一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，属于仪器仪表检测技术领域。所述系统中无线传感器节点包括底层节点、路由节点和协调节点，所述底层节点分布在各个监控点，根据Zigbee协议通过路由节点和协调节点与上位机通信，实现网络的实时控制。所述的每一个传感器节点分别由基础电路、核心模块、功能电路和电源管理模块构成。本发明专利技术基于PIC单片机采用控制负载电源通断的方式降低了近70％的节点平均功耗。在节点中加入休眠机制，并且定时控制节点负载电源的通断。具有微型化、低功耗、低成本等特性。节点具有一定的抗干扰性和适应性的高鲁棒性。节点预留扩展接口，可扩展性高。

Intelligent wireless network sensor system with power supply management

The invention discloses an intelligent wireless network sensor system with power supply management, which belongs to the technical field of instrumentation detection. Wireless sensor nodes in the system including the bottom node, routing node and coordinator node, the bottom node distribution in each monitoring point, according to the Zigbee protocol through the routing node and coordinator node and the host computer communication, real-time control network. Each sensor node is composed of a basic circuit, a core module, a functional circuit and a power management module. Based on the PIC microcontroller, the average power consumption of nearly 70% of the nodes is reduced by the way of controlling the load power supply. In addition, the sleeping mechanism is added in the node, and the on-off of the load power supply is controlled regularly. It has the characteristics of miniaturization, low power consumption and low cost. The node has high robustness to interference and adaptability. Node reservation extension interface, high scalability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于仪器仪表检测
，具体涉及一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统。
技术介绍
随着计算机、信息科学技术水平的发展，军事国防、精细农业、医疗健康、安全监控、环保监测、建筑领域、交通流量、智能家居等不同领域的智能化需求也日益提高。随之而来的信息采集、获取，数据传递、存储等问题凸显出来。无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)就是能够在无人值守的监测区域内部署众多的微小廉价的传感器节点，通过无线通信方式形成一个多跳的、环境自适应的“智能”测控网络系统。它可应用于布线、电源供给困难以及人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)，尤其是发生地震、水灾、强热带风暴等紧急情况下，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被摧毁或无法正常工作的场合。无线传感器网络主要由若干个无线传感器节点(简称节点)及基站组成，节点以特定的方式布局，通过协作来感知、采集和处理网络覆盖的区域被感知对象的信息，然后以无线的方式将数据信息传送给基站。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽和准确的信息，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络使人们在任何时候、任何地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息成为可能。无线传感器网络节点一般部署在人不宜到达和接触的区域，这就使传感器网络节点的维护面临着很大的挑战。同时要求节点具有信号转换、收集、储存、发射、接收等综合功能，要完成这诸多功能的无线传感器节点长期处于工作状态，因此对节点的电源能量消耗提出了苛刻的要求。无线传感器节点作为微小器件，只能配备有限的电源。考虑极端情况：在某些应用场合下，更换电源是近乎不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的寿命是无线传感器网络设计需要首要考虑的问题。为了解决这类问题，许多无线传感器网络方面的研究人员都注重研究新的节约功耗的协议和算法，这些协议和算法需要传感器网络平台进行实验和验证。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前传感器节点的操作系统设计了动态能量管理(DynamicPowerManagement，DPM)、动态电压调节(DynamicVoltageScaling，DVS)模块，采用PIC单片机对节点工作状态进行定时，只在规定的时间内工作，采集信息，并向基站发送采集的数据信息，其他时间处于睡眠状态来节约电能，这样在一定程度上减少了耗能。但是还没有达到无线传感器网络极限节能的要求。
技术实现思路
在无线传感器网络的实际应用中，节点的功耗直接决定了节点和网络的运行寿命。因此，网络节点低功耗性能的改进和优化一直是研究和开发无线传感器网络的重点。针对基于JN5148芯片开发的无线传感器网络的超低功耗问题，本专利技术提出一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统。本专利技术提供的一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，所述传感器系统包括底层节点、路由节点和协调节点，统称为节点。所述底层节点分布在各个监控点，用于采集和上传所需数据参数，并根据JNET协议通过路由节点按照指定路径以多跳的方式实时地将采集的数据参数上传至协调节点，同时协调节点通过ARM控制器与上位机通信，实现网络的实时控制。该系统基于JN5148芯片设计制作无线传感器网络节点硬件电路，包括无线通信模块的外围电路、电源管理电路。其中无线通信模块的外围电路包括：基础电路(看门狗电路、信号转换模块)；功能电路(显示模块、传感器模块)；见附图5节点总体硬件构成、附图7UART-USB转换电路、附图8Watchdog(看门狗)电路、附图13LCD显示电路。电源电路包括：基础供电模块、电源管理模块、时钟检测模块，见附图5节点总体硬件构成、附图9PIC单片机电源管理电路、附图10供电电压状态检测电路、附图11负载开关电路、附图12IDS1302时钟检测电路。其中基于PIC单片机设计了硬件定时控制电路，采用控制负载电源通断的方式降低了近70％的节点平均功耗。在节点中加入休眠机制，并且定时控制节点负载电源的通断。具有微型化、低功耗、低成本等特性。节点具有一定的抗干扰性和高鲁棒性。节点预留扩展接口，可扩展性高。所述的底层节点、路由节点和协调节点，分别由基础电路、核心模块、功能部件和电源管理模块构成。所述核心模块包括无线收发模块和处理器模块两部分，无线收发模块负责无线收发数据，处理器模块用于传感器数据的采集和存储，控制数据的收发和任务管理；所述基础电路包括看门狗模块和信号转换模块两个部分，看门口模块用于保证程序运行和手动复位，所述信号转换模块用于实现节电与控制器的通信；所述电源管理模块包括基础供电电路、电源管理电路和时钟检测电路；所述功能部件包括显示模块和传感器模块两个部分，均为可插拔的分部模块形式；显示模块用于实时显示该节点当时的状态，传感器模块用于检测当前的环境信息。所述处理器模块选取JN5148系列芯片。所述看门狗模块以MAX706RESA作为核心芯片。本专利技术采用JNET无线传感器网络，可以长时间、实时、有效地监控环境参数，主控节点存储、处理网络数据，用于后期分析和系统辨识。本专利技术的优点在于：1.实时采集数据，主要包括温度、湿度、风量风向、甲烷浓度等参数。根据建模的需要，同时为避免意外情况的发生，数据应实时传送至客户端。2.客户端对网络系统的有效控制。不同区域、不同功能的节点都能接受上位机或者主节点直接控制。3.控制器的数据存储和处理。作为数据汇聚的中心，控制器对数据进行实时处理，包括的数据采集，显示，存储，控制等内容。4.节点低功耗。由于节点采用电池供电，能量低，需采用低能耗策略提高网络的运行周期。5.可靠性高。相对于室外的空旷环境，室内空间存在例如wifi等大量其他无线信号的干扰，因此，室内环境对网络通信协议的抗干扰能力和安全性能提出了更高的要求。网络必须具有较高的可靠性，以保证监控参数的正确性和有效性。6.网络以及设备的扩展性强。应用场所的改变必然导致网络的结构和覆盖范围的变化，因此需要较强的网络扩展性以满足网络适时地调整；应用内容的改变必然导致节点硬件的更新，因此需要较强的硬件扩展性以满足不用应用的需求。7.节点价格低廉，携带和安装方便。附图说明图1为底层节点休眠控制流程图。图2为PIC单片机电源定时控制方法流程图。图3为电源控制时序图。图4为智能无线网络传感器系统的网络系统结构图。图5为节点总体硬件构成示意图。图6为JN5148芯片的最小系统电路图。图7为UART-USB转换电路结构图；图8为Watchdog电路结构图。图9为PIC单片机电源管理电路结构图。图10为供电电压的状态检测电路结构图。图11为负载开关电路结构图。图12为IDS1302时钟电路结构图。图13为LCD显示电路结构图。图14为温湿度传感器电路结构图。图15为BASIC2440开发板结构框图。图16为实施例中网路节点布置图。图17为实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：所述系统包括底层节点、路由节点和协调节点，所述底层节点分布在各个监控点，用于采集和上传所需数据参数，并根据Zigbee协议通过路由节点按照指定路径以多跳的方式实时地将采集的数据参数上传至协调节点，同时协调节点通过ARM控制器与上位机通信，实现网络的实时控制；所述底层节点、路由节点和协调节点统称为节点；所述节点包括基础电路、核心模块、功能电路和电源管理模块；所述核心模块包括无线收发模块和处理器模块两部分，无线收发模块负责无线收发，处理器模块用于传感器数据的采集和存储，控制数据的收发，任务管理；所述基础电路包括看门狗模块和信号转换模块两个部分，看门口模块用于保证程序运行和手动复位，所述信号转换模块用于实现节点与ARM控制器的通信；所述电源管理模块包括基础供电电路、电源管理电路和时钟检测电路；所述功能电路包括显示模块和传感器模块两个部分；显示模块用于实时显示该节点当时的状态，传感器模块用于检测当前的环境信息。

【技术特征摘要】
1.一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：所述系统包括底层节点、路由节点和协调节点，所述底层节点分布在各个监控点，用于采集和上传所需数据参数，并根据Zigbee协议通过路由节点按照指定路径以多跳的方式实时地将采集的数据参数上传至协调节点，同时协调节点通过ARM控制器与上位机通信，实现网络的实时控制；所述底层节点、路由节点和协调节点统称为节点；所述节点包括基础电路、核心模块、功能电路和电源管理模块；所述核心模块包括无线收发模块和处理器模块两部分，无线收发模块负责无线收发，处理器模块用于传感器数据的采集和存储，控制数据的收发，任务管理；所述基础电路包括看门狗模块和信号转换模块两个部分，看门口模块用于保证程序运行和手动复位，所述信号转换模块用于实现节点与ARM控制器的通信；所述电源管理模块包括基础供电电路、电源管理电路和时钟检测电路；所述功能电路包括显示模块和传感器模块两个部分；显示模块用于实时显示该节点当时的状态，传感器模块用于检测当前的环境信息。2.根据权利要求1所述的一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：所述底层节点包括三种休眠状态，即低度休眠、休眠和深度休眠，具体控制流程为：节点运行在IdleTask状态下，数据采集定时器溢出后，采集并发...

【专利技术属性】
技术研发人员：王甲骏，王亚慧，
申请(专利权)人：王亚慧，
类型：发明
国别省市：北京;11