專利名稱：一種無線傳感節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,特別涉及ー種適用于6LowPAN與Zigbee的無線傳感節(jié)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信 息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、エ農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和エ業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響カ的技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network)簡稱WSN,是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳感器一般稱作sensor node (傳感器節(jié)點(diǎn))或者mote (灰塵)。此種網(wǎng)絡(luò)中一般也有一個或幾個基站(稱作sink)用來集中從小型傳感器收集的數(shù)據(jù)。雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。Zigbee 技術(shù)ZigBee技術(shù)是ー種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技木。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。Zigbee是ー種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。Zigbee是ー個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每ー個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為エ業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點(diǎn)。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而姆個Zigbee “基站”卻不到1000元人民幣。姆個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每ー個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。6LowPAN 技術(shù)6LowPAN (IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks)利用 IEEE802. 15. 4鏈路支持基于IP的通信，同時其遵守開放標(biāo)準(zhǔn)以及保證與其他IP設(shè)備的互操作性。物聯(lián)網(wǎng)引起全世界的廣泛關(guān)注以來，終端數(shù)量持續(xù)上升，逐漸成為上百億終端的市場，給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營提出了兩個方面的挑戰(zhàn)。首先是碼號尋址需求，從國際和國內(nèi)兩個方面看，IPv4地址不足已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。一方面，截止到2010年3月，全球可分配的A類IPv4地址段只剩下22個，預(yù)計2012年亞洲地址管理分支機(jī)構(gòu)APNIC的IPv4地址池將耗盡，屆時國內(nèi)公司將無法再申請到IPv4地址；另一方面，我國已獲得的IPv4地址份額只占·到全球的6.3%，勢必影響我國巨大潛在市場的發(fā)展。由此可見，IPv4地址尚不能滿足互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的地址需求，對于發(fā)展中的物聯(lián)網(wǎng)，特別是具有數(shù)量眾多的感知層節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識問題，這個問題更為明顯。其次，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展問題也突顯出現(xiàn)，目前，感知終端上的數(shù)據(jù)格式多種多祥，難以統(tǒng)一管理運(yùn)營，新型業(yè)務(wù)難以落地。由于缺乏統(tǒng)ー的網(wǎng)絡(luò)層通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用程序的開發(fā)處于無章可循的狀態(tài)，且廣泛基于TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不容易移植。因此，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要統(tǒng)ー標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議來支撐網(wǎng)絡(luò)向大規(guī)模泛在化發(fā)展，也需要一個標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)置來孵化各種新型的業(yè)務(wù)模式，真正實(shí)現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不能的業(yè)務(wù)”。6LowPan工作組的研究重點(diǎn)為適配層、路由、報頭壓縮、分片、IPv6、網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)管理等技木，目前已提出了適配層技術(shù)草案.其他技術(shù)還在探討中6LowPan技術(shù)底層采用IEEE 802. 15. 4規(guī)定的PHY層和MAC層，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議。由于IPv6中MAC支持的載荷長度遠(yuǎn)大干6LowPan底層所能提供的載荷長度，為了實(shí)現(xiàn)MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的無縫鏈接，6Low-Pan工作組建議在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間增加ー個網(wǎng)絡(luò)適配層，用來完成包頭壓縮、分片與重組以及網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)等工作。6LowPAN具有如下技術(shù)優(yōu)勢(I)普及性IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中使用IPv6更易于被接受。(2)適用性IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)受到廣泛的認(rèn)可，LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)完全可以基于此架構(gòu)進(jìn)行簡單、有效地開發(fā)。(3)更多地址空間IPv6應(yīng)用于LR-WPAN最大亮點(diǎn)就是龐大的地址空間。這恰恰滿足了部署大規(guī)模、高密度LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需要。(4)支持無狀態(tài)自動地址配置IPv6中當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動時?？梢宰詣幼x取MAC地址，并根據(jù)相關(guān)規(guī)則配置好所需的IPv6地址。這個特性對傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，非常具有吸引力，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，不可能對傳感器節(jié)點(diǎn)配置用戶界面，節(jié)點(diǎn)必須具備自動配置功能。(5)易接入LR_WPAN使用IPv6技術(shù)，更易于接入其他基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及下一代互聯(lián)網(wǎng)，使其可以充分利用IP網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)進(jìn)行發(fā)展。(6)易開發(fā)目前基于IPv6的許多技術(shù)已比較成熟，并被廣泛接受，針對LR-WPAN的特性對這些技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木喓腿∩?，簡化了協(xié)議開發(fā)的過程。由此看見，IPv6技術(shù)在低速率無線局域網(wǎng)上的應(yīng)用具有廣闊發(fā)展的空間，而將低速率無線局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)將大大擴(kuò)展其應(yīng)用，使得大規(guī)模傳感控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)成為可倉^:。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有無線局域網(wǎng)的局限性，提供一種無線傳感節(jié)點(diǎn)，特別適用于6LowPAN與Zigbee。本實(shí)用新型目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種無線傳感節(jié)點(diǎn)，包括核心板和傳感器底板，其所述核心板包括主控器、RF芯片、外圍電路，RF芯片、外圍電路分別與主控器連接；所述傳感器底板包括電源供電功能模塊、傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊、人機(jī)交互功能模塊和通訊功能模塊，所述電源供電功能模塊、 傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊、人機(jī)交互功能模塊、通訊功能模塊分別與主控器連接；核心板與傳感器底板連接。本無線傳感節(jié)點(diǎn)采用核心板與傳感器底板分離的形式，核心板是通過排針與傳感器底板連接。核心板通過兩個10針排母ロ與傳感器底板相連，傳感器底板通過排針為核心板供電以及數(shù)據(jù)通信；方便用戶功能的擴(kuò)展與移植。所述電源供電功能模塊采用雙供電模式，包括兩節(jié)1.5V電池的電池供電模式、DC5V直流電源適配器供電模式。所述傳感數(shù)據(jù)采集模塊包括濕溫傳感器、光感傳感器、三軸加速度傳感器、紅外收發(fā)器件，所述濕溫傳感器、光感傳感器、三軸加速度傳感器、紅外收發(fā)器件分別與主控器連接。所述人機(jī)交互功能模塊包括五向按鍵、顯示器和UART通信接ロ，所述五向按鍵與顯示器連接，顯示器與主控器連接，UART通信接ロ與主控器連接。其中五向按鍵用于對無線傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接配置，顯示器用于顯示用戶關(guān)鍵信息，UART通信接ロ為DB9規(guī)格，用于與上位機(jī)通信。所述通訊功能模塊采用TTL電平/RS232電平的串ロ方式或者SPI串ロ方式與主控器通訊。通訊功能模塊采用TTL電平/RS232電平的串ロ方式與上位機(jī)或者其他主控器進(jìn)行通信，SPI串ロ是具有PINlO的編程/SPI通信接ロ，可用于與SPI通信，與packetsniffer軟件配合實(shí)現(xiàn)802. 15. 4數(shù)據(jù)包分析儀功能。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實(shí)用新型雙模電源供電部分。圖3為本實(shí)用新型紅外收發(fā)器件與主控器的接ロ示意圖。圖4為CC2530電路連接圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本無線傳感節(jié)點(diǎn)由核心板I和底板2組成，核心板I包括主控器11、RF芯片12、外圍電路13，主控器11與RF芯片12連接，主控器11與外圍電路13連接；所述底板2由電源供電功能模塊21、傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊22、人機(jī)交互功能模塊23和通訊功能模塊24組成；核心板I通過兩個10*2排針與底板2連接。核心板I主要包括主控器11與RF芯片12、外圍電路13，其中的外圍電路13包括天線、晶振、電容等。在本實(shí)施例中，核心板上的主控器11采用的是TI公司的主控射頻一體化的片上系統(tǒng)CC2530，其封裝為6 X 6mm，QFN40。CC2530 是ー款針對 ffiEE 802. 15. 4、Zigbee, Zigbee RF4CE 和智能能源應(yīng)用的片上系統(tǒng)芯片，由于具有高達(dá)256KB的大容量閃存，CC2530非常適合Zigbee pro應(yīng)用，支持用于Zigbee RF4CE的新型RemoTI 堆棧，該堆棧是業(yè)內(nèi)第一款符合ZigBee RF4CE協(xié)議的堆棧，并且有更大容量的內(nèi)存將允許片上空中下載以支持系統(tǒng)內(nèi)重新編程。此外，CC2530 還結(jié)合了 I個完全集成的高性能射頻收發(fā)器，帶有8051MCU、8KB RAM、32/64/128/256KB閃存以及其它強(qiáng)勁的支持功能與外設(shè)。底板2主要實(shí)現(xiàn)的功能包括電源供電功能、傳感數(shù)據(jù)采集功能、人機(jī)交互功能以及有線通信功能。即底板2具體由電源供電功能模塊21、傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊22、人機(jī)交互功能模塊23和通訊功能模塊24組成。如圖2所示電源供電功能模塊21采用雙供電模式，選擇供電模式是通過跳線來選擇的。兩節(jié)I. 5V電池的電池供電模式是使用兩節(jié)五號電池，在實(shí)施例中，通過DSP60210穩(wěn)壓器升壓穩(wěn)定在3. 3V，一般用于終端節(jié)點(diǎn)，此種模式安裝容易，無需連帶電線。DC5V直流電源適配器供電模式是采用5V電源直流電源適配器，通過AMS117電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3. 3V電壓供底板和核心板使用，此種供電模式一般用于需要長期工作的路由節(jié)點(diǎn)。在本實(shí)施例中，濕溫傳感器采用具有溫濕度一體的傳感器DHT11，能實(shí)時采集溫度和濕度數(shù)據(jù)；光感傳感器能夠采集現(xiàn)場光感動數(shù)據(jù)；三軸加速度傳感器的型號為MMA7455，能夠?qū)崟r采集三維的加速度數(shù)據(jù)、震動數(shù)據(jù)與自由落體監(jiān)測等；紅外收發(fā)器件能實(shí)現(xiàn)紅外遠(yuǎn)程控制功能。本無線傳感節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，用戶可以通過五向按鍵、RS232串ロ或SPI串ロ來配置無線傳感節(jié)點(diǎn)，并能通過12864IXD顯示器、LED來進(jìn)行信息的顯示，通過紅外收發(fā)器件對無線傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制或由無線傳感節(jié)點(diǎn)控制紅外收發(fā)器件。同時，為了方便用戶了解當(dāng)前電量的剰余狀態(tài)，人機(jī)交互功能模塊上還設(shè)有電源電量指示燈。圖3為人機(jī)交互功能模塊的五向按鍵的接ロ示意圖，圖4為CC2530電路連接圖。為了方便用戶下載更新固件和采集數(shù)據(jù)，用戶可用TTL電平/RS232電平的串ロ方式與無線傳感節(jié)點(diǎn)通信，也可以通過SPI串ロ方式與無線傳感節(jié)點(diǎn)通信。其應(yīng)用實(shí)施分別可以為傳感數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)報掃描。
權(quán)利要求1.一種無線傳感節(jié)點(diǎn)，其特征在于包括核心板(I)和傳感器底板(2)，其所述核心板(I)包括主控器(11)、RF芯片(12)、外圍電路(13)，RF芯片(12)、外圍電路(13)分別與主控器(11)連接；所述傳感器底板(2)包括電源供電功能模塊(21)、傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊(22)、人機(jī)交互功能模塊(23)和通訊功能模塊(24)，所述電源供電功能模塊(21)、傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊(22)、人機(jī)交互功能模塊(23)、通訊功能模塊(24)分別與主控器(11)連接；核心板(I)與傳感器底板(2)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述核心板(I)是通過排針與傳感器底板(2)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述電源供電功能模塊(21)采用雙供電模式，包括電池供電模式、電源適配器供電模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊(22)包括濕溫傳感器、光感傳感器、三軸加速度傳感器、紅外收發(fā)器件，所述濕溫傳感器、光感傳感器、三軸加速度傳感器、紅外收發(fā)器件分別與主控器(11)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述人機(jī)交互功能模塊(23)包括五向按鍵、顯示器和UART通信接ロ，所述五向按鍵與顯示器連接，顯示器與主控器(11)連接，UART通信接ロ與主控器(11)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述通訊功能模塊(24)采用TTL電平/RS232電平的串ロ方式或者SPI串ロ方式與主控器(11)通訊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種無線傳感節(jié)點(diǎn)，由核心板和傳感器底板組成，其特征在于所述核心板包括主控器、RF芯片、外圍電路，主控器與RF芯片連接，主控器與外圍電路連接；所述傳感器底板由電源供電功能模塊、傳感數(shù)據(jù)采集功能模塊、人機(jī)交互功能模塊和通訊功能模塊組成；核心板通過排針與傳感器底板連接。本實(shí)用新型的無線傳感節(jié)點(diǎn)能適用于6LowPAN和Zigbee，擴(kuò)大了低速率無線局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，使得大規(guī)模傳感控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)成為可能。
文檔編號H04W88/02GK202475776SQ20122009686
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者劉廣聰, 唐敏健, 李耀泉 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)