[发明专利]三射频无线传感器网络节点及其信道分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络、多射频多信道通信以及嵌入式传感器网络节点。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称为WSN)广泛采用IEEE 802.15.4协议标准，其研究的一个重要方向是在能量受限的微型节点上如何高效地实现简单的环境数据采集、传输与处理。近年来，在WSN上进行流媒体数据传输的需求越来越大，这种特性不仅能够增强商业、工业、以及医疗领域的现有应用，而且能够导致很多新应用的出现。与一般WSN不同，面向流媒体数据传输的WSN要求网络具有很强的实时性和较高的吞吐量，以适应不同的应用需求。

对于较大容量数据或者流媒体数据传输，WSN由于自身的特点对单射频IEEE 802.15.4协议网络的性能提出了挑战。这主要是因为单射频IEEE 802.15.4协议网络始终无法从根本上解决多跳环境下的隐藏终端和暴露终端问题，节点密度的增加将加剧节点间的竞争和发送分组之间的冲突，大量的节点退避降低了信道利用率并导致吞吐量的迅速下降。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存的问题，提供一种三射频无线传感器网络节点及其信道分配方法，以期有效解决单射频IEEE 802.15.4传感器网络中存在的隐藏终端和暴露终端、数据吞吐量低的问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明三射频无线传感器网络节点的特点是所述网络节点的构成包括：

微控制器芯片U4，在其内部Flash程序存储器中存储通信协议栈代码；

三只采用802.15.4协议、并分别带有陶瓷天线的射频收发芯片，包括1号射频收发芯片U1、2号射频收发芯片U2和3号射频收发芯片U3；每只射频收发芯片都在802.15.4协议频段内的16个频点进行选择，并确定一个频点作为工作频率，以所述工作频率为各自的工作信道，每个射频收发芯片具有0号工作信道～15号工作信道的共16个工作信道；

所述微控制器芯片选择通过任何一个射频收发芯片所处的工作信道与其他的同信道节点进行数据传输。

本发明三射频无线传感器网络节点的特点也在于：

以所述微控制器芯片为主机端，以所述三只射频收发芯片为从机端，在所述主机端与从机端之间设置同步、全双工总线SPI进行数据交换；以所述主机端向从机端发送一字节数据、并且从机端向主机端返回一字节数据作为一次数据传输过程；所述SPI总线时钟信号由作为主机端的微控制器芯片控制产生。

设置：

所述微控制器芯片U4通过硬件SPI接口与1号射频收发芯片U1的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；

所述微控制器芯片U4通过硬件SSP接口与2号射频收发芯片U2的数据输入/输出端口相连，并且所述硬件SSP接口被配置为兼容SPI总线工作模式；

所述微控制器芯片U4通过通用I/O端脚与3号射频收发芯片U3的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；以所述通用I/O端脚模拟SPI时序形成软SPI接口；

所述三组SPI总线采用的工作时序是：数据按字节传输，在每字节数据传输过程中，最高有效位数据优先传输，最高有效位数据在时钟信号SCLK的第一个上升沿之前输出到数据线SI和数据线SO上，而其他位数据在SCLK的下降沿输出并在下一个SCLK的上升沿被采样。

本发明三射频无线传感器网络节点的信道分配方法的特点是：

a、数据在两个节点之间传输，发送数据的节点为源节点，接收数据的节点为目的节点；源节点和目的节点上电后，微控制器芯片在内部执行Flash程序存储器中的通信协议栈代码；

b、节点空闲时将3号射频收发芯片切换到作为管理信道的0号工作信道进行等待；当有数据需要发送时，源节点的微控制器芯片先通过获取自身1号射频收发芯片表示信道是否繁忙的CCA信号(U1的管脚28)和2号射频收发芯片上表示信道是否繁忙的CCA信号(U2的管脚28)，根据1号射频收发芯片、2号射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度在1号射频收发芯片和2号射频收发芯片之间选定一个即将传输数据的业务信道；

c、源节点的微控制器芯片通过3号射频收发芯片将所选定业务信道的信道标号SCN发送出去并切换自身1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的工作信道，目的节点收到SCN后数据后也切换自身的1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的业务信道，此后源节点和目的节点通过SCN对应的业务信道完成数据传输。

本发明信道分配方法的特点也在于：