[发明专利]一种基于Arduino的无线传感器网络节点

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，特别是一种基于Arduino的无线传感器网络节点。

背景技术

无线传感器网络由大量具有通信、计算、感知能力的节点组成，通过无线通信方式形成自组织多跳的网络系统，其目的是感知、采集和处理监测区域中对象的相关信息。无线传感器网络的特点是网络中节点数目多，通信网络常是自组织多跳网络，相对较短的通讯距离，数据传输速率低，节点能量消耗低。这些特点使得无线传感器网络适合部署在需要大范围、大规模的参数监测场合。

无线传感器网络中的节点具有一定的数据处理和存储的能力，在能量上常常受限，配有无线数据收发端，根据需要增加传感器以测量某些参数。节点的性能决定了网络的成本、可靠性、通用性。本发明给出了一种低成本、低能耗、软硬件裁剪性好、支持多种传感器、易于二次开发的基于Arduino的无线传感器网络节点。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、低能耗、软硬件裁剪性好、支持多种传感器、易于二次开发的无线传感网络节点，支持多跳、自组网、数据加密、故障自动恢复的通讯协议。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于Arduino的无线传感器网络节点，节点由微控制器、太阳能板、太阳能充电模块、可充电锂电池、稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、若干传感器探头、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、防水盒和天线构成； 

所述稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、微控制器LED指示灯与微控制器相连；天线、射频模块LED指示灯与射频模块相连；稳压模块、太阳能板、可充电锂电池与太阳能充电模块相连；每个传感器探头连接一种传感器，所述传感器选自温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向雨量传感器、危险气体传感器或PM10传感器；微控制器、太阳能充电模块、可充电锂电池、稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、射频模块LED指示灯和微控制器LED指示灯置于防水盒内，天线、太阳能板和传感器探头置于防水盒外；

微控制器基于Arduino Uno，芯片型号为Atmega328p，使用14.7456MHz晶振，工作电压3.3V；微控制器上电后，先完成初始化工作，然后进入休眠操作，微控制器进入低功耗模式，直到实时时钟模块发送中断信号，进入唤醒操作，微控制器进入正常模式，控制能量管理模块打开GPS定位模块和传感器的电源，进入传感器数据采样操作，微控制器读取GPS和传感器的数据后，生成数据包，再控制能量管理模块切断GPS定位模块和传感器的电源，进入发送数据操作，射频模块发送数据，发送结束后微控制器进入休眠操作，完成微控制器一次数据发送流程；

射频模块选自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率为115200波特率；太阳能充电模块给可充电锂电池充电的同时给稳压模块供电，稳压模块给实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、微控制器和传感器供电；实时时钟模块内含有纽扣电池，用来记录传感器测量数据的时刻和发送中断信号唤醒微控制器；射频模块负责传感器数据包的发送和接收；GPS定位模块给出节点的工作位置；能量管理模块控制射频模块、GPS定位模块、传感器电源的开断，同时配有升压电路给工作在5V的传感器供电，能量管理模块控制升压电路的开断；射频模块LED指示灯显示射频模块的工作状态；微控制器LED指示灯显示微控制器的工作状态；

所述防水盒的面板上配有7个接口，分别是天线接口，电池开关，程序下载接口，两个传感器接口，太阳能板和USB复用充电口，通气阀；天线接口用于将天线与射频模块相连；程序下载接口与微控制器的串口相连；电池开关控制太阳能充电模块和稳压模块的开断；程序下载接口仅在电池开关断开的时候实现程序下载功能；传感器接口用于将传感器探头与微控制器相连，传感器探头插到传感器接口上；太阳能板和USB复用充电口将太阳能板或USB充电器和太阳能充电模块相连，支持输出5.5V~6V电压的太阳能板和USB充电器充电；通气阀保证防水盒内外气压平衡，同时水汽不会进入盒内。

进一步地，所述射频模块的通讯协议选用ZigBee，支持多跳、自组网、数据加密、故障自动恢复、休眠等操作；根据射频模块节点类型参数设置的不同，节点分为终端节点和路由节点。