一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置

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一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及无线传感网络技术，具体为一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置。\n背景技术\n[0002] 随着我国国民经济的飞速发展，人民生活水平得到不断的提高，各领域对无线传感器的需求日益剧增，无线传感网络也因此得到前所未有的发展。综合考虑传输速率、通信距离和功耗等因素，目前应用比较广泛且成熟的近距离无线传感网络有蓝牙、ZigBee、无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外线数据传输网络等。\n[0003] 尽管当前无线传感器网络发展迅速，但现有的大部分都局限于对常规地面空间的监测部署。而随着公民对生命财产安全的重视度愈来愈强烈，涉及桥梁、隧道、大型水库水坝、高速公路等与居民生活紧密相关的大型重点工程的结构体内部监测、远程故障诊断、事故预警等变得越来越重要，与之相应的埋入式传感、监测网络研究也得到了广泛关注。\n[0004] 目前，可用于桥梁、大型水库水坝、高速公路路基、建筑物等公共工程结构体内部的物理量进行监测的无线传感器网络，主要分为两大类：\n[0005] 一类是进行局部有线布置的无线传感器网络。该网络对局部的传感器节点装置布置采用有线的方式，包括有线供电和有线通信。此时虽然确保了能源长期供应和数据的可靠传输，获取数据的及时性，但是系统本身由于没有做到传感器节点装置完全埋入，使得网络对重点结构体的监测无法确保事故预警的及时性、准确性；\n[0006] 另一类是进行完全无线布置的传感器网络，该类传感器网络由无线传感器网络节点装置构成，无线传感器网络节点装置通常包括传感器控制模块、中央综合控制模块、无线射频模块和电源管理模块；传感器控制模块中包括传感器组单元、信号调理单元和传感器通信接口单元，传感器组单元中含有包括压力传感器的模拟传感器，模拟传感器和信号调理单元连接，信号调理单元和传感器通信接口单元连接；中央综合控制模块中包括外部时钟及数据存储器单元和MCU（微处理器）单元，外部时钟及数据存储器单元和MCU单元连接，传感器控制模块中的传感器通信接口单元和MCU单元连接；无线射频模块包括无线射频收发单元，无线射频收发单元包括无线射频芯片和外围电路，无线射频收发单元和中央综合控制模块中MCU单元连接，电源管理模块分别和传感器控制模块、中央综合控制模块和无线射频模块连接。将无线传感器网络节点装置放置在工程结构体外面，装置上电初始化后进入工作状态，传感器组单元中的模拟传感器开始读数据，模拟传感器将所读数据输入到信号调理单元，信号调理单元对输入的数据进行采集并将采集信号输入到传感器通信接口单元，传感器通信接口对采集信号进行阻抗匹配，使其输出的信号满足中央综合控制模块中MCU单元输入端口的要求，MCU单元中的MCU采集到匹配后的信号，其中从压力传感器中采集的数据和MCU内设定阈值比较，若数据小于设定阈值，MCU将继续采集数据，若数据大于设定阈值，MCU将继续采集、存储数据并将数据输入无线射频收发单元，无线射频收发单元将数据信号发送出去，远程监控中心接收到此数据，可对此数据分析。\n[0007] 此类传感器网络在方法上做到了节点装置的无线通信，但传感器网络采用的节点装置没有定时触发的功能，上电后便处于工作状态，虽然能实时监测工程结构体，但装置整体功耗大，为保证装置能耗供应，其不能完全埋入到工程结构中，其监测到的数据可能会有偏差，工作效率很低。\n[0008] 综上所述，受限于传感器网络节点装置大功耗的特点，现有的传感器网络节点装置无法应用于工程结构体内部，以及其功能单一，因此研究一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置成为当务之急。\n发明内容\n[0009] 本发明为了解决现有的无线网络传感器节点装置功耗大，不能埋入工程结构体内部以及功能单一的问题，提供了一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置。\n[0010] 本发明是采用如下的技术方案实现的：一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，包括传感器单元，MCU单元，无线射频模块，无线射频模块中有包括无线射频芯片的无线射频收发单元，传感器单元中含有微型数字三轴加速度计智能传感器，MCU单元中的MCU内含有自触发程序，自触发程序包括以下步骤：\n[0011] 装置上电初始化后进入休眠状态，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0012] 微型数字三轴加速度计智能传感器侦听到工程结构体的振动、冲击、位移等信号，微型数字三轴加速度计智能传感器将侦听到的信号转换为数字信号，转换后的数字信号和微型数字三轴加速度计智能传感器中的设定值比较；\n[0013] 若数字信号大于设定值，微型数字三轴加速度计智能传感器将数字信号输入到MCU单元中的MCU，中断MCU的休眠状态，若数字信号小于设定值，则系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0014] MCU将采集微型数字三轴加速度计智能传感器中的数据，采集的数据和MCU内设定的加速度阈值比较，若数据大于设定的加速度阈值，MCU控制各传感器进入工作状态，若数据小于设定的加速度阈值，系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0015] MCU采集各传感器的读数并将采集到的数据存储到数据存储单元中；\n[0016] MCU采集到的数据和MCU中的设定阈值比较，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别至少有一个大于设定的压力阈值和加速度阈值，MCU将继续采集各传感器的读数并将数据保存到数据存储单元，并且MCU通过无线射频收发单元将数据发送出去，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别小于设定的压力阈值和加速度阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态。\n[0017] MCU中含有的自触发程序使得节点装置不需要一上电就进入工作状态，当工程结构体有振动、位移时，节点装置才可能被唤醒，处于工作状态，这样就极大的降低了节点装置的功耗，能实现节点装置的完全埋入；同时微型数字三轴加速度计智能传感器是基于MEMS（微机电系统）技术设计、生产的超低功耗智能传感器，其本身功耗低，节点装置中的传感器是耗电量较大的器件，选用低功耗的器件可大大降低节点装置的耗电量，使得节点装置更适合埋入到工程结构体内。\n[0018] 上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，MCU单元中包括定时器，定时器和MCU单元中的MCU连接，MCU单元中的MCU内还含有定时触发程序，定时触发程序包括以下步骤：\n[0019] 定时器定时给MCU脉冲信号；\n[0020] MCU接收到脉冲信号后通过电源管理单元给压力传感器供电，各轴上的压力传感器进入工作状态且开始读数；\n[0021] MCU采集各轴上的压力传感器的所读的数据，采集的数据和MCU中的设定的压力阈值比较；\n[0022] 若采集的数据大于设定的压力阈值，MCU通过电源管理单元给各传感器供电，各传感器进入工作状态并且读数，若读数小于设定的压力阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0023] MCU采集各传感器的读数并将采集到的数据存储到数据存储单元中；\n[0024] MCU采集到的数据和MCU中的设定阈值比较，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别至少有一个大于设定的压力阈值和加速度阈值，MCU将继续采集各传感器的读数并将数据保存到数据存储单元，并且MCU通过无线射频收发单元将数据发送出去，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别小于设定的压力阈值和加速度阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态。\n[0025] MCU单元中含有的定时触发程序可定时的对工程结构体内的物理量进行检测，弥补了节点装置完全靠微型数字三轴加速度计智能传感器触发的不足。\n[0026] 上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置， MCU单元中的MCU内还含有远程命令控制触发程序，远程命令控制触发程序包括以下步骤：\n[0027] 远程监控中心发出触发信号；\n[0028] 节点装置中的无线射频收发单元接收到触发信号并且传输给MCU；\n[0029] MCU接受到触发信号并且判断此信号为触发命令或者为修改参数命令；\n[0030] 若此信号为修改参数命令，则节点装置根据信号修改具体参数；\n[0031] 若此信号为触发命令，MCU通过电源管理单元给各传感器供电，各传感器进入工作状态并且读数；\n[0032] MCU采集各传感器的读数并将采集到的数据存储到数据存储单元中；\n[0033] MCU采集到的数据和MCU中的设定阈值比较，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别至少有一个大于设定的压力阈值和加速度阈值，MCU将继续采集各传感器的读数并将数据保存到数据存储单元，并且MCU通过无线射频收发单元将数据发送出去，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别小于设定的压力阈值和加速度阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态。\n[0034] MCU单元中含有的远程命令控制触发程序有利于工作人员随时获知、分析工程结构体内部的数据，为保护工程结构体多提供了一种保障，同时节点装置通过远程触发程序能修改其内的参数，如可修改微型数字三轴加速度计智能传感器中的设定值，而改变节点装置触发工作的条件，更好的适应工作环境，满足实际工作的要求。\n[0035] 上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，所述无线射频芯片为315MHZ低频无线射频芯片。采用较低频射频信号进行数据的传输，克服了载波高频信号在工程结构体内容易衰减的缺点，降低了数据传输的丢失率，确保了节点装置被埋入到工程结构体内后进行可靠的数据传输和通信，同时因为芯片采用较低频射频信号进行传输，芯片功耗低。\n[0036] 上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，无线射频模块中还包括功率检测与放大单元，无线射频收发单元和功率检测与放大单元连接，功率检测与放大单元还和MCU连接。功率检测部分可检测无线射频收发单元发射出的信号的功率的大小，并根据功率大小转换成强弱不同的电压信号给MCU，MCU可根据受到电压信号的强弱控制发射出信号的功率，从而降低节点装置的功耗；若发射出的信号功率过低，其他的节点装置或者远程监控中心接受不到信号，可通过功率放大部分将发射的信号功率放大。\n[0037] 本发明是一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，是在系统地研究现有市场成熟的无线传感网络节点装置的基础上设计研制的，以有效解决把无线传感器网络节点装置大规模部署到工程结构体中遇到的功耗大和无法完全埋入布置问题，以及体积、数据采集和处理、通讯协议等问题，确保在数据安全可靠，网络节点具有好的鲁棒性前提下，将无线传感网络用于对桥梁、大型水库水坝、高速公路路基、建筑物等结构体内部的物理量进行远程监测，实现网络化、智能化、数字化监控。\n附图说明\n[0038] 图1为本发明的内部结构图。\n[0039] 图2为本发明的工作流程图。\n具体实施方式\n[0040] 一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，包括传感器单元，MCU单元，无线射频模块，无线射频模块中有包括无线射频芯片的无线射频收发单元，传感器单元中含有微型数字三轴加速度计智能传感器，MCU单元中的MCU内含有自触发程序，自触发程序包括以下步骤：\n[0041] 装置上电初始化后进入休眠状态，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0042] 微型数字三轴加速度计智能传感器侦听到工程结构体的振动、冲击、位移等信号，微型数字三轴加速度计智能传感器将侦听到的信号转换为数字信号，转换后的数字信号和微型数字三轴加速度计智能传感器中的设定值比较；\n[0043] 若数字信号大于设定值，微型数字三轴加速度计智能传感器将数字信号输入到MCU单元中的MCU，中断MCU的休眠状态，若数字信号小于设定值，则系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0044] MCU将采集微型数字三轴加速度计智能传感器中的数据，采集的数据和MCU内设定的加速度阈值比较，若数据大于设定的加速度阈值，MCU控制各传感器进入工作状态，若数据小于设定的加速度阈值，系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0045] MCU采集各传感器的读数并将采集到的数据存储到数据存储单元中；\n[0046] MCU采集到的数据和MCU中的设定阈值比较，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别至少有一个大于设定的压力阈值和加速度阈值，MCU将继续采集各传感器的读数并将数据保存到数据存储单元，并且MCU通过无线射频收发单元将数据发送出去，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中都小于设定阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态。\n[0047] 上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，MCU单元中包括定时器，定时器和MCU单元中的MCU连接，MCU单元中的MCU内还含有定时触发程序，定时触发程序包括以下步骤：\n[0048] 定时器定时给MCU脉冲信号；\n[0049] MCU接收到脉冲信号后通过电源管理单元给压力传感器供电，各轴上的压力传感器进入工作状态且开始读数；\n[0050] MCU采集各轴上的压力传感器的所读的数据，采集的数据和MCU中的设定的压力阈值比较；\n[0051] 若采集的数据大于设定的压力阈值，MCU通过电源管理单元给各传感器供电，各传感器进入工作状态并且读数，若读数小于设定的压力阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态；\n[0052] MCU采集各传感器的读数并将采集到的数据存储到数据存储单元中；\n[0053] MCU采集到的数据和MCU中的设定阈值比较，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别至少有一个大于设定的压力阈值和加速度阈值，MCU将继续采集各传感器的读数并将数据保存到数据存储单元，并且MCU通过无线射频收发单元将数据发送出去，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别小于设定的压力阈值和加速度阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态。\n[0054] 上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置， MCU单元中的MCU内还含有远程命令控制触发程序，远程命令控制触发程序包括以下步骤：\n[0055] 远程监控中心发出触发信号；\n[0056] 节点装置中的无线射频收发单元接收到触发信号并且传输给MCU；\n[0057] MCU接受到触发信号并且判断此信号为触发命令或者为修改参数命令；\n[0058] 若此信号为修改参数命令，则节点装置根据信号修改具体参数；\n[0059] 若此信号为触发命令，MCU通过电源管理单元给各传感器供电，各传感器进入工作状态并且读数；\n[0060] MCU采集各传感器的读数并将采集到的数据存储到数据存储单元中；\n[0061] MCU采集到的数据和MCU中的设定阈值比较，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别至少有一个大于设定的压力阈值和加速度阈值，MCU将继续采集各传感器的读数并将数据保存到数据存储单元，并且MCU通过无线射频收发单元将数据发送出去，若从压力传感器和微型数字三轴加速度计智能传感器采集的数据中分别小于设定的压力阈值和加速度阈值，节点装置系统休眠，微型数字三轴加速度计智能传感器处于半休眠状态。上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，所述无线射频芯片为315MHZ低频无线射频芯片。上述的一种低功耗埋入式无线传感器网络节点装置，无线射频模块中还包括功率检测与放大单元，无线射频收发单元和功率检测与放大单元连接，功率检测与放大单元还和MCU连接。具体实施时，节点装置中的传感器和其他元器件都集成封装在直径为5里面的4层电路板上，电路板在排版布局时对电源管理单元中的电源和无线射频收发单元中的天线都进行了屏蔽处理，节点装置在整体封装前用三防漆密封，保证了节点装置可以抵抗一定强度的腐蚀、震动和电磁干扰；此外节点装置中选用的元器件工作温度范围宽广，确保了装置可以在-45℃到100℃的温度范围内正常工作，适合绝大多数温度环境下，将节点装置部署到工程结构体中进行监测，进一步提高了节点装置的环境适应能力。