專利名稱：投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種智能化可移動組網(wǎng)設(shè)備及其控制方法，特別是一種投放式彈跳型 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其控制方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無 線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò) 覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組 織、隱蔽性強和高容錯性的特點，非常適合在惡劣的環(huán)境下應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織 性也使得它可用于危險工作環(huán)境。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點往往是利用飛機(jī)、發(fā)射器等方式部署，并且處于危險的環(huán)境 中，容易遭到破壞，所以通過節(jié)點對周圍環(huán)境的觀察后移動以避免被破壞。從而改善節(jié)點的 生存能力，保證網(wǎng)絡(luò)通信。面對上述需求，現(xiàn)有技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點技術(shù)主要存在以下缺陷1)只能 被動的通過飛機(jī)、發(fā)射器等方式投放，這樣投放到一定區(qū)域內(nèi)很可能會分布不均勻。2)被投 放后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不具有自身的續(xù)航能力，這樣一方面落地后會分布不均勻，另 一方面不能自動飛行增加續(xù)航能力。3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是靜止和不能自身移動的，這 樣的節(jié)點只能是放置在車輛等運動載體上，通過載體運動而運動。4)不具備通過感知周圍 環(huán)境而運動的特性，即使放置在車輛運動載體上的節(jié)點也只能夠通過載體運動而運動，不 能根據(jù)自身的需要而運動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使節(jié)點自主彈跳移動的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點及其控制方法。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包 括投放模塊、彈跳模塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的I2C接口與 彈跳模塊的點火啟動控制接口相連接，將控制信號傳輸給彈跳模塊，控制節(jié)點彈跳；MCU模 塊的SPI接口與射頻模塊的差分電路接口相連接，將數(shù)據(jù)信號傳輸給射頻模塊，保證通信 數(shù)據(jù)的可靠傳輸，完成傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信功能；MCU模塊的8路8/10位A/D轉(zhuǎn)換接口與 傳感器模塊的差分電路接口相連接，接收傳感器采集的模擬信號，并將控制信號傳輸給傳 感器模塊，完成節(jié)點狀態(tài)信息的采集與控制功能；MCU模塊的SCI接口與GPS模塊所采用的 SiRF star III并行20通道接口相連接，接收GPS模塊發(fā)送的定位信息并將控制信息傳輸 給GPS模塊，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位；投放模塊內(nèi)設(shè)置微發(fā)射器，MCU模塊的RS232 轉(zhuǎn)換接口與投放模塊的通信接口相連接，將控制信號傳輸給將控制信號傳輸給投放模塊的 微發(fā)射器，控制微發(fā)射器啟動，從而將節(jié)點投放出去。本發(fā)明的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制方法，包括以下步驟
1)節(jié)點發(fā)出投放指令，啟動投放模塊；2)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的GPS定位模塊實時采集節(jié)點方位信息，對傳感器節(jié) 點經(jīng)緯度位置參量進(jìn)行判斷，從而實時定位節(jié)點，當(dāng)節(jié)點部署不當(dāng)?shù)臅r候，對投放模塊發(fā)出 控制，啟動微發(fā)射器；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟3)，啟用傳感器模塊；3)利用傳感器模塊實時采集節(jié)點周圍環(huán)境信息，對傳感器節(jié)點溫度、濕度狀態(tài)參 量進(jìn)行判斷，從而確定節(jié)點是否安全，當(dāng)節(jié)點處于安全狀態(tài)時，跳轉(zhuǎn)到步驟2)，繼續(xù)保持對 節(jié)點的定位和狀態(tài)監(jiān)測；當(dāng)節(jié)點處于非安全狀態(tài)時，執(zhí)行步驟4)，完成節(jié)點彈跳的準(zhǔn)備工 作；4)MCU模塊發(fā)出點火啟動指令；5)點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令后，彈跳模塊開始彈跳， 之后返回步驟3)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點1)節(jié)點自身攜帶微型發(fā)射器，可使節(jié)點通 過飛機(jī)、發(fā)射器等方式部署后落地能夠均勻分布。2)節(jié)點自身攜帶微型發(fā)射器，可使節(jié)點具 有自身的續(xù)航能力，這樣一方面落地后會分布均勻，另一方面能自動飛行增加續(xù)航能力。3) 節(jié)點自身攜帶的彈跳模塊和微發(fā)射器，克服現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜止和不能自身移 動的缺陷。4)節(jié)點自身攜帶的并具有定位功能的GPS模塊，可以判斷自身姿態(tài)的位置傳感 器模塊，克服現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不具備通過感知周圍環(huán)境而運動，從而不能根據(jù) 自身的需要而運動的缺陷。5)本發(fā)明是在動力學(xué)和計算機(jī)軟硬件等研究基礎(chǔ)上，充分考慮 了方便、實用、低價位等特點，使節(jié)點根據(jù)實際情況可以自主彈跳移動和續(xù)航能力，達(dá)到自 組織的目的。用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有先進(jìn)性和可行性。


圖1是本發(fā)明的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點原理圖。圖2是本發(fā)明的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作控制流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括投放模塊、彈跳模 塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的I2C接口與彈跳模塊的點火啟 動控制接口相連接，將控制信號傳輸給彈跳模塊，控制節(jié)點彈跳，MCU根據(jù)片選模式對點火 狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，完成不利環(huán)境下節(jié)點自動彈跳的功能；軟件設(shè)計時MCU根據(jù)片選模式對點 火狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，如果傳感器反饋的數(shù)據(jù)顯示節(jié)點處于不利環(huán)境，則設(shè)置相關(guān)模式位，對彈 跳模塊發(fā)出點火指令，彈跳模塊收到點火指令后，在節(jié)點作用力驅(qū)使下完成節(jié)點彈跳運動； MCU模塊的SPI接口與射頻模塊的差分電路接口相連接，將數(shù)據(jù)信號傳輸給射頻模塊，保證 通信數(shù)據(jù)的可靠傳輸，完成傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信功能，射頻模塊采用無線收發(fā)芯片，并利 用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強，采納PLL合成技術(shù)，工作頻率為2. 4GHz，設(shè)置成SPI總 線接口方式與處理器進(jìn)行通信；MCU模塊的8路8/10位A/D轉(zhuǎn)換接口與傳感器模塊的差分 電路接口相連接，接收傳感器采集的模擬信號，并將控制信號傳輸給傳感器模塊，完成節(jié)點 狀態(tài)信息的采集與控制功能，傳感器選用SMAC無線射頻收發(fā)器，集成小信號處理電路，有效收集無線傳感器節(jié)點狀態(tài)數(shù)據(jù)，MCU將采集到的模擬信號數(shù)據(jù)進(jìn)過A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成 射頻模塊易于處理的數(shù)字信號；MCU模塊的SCI接口與GPS模塊所采用的SiRF star III并 行20通道接口相連接，接收GPS模塊發(fā)送的定位信息并將控制信息傳輸給GPS模塊，完成 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位，GPS模塊的節(jié)點定位信息以串口通信的方式通過通道接口交 由MCU處理，MCU根據(jù)GPS定位信息對節(jié)點進(jìn)行控制；投放裝置中設(shè)置微發(fā)射器，MCU模塊的 RS232轉(zhuǎn)換接口與投放模塊的通信接口相連接，將控制信號傳輸給投放模塊的微發(fā)射器，從 而完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的均勻布撒功能，MCU根據(jù)投放節(jié)點的狀態(tài)控制微發(fā)射器的啟動，保 證投放過程中飛行節(jié)點的續(xù)航能力。上述主控芯片MCU采用使用Freescale公司的無線芯片。傳感器模塊為WZIG-C MC13213SMAC無線傳感器采集接收板。GPS模塊采用直接集成在PCB板上的Leadtek LR9548GPS接收模塊。本發(fā)明的硬件方面使用Freescale公司的無線芯片作為主控芯片，添加傳感器 接口，點火啟動接口和GPS模塊接口，并具有微發(fā)射器和彈跳模塊。軟件方面以嵌入式 WindowsCE作為基礎(chǔ)平臺，加入啟動和定位等控制功能。最終形成一個智能可彈跳的投放式 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。投放模塊包括推進(jìn)功能圓柱體、推進(jìn)裝置、微發(fā)射器和保護(hù)材料，具體設(shè)計時，推 進(jìn)功能圓柱體直徑12mm ；推進(jìn)裝置質(zhì)量小于IOg ；攜帶微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的圓柱體直徑 24mm,長度57mm ；總體重量40g (不含電池)；節(jié)點通信距離50m ；節(jié)點體積40*16*3 (mm)。 投放模塊在收到軟件節(jié)點的投放指令后，推進(jìn)功能圓柱體裝載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，推進(jìn)裝置對網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點產(chǎn)生作用力，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布撒到周圍環(huán)境；在投放模塊內(nèi)設(shè)置微發(fā)射器是 為了保證布撒節(jié)點的均勻。在投放過程中可以點火啟動微發(fā)射器，為運動中的節(jié)點提供作 用力，保證節(jié)點的飛行能力，達(dá)到續(xù)航目的。節(jié)點被投放模塊部署后，可根據(jù)周圍環(huán)境進(jìn)行 彈跳，投放模塊采用包覆層和其他材料保護(hù)微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點免受推進(jìn)劑燃燒的高溫影 響。彈跳模塊包括點火啟動模塊和彈跳部分，彈跳部分包括發(fā)射機(jī)構(gòu)、推力室、尾噴機(jī) 構(gòu)、外殼，發(fā)射機(jī)構(gòu)內(nèi)裝有火藥藥柱；點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令 后，彈跳模塊中的點火部分開始工作，點火啟動模塊包括電容電阻，該電容電阻可保證變壓 效率，點火時，電容突然釋放打出火花；電容釋放的火花引燃發(fā)射機(jī)構(gòu)內(nèi)的火藥藥柱，產(chǎn)生 爆破并釋放燃?xì)?，發(fā)射機(jī)構(gòu)釋放的燃?xì)馔七M(jìn)到推力室，在尾噴機(jī)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生推力，按照作用力 方向向上彈起完成向上和前后左右的彈跳運動。射頻模塊使用的是串行外圍設(shè)備接口 SPI (Serial Peripheral Interface)通信 技術(shù)。接口采用同步串行3 4線方式進(jìn)行通信，即1條時鐘線SCK、1條數(shù)據(jù)輸入線M0SI、 1條數(shù)據(jù)輸出線MIS0，另外還有1條從選線NSS (可選)，用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙 工、同步串行通信?？紤]到彈跳和續(xù)航節(jié)點對功耗、性能和尺寸大小的要求，采用Freescale公司 的無線芯片作為主控芯片。微處理器采用8位的HCS08內(nèi)核，集成了 1個SPI (Serial Peripheral Interface)接口、1 個 8 路的 8/10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、2 個 TPM(Timer/PWM)模塊、 2 個 SCI (Serial Communication Interface)接口、2 個 I2C 和 1 個 8 路的 KBI (Keyboard Interrupt)接口。射頻模塊的工作頻段是2. 4GHz，通過SPI總線與處理器通信。
軟件方面采用嵌入式Windows CE作為系統(tǒng)的基本平臺，支持嵌入式NET、MFC、 SQL。傳感器采集模塊采用WZIG-C MC13213SMAC無線傳感器采集模塊，集成了多通道高 性能前端小信號處理電路，只需掛接傳感器就可對其輸出信號采集、輸出，支持星形、樹狀、 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在9x9x1mm 71引腳LGA封裝集成了低功耗的2. 4GHz RF收發(fā)器和8位微控制 器。MC13213器件具有60KB的閃存。小占位面積封裝中的無線電收發(fā)器和微控制器的組合 使它成為成本效益的解決方案。GPS模塊采用Leadtek LR9548GPS接收模塊，它是SIRF最新款芯片，接收板結(jié)構(gòu)采 用SiRF star III并行20通道，最高可達(dá)18000m，定位時間熱啟動時小于ls，重捕時間小 于0. ls，輸入電壓為3. 3V士5%，電流為70mA，功耗僅為230mW，尺寸僅為24X20X 2. 6mm，重 量僅為2. 5g，定位精度高，采用芯片式嵌入設(shè)計，可直接集成在PCB板上，最大限度的節(jié)省 了空間。節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊利用微處理器將GPS模塊接口接收到的GPS信息和傳感器接口 接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后將指令傳到點火啟動接口，啟動彈跳模塊，從而使節(jié)點彈跳， 以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)需要。結(jié)合圖2，本發(fā)明的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制方法，其特征在于， 包括以下步驟1)節(jié)點發(fā)出投放指令，啟動投放模塊；2)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的GPS定位模塊實時采集節(jié)點方位信息，對傳感器節(jié) 點經(jīng)緯度位置參量進(jìn)行判斷，從而實時定位節(jié)點，當(dāng)節(jié)點部署不當(dāng)?shù)臅r候，對投放模塊發(fā)出 控制，啟動微發(fā)射器；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟3)，啟用傳感器模塊；3)利用傳感器模塊實時采集節(jié)點周圍環(huán)境信息，對傳感器節(jié)點溫度、濕度狀態(tài)參 量進(jìn)行判斷，從而確定節(jié)點是否安全，當(dāng)節(jié)點處于安全狀態(tài)時，跳轉(zhuǎn)到步驟2)，繼續(xù)保持對 節(jié)點的定位和狀態(tài)監(jiān)測；當(dāng)節(jié)點處于非安全狀態(tài)時，執(zhí)行步驟4)，完成節(jié)點彈跳的準(zhǔn)備工 作；4)MCU模塊發(fā)出點火啟動指令；5)點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令后，彈跳模塊開始彈跳， 之后返回步驟3)。在投放節(jié)點時，節(jié)點軟件發(fā)出投放指令，投放模塊啟動，投放推進(jìn)的圓柱體直徑為 12mm，推進(jìn)裝置質(zhì)量小于10g，攜帶微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的圓柱體直徑24mm，長度57mm，總 體重量40g(不含電池)，節(jié)點通信距離50m，節(jié)點體積40*16*3 (mm) ；GPS采用實時定位， 接收板結(jié)構(gòu)采用SiRF star III并行20通道，最高可達(dá)18000m，定位時間熱啟動時小于 ls，重捕時間小于0. ls，輸入電壓為3. 3V±5%,電流為70mA，功耗僅為230mW，尺寸僅為 24X20X2. 6mm，重量僅為2. 5g，定位精度高。傳感器采集模塊集成了多通道高性能前端小 信號處理電路，在9x9x1mm 71引腳LGA封裝集成了低功耗的2. 4GHz RF收發(fā)器和8位微控 制器。點火啟動模塊采用火藥點火，其內(nèi)部有火藥藥柱，其中還有一些電容電阻來保證變壓 效率，用電容存儲，經(jīng)過突然釋放打出火花。點火后，彈跳部分就是采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，給 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一個作用力，按照作用力方向向上彈起完成向上和前后左右的彈跳運動。經(jīng)過多次實驗驗證，本發(fā)明的GPS定位精度可達(dá)到IOm以內(nèi)，在溫度為0 70°C的環(huán)境下能夠正常工作，彈跳高度可達(dá)到50m以上，彈跳距離數(shù)百米。
權(quán)利要求
一種投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于，包括投放模塊、彈跳模塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的I2C接口[2]與彈跳模塊的點火啟動控制接口[1]相連接，將控制信號傳輸給彈跳模塊，控制節(jié)點彈跳；MCU模塊的SPI接口[4]與射頻模塊的差分電路接口[3]相連接，將數(shù)據(jù)信號傳輸給射頻模塊，保證通信數(shù)據(jù)的可靠傳輸，完成傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信功能；MCU模塊的8路8/10位A/D轉(zhuǎn)換接口[5]與傳感器模塊的差分電路接口[6]相連接，接收傳感器采集的模擬信號，并將控制信號傳輸給傳感器模塊，完成節(jié)點狀態(tài)信息的采集與控制功能；MCU模塊的SCI接口[7]與GPS模塊所采用的SiRF star III并行20通道接口[8]相連接，接收GPS模塊發(fā)送的定位信息并將控制信息傳輸給GPS模塊，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位；投放模塊內(nèi)設(shè)置微發(fā)射器，MCU模塊的RS232轉(zhuǎn)換接口[9]與投放模塊的通信接口[10]相連接，將控制信號傳輸給投放模塊的微發(fā)射器，控制微發(fā)射器啟動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于，主控芯片 MCU采用Freescale公司的無線芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于，傳感器模 塊為WZIG-C MC13213SMAC無線傳感器采集接收板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于，GPS模塊采 用直接集成在PCB板上的Leadtek LR9548GPS接收模塊。
5.一種基于權(quán)利要求1所述的投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制方法，其特征 在于，包括以下步驟1)節(jié)點發(fā)出投放指令，啟動投放模塊；2)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的GPS定位模塊實時采集節(jié)點方位信息，對傳感器節(jié)點 經(jīng)緯度位置參量進(jìn)行判斷，從而實時定位節(jié)點，當(dāng)節(jié)點部署不當(dāng)?shù)臅r候，對投放模塊發(fā)出控 制，啟動微發(fā)射器；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟3)，啟用傳感器模塊；3)利用傳感器模塊實時采集節(jié)點周圍環(huán)境信息，對傳感器節(jié)點溫度、濕度狀態(tài)參量進(jìn) 行判斷，從而確定節(jié)點是否安全，當(dāng)節(jié)點處于安全狀態(tài)時，跳轉(zhuǎn)到步驟2)，繼續(xù)保持對節(jié)點 的定位和狀態(tài)監(jiān)測；當(dāng)節(jié)點處于非安全狀態(tài)時，執(zhí)行步驟4)，完成節(jié)點彈跳的準(zhǔn)備工作；4)MCU模塊發(fā)出點火啟動指令；5)點火啟動模塊接收到從微處理器傳輸過來的點火指令后，彈跳模塊開始彈跳，之后 返回步驟3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種投放式彈跳型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其控制方法，節(jié)點包括投放模塊、彈跳模塊、射頻模塊、MCU模塊、傳感器模塊和GPS模塊，MCU模塊的接口與彈跳模塊的點火啟動控制接口相連接；MCU模塊的SPI接口與射頻模塊的差分電路接口相連接；MCU模塊的A/D轉(zhuǎn)換接口與傳感器模塊的差分電路接口相連接；MCU模塊的SCI接口與GPS模塊接口相連接；投放模塊內(nèi)設(shè)置微發(fā)射器，MCU模塊的RS232轉(zhuǎn)換接口與投放模塊的通信接口相連接。本發(fā)明是在動力學(xué)和計算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)上，充分考慮了方便、實用、低價位特點，使節(jié)點根據(jù)實際情況可以自主彈跳移動和續(xù)航能力，達(dá)到自組織的目的。
文檔編號H04W84/18GK101925198SQ20091003305
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者孫鑫, 曹兵, 楊余旺, 樊春麗, 王磊, 鄭亞, 鞠玉濤 申請人:南京理工大學(xué)