08超聲波測距儀能提供了厘米甚至微米級(jí)的精度，檢測范 圍為最小3厘米，最大6米，工作頻率為40KHz，外部管腳由SCL和SDA構(gòu)成I2C總線。 每對超聲波被賦予了一個(gè)不同的I2C總線地址，通過編程可以改變地址，數(shù)字輸出可以是 英寸，厘米，或者是微秒表示的回波反射時(shí)間，可以工作在連續(xù)探測模式并支持神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模式，能夠?qū)⒍啻巫x數(shù)當(dāng)作神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的輸入，從而進(jìn)行更高級(jí)的算法處理。每對超聲 波傳感器有60度的角度，可以根據(jù)需要連接多個(gè)，SRF08并聯(lián)連接，最多可以連16個(gè)。 采用I2C總線連接。
在本實(shí)用新型中，SRF08的"Do Not Connect"管腳接地，因?yàn)樵诔鰪S后所述"Do Not Connect"管腳被廠家用來對板載的PIC16F872進(jìn)行編程用的，SRF08有一個(gè)內(nèi)部上拉電阻。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了如果"Do Not Connect"管腳接地的話，電流消耗將從3mA下降到lmA?；?此在本設(shè)計(jì)中利用這個(gè)特性來降低節(jié)點(diǎn)的電流消耗，降低節(jié)點(diǎn)能耗。管腳SCL和SDA不 需要外加上拉電阻，因?yàn)镸icaz自身有個(gè)內(nèi)部上拉電阻。
被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊采用型號(hào)為"AMN14111"的被動(dòng)紅外傳感器，檢測范圍達(dá)10米，
內(nèi)置放大器，具有數(shù)字信號(hào)輸出的特點(diǎn)。
傳感器擴(kuò)展接口模塊為Crossbow公司的MDAIOOCB數(shù)據(jù)采集板，具有51pin的接口 。
微處理器和無線通信模塊采用Crossbow公司的內(nèi)部集成了 ATMegal28L和支持Zigbee 技術(shù)的CC2420射頻芯片的Micaz節(jié)點(diǎn)，其具有51pin接口 ，和權(quán)利要求4所述的MDAIOOCB 數(shù)據(jù)采集板通過51pin接口相連。
電源模塊由四節(jié)五號(hào)1.2V的充電電池組成的電池盒。超聲波測距模塊、被動(dòng)紅外感應(yīng) 模塊分別和5V電源相連，傳感器擴(kuò)展接口模塊和3.3V電源相連。
本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果
(1) 超聲波主動(dòng)測距能力，測距精度高SRF08超聲波測距儀能提供了厘米甚至微米 級(jí)的精度
(2) 功耗小，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的微處理器和無線通信模塊都支持休眠功能，通過編程控制， 可使節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，大幅度地降低節(jié)點(diǎn)的平均功耗。采用電池 作為能源，無需布線，顯著降低布線成本和安全隱患。
(3) 通信效率高，成本低CC2420支持Zigbee技術(shù)，而Zigbee是一種新興的短距離、 低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電 波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。同時(shí) Zigbee技術(shù)遵循無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有自組織，自我修復(fù)功能，明顯降 低了維護(hù)成本。
(4) 結(jié)構(gòu)清晰、性能穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)設(shè)備各模塊間功能劃分和接口定義清晰，通過實(shí)測， 節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作穩(wěn)定，該節(jié)點(diǎn)設(shè)備能夠用于室內(nèi)定位，跟蹤，避障以及室內(nèi)安全監(jiān) 領(lǐng)U，利用超聲波距離能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測目標(biāo)位置或者采用三邊定位算法實(shí)現(xiàn)定位。


圖l無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備電路框圖。圖2為實(shí)施方式中超聲波測距模塊1的管腳圖，圖中的英文字母為管腳自身固有的名稱。
圖3為實(shí)施方式中被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊2管腳圖。 圖4為實(shí)施方式中電源模塊5管腳圖。
具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例， 對本實(shí)用新型的一種用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì) 說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用 新型。
本實(shí)用新型的一種用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，本實(shí)用新型 針對事件驅(qū)動(dòng)型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了具有主動(dòng)測距，被動(dòng)紅外感應(yīng)，信息處理，無線 傳輸?shù)榷喙δ軣o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，能夠組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備測距精 度高，功耗小，實(shí)用價(jià)值高。
以移動(dòng)目標(biāo)跟蹤應(yīng)用為實(shí)例說明本實(shí)用新型所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作過程如下 被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊檢測到有目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域之后，啟動(dòng)超聲波測距模塊進(jìn)行測距， 將測距所得距離值經(jīng)傳感器擴(kuò)展接口模塊傳遞給微處理器和無線通信模塊，執(zhí)行目標(biāo)跟蹤 濾波算法，持續(xù)跟蹤目標(biāo)。
如圖1，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備 包括超聲波測距模塊，被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊，傳感器擴(kuò)展接口模塊，微處理器和無線通信模 塊，電源模塊。其中，微處理器和無線通信模塊和傳感器擴(kuò)展接口模塊相連，傳感器擴(kuò)展 接口模塊分別和超聲波測距模塊和被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊相連,電源模塊分別和各部分相連。
如圖2，超聲波測距模塊采用型號(hào)為"SRF08"的高性能超聲波傳感器，管腳"GND， VCC"用于給SRF08供電，"SCL， SDA"為I2C總線管腳，管腳"Do Not Connect"可以 懸空或者接地，所述型號(hào)為"SRF08"的高性能超聲波傳感器具有測量精度高，數(shù)字信號(hào) 直接輸出的特點(diǎn)。SRF08超聲波測距儀能提供了厘米或者微米級(jí)的精度，檢測范圍為最小 3厘米，最大6米，工作頻率為40KHz，外部管腳由SCL和SDA構(gòu)成I2C總線。每對超 聲波被賦予了一個(gè)不同的I2C總線地址，通過編程可以改變地址，數(shù)字輸出可以是英寸， 厘米，或者是微秒表示的回波反射時(shí)間，可以工作在連續(xù)探測模式并支持神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模式， 能夠?qū)⒍啻巫x數(shù)當(dāng)作神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的輸入，從而進(jìn)行更高級(jí)的算法處理。每對超聲波傳感器 有60度的角度，可以根據(jù)需要連接多個(gè)，SRF08并聯(lián)連接，最多可以連16個(gè)，采用I2C 總線連接。
在本實(shí)用新型中，SRF08的"DoNot Connect"管腳接地，因?yàn)樵诔鰪S后所述"DoNotCo皿ect"管腳被廠家用來對板載的PIC16F872進(jìn)行編程用的，SRF08有一個(gè)內(nèi)部上拉電阻。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了如果"Do Not Connect"管腳接地的話，電流消耗將從3mA下降到lmA。基于 此在我們的項(xiàng)目中我們利用這個(gè)特性來降低節(jié)點(diǎn)的電流消耗。管腳SCL和SDA不需要外 加上拉電阻，因?yàn)镸icaz自身有個(gè)內(nèi)部上拉電阻。
如圖3，被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊采用型號(hào)為"AMN14111"的被動(dòng)紅外傳感器，檢測范圍達(dá)
10米，內(nèi)置放大器，具有數(shù)字信號(hào)輸出的特點(diǎn)。其中"Vdd"為電源管腳，"Gnd"為零電 平管腳，"Output"為信號(hào)輸出管腳。
傳感器擴(kuò)展接口模塊為Crossbow公司的MDAIOOCB數(shù)據(jù)采集板，其具有51pin的接 口。表格l為該MDAIOOCB數(shù)據(jù)采集板連接管腳對應(yīng)圖。其中"A F"， "1~17"用于協(xié)同 指定MDAIOOCB數(shù)據(jù)采集板各管腳位置，如"D2"指定了 MDAIOOCB數(shù)據(jù)采集板INT3 管腳的位置。
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
微處理器和無線通信模塊采用Crossbow公司的內(nèi)部集成了 ATMegal28L和支持Zigbee 技術(shù)的CC2420射頻芯片的Micaz節(jié)點(diǎn)，其具有51pin接口 ，和權(quán)利要求4所述的MDAIOOCB 數(shù)據(jù)采集板通過51pin接口相連。
如圖4，電源模塊由四節(jié)五號(hào)1,2V的充電電池組成的電池盒，"V1"為5V電源輸出管 腳，"V2"為3.3V電源輸出管腳，"Gnd"為零電平輸出管腳。超聲波測距模塊、被動(dòng)紅外
6感應(yīng)模塊分別和5V電源相連，傳感器擴(kuò)展接口模塊和3.3V電源相連。
超聲波測距模塊的"GND, Do not connect, SCL, SDA"管腳分別與傳感器擴(kuò)展接口 模塊的"A1， F2， C8， C9"對應(yīng)的管腳連接，超聲波測距模塊的"VCC"管腳和電源模塊 的"V1"管腳連接，被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊的"Vdd， Gnd"管腳分別與超聲波測距模塊的"VCC， GND"管腳連接，被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊的"Output"管腳和傳感器擴(kuò)展接口模塊的"C10"管 腳連接，傳感器擴(kuò)展接口模塊的"F1"管腳和電源模塊的"V2"管腳連接，電源模塊的"Gnd" 管腳和傳感器擴(kuò)展接口模塊的"A1"管腳連接。
權(quán)利要求1、用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其特征在于包括電源模塊(5)和分別與電源模塊(5)連接的超聲波測距模塊(1)、被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊(2)、傳感器擴(kuò)展接口模塊(3)，微處理器及無線通信模塊(4)和傳感器擴(kuò)展接口模塊(3)相連，傳感器擴(kuò)展接口模塊(3)分別和超聲波測距模塊(1)和被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊(2)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其特 征在于超聲波測距模塊(1)采用型號(hào)為SRF08的高性能超聲波傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其特 征在于被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊(2)采用型號(hào)為AMN14111的被動(dòng)紅外傳感器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其特 征在于傳感器擴(kuò)展接口模塊(3)為Crossbow公司的MDA100CB數(shù)據(jù)采集板，該數(shù)據(jù)采集 板具有51pin的接口。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其特 征在于微處理器及無線通信模塊(4)采用Crossbow公司的內(nèi)部集成了 ATMegal28L和支 持Zigbee技術(shù)的CC2420射頻芯片的Micaz節(jié)點(diǎn)，具有51pin接口 ， Micaz節(jié)點(diǎn)通過51pin 接口與所述MDA100CB數(shù)據(jù)采集板相連。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 設(shè)備，其特征在于超聲波測距模塊(1)、被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊(2)分別和5V電源相連，傳 感器擴(kuò)展接口模塊(3)和3.3V電源相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了用于距離測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，包括微處理器及無線通信模塊(4)、電源模塊(5)和分別與電源模塊(5)連接的超聲波測距模塊(1)、被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊(2)、傳感器擴(kuò)展接口模塊(3)，微處理器及無線通信模塊(4)和傳感器擴(kuò)展接口模塊(3)相連，傳感器擴(kuò)展接口模塊(3)分別和超聲波測距模塊(1)和被動(dòng)紅外感應(yīng)模塊(2)相連。本實(shí)用新型提供的節(jié)點(diǎn)設(shè)備具有主動(dòng)測距能力，信息處理能力強(qiáng)，功耗小，實(shí)用價(jià)值高，在實(shí)施中不需要布線的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S7/52GK201392399SQ200920054000
公開日2010年1月27日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者劉貴云, 危阜勝, 健 岑, 明 曾, 胥布工, 高煥麗, 黎善斌 申請人:華南理工大學(xué)