專利名稱：一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具體涉及一種工作于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
自二十一世紀(jì)初期，關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究便引起了學(xué)術(shù)界、行業(yè)界的極大關(guān)注。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知或采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境的信息或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將所述信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的處理信息，傳送給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、工業(yè)控制、反恐抗災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市管理、 遠(yuǎn)程控制、智能家居等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)分立節(jié)點(diǎn)組成，尤其是在低溫地區(qū)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用意義重大，如對(duì)林區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)等。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大都采用蓄電池供電， 可用于維持該節(jié)點(diǎn)正常工作的電量非常有限，尤其是當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于低溫環(huán)境時(shí)，對(duì)電池壽命影響嚴(yán)重，電子元件耗能也隨之增加，降低節(jié)點(diǎn)使用壽命，從而影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗問題成為阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在低溫地區(qū)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有節(jié)點(diǎn)工作壽命較短，采用無操作系統(tǒng)的處理器作為主控芯片，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力有限，無法對(duì)節(jié)點(diǎn)各部分狀態(tài)進(jìn)行管理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作壽命較短、無操作系統(tǒng)、對(duì)數(shù)據(jù)處理能力有限、無法對(duì)節(jié)點(diǎn)各部分狀態(tài)進(jìn)行管理這一問題，提供了一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它包括供電單元、主控制單元、傳感器模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述的供電單元包括電源管理芯片和N組電池組，每組電池組由多節(jié)鋰電池串聯(lián)或一節(jié)鋰電池組成，所述N為大于I的整數(shù)；所述的主控制單元的處理器運(yùn)行有操作系統(tǒng)，所述的主控制單元用于根據(jù)無線通信模塊發(fā)送來的信號(hào)對(duì)傳感器模塊發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行接收、處理和發(fā)送；所述主控制單元還用于通過電源管理芯片對(duì)N組電池組進(jìn)行管理，控制N組電池組交替對(duì)主控制單元、傳感器模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行供電；所述的傳感器模塊用于采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)遞交給主控制單元；所述的無線通信模塊用于與基站和/或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊進(jìn)行通信，無線通信模塊將從基站和/或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)傳輸給主控制單元進(jìn)行處理，無線通信模塊還將從主控制單元處理后的信號(hào)發(fā)送給基站和/或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；
所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)主控制單元接收或處理后的數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，所述的供電單元還包括穩(wěn)壓芯片，所述N組電池組的電壓輸出端通過電源管理芯片與穩(wěn)壓芯片的電壓輸入端相連，所述穩(wěn)壓芯片用于穩(wěn)定電池組的輸出電壓。進(jìn)一步地，所述操作系統(tǒng)為嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS、WindowsCE、UcLinux > VxWorks、Linux、UC/0S 中的一種。進(jìn)一步地，所述電源管理芯片采用的節(jié)能調(diào)度策略為在處理器操作系統(tǒng)層使用動(dòng)態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)相結(jié)合的雙效節(jié)能的方式管理節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，所述工作狀態(tài)為正常狀態(tài)、空閑狀態(tài)、休眠狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)。進(jìn)一步地，一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，還包括外部接口單元和內(nèi)部接口單元，所述的外部接口單元用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；所述的內(nèi)部接口單元用于與傳感器模塊進(jìn)行通信；供電單元對(duì)外部接口單元和內(nèi)部接口單元供電。進(jìn)一步地，所述的外部接口單元包括USB Host、USB Slave、通用串行接口和Jtag 接口中的一種或多種。進(jìn)一步地，所述的供電單元、主控制單元、傳感器模塊、無線通信模塊、外部接口單元、內(nèi)部接口單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中使用到的芯片和電子元件采用貼片封裝，所述芯片和電子元件的最低工作溫度不超過-30 50°C的范圍。進(jìn)一步地，一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，還包括電源適配器，所述電源適配器將交流市電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源，用于為節(jié)點(diǎn)供電。進(jìn)一步地，一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在正常狀態(tài)下，當(dāng)所述節(jié)點(diǎn)無任務(wù)時(shí)間超過第一閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑狀態(tài)；在正常狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)，當(dāng)所述節(jié)點(diǎn)無任務(wù)時(shí)間超過第一閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑狀態(tài)；在空閑狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)功耗用于外部時(shí)鐘的頻率，當(dāng)有任務(wù)到來時(shí)，則節(jié)點(diǎn)返回正常狀態(tài)處理任務(wù)；否則，當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)間超過第二閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；在休眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)斷開主控制單元的處理器內(nèi)核時(shí)鐘，只提供時(shí)鐘給外部設(shè)備， 無線通信模塊進(jìn)入省電模式，若有中斷產(chǎn)生有任務(wù)到來，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正常狀態(tài)處理任務(wù)；否則，當(dāng)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間超過第三閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)；在深度睡眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為喚醒中斷源，無線通信模塊進(jìn)入休眠模式，僅實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元耗電，若節(jié)點(diǎn)被實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒后有任務(wù)，則返回正常狀態(tài)處理任務(wù)，若節(jié)點(diǎn)被實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒后無任務(wù)，則節(jié)點(diǎn)繼續(xù)深度睡眠狀態(tài)。進(jìn)一步地，所述在深度睡眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為喚醒中斷源，如果節(jié)點(diǎn)連續(xù)三次被喚醒后無任務(wù)，則增加實(shí)時(shí)時(shí)鐘的深度睡眠時(shí)間，反之，所述節(jié)點(diǎn)若連續(xù)三次被喚醒后任務(wù)量較大，則減少實(shí)時(shí)時(shí)鐘的深度睡眠時(shí)間。本發(fā)明所述的供電單元采用多組電池組交替為節(jié)點(diǎn)供電，當(dāng)前供電電池組由主控制單元的處理器控制選擇，所述的每組電池組由幾節(jié)鋰電池串聯(lián)或單節(jié)鋰電池構(gòu)成，利用穩(wěn)壓芯片確保節(jié)點(diǎn)獲得穩(wěn)定的工作電壓。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
隨著需要檢測(cè)信息量的增加，未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)向智能化、高數(shù)據(jù)處理能力、低能耗的方向發(fā)展。在延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)處理器上運(yùn)行操作系統(tǒng)， 采用動(dòng)態(tài)能耗管理策略調(diào)整節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，這將對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在低溫地區(qū)的廣泛應(yīng)用具有革命性的意義，而且也符合建設(shè)低碳社會(huì)，實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算的要求，具有巨大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。


圖I是具體實(shí)施方式
一中所述供電單元與主控制單元的控制示意圖；圖2是具體實(shí)施方式
二中所述供電單元與主控制單元的控制示意圖；圖3是具體實(shí)施方式
四中所述節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖；圖4是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式供電單元I、 主控制單元2、傳感器模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述的供電單元I包括電源管理芯片1-1和N組電池組1-2，每組電池組1-2由多節(jié)鋰電池串聯(lián)或一節(jié)鋰電池組成，所述N為大于I的整數(shù)；所述的主控制單元2的處理器運(yùn)行有操作系統(tǒng)，所述的主控制單元2用于根據(jù)無線通信模塊發(fā)送來的信號(hào)對(duì)傳感器模塊發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行接收、處理和發(fā)送；所述主控制單元2還用于通過電源管理芯片1-1對(duì)N組電池組1-2進(jìn)行管理，控制N組電池組1-2交替對(duì)主控制單元2、傳感器模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行供電；所述的傳感器模塊用于采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)遞交給主控制單元2 所述的無線通信模塊用于與基站和/或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊進(jìn)行通信，無線通信模塊將從基站和/或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)傳輸給主控制單元2進(jìn)行處理，無線通信模塊還將從主控制單元2處理后的信號(hào)發(fā)送給基站和/ 或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)主控制單元2接收或處理后的數(shù)據(jù)。本實(shí)施方式所述主控制單元2的處理器采用功耗低、處理速度快、集成度高、并具有MMU(Memory Management Unit)的ARM9微處理器。所述處理器上運(yùn)行有操作系統(tǒng),相較于無操作系統(tǒng)的嵌入式終端，本實(shí)施方式所述的帶有操作系統(tǒng)的終端具有便于程序的開發(fā)、適于二次開發(fā)能力、更好的支持傳輸協(xié)議和滿足良好的實(shí)時(shí)性要求的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)施方式所述無線通信模塊采用適合于電池供電的新型無線收發(fā)芯片，即射頻芯片SX1212實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用射頻芯片SX1212能夠?qū)崟r(shí)設(shè)置修改串口速率、發(fā)射功率和射頻速率的參數(shù)值；所述射頻芯片SX121在接收狀態(tài)下接收電流最大值為3. 2mA，理論上一節(jié)
3.6V/3. 6Ah的鋰亞電池可以工作十年以上；所述無線通信模塊具有四種工作模式可供選擇，分別為正常模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式；另外，采用本實(shí)施方式所述的射頻芯片SX121的無線通信模塊傳輸距離遠(yuǎn)，進(jìn)而鋪設(shè)單位范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)少，節(jié)約成本。本實(shí)施方式所述的供電單元I采用多組電池組1-2交替為節(jié)點(diǎn)供電，當(dāng)前供電電池組1-2由主控制單元2的處理器控制選擇，所述的每組電池組1-2由幾節(jié)鋰電池串聯(lián)或單節(jié)鋰電池構(gòu)成。本實(shí)施方式所述的節(jié)點(diǎn)在野外工作時(shí)，由電池組1-2供電，采用電源管理芯片 1-1，在多組電池組1-2切換時(shí)不會(huì)因切換時(shí)間久導(dǎo)致主控制模塊的重啟，處理器通過控制引腳選擇為節(jié)點(diǎn)供電的電池組1-2。低溫環(huán)境對(duì)電池壽命影響非常嚴(yán)重，同時(shí)一些電子元件耗能也隨溫度的下降而增加。眾所周知，電池持續(xù)不間斷供電與間歇式供電相比，間歇式供電要比持續(xù)不間斷供電， 電池持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)很多，減少了更換電池所耗費(fèi)人力物力，具有巨大經(jīng)濟(jì)效益。另外，在本實(shí)施方式中，當(dāng)N等于2時(shí)，即選擇兩組電池組1-2交替為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，當(dāng)供電電池組1-2電壓相同時(shí)，同時(shí)為負(fù)載供電，當(dāng)兩組電池組1-2壓差大于一定閾值時(shí)，選擇電壓較高電池組1-2為負(fù)載供電。采用耐低溫的兩組電池組1-2交替供電，能夠延長(zhǎng)所述節(jié)點(diǎn)的一次性使用壽命，所述的電池組1-2的耐低溫范圍為_30°C -GO0C0 電池持續(xù)供電導(dǎo)致電解液發(fā)熱從而更快速的電解，導(dǎo)致比間歇性供電使用時(shí)間要短，因此， 理論上兩組電池交替供電的節(jié)點(diǎn)壽命理論上將是單純利用一組電池供電的兩倍以上?；谙嗤恚緦?shí)施方式所述的節(jié)點(diǎn)中采用3組、4組或更多組的電池組1-2交替供電時(shí)，節(jié)點(diǎn)壽命理論上相應(yīng)的將是單純利用一組電池供電的三倍、四倍或更多倍以上。隨著需要檢測(cè)信息量的增加，未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)向智能化、高數(shù)據(jù)處理能力、低能耗的方向發(fā)展。在延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)處理器上運(yùn)行操作系統(tǒng)， 這將對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在低溫地區(qū)的廣泛應(yīng)用具有革命性的意義，而且也符合建設(shè)低碳社會(huì)，實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算的要求，具有巨大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，所述的供電單元I還包括穩(wěn)壓芯片1-3，所述N組電池組1-2的電壓輸出端通過電源管理芯片1-1與穩(wěn)壓芯片1-3的電壓輸入端相連，所述穩(wěn)壓芯片1-3用于穩(wěn)定電池組1-2的輸出電壓。本實(shí)施方式中，每組電池組1-2的輸出電壓不低于5V，利用穩(wěn)壓芯片1-3確保節(jié)點(diǎn)獲得穩(wěn)定的工作電壓。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，所述操作系統(tǒng)為嵌入式操作系統(tǒng) TinyOS、WindowsCE、UcLinux、Vxfforks> Linux、UC/0S 中的一種。本實(shí)施方式所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以選擇支持多種體系結(jié)構(gòu)、便于移植、應(yīng)用程序開發(fā)簡(jiǎn)單、開源的Linux嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用所述 Linux嵌入式操作系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、免費(fèi)、安全、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與實(shí)施方式二的不同之處在于，所述電源管理芯片1-1采用的節(jié)能調(diào)度策略為在處理器操作系統(tǒng)層使用動(dòng)態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)相結(jié)合的雙效節(jié)能的方式管理節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，所述工作狀態(tài)為正常狀態(tài)、空閑狀態(tài)、休眠狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)。在正常狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)，當(dāng)所述節(jié)點(diǎn)無任務(wù)時(shí)間超過第一閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑狀態(tài)；在空閑狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)功耗用于外部時(shí)鐘的頻率，當(dāng)有任務(wù)到來時(shí)，則節(jié)點(diǎn)返回正常狀態(tài)處理任務(wù)；否則，當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)間超過第二閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；在休眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)斷開主控制單元2的處理器內(nèi)核時(shí)鐘，只提供時(shí)鐘給外部設(shè)CN 102547940 A
備，無線通信模塊進(jìn)入省電模式，若有中斷產(chǎn)生有任務(wù)到來，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正常狀態(tài)處理任務(wù)；否則，當(dāng)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間超過第三閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)；在深度睡眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為喚醒中斷源，無線通信模塊進(jìn)入休眠模式，僅實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元耗電，若節(jié)點(diǎn)被實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒后有任務(wù)，則返回正常狀態(tài)處理任務(wù)，若節(jié)點(diǎn)被實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒后無任務(wù)，則節(jié)點(diǎn)繼續(xù)深度睡眠狀態(tài)。本實(shí)施方式中，所述的節(jié)點(diǎn)開機(jī)后即進(jìn)行任務(wù)處理，在正常狀態(tài)下，根據(jù)任務(wù)量的變化動(dòng)態(tài)設(shè)置工作電壓及頻率。如此便將動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)納入動(dòng)態(tài)電源管理策略中。 當(dāng)所述節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，排除因內(nèi)部鎖相環(huán)產(chǎn)生的功耗，其功耗只取決于外部時(shí)鐘的頻率。當(dāng)所述節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，斷開處理器內(nèi)核時(shí)鐘，只提供時(shí)鐘給外設(shè)，外部無線通信模塊進(jìn)入省電模式，此模式下減少了因處理器內(nèi)核產(chǎn)生的功耗及無線通信模塊處于正常模式的功耗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于深度睡眠狀態(tài)，僅實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元耗電，無線通信模塊進(jìn)入休眠模式耗電量達(dá)到最低，此時(shí)總耗電量是正常狀態(tài)下的總耗電量的五分之一或者更低。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)需要處理周期性任務(wù)，所以需要定時(shí)喚醒，本實(shí)施方式所述節(jié)點(diǎn)利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)作為睡眠模式的喚醒中斷源。如果節(jié)點(diǎn)連續(xù)三次喚醒后無任務(wù)，則增加實(shí)時(shí)時(shí)鐘的深度睡眠時(shí)間；反之，如果節(jié)點(diǎn)連續(xù)三次喚醒后任務(wù)量較大，則減少實(shí)時(shí)時(shí)鐘的深度睡眠時(shí)間，這樣就可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)任務(wù)量多少動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)間。本實(shí)施方式所述的節(jié)點(diǎn)根據(jù)任務(wù)及負(fù)載狀態(tài)實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。所述節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)由無線通信模塊的工作模式和帶操作系統(tǒng)的處理器的電源模式結(jié)合設(shè)計(jì)，由于節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)的頻繁切換將導(dǎo)致功耗大量浪費(fèi)，而單一的工作狀態(tài)又無法達(dá)到節(jié)能的目的，從系統(tǒng)整體節(jié)能角度考慮，將所述的節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)設(shè)定為正常狀態(tài)、空閑狀態(tài)、休眠狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)，所述的四個(gè)工作狀態(tài)間能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)相互轉(zhuǎn)換。本實(shí)施方式中，所述動(dòng)態(tài)電源管理用于當(dāng)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于空閑狀態(tài)時(shí)，調(diào)整處理器的工作狀態(tài)；所述動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)用于在系統(tǒng)休眠狀態(tài)下當(dāng)探測(cè)到的節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)載下降時(shí)，降低處理器的處理能力。節(jié)點(diǎn)能耗管理使用由兩種嵌入式終端最有效的動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)、動(dòng)態(tài)電源管理結(jié)合后的雙效節(jié)能調(diào)度算法。在節(jié)點(diǎn)處于正常狀態(tài)時(shí)，主要應(yīng)用動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)調(diào)度策略，基于負(fù)載的狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓和頻率使其滿足運(yùn)行需求，從而在實(shí)時(shí)性和能耗之間取得平衡。同時(shí)，利用改進(jìn)型動(dòng)態(tài)電源管理超時(shí)策略減少能量消耗，所述的改進(jìn)型動(dòng)態(tài)電源管理超時(shí)策略具體為，動(dòng)態(tài)設(shè)定超時(shí)閾值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)定的超時(shí)閾值引起過多的工作狀態(tài)切換時(shí)，則增大超時(shí)閾值；若工作狀態(tài)切換的頻率在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，則減小超時(shí)閾值。目前將嵌入式移動(dòng)終端常用的動(dòng)態(tài)能耗管理策略經(jīng)改良后應(yīng)用到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗管理上，采用動(dòng)態(tài)能耗管理策略調(diào)整節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，將對(duì)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命意義重大，同時(shí)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在低溫地區(qū)的廣泛應(yīng)用具有革命性的意義。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，它還包括外部接口單元和內(nèi)部接口單元，所述的外部接口單元用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；所述的內(nèi)部接口單元用于與傳感器模塊進(jìn)行通信；供電單元I對(duì)外部接口單元和內(nèi)部接口單元供電。本實(shí)施方式所述的內(nèi)部接口單元包括通用輸入輸出端口，用于為傳感器提供接□。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與實(shí)施方式五的不同之處在于，所述的外部接口單元包括USB Host、USB Slave、通用串行接口和Jtag接口中的一種或多種。本實(shí)施方式所述的外部接口單元具備豐富的接口資源,所述USB Host用于連接其他帶有USB接口的外部設(shè)備并從該外部設(shè)備獲得所需的數(shù)據(jù)；所述USB Slave與上位機(jī)相連時(shí)，用于接收上位機(jī)發(fā)送的指令并將上位機(jī)所需的數(shù)據(jù)返還給上位機(jī)；所述通用串行接口采用串行通信協(xié)議，用于與上位機(jī)通信；所述Jtag接口用于下載程序和單步調(diào)試。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與實(shí)施方式六的不同之處在于，所述的供電單元
I、主控制單元2、傳感器模塊、無線通信模塊、外部接口單元、內(nèi)部接口單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中使用到的芯片和電子元件采用貼片封裝，所述芯片和電子元件的最低工作溫度不超過-30 50°C的范圍。本實(shí)施方式中，所述芯片和電子元件都選擇CMOS工藝的的芯片，這樣既能滿足低功耗又能達(dá)到高集成度的要求。所述芯片和電子元件的正常工作溫度范圍是，最低工作溫度達(dá)到_30°C，最高工作溫度達(dá)到50°C。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，它還包括電源適配器，所述電源適配器將交流市電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源，用于為節(jié)點(diǎn)供電。本實(shí)施方式所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，還配置有一個(gè)電源適配器，所述電源適配器將標(biāo)準(zhǔn)220V的交流市電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源，為所述節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊供電，包括主控制單元2、傳感器模塊、無線通信模塊、外部接口單元、內(nèi)部接口單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。本實(shí)施方式所述的電源適配器用于在開發(fā)調(diào)試階段對(duì)所述節(jié)點(diǎn)供電，還用于野外工作時(shí)電源外接方便的情況下，對(duì)所述節(jié)點(diǎn)供電。
權(quán)利要求
1.一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于它包括供電單元(I)、主控制單元(2)、傳感器模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述的供電單元⑴包括電源管理芯片(1-1)和N組電池組(1-2)，每組電池組(1-2) 由多節(jié)鋰電池串聯(lián)或一節(jié)鋰電池組成，所述N為大于I的整數(shù)；所述的主控制單元(2)的處理器運(yùn)行有操作系統(tǒng)，所述的主控制單元(2)用于根據(jù)無線通信模塊發(fā)送來的信號(hào)對(duì)傳感器模塊發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行接收、處理和發(fā)送；所述主控制單元(2)還用于通過電源管理芯片(1-1)對(duì)N組電池組(1-2)進(jìn)行管理，控制N組電池組 (1-2)交替對(duì)主控制單元(2)、傳感器模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行供電；所述的傳感器模塊用于采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)遞交給主控制單元(2);所述的無線通信模塊用于與基站和/或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊進(jìn)行通信，無線通信模塊將從基站和/或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)傳輸給主控制單元(2)進(jìn)行處理，無線通信模塊還將從主控制單元(2)處理后的信號(hào)發(fā)送給基站和/ 或其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)主控制單元(2)接收或處理后的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述的供電單元(I)還包括穩(wěn)壓芯片(1-3)，所述N組電池組(1-2)的電壓輸出端通過電源管理芯片(1-1)與穩(wěn)壓芯片(1-3)的電壓輸入端相連，所述穩(wěn)壓芯片(1-3)用于穩(wěn)定電池組(1-2)的輸出電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于 所述操作系統(tǒng)為嵌入式操作系統(tǒng) TinyOS、WindowsCE、UcLinux> Vxfforks> Linux、UC/OS中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于 所述電源管理芯片(1-1)采用的節(jié)能調(diào)度策略為在處理器操作系統(tǒng)層使用動(dòng)態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)相結(jié)合的雙效節(jié)能的方式管理節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，所述工作狀態(tài)為正常狀態(tài)、空閑狀態(tài)、休眠狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于它還包括外部接口單元和內(nèi)部接口單元，所述的外部接口單元用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；所述的內(nèi)部接口單元用于與傳感器模塊進(jìn)行通信；供電單元(I)對(duì)外部接口單元和內(nèi)部接口單元供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于 所述的外部接口單元包括USB Host、USB Slave、通用串行接口和Jtag接口中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述的供電單元(I)、主控制單元(2)、傳感器模塊、無線通信模塊、外部接口單元、內(nèi)部接口單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中使用到的芯片和電子元件采用貼片封裝，所述芯片和電子元件的最低工作溫度達(dá)到_30°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于 它還包括電源適配器，所述電源適配器將交流市電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源，用于為節(jié)供電。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于 在正常狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)，當(dāng)所述節(jié)點(diǎn)無任務(wù)時(shí)間超過第一閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑狀態(tài)；在空閑狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)功耗用于外部時(shí)鐘的頻率，當(dāng)有任務(wù)到來時(shí)，則節(jié)點(diǎn)返回正常狀態(tài)處理任務(wù)；否則，當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)間超過第二閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；在休眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)斷開主控制單元(2)的處理器內(nèi)核時(shí)鐘，只提供時(shí)鐘給外部設(shè)備， 無線通信模塊進(jìn)入省電模式，若有中斷產(chǎn)生有任務(wù)到來，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正常狀態(tài)處理任務(wù)；否則，當(dāng)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間超過第三閾值后，所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)；在深度睡眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為喚醒中斷源，無線通信模塊進(jìn)入休眠模式， 僅實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元耗電，若節(jié)點(diǎn)被實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒后有任務(wù)，則返回正常狀態(tài)處理任務(wù)，若節(jié)點(diǎn)被實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒后無任務(wù)，則節(jié)點(diǎn)繼續(xù)深度睡眠狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于 所述在深度睡眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為喚醒中斷源，如果節(jié)點(diǎn)連續(xù)三次被喚醒后無任務(wù)，則增加實(shí)時(shí)時(shí)鐘的深度睡眠時(shí)間，反之，所述節(jié)點(diǎn)若連續(xù)三次被喚醒后任務(wù)量較大，則減少實(shí)時(shí)時(shí)鐘的深度睡眠時(shí)間。
全文摘要
一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作壽命較短、無操作系統(tǒng)、對(duì)數(shù)據(jù)處理能力有限、無法對(duì)節(jié)點(diǎn)各部分狀態(tài)進(jìn)行管理的問題。一種適于低溫環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它包括供電單元、主控制單元、傳感器模塊、無線通信模塊、外部接口單元、內(nèi)部接口單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述的主控制單元的處理器能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)；所述的供電單元還包括電源管理芯片、穩(wěn)壓芯片和N組電池組，主控制單元通過電源管理芯片對(duì)N組電池組進(jìn)行管理，控制N組電池組交替供電，所述穩(wěn)壓芯片用于穩(wěn)定電池組的輸出電壓，所述N為大于1的整數(shù)。本發(fā)明用于低溫環(huán)境下信息的采集、檢測(cè)和處理。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102547940SQ20121001112
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月14日
發(fā)明者劉亞秋, 劉春梅, 初硯碩, 孫壵, 張亁龍, 景維鵬, 李明, 武曲, 葛利, 邊莉 申請(qǐng)人:哈爾濱商業(yè)大學(xué)