一種基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點由微控制器、太陽能板、太陽能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、若干傳感器探頭、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、防水盒和天線構(gòu)成。本發(fā)明節(jié)點改進(jìn)了ArduinoUno的設(shè)計，降低了系統(tǒng)的能耗和成本，充分考慮到低功耗的要求，使得節(jié)點無需更換電池，可長期在戶外環(huán)境下無人值守運行，大大降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點開發(fā)、設(shè)計的周期，節(jié)點可快速大批量地部署在需要監(jiān)測參數(shù)的區(qū)域。
【專利說明】—種基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器領(lǐng)域，特別是一種基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量具有通信、計算、感知能力的節(jié)點組成，通過無線通信方式形成自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中對象的相關(guān)信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目多，通信網(wǎng)絡(luò)常是自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，相對較短的通訊距離，數(shù)據(jù)傳輸速率低，節(jié)點能量消耗低。這些特點使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適合部署在需要大范圍、大規(guī)模的參數(shù)監(jiān)測場合。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有一定的數(shù)據(jù)處理和存儲的能力，在能量上常常受限，配有無線數(shù)據(jù)收發(fā)端，根據(jù)需要增加傳感器以測量某些參數(shù)。節(jié)點的性能決定了網(wǎng)絡(luò)的成本、可靠性、通用性。本發(fā)明給出了一種低成本、低能耗、軟硬件裁剪性好、支持多種傳感器、易于二次開發(fā)的基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種低成本、低能耗、軟硬件裁剪性好、支持多種傳感器、易于二次開發(fā)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，支持多跳、自組網(wǎng)、數(shù)據(jù)加密、故障自動恢復(fù)的通訊協(xié)議。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點由微控制器、太陽能板、太陽能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、若干傳感器探頭、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、防水盒和天線構(gòu)成；
所述穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、微控制器LED指示燈與微控制器相連；天線、射頻模塊LED指示燈與射頻模塊相連；穩(wěn)壓模塊、太陽能板、可充電鋰電池與太陽能充電模塊相連；每個傳感器探頭連接一種傳感器，所述傳感器選自溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器、危險氣體傳感器或PMlO傳感器；微控制器、太陽能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈和微控制器LED指示燈置于防水盒內(nèi)，天線、太陽能板和傳感器探頭置于防水盒外；
微控制器基于Arduino Uno,芯片型號為Atmega328p,使用14.7456MHz晶振,工作電壓3.3V ;微控制器上電后，先完成初始化工作，然后進(jìn)入休眠操作，微控制器進(jìn)入低功耗模式，直到實時時鐘模塊發(fā)送中斷信號，進(jìn)入喚醒操作，微控制器進(jìn)入正常模式，控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入傳感器數(shù)據(jù)采樣操作，微控制器讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)后，生成數(shù)據(jù)包，再控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)操作，射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后微控制器進(jìn)入休眠操作，完成微控制器一次數(shù)據(jù)發(fā)送流程；
射頻模塊選自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率為115200波特率；太陽能充電模塊給可充電鋰電池充電的同時給穩(wěn)壓模塊供電，穩(wěn)壓模塊給實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、微控制器和傳感器供電；實時時鐘模塊內(nèi)含有紐扣電池，用來記錄傳感器測量數(shù)據(jù)的時刻和發(fā)送中斷信號喚醒微控制器；射頻模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收；GPS定位模塊給出節(jié)點的工作位置；能量管理模塊控制射頻模塊、GPS定位模塊、傳感器電源的開斷，同時配有升壓電路給工作在5V的傳感器供電，能量管理模塊控制升壓電路的開斷；射頻模塊LED指示燈顯示射頻模塊的工作狀態(tài)；微控制器LED指示燈顯示微控制器的工作狀態(tài)；
所述防水盒的面板上配有7個接口，分別是天線接口，電池開關(guān)，程序下載接口，兩個傳感器接口，太陽能板和USB復(fù)用充電口，通氣閥；天線接口用于將天線與射頻模塊相連；程序下載接口與微控制器的串口相連；電池開關(guān)控制太陽能充電模塊和穩(wěn)壓模塊的開斷；程序下載接口僅在電池開關(guān)斷開的時候?qū)崿F(xiàn)程序下載功能；傳感器接口用于將傳感器探頭與微控制器相連，傳感器探頭插到傳感器接口上；太陽能板和USB復(fù)用充電口將太陽能板或USB充電器和太陽能充電模塊相連，支持輸出5.5V飛V電壓的太陽能板和USB充電器充電；通氣閥保證防水盒內(nèi)外氣壓平衡，同時水汽不會進(jìn)入盒內(nèi)。
[0006]進(jìn)一步地，所述射頻模塊的通訊協(xié)議選用ZigBee，支持多跳、自組網(wǎng)、數(shù)據(jù)加密、故障自動恢復(fù)、休眠等操作；根據(jù)射頻模塊節(jié)點類型參數(shù)設(shè)置的不同，節(jié)點分為終端節(jié)點和路由節(jié)點。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:用戶選好所述節(jié)點支持的傳感器后，只需設(shè)計對應(yīng)傳感器的傳感器擴展板和傳感器探針，無需更改節(jié)點的設(shè)計，把傳感器擴展板安裝到防水盒內(nèi)，傳感器探針安裝到防水盒面板上的傳感器接口上，節(jié)點即可正常組網(wǎng)通信；同時微控制器基于 Arduino Uno,芯片型號為 Atmega328p,使用 14.7456MHz 晶振，工作電壓 3.3V。ArduinoUno工作在5V，Arduino Uno與工作在3.3V的傳感器和射頻模塊進(jìn)行通訊時要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，會增加系統(tǒng)能耗和成本，而本發(fā)明無需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，穩(wěn)壓模塊輸出3.3V直接給微控制器、傳感器和射頻模塊供電。如果把Arduino Uno的工作電壓從5V降低到3.3V, ArduinoUno的16MHz晶振超出了 3.3V工作電壓支持的范圍，必須要降低晶振的頻率。本發(fā)明選用了 14.7456MHz晶振，這樣微控制器在3.3V工作電壓下串口通信速率能達(dá)到115200波特率?；贏rduino的微控制器提供多種傳感器和射頻模塊的第三方庫文件，修改庫文件即可快速完成二次開發(fā)。同時，基于Arduino的微控制器下載固件無需使用專用燒寫器，把新的固件發(fā)送給微控制器的串口即可更新固件，大大降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點開發(fā)、設(shè)計的周期，可快速地、大批量地把節(jié)點部署在需要監(jiān)測參數(shù)的區(qū)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是節(jié)點硬件框圖；
圖2是節(jié)點的工作流程圖；
圖3是終端節(jié)點和路由節(jié)點讀取GPS和傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送的工作流程圖。

【具體實施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0010]從節(jié)點的硬件上，充分考慮到硬件的裁剪性、支持多種傳感器的功能。如圖1所示，節(jié)點包括微控制器、太陽能板、太陽能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、若干傳感器探頭、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、防水盒和天線，支持的傳感器有溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)向雨量、危險氣體和PMlO等。當(dāng)有太陽光時，太陽能板給太陽能充電模塊供電，太陽能充電模塊給可充電鋰電池充電的同時，給穩(wěn)壓模塊供電；當(dāng)沒有太陽光時，可充電鋰電池通過太陽能充電模塊給穩(wěn)壓模塊供電。即使在夜晚或雨天，節(jié)點也有能量繼續(xù)工作。節(jié)點的硬件設(shè)計充分考慮到低功耗的要求，可長期在戶外環(huán)境下無人值守運行。節(jié)點的硬件詳細(xì)內(nèi)容包括以下三個部分:
(I)穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、微控制器LED指示燈與微控制器相連。天線、射頻模塊LED指示燈與射頻模塊相連。穩(wěn)壓模塊、太陽能板、可充電鋰電池與太陽能充電模塊相連。所述每個傳感器探頭連接一種傳感器，所述傳感器選自溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)向雨量、危險氣體或PMlO傳感器。微控制器、太陽能充電模塊、可充電鋰電池、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈和微控制器LED指示燈置于防水盒內(nèi)，天線、太陽能板和傳感器探頭置于防水盒外。根據(jù)需要可設(shè)計支持不同的傳感器探頭的傳感器擴展板，并安裝在節(jié)點上。只需更換擴展板和傳感器探頭，就能實現(xiàn)傳感器更換。
[0011](2)微控制器基于Arduino Uno,芯片型號為Atmega328p,使用14.7456MHz晶振，工作電壓3.3V。所述的溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器、射頻模塊工作在3.3V, Arduino Uno工作在5V, Arduino Uno使用所述傳感器和射頻模塊要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，會增加系統(tǒng)能耗和成本，而本發(fā)明無需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，穩(wěn)壓模塊輸出3.3V直接給微控制器、所述傳感器和射頻模塊供電。如果把Arduino Uno的工作電壓從5V降低到3.3V,Arduino Uno的16MHz晶振超出了 3.3V工作電壓支持的范圍，必須要降低晶振的頻率。本發(fā)明選用了 14.7456MHz晶振，這樣微控制器在3.3V工作電壓下串口通信速率能達(dá)到115200波特率?；贏rduino的微控制器提供多種傳感器和射頻模塊的第三方庫文件，修改庫文件即可快速完成二次開發(fā)。同時，基于Arduino的微控制器下載固件無需使用專用燒寫器，把新的固件發(fā)送給微控制器的串口即可更新固件。
[0012]射頻模塊選自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率為115200波特率，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收；太陽能充電模塊給可充電鋰電池充電的同時給穩(wěn)壓模塊供電，太陽能充電模塊支持的太陽能輸入電壓范圍為5.5V飛V，同時支持USB 口充電，支持的芯片的型號包括但不限于MCP73871或CN3065，可充電鋰電池電壓為4.2V，容量為6000mAh ；穩(wěn)壓模塊輸出3.3V直流電壓給實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、微控制器和傳感器供電，支持的芯片的型號包括但不限于MCP1703CB ;實時時鐘模塊內(nèi)含有紐扣電池，用來記錄傳感器測量數(shù)據(jù)的時刻和發(fā)送中斷信號喚醒微控制器，支持的芯片的型號包括但不限于DS3231 ；GPS定位模塊給出節(jié)點的工作位置；能量管理模塊包括N溝道和P溝道MOS管，控制射頻模塊、GPS定位模塊和傳感器電源的開斷，支持的芯片型號包括但不限于SI2302、SI2303和SI2305，同時配有升壓電路給工作在5V的傳感器供電，能量管理模塊控制升壓電路的開斷，升壓電路支持的芯片型號包括但不限于ISL97516 ;射頻模塊LED指示燈顯示射頻模塊的工作狀態(tài)；微控制器LED指示燈顯示微控制器的工作狀態(tài)。
[0013](3)防水盒的面板上配有7個接口，分別是天線接口，電池開關(guān)，程序下載接口，兩個傳感器接口，太陽能板和USB復(fù)用充電口，通氣閥。天線接口用于將天線與射頻模塊相連，接口的型號為RPSMA母頭；程序下載接口與微控制器的串口相連，接口的型號為6芯螺紋款后裝式插座；電池開關(guān)控制太陽能充電模塊和穩(wěn)壓模塊的開斷，開關(guān)的型號為單斷點平圓形開關(guān)；程序下載接口僅在電池開關(guān)斷開的時候?qū)崿F(xiàn)程序下載功能；傳感器接口用于將傳感器探頭與微控制器相連，傳感器探頭插到傳感器接口上，接口的型號為6芯螺紋款后裝式插座；太陽能板和USB復(fù)用充電口將太陽能板或USB充電器和太陽能充電模塊相連，支持輸出5.5V飛V電壓的太陽能板和USB充電器充電，接口的型號為6芯螺紋款后裝式插座；通氣閥保證防水盒內(nèi)外氣壓平衡，同時水汽不會進(jìn)入盒內(nèi)。
[0014]從節(jié)點的工作流程上，充分考慮到低功耗的要求。如圖2所示，節(jié)點的工作流程分三個部分，只有第一個流程完成后才能執(zhí)行第二個流程；同樣只有第一、第二個流程完成后才能執(zhí)行第三個流程。第一和第二個流程每個節(jié)點僅需執(zhí)行一次，之后節(jié)點就一直執(zhí)行第二個流程:
(I)第一個流程:Arduino引導(dǎo)流程。本發(fā)明的節(jié)點需使用Arduino ISP燒寫Arduino引導(dǎo)固件。Arduino引導(dǎo)固件保存在微控制器Boot Flash區(qū)域內(nèi)，目的是監(jiān)聽微控制器的串口是否有新發(fā)來的程序。如果監(jiān)聽到有新的程序，Arduino引導(dǎo)固件會更新非Boot Flash區(qū)域內(nèi)的程序。更新程序的同時不會覆蓋Arduino引導(dǎo)固件，這樣節(jié)點無需使用專用燒寫器，僅僅使用微控制器內(nèi)置的串口就能完成程序的更新。這樣降低了系統(tǒng)的成本，無需購買價格昂貴的專用燒寫器。
[0015](2)第二個流程:射頻模塊和實時時鐘模塊初始化流程。節(jié)點通信前，需要設(shè)置射頻模塊的參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)的ID號、節(jié)點的ID號、掃描頻段、節(jié)點類型、休眠時間、網(wǎng)絡(luò)密碼、串口通信速率、射頻模塊LED閃爍間隔等。網(wǎng)絡(luò)ID號參數(shù)確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，不同的網(wǎng)絡(luò)必須使用不同的網(wǎng)絡(luò)ID號以避免沖突；節(jié)點的ID號參數(shù)用于區(qū)分不同的節(jié)點；射頻模塊支持16個工作頻段，掃描頻段參數(shù)決定射頻模塊上電后掃描哪些頻段；根據(jù)節(jié)點類型參數(shù)設(shè)置的不同，節(jié)點可分為終端節(jié)點和路由節(jié)點，終端節(jié)點可以休眠，但不能轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，終端節(jié)點的數(shù)據(jù)先要發(fā)給負(fù)責(zé)其工作的路由節(jié)點，由路由節(jié)點進(jìn)一步把數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點，同時終端節(jié)點從路由節(jié)點那邊接收數(shù)據(jù)，路由節(jié)點不能休眠，可以轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)據(jù)；休眠時間參數(shù)決定終端節(jié)點的休眠時間和路由節(jié)點保存將要發(fā)給其負(fù)責(zé)的終端節(jié)點數(shù)據(jù)的時間；網(wǎng)絡(luò)密碼參數(shù)包括兩項，一個是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的密碼，一個是節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后數(shù)據(jù)包加密的密碼，數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點到另一個節(jié)點后，數(shù)據(jù)包分別進(jìn)行了加密和解密的操作，使用的就是這個密碼；串口通信速率參數(shù)決定微控制器串口和射頻模塊通訊的速率，最大支持115200波特率，相同的網(wǎng)絡(luò)ID號中允許節(jié)點的射頻模塊使用不同的串口通訊速率，不會影響到數(shù)據(jù)的傳輸，但為了方便測試起見，所有節(jié)點的射頻模塊串口通信速率都設(shè)置為115200波特率；射頻模塊LED閃爍間隔參數(shù)決定了射頻模塊LED燈閃爍的間隔。對于本發(fā)明的實時時鐘模塊，需要寫入當(dāng)前系統(tǒng)時間，實時時鐘模塊里的紐扣電池保證節(jié)點即使斷電，模塊內(nèi)仍有時間信息。
[0016](3)第三個流程:如圖3所示，微控制器讀取GPS定位模塊和傳感器的數(shù)據(jù)并通過射頻模塊發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點。為了降低節(jié)點的功耗，發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)的路由節(jié)點和終端節(jié)點都采取了能量管理策略。
[0017]終端節(jié)點的在第三個流程中操作如下:
節(jié)點的初始化操作:設(shè)置數(shù)據(jù)包的格式和報頭信息，初始化傳感器接口和射頻模塊，設(shè)定實時時鐘模塊的中斷間隔，也就是休眠時間。
[0018]休眠操作:射頻模塊進(jìn)入休眠模式，微控制器進(jìn)入低功耗模式，此時射頻模塊不會發(fā)送任何數(shù)據(jù)，微控制器不會讀取傳感器數(shù)據(jù)。
[0019]喚醒操作:實時時鐘模塊發(fā)出信號觸發(fā)微控制器的中斷響應(yīng)程序，微控制器從低功耗模式切換到正常模式。
[0020]傳感器數(shù)據(jù)采樣操作:微控制器控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器電源開關(guān)，讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)。讀完數(shù)據(jù)后，微控制器控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源。
[0021]發(fā)送數(shù)據(jù)操作:微控制器喚醒射頻通信模塊，射頻模塊把數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，終端節(jié)點進(jìn)入休眠操作。
[0022]路由節(jié)點的在第三個流程中操作如下:
節(jié)點的初始化操作:設(shè)置數(shù)據(jù)包的格式和報頭信息，初始化傳感器接口和射頻模塊，設(shè)定實時時鐘模塊的中斷間隔，也就是休眠時間。
[0023]休眠操作:微控制器進(jìn)入低功耗模式，微控制器不會讀取傳感器數(shù)據(jù)。射頻模塊繼續(xù)工作。
[0024]喚醒操作:實時時鐘模塊發(fā)出信號觸發(fā)微控制器的中斷響應(yīng)程序，微控制器從低功耗模式切換到正常模式。
[0025]傳感器數(shù)據(jù)采樣操作:微控制器控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器電源開關(guān)，讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)。讀完數(shù)據(jù)后，微控制器控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源。
[0026]發(fā)送數(shù)據(jù)操作:射頻模塊找到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點的最佳路徑。微控制器把自身傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)送給射頻模塊，射頻模塊按照最佳路徑把數(shù)據(jù)通過其他路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點。完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，微控制器進(jìn)入休眠操作。對于路由節(jié)點負(fù)責(zé)的多個終端節(jié)點，路由節(jié)點的射頻模塊同樣按照最佳路徑把接收到的終端節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他路由節(jié)點，這些數(shù)據(jù)最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點。
[0027]本發(fā)明節(jié)點完成Arduino引導(dǎo)流程后，節(jié)點即可通過防水盒面板上的程序下載接口更新程序。完成Arduino引導(dǎo)流程后，節(jié)點必須執(zhí)行一次射頻模塊和實時時鐘模塊初始化流程，射頻模塊和實時時鐘模塊在此之后就能正常工作。最后，節(jié)點一直工作在微控制器讀取GPS定位模塊和傳感器的數(shù)據(jù)并通過射頻模塊發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點的流程。
[0028]從節(jié)點的射頻模塊上，充分考慮到支持多跳、自組網(wǎng)、數(shù)據(jù)加密、故障自動恢復(fù)、休眠等特性。射頻模塊型號為XBee S2或XBee PRO S2B，使用ZigBee通訊協(xié)議，支持多跳、自組網(wǎng)、故障自動恢復(fù)的功能。發(fā)送相應(yīng)的命令，即可設(shè)置射頻模塊的其他功能:限制入網(wǎng)時間、加入網(wǎng)絡(luò)的密碼、數(shù)據(jù)通訊的密碼等安全選項；休眠模式和休眠時間選項；路由方式選項；發(fā)射功率選項；串口通訊速率選項。其中根據(jù)通訊距離的要求，可選擇低功耗近距離傳輸?shù)腦Bee S2或是高能耗遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腦Bee PRO S2B。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于:節(jié)點由微控制器、太陽能板、太陽能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、若干傳感器探頭、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、防水盒和天線構(gòu)成； 所述穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、微控制器LED指示燈與微控制器相連；天線、射頻模塊LED指示燈與射頻模塊相連；穩(wěn)壓模塊、太陽能板、可充電鋰電池與太陽能充電模塊相連；每個傳感器探頭連接一種傳感器，所述傳感器選自溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器、危險氣體傳感器或PMlO傳感器；微控制器、太陽能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈和微控制器LED指示燈置于防水盒內(nèi)，天線、太陽能板和傳感器探頭置于防水盒外； 微控制器基于Arduino Uno,芯片型號為Atmega328p,使用14.7456MHz晶振,工作電壓3.3V ;微控制器上電后，先完成初始化工作，然后進(jìn)入休眠操作，微控制器進(jìn)入低功耗模式，直到實時時鐘模塊發(fā)送中斷信號，進(jìn)入喚醒操作，微控制器進(jìn)入正常模式，控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入傳感器數(shù)據(jù)采樣操作，微控制器讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)后，生成數(shù)據(jù)包，再控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)操作，射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后微控制器進(jìn)入休眠操作，完成微控制器一次數(shù)據(jù)發(fā)送流程； 射頻模塊選自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率為115200波特率；太陽能充電模塊給可充電鋰電池充電的同時給穩(wěn)壓模塊供電，穩(wěn)壓模塊給實時時鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、微控制器和傳感器供電；實時時鐘模塊內(nèi)含有紐扣電池，用來記錄傳感器測量數(shù)據(jù)的時刻和發(fā)送中斷信號喚醒微控制器；射頻模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收；GPS定位模塊給出節(jié)點的工作位置；能量管理模塊控制射頻模塊、GPS定位模塊、傳感器電源的開斷，同時配有升壓電路給工作在5V的傳感器供電，能量管理模塊控制升壓電路的開斷；射頻模塊LED指示燈顯示射頻模塊的工作狀態(tài)；微控制器LED指示燈顯示微控制器的工作狀態(tài)； 所述防水盒的面板上配有7個接口，分別是天線接口，電池開關(guān)，程序下載接口，兩個傳感器接口，太陽能板和USB復(fù)用充電口，通氣閥；天線接口用于將天線與射頻模塊相連；程序下載接口與微控制器的串口相連；電池開關(guān)控制太陽能充電模塊和穩(wěn)壓模塊的開斷；程序下載接口僅在電池開關(guān)斷開的時候?qū)崿F(xiàn)程序下載功能；傳感器接口用于將傳感器探頭與微控制器相連，傳感器探頭插到傳感器接口上；太陽能板和USB復(fù)用充電口將太陽能板或USB充電器和太陽能充電模塊相連，支持輸出5.5V飛V電壓的太陽能板和USB充電器充電；通氣閥保證防水盒內(nèi)外氣壓平衡，同時水汽不會進(jìn)入盒內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于:所述射頻模塊的通訊協(xié)議選用ZigBee，支持多跳、自組網(wǎng)、數(shù)據(jù)加密、故障自動恢復(fù)、休眠等操作；根據(jù)射頻模塊節(jié)點類型參數(shù)設(shè)置的不同，節(jié)點分為終端節(jié)點和路由節(jié)點。
【文檔編號】H04W84/18GK104333915SQ201410598464
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】張茜, 陳積明, 程鵬 申請人:浙江大學(xué)