CN102256380A - 一种新型无线mimo传感器节点 - Google Patents

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李颖
王嘉
孙岳
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Abstract

本发明公开了一种新型无线MIMO传感器节点，包括多个数据采集模块、多个射频收发模块、对多个数据采集模块所采集信号进行分析处理并通过射频收发模块进行发送且同时对射频收发模块所接收信号进行分析处理的数据处理模块、与射频收发模块相接的天线以及为数据处理模块和射频收发模块进行供电的电源模块，数据处理模块包括DSP控制器和与DSP控制器相接的现场可编程逻辑器件FPGA。本发明电路设计合理、接线方便、使用方式灵活且数据传输率高，能用于大数据量信息的采集和发送或者可以用于大规模无线传感网络的数据汇聚和转发，能有效解决Zigbee网络节点存在的因传输速率较低而导致的对网络规模和节点数据采集量的制约问题。

Description

一种新型无线MIMO传感器节点
技术领域
本发明涉及一种无线传感器节点，尤其是涉及一种新型无线MIMO传感器节点。
背景技术
Zigbee技术是I EEE 802.15.4协议规定的一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是低功耗、低速率、低成本、实现复杂度低等，可实现近距离传输，且能够搭建自组织网络。
目前，Zigbee网络节点已经得到了广泛应用，主要包括：1)通过嵌入到各种设备，可用于监控、自控和远程控制，即利用其所连接的传感器直接进行数据采集和监控；2)作为中继节点，自动转发其他网络节点传过来的数据资料；3)Zigbee网络节点可搭建类似于CDMA和GSM的具有高可靠性的无线传输网络，其通信模块可实现移动网络基站的功能，传输距离从几十米到几百米甚至几公里，并且支持无限扩展。其中，Zigbee网络节点最大支持65000个无线通信模块组成的网络平台，在整个网络范围内，每一个模块之间可以相互通信。
但是实际应用时，现有Zigbee网络节点主要存在以下问题：现有Zigbee通信模块中通常只有一个Zigbee芯片作为网络节点，由于受到自身传输速率低的影响，因而既不能采集太多的数据，也不能转发过多其他节点的数据。综上，Zigbee技术本身具有低功耗、低成本、短时延等优点，因而得到广泛应用，但是其较低的传输速率制约其网络的规模和节点的数据采集量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种新型无线MIMO传感器节点，其电路设计合理、接线方便、使用方式灵活且数据传输率高，能用于大数据量信息的采集和发送或者可以用于大规模无线传感网络的数据汇聚和转发，能有效解决Zigbee网络节点存在的因传输速率较低而导致的对网络规模和节点数据采集量的制约问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型无线MIMO传感器节点，其特征在于：包括多个数据采集模块、多个射频收发模块、对多个数据采集模块所采集信号进行分析处理并通过射频收发模块进行发送且同时对射频收发模块所接收信号进行分析处理的数据处理模块、与射频收发模块相接的天线以及为数据处理模块和射频收发模块进行供电的电源模块，所述数据处理模块包括DSP控制器和与DSP控制器相接的现场可编程逻辑器件FPGA，多个射频收发模块均与现场可编程逻辑器件FPGA相接，多个数据采集模块均与DSP控制器相接，所述电源模块分别与数据处理模块和射频收发模块相接。
所述射频收发模块包括与现场可编程逻辑器件FPGA相接无线射频模块以及分别与无线射频模块相接的低噪声放大器LNA和功率放大器，所述低噪声放大器LNA和功率放大器分别与天线相接，所述无线射频模块、低噪声放大器LNA和天线组成无线信号接收回路，所述无线射频模块、功率放大器和天线组成无线信号发送回路；所述无线射频模块为Zigbee无线通信模块。
所述数据采集模块包括传感器、与传感器相接的采样保持电路和与采样保持电路相接的A/D转换模块，所述A/D转换模块与DSP控制器相接。
所述传感器为对温度、湿度、压力或可燃气体进行实时检测的模拟传感器。
所述Zigbee无线通信模块为芯片CC2430或芯片CC2420。
所述数据处理模块还包括分别与DSP控制器相接的存储单元和FLASH存储器。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、电路设计合理、接线方便且使用操作简便。
2、使用效果好，具有Zigbee网络节点本身所具有的低功耗、低成本、短时延等优点，同时数据传输速率高，能有效解决Zigbee网络节点所存在的因传输速率较低而导致的对网络规模和节点数据采集量的制约问题。
3、实用价值高，本发明利用多个Zigbee芯片搭建了一种具有多输入和多输出功能的新型无线传感器节点，若将本发明应用于信息采集时，具有n个ZigBee芯片的模块，最多可发送单芯片节点的n倍的数据；若将本发明应用于网络中继传输，可通过数据压缩和有效的编码方法，大幅度提高网络吞吐率。实际使用过程中，根据各网络节点的实际需要，确定模块中Zigbee芯片的数量，因而有效提高网络节点的效率和***的吞吐率。
4、无线射频模块包括具有短距离或者带功率放大电路的距离可调模块两种模块，并通过配置和功率控制，可实现几十米至几百米的可变距离的通信功能；同时，通过现场可编程逻辑器件FPGA可以实现数据的压缩功能，同时能进行信道编码以及网络编码，从而使该无线传感节点可以提高网络的传输质量和吞吐量。
5、推广应用前景广泛，能用于大数据量信息的采集和发送或者可以用于大规模无线传感网络的数据汇聚和转发，本发明作为数据采集节点时，可以支持多数据采集模块的大数据信息采集和传输；作为汇聚和转发节点时，可降低网络复杂度，支持大规模无线传感网络，并通过数据压缩和处理，提高网络的传输质量效率。
综上所述，本发明电路设计合理、接线方便、使用方式灵活且数据传输率高，能用于大数据量信息的采集和发送或者可以用于大规模无线传感网络的数据汇聚和转发，因而能有效解决Zigbee网络节点所存在的因传输速率较低而导致的对网络规模和节点数据采集量的制约问题。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明除电源模块外的电路原理框图。
附图标记说明：
1-数据采集模块；    1-1-传感器；       1-2-采样保持电路；
1-3-A/D转换模块；   2-数据处理模块；   2-1-DSP控制器；
2-2-现场可编程逻辑  2-3-存储单元；     2-4-FLASH存储器；
器件FPGA；
3-射频收发模块；    3-1-无线射频模块； 3-2-低噪声放大器LNA；
3-3-功率放大器；    4-天线；           5-电源模块。
具体实施方式
如图1、图2所示的一种新型无线MIMO(多输入多输出)传感器节点，本发明包括多个数据采集模块1、多个射频收发模块3、对多个数据采集模块1所采集信号进行分析处理并通过射频收发模块3进行发送且同时对射频收发模块3所接收信号进行分析处理的数据处理模块2、与射频收发模块3相接的天线4以及为数据处理模块2和射频收发模块3进行供电的电源模块5。所述数据处理模块2包括DSP控制器2-1和与DSP控制器2-1相接的现场可编程逻辑器件FPGA2-2。多个射频收发模块3均与现场可编程逻辑器件FPGA2-2相接，多个数据采集模块1均与DSP控制器2-1相接，所述电源模块5分别与数据处理模块2和射频收发模块3相接。
本实施例中，所述射频收发模块3包括与现场可编程逻辑器件FPGA2-2相接无线射频模块3-1以及分别与无线射频模块3-1相接的低噪声放大器LNA3-2和功率放大器3-3，所述低噪声放大器LNA3-2和功率放大器3-3分别与天线4相接，所述无线射频模块3-1、低噪声放大器LNA3-2和天线4组成无线信号接收回路，所述无线射频模块3-1、功率放大器3-3和天线4组成无线信号发送回路。所述无线射频模块3-1为Zigbee无线通信模块，且其为芯片CC2430或芯片CC2420。所述数据处理模块2还包括分别与DSP控制器2-1相接的存储单元2-3和FLASH存储器2-4。所述射频收发模块3的数量为三个，实际使用时，可以根据需要将射频收发模块3的数量扩展为n个。根据实际需要，所述射频收发模块3可以分为近距离简单射频模块和距离可变的具有功率放大电路的收发模块。
所述数据采集模块1包括传感器1-1、与传感器1-1相接的采样保持电路1-2和与采样保持电路1-2相接的A/D转换模块1-3，所述A/D转换模块1-3与DSP控制器2-1相接。所述传感器1-1为对温度、湿度、压力或可燃气体进行实时检测的模拟传感器。实际使用过程，可以根据具体检测需要，采用相应类型的传感器，不限于上述传感器类型。
实际使用过程中，所述电源模块5由电平转换芯片和电源控制芯片构成，其主要负责给数据处理模块2和射频收发模块3进行供电。所述数据处理模块2中的DSP控制器2-1负责各种接口的控制和数据的分配任务，所述数据处理模块2中的现场可编程逻辑器件FPGA2-2用于收发数据的处理以及无线射频模块3-1的控制，可实现多个射频收发模块3的同步或者异步传输功能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型无线MIMO传感器节点，其特征在于：包括多个数据采集模块(1)、多个射频收发模块(3)、对多个数据采集模块(1)所采集信号进行分析处理并通过射频收发模块(3)进行发送且同时对射频收发模块(3)所接收信号进行分析处理的数据处理模块(2)、与射频收发模块(3)相接的天线(4)以及为数据处理模块(2)和射频收发模块(3)进行供电的电源模块(5)，所述数据处理模块(2)包括DSP控制器(2-1)和与DSP控制器(2-1)相接的现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)，多个射频收发模块(3)均与现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)相接，多个数据采集模块(1)均与DSP控制器(2-1)相接，所述电源模块(5)分别与数据处理模块(2)和射频收发模块(3)相接。
2.按照权利要求1所述的一种新型无线MIMO传感器节点，其特征在于：所述射频收发模块(3)包括与现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)相接无线射频模块(3-1)以及分别与无线射频模块(3-1)相接的低噪声放大器LNA(3-2)和功率放大器(3-3)，所述低噪声放大器LNA(3-2)和功率放大器(3-3)分别与天线(4)相接，所述无线射频模块(3-1)、低噪声放大器LNA(3-2)和天线(4)组成无线信号接收回路，所述无线射频模块(3-1)、功率放大器(3-3)和天线(4)组成无线信号发送回路；所述无线射频模块(3-1)为Zigbee无线通信模块。
3.按照权利要求1或2所述的一种新型无线MIMO传感器节点，其特征在于：所述数据采集模块(1)包括传感器(1-1)、与传感器(1-1)相接的采样保持电路(1-2)和与采样保持电路(1-2)相接的A/D转换模块(1-3)，所述A/D转换模块(1-3)与DSP控制器(2-1)相接。
4.按照权利要求3所述的一种新型无线MIMO传感器节点，其特征在于：所述传感器(1-1)为对温度、湿度、压力或可燃气体进行实时检测的模拟传感器。
5.按照权利要求2所述的一种新型无线MIMO传感器节点，其特征在于：所述Zigbee无线通信模块为芯片CC2430或芯片CC2420。
6.按照权利要求1或2所述的一种新型无线MIMO传感器节点，其特征在于：所述数据处理模块(2)还包括分别与DSP控制器(2-1)相接的存储单元(2-3)和FLASH存储器(2-4)。
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