专利名称：投放式弹跳型无线传感器网络节点及其控制方法
技术领域：
本发明属于一种智能化可移动组网设备及其控制方法，特别是一种投放式弹跳型 无线传感器网络节点及其控制方法。
背景技术：
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无 线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络 覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络具有可快速部署、可自组 织、隐蔽性强和高容错性的特点，非常适合在恶劣的环境下应用。无线传感器网络的自组织 性也使得它可用于危险工作环境。无线传感器网络节点往往是利用飞机、发射器等方式部署，并且处于危险的环境 中，容易遭到破坏，所以通过节点对周围环境的观察后移动以避免被破坏。从而改善节点的 生存能力，保证网络通信。面对上述需求，现有技术的无线传感器网络节点技术主要存在以下缺陷1)只能 被动的通过飞机、发射器等方式投放，这样投放到一定区域内很可能会分布不均勻。2)被投 放后的无线传感器网络节点不具有自身的续航能力，这样一方面落地后会分布不均勻，另 一方面不能自动飞行增加续航能力。3)无线传感器网络节点是静止和不能自身移动的，这 样的节点只能是放置在车辆等运动载体上，通过载体运动而运动。4)不具备通过感知周围 环境而运动的特性，即使放置在车辆运动载体上的节点也只能够通过载体运动而运动，不 能根据自身的需要而运动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使节点自主弹跳移动的投放式弹跳型无线传感器网 络节点及其控制方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种投放式弹跳型无线传感器网络节点，包 括投放模块、弹跳模块、射频模块、MCU模块、传感器模块和GPS模块，MCU模块的I2C接口与 弹跳模块的点火启动控制接口相连接，将控制信号传输给弹跳模块，控制节点弹跳；MCU模 块的SPI接口与射频模块的差分电路接口相连接，将数据信号传输给射频模块，保证通信 数据的可靠传输，完成传感器网络节点的通信功能；MCU模块的8路8/10位A/D转换接口与 传感器模块的差分电路接口相连接，接收传感器采集的模拟信号，并将控制信号传输给传 感器模块，完成节点状态信息的采集与控制功能；MCU模块的SCI接口与GPS模块所采用的 SiRF star III并行20通道接口相连接，接收GPS模块发送的定位信息并将控制信息传输 给GPS模块，完成无线传感器网络节点的定位；投放模块内设置微发射器，MCU模块的RS232 转换接口与投放模块的通信接口相连接，将控制信号传输给将控制信号传输给投放模块的 微发射器，控制微发射器启动，从而将节点投放出去。本发明的投放式弹跳型无线传感器网络节点的控制方法，包括以下步骤
1)节点发出投放指令，启动投放模块；2)利用无线传感器网络节点的GPS定位模块实时采集节点方位信息，对传感器节 点经纬度位置参量进行判断，从而实时定位节点，当节点部署不当的时候，对投放模块发出 控制，启动微发射器；否则，跳转到步骤3)，启用传感器模块；3)利用传感器模块实时采集节点周围环境信息，对传感器节点温度、湿度状态参 量进行判断，从而确定节点是否安全，当节点处于安全状态时，跳转到步骤2)，继续保持对 节点的定位和状态监测；当节点处于非安全状态时，执行步骤4)，完成节点弹跳的准备工 作；4)MCU模块发出点火启动指令；5)点火启动模块接收到从微处理器传输过来的点火指令后，弹跳模块开始弹跳， 之后返回步骤3)。本发明与现有技术相比，其显著优点1)节点自身携带微型发射器，可使节点通 过飞机、发射器等方式部署后落地能够均勻分布。2)节点自身携带微型发射器，可使节点具 有自身的续航能力，这样一方面落地后会分布均勻，另一方面能自动飞行增加续航能力。3) 节点自身携带的弹跳模块和微发射器，克服现有的无线传感器网络节点静止和不能自身移 动的缺陷。4)节点自身携带的并具有定位功能的GPS模块，可以判断自身姿态的位置传感 器模块，克服现有的无线传感器网络节点不具备通过感知周围环境而运动，从而不能根据 自身的需要而运动的缺陷。5)本发明是在动力学和计算机软硬件等研究基础上，充分考虑 了方便、实用、低价位等特点，使节点根据实际情况可以自主弹跳移动和续航能力，达到自 组织的目的。用于无线传感器网络中具有先进性和可行性。
图1是本发明的投放式弹跳型无线传感器网络节点原理图。图2是本发明的投放式弹跳型无线传感器网络节点工作控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1，本发明的一种投放式弹跳型无线传感器网络节点包括投放模块、弹跳模 块、射频模块、MCU模块、传感器模块和GPS模块，MCU模块的I2C接口与弹跳模块的点火启 动控制接口相连接，将控制信号传输给弹跳模块，控制节点弹跳，MCU根据片选模式对点火 状态进行设置，完成不利环境下节点自动弹跳的功能；软件设计时MCU根据片选模式对点 火状态进行设置，如果传感器反馈的数据显示节点处于不利环境，则设置相关模式位，对弹 跳模块发出点火指令，弹跳模块收到点火指令后，在节点作用力驱使下完成节点弹跳运动； MCU模块的SPI接口与射频模块的差分电路接口相连接，将数据信号传输给射频模块，保证 通信数据的可靠传输，完成传感器网络节点的通信功能，射频模块采用无线收发芯片，并利 用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，采纳PLL合成技术，工作频率为2. 4GHz，设置成SPI总 线接口方式与处理器进行通信；MCU模块的8路8/10位A/D转换接口与传感器模块的差分 电路接口相连接，接收传感器采集的模拟信号，并将控制信号传输给传感器模块，完成节点 状态信息的采集与控制功能，传感器选用SMAC无线射频收发器，集成小信号处理电路，有效收集无线传感器节点状态数据，MCU将采集到的模拟信号数据进过A/D转换接口转换成 射频模块易于处理的数字信号；MCU模块的SCI接口与GPS模块所采用的SiRF star III并 行20通道接口相连接，接收GPS模块发送的定位信息并将控制信息传输给GPS模块，完成 无线传感器网络节点的定位，GPS模块的节点定位信息以串口通信的方式通过通道接口交 由MCU处理，MCU根据GPS定位信息对节点进行控制；投放装置中设置微发射器，MCU模块的 RS232转换接口与投放模块的通信接口相连接，将控制信号传输给投放模块的微发射器，从 而完成无线传感器网络的均勻布撒功能，MCU根据投放节点的状态控制微发射器的启动，保 证投放过程中飞行节点的续航能力。上述主控芯片MCU采用使用Freescale公司的无线芯片。传感器模块为WZIG-C MC13213SMAC无线传感器采集接收板。GPS模块采用直接集成在PCB板上的Leadtek LR9548GPS接收模块。本发明的硬件方面使用Freescale公司的无线芯片作为主控芯片，添加传感器 接口，点火启动接口和GPS模块接口，并具有微发射器和弹跳模块。软件方面以嵌入式 WindowsCE作为基础平台，加入启动和定位等控制功能。最终形成一个智能可弹跳的投放式 无线传感器网络节点。投放模块包括推进功能圆柱体、推进装置、微发射器和保护材料，具体设计时，推 进功能圆柱体直径12mm ；推进装置质量小于IOg ；携带微型传感器网络节点的圆柱体直径 24mm,长度57mm ；总体重量40g (不含电池)；节点通信距离50m ；节点体积40*16*3 (mm)。 投放模块在收到软件节点的投放指令后，推进功能圆柱体装载网络节点，推进装置对网络 节点产生作用力，将无线传感器网络节点布撒到周围环境；在投放模块内设置微发射器是 为了保证布撒节点的均勻。在投放过程中可以点火启动微发射器，为运动中的节点提供作 用力，保证节点的飞行能力，达到续航目的。节点被投放模块部署后，可根据周围环境进行 弹跳，投放模块采用包覆层和其他材料保护微型传感器网络节点免受推进剂燃烧的高温影 响。弹跳模块包括点火启动模块和弹跳部分，弹跳部分包括发射机构、推力室、尾喷机 构、外壳，发射机构内装有火药药柱；点火启动模块接收到从微处理器传输过来的点火指令 后，弹跳模块中的点火部分开始工作，点火启动模块包括电容电阻，该电容电阻可保证变压 效率，点火时，电容突然释放打出火花；电容释放的火花引燃发射机构内的火药药柱，产生 爆破并释放燃气，发射机构释放的燃气推进到推力室，在尾喷机构内产生推力，按照作用力 方向向上弹起完成向上和前后左右的弹跳运动。射频模块使用的是串行外围设备接口 SPI (Serial Peripheral Interface)通信 技术。接口采用同步串行3 4线方式进行通信，即1条时钟线SCK、1条数据输入线M0SI、 1条数据输出线MIS0，另外还有1条从选线NSS (可选)，用于CPU与各种外围器件进行全双 工、同步串行通信。考虑到弹跳和续航节点对功耗、性能和尺寸大小的要求，采用Freescale公司 的无线芯片作为主控芯片。微处理器采用8位的HCS08内核，集成了 1个SPI (Serial Peripheral Interface)接口、1 个 8 路的 8/10 位 A/D 转换器、2 个 TPM(Timer/PWM)模块、 2 个 SCI (Serial Communication Interface)接口、2 个 I2C 和 1 个 8 路的 KBI (Keyboard Interrupt)接口。射频模块的工作频段是2. 4GHz，通过SPI总线与处理器通信。
软件方面采用嵌入式Windows CE作为系统的基本平台，支持嵌入式NET、MFC、 SQL。传感器采集模块采用WZIG-C MC13213SMAC无线传感器采集模块，集成了多通道高 性能前端小信号处理电路，只需挂接传感器就可对其输出信号采集、输出，支持星形、树状、 网状网络。在9x9x1mm 71引脚LGA封装集成了低功耗的2. 4GHz RF收发器和8位微控制 器。MC13213器件具有60KB的闪存。小占位面积封装中的无线电收发器和微控制器的组合 使它成为成本效益的解决方案。GPS模块采用Leadtek LR9548GPS接收模块，它是SIRF最新款芯片，接收板结构采 用SiRF star III并行20通道，最高可达18000m，定位时间热启动时小于ls，重捕时间小 于0. ls，输入电压为3. 3V士5%，电流为70mA，功耗仅为230mW，尺寸仅为24X20X 2. 6mm，重 量仅为2. 5g，定位精度高，采用芯片式嵌入设计，可直接集成在PCB板上，最大限度的节省 了空间。节点数据处理模块利用微处理器将GPS模块接口接收到的GPS信息和传感器接口 接收到的数据进行综合处理后将指令传到点火启动接口，启动弹跳模块，从而使节点弹跳， 以适应网络需要。结合图2，本发明的投放式弹跳型无线传感器网络节点的控制方法，其特征在于， 包括以下步骤1)节点发出投放指令，启动投放模块；2)利用无线传感器网络节点的GPS定位模块实时采集节点方位信息，对传感器节 点经纬度位置参量进行判断，从而实时定位节点，当节点部署不当的时候，对投放模块发出 控制，启动微发射器；否则，跳转到步骤3)，启用传感器模块；3)利用传感器模块实时采集节点周围环境信息，对传感器节点温度、湿度状态参 量进行判断，从而确定节点是否安全，当节点处于安全状态时，跳转到步骤2)，继续保持对 节点的定位和状态监测；当节点处于非安全状态时，执行步骤4)，完成节点弹跳的准备工 作；4)MCU模块发出点火启动指令；5)点火启动模块接收到从微处理器传输过来的点火指令后，弹跳模块开始弹跳， 之后返回步骤3)。在投放节点时，节点软件发出投放指令，投放模块启动，投放推进的圆柱体直径为 12mm，推进装置质量小于10g，携带微型传感器网络节点的圆柱体直径24mm，长度57mm，总 体重量40g(不含电池)，节点通信距离50m，节点体积40*16*3 (mm) ；GPS采用实时定位， 接收板结构采用SiRF star III并行20通道，最高可达18000m，定位时间热启动时小于 ls，重捕时间小于0. ls，输入电压为3. 3V±5%,电流为70mA，功耗仅为230mW，尺寸仅为 24X20X2. 6mm，重量仅为2. 5g，定位精度高。传感器采集模块集成了多通道高性能前端小 信号处理电路，在9x9x1mm 71引脚LGA封装集成了低功耗的2. 4GHz RF收发器和8位微控 制器。点火启动模块采用火药点火，其内部有火药药柱，其中还有一些电容电阻来保证变压 效率，用电容存储，经过突然释放打出火花。点火后，弹跳部分就是采用结构动力学原理，给 网络节点一个作用力，按照作用力方向向上弹起完成向上和前后左右的弹跳运动。经过多次实验验证，本发明的GPS定位精度可达到IOm以内，在温度为0 70°C的环境下能够正常工作，弹跳高度可达到50m以上，弹跳距离数百米。
权利要求
一种投放式弹跳型无线传感器网络节点，其特征在于，包括投放模块、弹跳模块、射频模块、MCU模块、传感器模块和GPS模块，MCU模块的I2C接口[2]与弹跳模块的点火启动控制接口[1]相连接，将控制信号传输给弹跳模块，控制节点弹跳；MCU模块的SPI接口[4]与射频模块的差分电路接口[3]相连接，将数据信号传输给射频模块，保证通信数据的可靠传输，完成传感器网络节点的通信功能；MCU模块的8路8/10位A/D转换接口[5]与传感器模块的差分电路接口[6]相连接，接收传感器采集的模拟信号，并将控制信号传输给传感器模块，完成节点状态信息的采集与控制功能；MCU模块的SCI接口[7]与GPS模块所采用的SiRF star III并行20通道接口[8]相连接，接收GPS模块发送的定位信息并将控制信息传输给GPS模块，完成无线传感器网络节点的定位；投放模块内设置微发射器，MCU模块的RS232转换接口[9]与投放模块的通信接口[10]相连接，将控制信号传输给投放模块的微发射器，控制微发射器启动。
2.根据权利要求1所述的投放式弹跳型无线传感器网络节点，其特征在于，主控芯片 MCU采用Freescale公司的无线芯片。
3.根据权利要求1所述的投放式弹跳型无线传感器网络节点，其特征在于，传感器模 块为WZIG-C MC13213SMAC无线传感器采集接收板。
4.根据权利要求1所述的投放式弹跳型无线传感器网络节点，其特征在于，GPS模块采 用直接集成在PCB板上的Leadtek LR9548GPS接收模块。
5.一种基于权利要求1所述的投放式弹跳型无线传感器网络节点的控制方法，其特征 在于，包括以下步骤1)节点发出投放指令，启动投放模块；2)利用无线传感器网络节点的GPS定位模块实时采集节点方位信息，对传感器节点 经纬度位置参量进行判断，从而实时定位节点，当节点部署不当的时候，对投放模块发出控 制，启动微发射器；否则，跳转到步骤3)，启用传感器模块；3)利用传感器模块实时采集节点周围环境信息，对传感器节点温度、湿度状态参量进 行判断，从而确定节点是否安全，当节点处于安全状态时，跳转到步骤2)，继续保持对节点 的定位和状态监测；当节点处于非安全状态时，执行步骤4)，完成节点弹跳的准备工作；4)MCU模块发出点火启动指令；5)点火启动模块接收到从微处理器传输过来的点火指令后，弹跳模块开始弹跳，之后 返回步骤3)。
全文摘要
本发明公开了一种投放式弹跳型无线传感器网络节点及其控制方法，节点包括投放模块、弹跳模块、射频模块、MCU模块、传感器模块和GPS模块，MCU模块的接口与弹跳模块的点火启动控制接口相连接；MCU模块的SPI接口与射频模块的差分电路接口相连接；MCU模块的A/D转换接口与传感器模块的差分电路接口相连接；MCU模块的SCI接口与GPS模块接口相连接；投放模块内设置微发射器，MCU模块的RS232转换接口与投放模块的通信接口相连接。本发明是在动力学和计算机软硬件基础上，充分考虑了方便、实用、低价位特点，使节点根据实际情况可以自主弹跳移动和续航能力，达到自组织的目的。
文档编号H04W84/18GK101925198SQ20091003305
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者孙鑫, 曹兵, 杨余旺, 樊春丽, 王磊, 郑亚, 鞠玉涛 申请人:南京理工大学