长寿命高精度无线传感器网络节点结构制造技术

本发明专利技术公开了一种长寿命高精度无线传感器网络节点结构，涉及无线传感器网络结构技术领域。包括无线传感器节点和汇聚节点，所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC13224系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC13224系统的控制在电压和电流足够的情况下实现使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电。本发明专利技术实现了与多种供电电压为2.5V的传感器接口，提供高精度微弱电压信号的采集能力。最小可采集电压为：单端1.19微伏，差分2.38微伏，数据采集误差<2%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络结构

技术介绍
通用的无线传感器网络由无线传感器节点(Sensor Node)和汇聚节点(Sink Node)构成。无线传感器节点决定了传感器网络的数据采集能力，汇聚节点决定了整个传感 器网络的数据传输带宽和传感器网络和数据中心之间的位置关系。1、无线传感器节点(Sensor Node)无线传感器节点主要由数据获取模块(Data Acquisition Module)、数据处理模块 (Data Processing Module)、数据发送禾口接收模块(Data Transmitting and Receiving Module)以及电源管理模块(Power Module)。目前的无线传感器节点普遍存在数据采集误 差较大和工作寿命短的缺陷。数据获取模块决定了整个传感器网络的数据采集精度。现有的无线传感器节点在 数据采集精度上存在缺陷，主要表现为电压分辨率过低和采集误差较大。目前无线传感器 节点的电压分辨率通常在2. 5mV左右，采集误差在59TlO%之间。造成现有无线传感器节点电压分辨率过低的主要原因是现有的节点为了节约能 耗通常采用MCU内部集成的AD转换器。因为适用于无线传感器节点的MCU通常集成度都 非常高，而系统对能耗的要求也非常高，所以MCU内集成的AD转换器一般不超过14位，有 效位一般不超过12位。这种AD转换器能够满足一般的数据采集要求，但对于一些高精度 低输出的传感器就无能为力了。造成数据采集误差较大的原因则来自于多方面的因素首先是来自于数字系统的 数字干扰，这种干扰主要是由于数字信号的突变造成的；其次就是来自于传感器本身的热 噪声；还有来自外界的电磁干扰等等。现有的无线传感器节点通常是通过使用外置射频收 发芯片来实现MAC层和物理层，这样通常会使整个节点电路中的高频部分更多，噪声更难 控制，增加整个系统的成本，现在已经出现了一些集成射频收发模块的SoC，但还没有得到 广泛的使用。现有无线传感器节点通常使用能量有限的一次性锂亚电池作为能源，虽然使用了 很多降低能耗的算法来提高节点的生命周期，但是没有补充的能源终将耗尽，无线传感器 节点将停止工作。因此，能源问题就成了制约整个无线传感器网络生命周期的关键因素。2、汇聚节点(Sink Node)汇聚节点主要功能是通过短距离的无线技术将无线传感器网络内的各传感器节点数 据汇聚到自身的存储器中，并通过一定的通信技术手段将数据发送给数据中心，数据中心 再通过互联网对外发布无线传感器网络对其监测区域的感知信息；同时汇聚节点还能接收 来自于监控中心的指令，向网络内的传感器节点发送指令以控制节点的数据采集时间、采集密度和休眠时间等参数的正确设置。通常无线传感器网络中汇聚节点使用与传感器节点相同的短距离无线技术实现 两者之间的组网和通信等功能，。而汇聚节点在与数据中心进行通信时通常使用有线通信 方式(如串行通信RS232和RS485等方式)。有线通信方式在很大程度上限制了无线传感器 网络在更大范围和更远地域上的应用。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种无线传感器网络节点结构，本专利技术解决 了现有无线传感器节点普遍存在数据采集误差较大和工作寿命短的缺陷，同时，本专利技术还 解决了现有传感器网络由于通常采用有线方式与数据中心连接而不能在更大范围和更远 地域上进行应用的技术问题。本专利技术是通过采用下述技术方案实现的一种长寿命高精度无线传感器网络节点结构，包括无线传感器节点和汇聚节点，其特 征在于所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源 管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC132M系统 连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理 芯片，电源管理系统通过MC132M系统的控制，在电压和电流足够的情况下实现在使用太 阳能电池供电的同时为充电电池充电，MC13224系统包括2. 4G无线收发模块，无线收发模 块与3dB的高增益天线相连。还包括对电池的输出电压进行降压，使供电电压达到传感器要求的SP6213芯片， MC13224的GPIO和SP6213芯片的使能引脚相连，实现对传感器电源进行开关控制。还包括用于信号转换的AD7799数模转换芯片。无线传感器的射频模块以及数字系统的电源和地采用阻抗为300欧的磁珠与ADC 的电源和地相隔离。所述的汇聚节点采用SIMCOM公司的SIM300C模块，并且MC132M系统的UART和 所述SIM300C模块进行接口，并在PCB板上开有SIM卡插槽。所述SIM300C模块还带有电源管理模块，电源管理模块和所述锂电池以及所述太 阳能电池板接口相连。与现有技术相比，本专利技术所达到的技术效果如下(1)可实现与多种供电电压为2. 5V的传感器接口，提供高精度微弱电压信号的采集能 力。最小可采集电压为单端1. 19微伏，差分2. 38微伏，数据采集误差<2%。(2)通过太阳能电池板和电源管理系统可以有效的实现为锂电池充电，实现最大 限度延长无线传感器节点工作寿命和无线传感器网络生命周期的能力。(3)通过在汇聚节点上接口 GSM/GPRS模块的方式，实现了汇聚节点和数据中心的 远程通信。附图说明下面将结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，其中 图1为无线传感器网络结构2为无线传感器节点硬件结构图 图3为MC132M射频天线接口示意图 图4为外部ADC以及隔离滤波电路原理图 图5为汇聚节点硬件结构图 图6为SIM300C接口及太阳能电池板接口原理图。具体实施例方式由于无线传感器网络的应用日益广泛，与之配对的传感器类型和传感器输出也更 加多样化，因此对无线传感器节点在数据采集分辨率和采集精度上都提出了更高的要求。 现有的无线传感节点设计已经无法满足这种高分辨率和高精度的数据采集需求。由于应用的特殊性，无线传感器网络通常部署于人类难以接近的区域执行长期连 续的监测和控制任务，节点的工作寿命和网络的生存时间要求长达数月或数年。而现有无 线传感器节点一般采用容量有限的电池供电，对数量巨大的节点更换电池以延长传感器节 点寿命是非常困难甚至是不可行的。因此如何能够有效的补充无线传感器节点的电池电 能，从而真正的提高节点和网络的工作寿命和生存周期，成为了当前传感器节点硬件设计 的核心。同时由于无线传感器网络部署地区的特殊性，因此按照常规方法在传感器网络与 数据中心之间建立有线通信方式通常不可行，如何能够使传感器网络能够与远程数据中心 进行有效通信也是硬件设计的所要解决的主要问题。下面分别从无线传感器节点和汇聚节点分别介绍上述问题的解决方法和具体的 硬件电路实现。无线传感器节点的设计无线传感器节点是传感器的直接载体，主要放置在野外。传感器输出的模拟信号经节 点的A/D采样后再使用无线通信技术发送给汇聚节点，其硬件结构如图2所示。延长无线传感器节点工作寿命的设计与实现 采用集成无线收发模块的低功耗MCUMC13224是飞思卡尔公司设计生产的基于IEEE 802. 15. 4协议的低功耗高性能片上系 统。系统集成了 32位ARM7TDMI-S微控制器内核、2. 本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种长寿命高精度无线传感器网络节点结构，包括无线传感器节点和汇聚节点，其特征在于：所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ＡＤＣ、ＭＣ１３２２４系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ＡＤＣ连接，ＡＤＣ与所述ＭＣ１３２２４系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用ＢＱ２０５７Ｃ芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过ＭＣ１３２２４系统的控制在使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电，ＭＣ１３２２４系统包括２．４Ｇ无线收发模块，无线收发模块与３ｄＢ的高增益天线相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张骏，唐勇，汪文勇，向渝，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90