一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，該傳感器節(jié)點(diǎn)包括：超低功耗微處理器、與其連接的多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊、傳感器模塊及外置配置存儲器；其中，所述超低功耗微處理器至少為16位微處理器，用于負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，通過其內(nèi)部的Contiki操作系統(tǒng)控制所述傳感器模塊完成傳感信息的采集，并通過多頻段射頻收發(fā)機(jī)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與信息傳輸；所述外置配置存儲器，用于存儲當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)的配置信息。通過采用本發(fā)明公開的傳感器節(jié)點(diǎn)，可有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)展通信距離，并方便在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的部署。
【專利說明】一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳感器技術(shù)以及無線通信技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用其自身裝載的傳感器，采集其周圍環(huán)境信息，并通過無線電磁波將采集到的信息傳送至其周圍的節(jié)點(diǎn)，最終匯聚到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域環(huán)境信息的感知與監(jiān)測。無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，需要完成信息采集與傳輸?shù)墓δ堋?br> [0003]不同的機(jī)構(gòu)都致力于各自的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件上大都采用8位微處理器，節(jié)點(diǎn)信息處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力被處理器的位寬與頻率大大限制；Flash存儲器與RAM內(nèi)存資源緊張，開發(fā)不方便；射頻收發(fā)機(jī)僅支持非常擁擠的2.4GHz頻段，容易受到微波爐等家電以及W1-F1、藍(lán)牙等設(shè)備的干擾，引起通信距離短，數(shù)據(jù)頻繁重傳等問題，嚴(yán)重消耗了節(jié)點(diǎn)本來已經(jīng)受限的資源；并且對節(jié)點(diǎn)的配置僅僅能通過對處理器或者Flash芯片的重新編程實(shí)現(xiàn)，加大了節(jié)點(diǎn)部署的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)，可有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)展通信距離，并方便在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的部署。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該傳感器節(jié)點(diǎn)包括:超低功耗微處理器、與其連接的多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊、傳感器模塊及外置配置存儲器；
[0007]其中，所述超低功耗微處理器至少為16位微處理器，用于負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，通過其內(nèi)部的Contiki操作系統(tǒng)控制所述傳感器模塊完成傳感信息的采集，并通過多頻段射頻收發(fā)機(jī)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與信息傳輸；
[0008]所述外置配置存儲器，用于存儲當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)的配置信息。
[0009]進(jìn)一步的，該傳感器節(jié)點(diǎn)還包括:與所述超低功耗微處理器連接的USB轉(zhuǎn)換模塊及電源模塊；
[0010]所述USB轉(zhuǎn)換模塊，用于在開發(fā)階段顯示調(diào)試信息、對當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電、通過串行線路因特網(wǎng)協(xié)議SLIP協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)關(guān)互相連通，以及對節(jié)點(diǎn)的配置信息進(jìn)行交互式的顯示與配置；
[0011]所述電源模塊，用于為當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)供電；
[0012]所述電源模塊與所述USB轉(zhuǎn)換模塊相連，通過單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行選擇與切換。
[0013]進(jìn)一步的，所述多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊包括:
[0014]工作在2.4GHz頻段及780MHz頻段的射頻收發(fā)機(jī)，并通過串行外設(shè)接口 SPI總線、通用輸入輸出接口以及外部中斷線與所述超低功耗微處理器相連接。[0015]進(jìn)一步的，所述多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊在完成初始化之后，進(jìn)行工作模式的判斷；若為獨(dú)立模式，則所述工作在2.4GHz頻段及780MHz頻段的射頻收發(fā)機(jī)獨(dú)立工作；若為協(xié)作模式，則所述工作在2.4GHz頻段及780MHz頻段的射頻收發(fā)機(jī)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)頻段間互通。
[0016]進(jìn)一步的，所述傳感器模塊包括:溫濕度傳感器及光強(qiáng)傳感器，通過SPI總線以及外部中斷線與所述超低功耗微處理器相連接。
[0017]進(jìn)一步的，所述外置配置存儲器具有可字節(jié)編程的特性，不需要進(jìn)行整個(gè)頁面的擦除便可對單個(gè)字節(jié)進(jìn)行編程。
[0018]進(jìn)一步的，所述超低功耗微處理器內(nèi)搭載了 Contiki操作系統(tǒng)，當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，依次進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、通用異步收發(fā)傳輸器UART模塊與能量檢測模塊的初始化；
[0019]其中，所述UART模塊用于顯示調(diào)試信息與進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的配置，能量檢測模塊用于感知無線傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量，作為節(jié)點(diǎn)軟件分簇功能實(shí)現(xiàn)簇首輪換決策時(shí)的參考；
[0020]隨后判斷所述外置配置存儲器引腳的電平，若為低電平，則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置寫入模式；若為高電平則，則從所述外置配置存儲器中讀取自身配置信息；再進(jìn)行多頻段射頻收發(fā)機(jī)、媒體接入控制MAC層、網(wǎng)絡(luò)層及定時(shí)器的初始化；所述定時(shí)器為etimer時(shí)間定時(shí)器，用于產(chǎn)生系統(tǒng)節(jié)拍，驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)的運(yùn)行；
[0021]之后，依次啟動(dòng)傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議TCP/IP進(jìn)程及其他自啟動(dòng)進(jìn)程；所述其他自啟動(dòng)進(jìn)程包括:感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)程；
[0022]當(dāng)Contiki操作系統(tǒng)啟動(dòng)工作完成后，進(jìn)入實(shí)際的任務(wù)處理過程；并檢查進(jìn)程隊(duì)列中的某一進(jìn)程是否需要處理，若有，則根據(jù)預(yù)設(shè)調(diào)度算法選擇一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行執(zhí)行；當(dāng)沒有任務(wù)需要處理時(shí)，處理器休眠以節(jié)約能源，直至系統(tǒng)定時(shí)器到期，處理器被重新喚醒，繼續(xù)檢查是否有進(jìn)程需要處理。
[0023]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過內(nèi)置的Contiki操作系統(tǒng)，方便升級與移植；支持多個(gè)無線通信頻段，可有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)展通信距離，搭載了外置存儲器，將節(jié)點(diǎn)功能代碼與配置信息分開，可以在不對處理器或者Flash芯片進(jìn)行重新編程的情況下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置，方便在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的部署。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例二提供的多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊與超低功耗微處理器的連接示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二提供的多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊的工作流程圖；
[0028]圖4為本發(fā)明實(shí)施例二提供的傳感器模塊與超低功耗微處理器的連接示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明實(shí)施例二提供的外置配置存儲器與超低功耗微處理器的連接示意圖；[0030]圖6為本發(fā)明實(shí)施例二提供的外置配置存儲器配置界面的示意圖；
[0031]圖7為本發(fā)明實(shí)施例二提供的超低功耗微處理器內(nèi)置的Contiki操作系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033]在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的在軟件方面，目前節(jié)點(diǎn)大都采用了前后臺任務(wù)處理的方式，即正常狀態(tài)下處理主循環(huán)中的任務(wù)，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)則處理中斷，中斷返回后繼續(xù)進(jìn)行主循環(huán)。由于沒有專用的操作系統(tǒng)，使得節(jié)點(diǎn)的代碼設(shè)缺乏條理與可擴(kuò)展性，各個(gè)任務(wù)之間缺乏規(guī)范有效的通信方式。Contiki是近年來出現(xiàn)的一個(gè)小型的開源多任務(wù)操作系統(tǒng)，它只需要極少的內(nèi)存即可實(shí)現(xiàn)，非常適用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)等資源極度受限的環(huán)境，并且它提供了一種簡單的類似于線程的程序?qū)崿F(xiàn)方式，使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)的代碼能以模塊的方式實(shí)現(xiàn)，方便了程序的移植。
[0034]實(shí)施例一
[0035]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括:
[0036]超低功耗微處理器、與其連接的多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊、傳感器模塊及外置配置存儲器；
[0037]其中，所述超低功耗微處理器至少為16位微處理器，用于負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，通過其內(nèi)部的Contiki操作系統(tǒng)控制所述傳感器模塊完成傳感信息的采集，并通過多頻段射頻收發(fā)機(jī)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與信息傳輸；
[0038]所述外置配置存儲器，用于存儲當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)的配置信息。
[0039]進(jìn)一步的，該傳感器節(jié)點(diǎn)還包括:與所述超低功耗微處理器連接的USB轉(zhuǎn)換模塊及電源模塊；
[0040]所述USB轉(zhuǎn)換模塊，用于在開發(fā)階段顯示調(diào)試信息、對當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電、通過串行線路因特網(wǎng)協(xié)議SLIP協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)關(guān)互相連通，以及對節(jié)點(diǎn)的配置信息進(jìn)行交互式的顯示與配置；
[0041]所述電源模塊，用于為當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)供電；
[0042]所述電源模塊與所述USB轉(zhuǎn)換模塊相連，通過單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行選擇與切換。
[0043]進(jìn)一步的，所述多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊包括:
[0044]工作在2.4GHz頻段及780MHz頻段的射頻收發(fā)機(jī)，并通過串行外設(shè)接口 SPI總線、通用輸入輸出接口以及外部中斷線與所述超低功耗微處理器相連接。
[0045]進(jìn)一步的，所述傳感器模塊包括:溫濕度傳感器及光強(qiáng)傳感器，通過SPI總線以及外部中斷線與所述超低功耗微處理器相連接。
[0046]本發(fā)明實(shí)施例通過內(nèi)置的Contiki操作系統(tǒng)，方便升級與移植；支持多個(gè)無線通信頻段，可有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)展通信距離，搭載了外置存儲器，將節(jié)點(diǎn)功能代碼與配置信息分開，可以在不對處理器或者Flash芯片進(jìn)行重新編程的情況下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置，方便在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的部署。
[0047]實(shí)施例二
[0048]為了便于理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖2-7對本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。
[0049]本發(fā)明實(shí)施例中，所述超低功耗微處理器可以采用16位超低功耗微處理器MSP430F5438A來實(shí)現(xiàn)，該微處理器具有256Kbyte的Flash存儲空間(閃存)與16Kbyte的RAM (隨機(jī)存儲器)內(nèi)存空間，可以有效緩解傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)資源嚴(yán)重受限的問題；處理器具有豐富的接口與外部總線，可以與高精度傳感器模塊、多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊、外置配置存儲器芯片等資源進(jìn)行互聯(lián)；此外節(jié)點(diǎn)采用了處理器內(nèi)部的RC振蕩器作為其輔助時(shí)鐘源，并將輔助時(shí)鐘通過鎖相環(huán)(PLL)進(jìn)行倍頻作為其主時(shí)鐘，這樣做避免了使用較為脆弱的外置晶體振蕩器，除了降低了節(jié)點(diǎn)的制造成本，提高了集成度，更能使得節(jié)點(diǎn)更好的適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。通過軟件代碼可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段的收發(fā)機(jī)單獨(dú)工作或者實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。
[0050]所述超低功耗微處理器主要負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，通過其內(nèi)部燒寫的Contiki操作系統(tǒng)代碼控制傳感器完成傳感信息的采集，并通過多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與信息傳輸，該微處理器通過其外設(shè)總線接口以及通用輸入輸出管腳與其余各個(gè)功能模塊相連接。
[0051]本發(fā)明實(shí)施例中，多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊可以采用Atmel (艾特梅爾)公司出品的AT86RF231與AT86RF212芯片。它們都是硬件支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗射頻芯片，其中AT86RF231芯片工作在2.4GHz頻段，而AT86RF212芯片可以工作在中國IEEE802.15.4c2006標(biāo)準(zhǔn)的780MHz頻段(779_787MHz)，亦可支持北美標(biāo)準(zhǔn)的900MHz頻段(902-928MHZ)與歐洲的800MHz頻段(863_870MHz)。兩個(gè)射頻收發(fā)機(jī)都支持可編程的功率輸出，支持IEEE802.15.4的MAC層加速功能:包括支持自動(dòng)CSMA/CA (Carrier sensemultiple access with collision avoidance,載波偵聽多路訪問/碰撞避免)，F(xiàn)CS(FrameCheck Sequence,巾貞校驗(yàn)序列)的自動(dòng)計(jì)算與校驗(yàn)，支持IEEE802.15.4MAC地址過濾,支持128位AES (Advanced Encryption Standard,高級加密標(biāo)準(zhǔn))的硬件計(jì)算等。射頻收發(fā)機(jī)通過SPI接口與微處理器相連接，此外射頻收發(fā)機(jī)還要占用一個(gè)微處理器的外部中斷引腳以對處理器進(jìn)行中斷通知。
[0052]如圖2所示，為所述多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊與所述超低功耗微處理器間的連接示意圖。MSP430F5438A芯片(超低功耗微處理器)的75管腳與AT86RF231的復(fù)位管腳RST相連接，74管腳與AT86RF212的復(fù)位管腳RST相連接；73管腳與AT86RF231的休眠控制SLP_TR管腳相連接，72管腳與AT86RF212的休眠控制SLP_TR相連接；AT86RF231的中斷請求管腳INT與MSP430F5438A處理器的23管腳相連接，AT86RF212的中斷請求管腳INT與MSP430F5438A的24管腳相連接；此外，MSP430F5438A的通用串行通信模塊UCAl模塊配置為SPI模式與射頻收發(fā)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)以控制信息的交互。
[0053]如圖3所示，為多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊的工作流程圖。射頻收發(fā)機(jī)模塊初始化之后，首先進(jìn)行工作模式判斷，判斷的標(biāo)準(zhǔn)可以是預(yù)先配置好的，亦可為代碼運(yùn)行時(shí)自動(dòng)判定。根據(jù)判斷結(jié)果，射頻收發(fā)機(jī)進(jìn)入獨(dú)立模式或是協(xié)作模式。在獨(dú)立工作模式下，多個(gè)射頻收發(fā)機(jī)之間獨(dú)立工作，互補(bǔ)干擾，亦可根據(jù)信道限制或是具體應(yīng)用需求等關(guān)閉某些頻段的射頻收發(fā)機(jī)，以達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)功耗的目的。在協(xié)作工作模式下，可實(shí)現(xiàn)頻段間互通；例如，當(dāng)需要以同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測多個(gè)距離較遠(yuǎn)的區(qū)域時(shí)，可以使用2.4GHz射頻收發(fā)機(jī)傳輸本地的較小范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，利用780MHz信號自由空間損耗較小的優(yōu)勢，使用780MHz射頻收發(fā)機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的傳遞。
[0054]本發(fā)明實(shí)施例中，所述傳感器模塊包括:溫濕度傳感器及光強(qiáng)傳感器，通過SPI總線以及外部中斷線與所述超低功耗微處理器相連接。溫濕度傳感器可以采用SHT21傳感器實(shí)現(xiàn)，這是一款高精度低功耗數(shù)字輸出的溫濕度傳感器，自帶有I2C接口，在12比特條件下，其相對濕度分辨率可達(dá)0.04%，溫度分辨率可以達(dá)到0.04°C，且在測量狀態(tài)僅需要消耗300uA的電流，非常適合在能量受限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)上使用。光強(qiáng)傳感器選用TLS2561傳感器實(shí)現(xiàn)，這是一款數(shù)字式光強(qiáng)傳感器，通過兩個(gè)通道采集不同波段的光強(qiáng)，然后進(jìn)過計(jì)算可以獲得近似于人眼反應(yīng)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，帶有50/60HZ的光強(qiáng)波動(dòng)抑制功能，可以濾除交流電供電帶來的光強(qiáng)波動(dòng)，適合于各種環(huán)境的光強(qiáng)檢測，且具有中斷的產(chǎn)生功能，可以通過軟件編程設(shè)置光強(qiáng)變化的閾值，當(dāng)光強(qiáng)變化超過閾值時(shí)會向處理器發(fā)出中斷信號。如圖4所示，SHT21溫濕度傳感器連接在了 MSP430F5438A通用串行通信模塊UCBO模塊上，光強(qiáng)傳感器連接到MSP430F5438A通用串行通信模塊UCBl模塊上，此外其中斷線INT連接到微處理器的22引腳。
[0055]本發(fā)明實(shí)施例，所述USB轉(zhuǎn)換模塊，可以采用CP2102芯片實(shí)現(xiàn)，具有如下功能:1)對當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電；2)實(shí)現(xiàn)通用異步收發(fā)器與USB總線的雙向通信，在節(jié)點(diǎn)開發(fā)階段可以顯示調(diào)試信息，加速節(jié)點(diǎn)軟件代碼開打速度；3)通過USB接口，Sink節(jié)點(diǎn)可以與多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相連接，使用SLIP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，將其子節(jié)點(diǎn)采集到的溫濕度光強(qiáng)信息發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；4)在實(shí)際部署階段，借助電腦的超級終端等軟件，通過USB接口對節(jié)點(diǎn)的配置信息進(jìn)行交互式的顯示與配置，方便節(jié)點(diǎn)的部署工作。另外，USB接口的電源VBUS_5V還與傳感器節(jié)點(diǎn)的電源模塊相連接，通過單刀雙擲開關(guān)可以選擇使用USB供電或者電池供電。與超低功耗微處理器MSP430F5438A連接時(shí)，MSP430F5438A的39引腳鏈接CP2102芯片的25引腳RXD,40引腳鏈接CP2102芯片的26引腳TXD ；CP2102的4引腳鏈接USB接口的DATA+信號，5引腳鏈接USB接口的DATA-信號實(shí)現(xiàn)與USB接口的通信。
[0056]本發(fā)明實(shí)施例中，外置配置存儲器，用于存儲當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)的配置信息；通過外置配置存儲器實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)軟件代碼與配置信息的分離。通過常見的USB接口，而不是專用的JTAG編程接口便可對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互式的配置，加速了節(jié)點(diǎn)的代碼燒寫及實(shí)際部署階段的節(jié)點(diǎn)配置過程。外置配置存儲器可以采用AT24C02芯片來實(shí)現(xiàn)，這是一款帶有I2C總線接口的E2PROM或EEPROM芯片。這里采用E2PROM或EEPROM存儲器是因?yàn)槠渚哂锌勺止?jié)編程的特性，不需要進(jìn)行整個(gè)頁面的擦除便可對單個(gè)字節(jié)進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)改寫快速方便。
[0057]如圖5所示，外置配置存儲器使用I2C總線與微處理器相連接，MSP430F5438A芯片將其通用串行通信模塊UCB3配置為I2C模式，對外置配置存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。外置配置存儲器還需占用處理器的82引腳作為狀態(tài)判斷引腳，將其配置為輸入模式，并使能了內(nèi)部的上拉電阻。正常狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)復(fù)位后軟件檢測到82引腳為高電平，從外置配置存儲器中讀取出配置信息，并對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置；當(dāng)需要對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置時(shí)，短接引出的連接器P3，將82引腳拉低至低電平，軟件檢測到低電平，進(jìn)入交互式節(jié)點(diǎn)配置階段，配置完成，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)重啟，重啟后配置生效。[0058]外置配置存儲器的配置界面如圖6所示，先短接P3，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)配置界面，提示輸入節(jié)點(diǎn)的IEEE802.15.4MAC地址，按照提示的格式輸入后，顯示出輸入的MAC地址，然后根據(jù)提示斷開短接的P3接口，節(jié)點(diǎn)重啟，重啟完成后，可以看到節(jié)點(diǎn)的MAC地址信息已經(jīng)能夠順利的讀入。
[0059]本發(fā)明實(shí)施例中，傳感器節(jié)點(diǎn)采用了 Contiki操作系統(tǒng)，使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)的代碼能以模塊的方式實(shí)現(xiàn)，方便了程序的移植。
[0060]其工作流程如圖7所示，節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘:MSP430F5438A芯片需要三種時(shí)鐘源，它們分別是MCLK主時(shí)鐘、ACLK輔助時(shí)鐘與SMCLK子系統(tǒng)時(shí)鐘，本發(fā)明實(shí)施例中傳感器節(jié)點(diǎn)的ACLK時(shí)鐘使用微處理器內(nèi)部的高精度RC振蕩器提供，該時(shí)鐘經(jīng)倍頻后為處理器提供主時(shí)鐘MCLK，主時(shí)鐘源經(jīng)過分頻后提供SMCLK時(shí)鐘。MCLK頻率可以為4MHz, SMCLK 時(shí)鐘頻率 2MHz，ACLK 時(shí)鐘頻率 32KHz。
[0061]之后初始化UART(通用異步收發(fā)傳輸器)模塊與能量檢測模塊，UART模塊用于顯示調(diào)試信息與進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的配置，能量檢測模塊用于感知無線傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量，作為節(jié)點(diǎn)軟件分簇功能實(shí)現(xiàn)簇首輪換決策時(shí)的參考。隨后判斷外置配置存儲器配置引腳的電平，以決定進(jìn)入節(jié)點(diǎn)配置寫入模式還是配置讀取模式，此部分已在上一段落中進(jìn)行介紹，在此不再贅述。正常狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)從外置配置存儲器中讀取自身配置信息并加載至Contiki操作系統(tǒng)。隨后機(jī)型多頻段射頻收發(fā)機(jī)的初始化，IEEE802.15.4MAC層初始化與網(wǎng)絡(luò)層的初始化。
[0062]隨后初始化系統(tǒng)的定時(shí)器，Contiki操作系統(tǒng)使用etimer事件定時(shí)器來產(chǎn)生系統(tǒng)節(jié)拍，驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)的運(yùn)行。在本發(fā)明所涉及的傳感器節(jié)點(diǎn)上，系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍的頻率為128Hz,即每秒鐘產(chǎn)生128次時(shí)鐘中斷，etimer使用ACLK時(shí)鐘源經(jīng)過分頻得到。在此之后，啟動(dòng)TCP/IP進(jìn)程，用于處理TCP/IP數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收，隨后啟動(dòng)其他自啟動(dòng)進(jìn)程鏈表中包含的進(jìn)程，包含傳感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)程等。完成以上的操作之后，操作系統(tǒng)啟動(dòng)工作完成，進(jìn)入實(shí)際的任務(wù)處理過程，Contiki操作系統(tǒng)會檢查進(jìn)程隊(duì)列中的每個(gè)進(jìn)程是否需要處理，事后由進(jìn)程設(shè)置的定時(shí)器到期，根據(jù)其調(diào)度算法選擇一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行執(zhí)行。當(dāng)沒有任務(wù)需要處理時(shí)，處理器休眠以節(jié)約能源，直至系統(tǒng)定時(shí)器到期，即達(dá)到下一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，處理器被重新喚醒，繼續(xù)檢查是否有事件需要處理。
[0063]本發(fā)明實(shí)施例通過內(nèi)置的Contiki操作系統(tǒng)，方便升級與移植；支持多個(gè)無線通信頻段，可有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)展通信距離，搭載了外置存儲器，將節(jié)點(diǎn)功能代碼與配置信息分開，可以在不對處理器或者Flash芯片進(jìn)行重新編程的情況下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置，方便在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的部署。
[0064]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種多頻段無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，該傳感器節(jié)點(diǎn)包括:超低功耗微處理器、與其連接的多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊、傳感器模塊及外置配置存儲器； 其中，所述超低功耗微處理器至少為16位微處理器，用于負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，通過其內(nèi)部的Contiki操作系統(tǒng)控制所述傳感器模塊完成傳感信息的采集，并通過多頻段射頻收發(fā)機(jī)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與信息傳輸； 所述外置配置存儲器，用于存儲當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)的配置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，該傳感器節(jié)點(diǎn)還包括:與所述超低功耗微處理器連接的USB轉(zhuǎn)換模塊及電源模塊； 所述USB轉(zhuǎn)換模塊，用于在開發(fā)階段顯示調(diào)試信息、對當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電、通過串行線路因特網(wǎng)協(xié)議SLIP協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)關(guān)互相連通，以及對節(jié)點(diǎn)的配置信息進(jìn)行交互式的顯示與配置； 所述電源模塊，用于為當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)供電； 所述電源模塊與所述USB轉(zhuǎn)換模塊相連，通過單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行選擇與切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊包括: 工作在2.4GHz頻段及780MHz頻段的射頻收發(fā)機(jī)，并通過串行外設(shè)接口 SPI總線、通用輸入輸出接口以及外部中斷線與所述超低功耗微處理器相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于， 所述多頻段射頻收發(fā)機(jī)模塊在完成初始化之后，進(jìn)行工作模式的判斷；若為獨(dú)立模式，則所述工作在2.4GHz頻段及780MHz頻段的射頻收發(fā)機(jī)獨(dú)立工作；若為協(xié)作模式，則所述工作在2.4GHz頻段及780MHz頻段的射頻收發(fā)機(jī)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)頻段間互通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述傳感器模塊包括:溫濕度傳感器及光強(qiáng)傳感器，通過SPI總線以及外部中斷線與所述超低功耗微處理器相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述外置配置存儲器具有可字節(jié)編程的特性，不需要進(jìn)行整個(gè)頁面的擦除便可對單個(gè)字節(jié)進(jìn)行編程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于， 所述超低功耗微處理器內(nèi)搭載了 Contiki操作系統(tǒng)，當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，依次進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、通用異步收發(fā)傳輸器UART模塊與能量檢測模塊的初始化； 其中，所述UART模塊用于顯示調(diào)試信息與進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的配置，能量檢測模塊用于感知無線傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量，作為節(jié)點(diǎn)軟件分簇功能實(shí)現(xiàn)簇首輪換決策時(shí)的參考； 隨后判斷所述外置配置存儲器引腳的電平，若為低電平，則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置寫入模式；若為高電平則，則從所述外置配置存儲器中讀取自身配置信息；再進(jìn)行多頻段射頻收發(fā)機(jī)、媒體接入控制MAC層、網(wǎng)絡(luò)層及定時(shí)器的初始化；所述定時(shí)器為etimer時(shí)間定時(shí)器，用于產(chǎn)生系統(tǒng)節(jié)拍，驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)的運(yùn)行； 之后，依次啟動(dòng)傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議TCP/IP進(jìn)程及其他自啟動(dòng)進(jìn)程；所述其他自啟動(dòng)進(jìn)程包括:感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)程； 當(dāng)Contiki操作系統(tǒng)啟動(dòng)工作完成后，進(jìn)入實(shí)際的任務(wù)處理過程；并檢查進(jìn)程隊(duì)列中的某一進(jìn)程是否需要處理，若有，則根據(jù)預(yù)設(shè)調(diào)度算法選擇一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行執(zhí)行；當(dāng)沒有任務(wù)需要處理時(shí)，處理器休眠以節(jié)約能源，直至系統(tǒng)定時(shí)器到期，處理器被重新喚醒，繼續(xù)檢查是否有進(jìn)程需要處理。
【文檔編號】H04W24/02GK103826246SQ201410101498
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】高德云, 楊冬, 張宏科, 劉嘉宇, 趙偉程, 朱婉婷 申請人:北京交通大學(xué)