CN102438267A

CN102438267A - Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置

Info

Publication number: CN102438267A
Application number: CN2011103374582A
Authority: CN
Inventors: 衣思超; 刘天华; 王晓薇
Original assignee: Shenyang Normal University
Current assignee: Shenyang Normal University
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-05-02

Abstract

Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，是为了解决无线传感器网络节点无法检测自身能耗和故障所带来不利于整个网络的节能、不利于延长整个网络使用寿命的技术问题而设计的。它主要包括传感器插座、信号放大模块、工作状态指示模块、高频发射模块、能耗及故障检测模块、电池/电源供电模块及串口输出模块；由MSP430单片机构成的所述能耗及故障检测模块通过传感器插座与传感器网络节点控制连接，实现对无线传感器网络节点的能耗和故障的检测。本发明的特点及有益效果：可在无线传感器网络节点检测光照强度或温湿度以及进行基于Zigbee技术组网的同时进行节点能耗和节点故障信息的检测，避免向发生故障节点发送信息造成能量的浪费，提高整体网络的使用寿命。无线传感器网络节点加入发光二极管，通过发光二极管的点亮或熄灭，达到指示传感器节点的工作状态。

Description

Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置

技术领域：

本发明涉及一种无线传感器网络节点检测装置，尤其涉及一种Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置。本发明主要用于无线传感器网络组网、光照检测、温湿度检测、剩余电量检测、能耗检测和故障检测。

背景技术：

目前，无线传感器网络的相关装置实现了对环境的检测以及各个网络节点进行自组织的方式构成无线传感器网络，可以对感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，采集的信息包括温湿度、光照强度等信息并报告给用户。无线传感器网络也可应用在对机械、医疗仪器的检测领域。但是没有对于无线传感器网络节点自身能耗信息和自身节点故障的实时检测。无线传感器网络节点通常是没有稳定能源做为供给的，只能靠自身携带的电池做为能源。若无线传感器网络节点出现能源耗尽或出现故障，则管理端不能正常显示其传感器节点检测的结果，会导致管理端无从得知该网络节点不能正常显示的真正原因，即电池能量耗尽；还是传感器节点出现部件故障导致的不能正常显示；同时也会导致无线传感器网络中其他节点在不知道该节点已经无法正常工作的情况下仍然会继续将信息发送到该故障节点，这样不利于整个网络的节能、不利于延长整个网络的使用寿命。

发明内容：

本发明为了解决无线传感器网络节点无法检测自身能耗和自身节点故障所带来的当无线传感器网络中某一节点无法正常工作时，其他节点在不知情的情况下仍然会继续将信息发送到该节点，这样不利于整个网络的节能、不利于延长整个网络的使用寿命的技术问题，提供了一种Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，它主要包括传感器插座、信号放大模块、工作状态指示模块、高频发射模块、能耗及故障检测模块、电池/电源供电模块及串口输出模块；由MSP430单片机构成的所述能耗及故障检测模块通过高灵敏度采样电阻对传感器节点的干路电压进行采样，实现对无线传感器网络节点的能耗检测和故障检测；即：通过采样电阻对以CC2530为主要芯片的高频发射模块进行电压采样；通过串口输出模块将实时采样的信息传递给管理端，已达到在管理端实时读取传感器的能耗信息；对高频发射模块进行电压采样的同时，存储每次采集的电压值和采样时间并将采集的电压值与预先设定在MSP430中的最大工作阈值电压和最小阈值工作电压相比较，若采样的电压值明显高于最大工作阈值电压或低于最小工作阈值电压则表明无线传感器网络节点已经出现故障，由于MSP430存储了每次采样的电压值和采样时间，因此可以通过串口输出模块读取每次的采样信息和时间便于网络管理者及时分析网络故障的症结达到及时改善网络的目的；利用MSP430单片机中集成的A/D转换器，对周期性采集的电池电量信息进行模数转换，将转换得到的数字信号与预先设定的最小电池电量阈值相比较，低于该阈值时MSP430通过高频发射模块将信息发送给管理端和其他无线传感器网络节点；并将传感器模块和高频发射模块进行集成，在所述传感器模块中由温湿度传感器和光照强度传感器分别采集温湿度信息和光照强度信息后，通过高频发射模块传递给管理端。

本发明的特点及有益效果：可在无线传感器网络节点检测光照强度或温湿度以及进行基于Zigbee技术组网的同时进行自身节点的能耗、故障和电池剩余电量信息的检测，避免向电池枯竭或出现故障的节点发送信息或指令造成能量的浪费，提高整体网络的使用寿命。无线传感器网络节点加入发光二极管，通过发光二极管的点亮或熄灭，达到指示传感器节点的工作状态。具体表现在：

该装置可以将传感器节点的能耗发送给管理端，使得在管理端的软件能实时读取传感器的能耗信息；

该装置能通过MSP430存储无线传感器网络节点工作时干路的电压采样信号，并通过串口输出模块读取无线传感器网络节点电压采样信号，便于网络管理者及时分析网络故障的症结达到及时改善网络的目的；

该装置能检测传感器节点电池的剩余电量，对于电池电量消耗较多的节点可以将自己的能量所剩不多的信息告知管理端和其他节点，使得其他传感器少利用剩余电量不多的传感器节点，已达到平衡网络能耗有效地延长网络的整体寿命，防止网络中某个关键节点因使用频繁，电池过早耗尽而不能正常工作，导致网络崩溃；

该装置对于电池快枯竭的节点能自动的向管理端和其他节点发送能量即将耗尽的信息，从而避免管理端和其他节点继续向该节点发送信息，导致不必要的浪费，已达到节能、延长整个网络的使用寿命的目的；

而且通过带有能耗检测装置的无线传感器网络节点根据能耗情况实行自组织方式的组网，以及采集温湿度和光照强度的信息，并将信息反馈给管理端；该无线传感器模块增加了工作状态指示模块，通过发光二极管的状态指示该节点的工作的状态。

附图说明

图1本发明的结构示意图

图2本发明的总电路原理图

图3电池/电源供电模块电路图

图4工作状态指示模块电路图

图5高频发射模块与传感器插座、CC2530 Debug接口电路图

图6串口输出模块电路图

图7能耗及故障检测模块电路图

图8信号放大模块电路图

图9温湿度传感器电路原理图

图10光照传感器电路原理图

图11高频发射模块内部电路原理图

具体实施方式

Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，它主要包括传感器插座、信号放大模块、工作状态指示模块、高频发射模块、能耗及故障检测模块、电池/电源供电模块及串口输出模块；由MSP430单片机构成的所述能耗及故障检测模块通过高灵敏度采样电阻对传感器节点的干路电压进行采样，实现对无线传感器网络节点的能耗检测和故障检测；即：通过采样电阻对以CC2530为主要芯片的高频发射模块进行电压采样；通过串口输出模块将实时采样的信息传递给管理端，已达到在管理端实时读取传感器的能耗信息；对高频发射模块进行电压采样的同时，存储每次采集的电压值和采样时间并将采集的电压值与预先设定在MSP430中的最大工作阈值电压和最小阈值工作电压相比较，若采样的电压值明显高于最大工作阈值电压或低于最小工作阈值电压则表明无线传感器网络节点已经出现故障，由于MSP430存储了每次采样的电压值和采样时间，因此可以通过串口输出模块读取每次的采样信息和时间便于网络管理者及时分析网络故障的症结达到及时改善网络的目的；利用MSP430单片机中集成的A/D转换器，对周期性采集的电池电量信息进行模数转换，将转换得到的数字信号与预先设定的最小电池电量阈值相比较，低于该阈值时MSP430通过高频发射模块将信息发送给管理端和其他无线传感器网络节点；并将传感器模块和高频发射模块进行集成，在所述传感器模块中由温湿度传感器和光照强度传感器分别采集温湿度信息和光照强度信息后，通过高频发射模块传递给管理端。

所述能耗及故障检测模块由串联在节点干路的采样电阻R8和MSP430F247组成。

所述工作状态指示模块由两种不同颜色的发光二级管组成，并分别与高频发射模块中的CC2530 I/O口控制连接。通过发光二极管的点亮或熄灭的状态表示节点的工作状态。

所述无线传感器网络节点中的所述光照传感器模块由Po188光照传感器构成，所述温湿度传感器模块由SHT11传感器构成，所述信号放大模块由LT2051构成，所述高频发射模块由2.4GHz CC2530构成，所述电池/电源供电模块由AP1117构成，以及所述串口输出模块由MAX3223构成。

在所述无线传感器网络节点上还设有CC2530 Debug接口，MSP430扩展接口及MSP430 Debug接口。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

参看图1，本发明的结构示意图，为各模块之间的连接关系。

在无线传感器网络节点上加入低功耗单片机MSP430F247。通过MSP430F247实现无线传感器网络节点的能耗检测和故障检测。首先，通过非常灵敏的采样电阻R8对以CC2530为主要芯片的高频发射模块进行电压采样。通过RS-232串口输出模块将实时采样信息传递给管理端软件，已达到在管理端软件实时读取传感器的能耗信息。其次，将串联在无线传感器网络节点干路的采样电阻R8采集的电压信和采样的时间存入MSP430中并将采集的电压信号与提前设置在MSP430中节点正常工作的最大工作阈值电压和最小工作阈值电压相比较，若明显大于最大工作阈值电压或小于最小工作阈值电压则判断该节点出现故障，通过串口输出模块读取无线传感器网络节点电压采集的相关信息；再次，利用MSP430中集成的A/D转换器，周期性采集电池电量信息进行模数转换，将转换得到的数字信号与预先设定的最小电池电量阈值相比较，若低于该阈值MSP430 F247通过高频发射模块将信息发送给管理端和其他无线传感器节点；最后，该发明集成了传感器模块和高频发射模块，传感器模块由SHT11温湿度传感器和Po188光照传感器组成。传感器将采集的光照强度信息或温湿度信息通过发射模块将信息传递给管理端。工作状态指示模块由两种不同颜色的发光二级管组成，每种颜色的二极管点亮与熄灭均代表该节点的工作状态，已达到指示该节点是Coordinator、Router、End Device等状态信息。

本发明的无线传感器网络节点主要是由MSP430 F247构成的能耗及故障检测模块、Po188光照传感器构成的光照传感器模块、SHT11传感器构成的温湿度传感器模块、LT2051构成的信号放大模块、两种不同颜色的发光二极管构成的工作状态指示模块、CC2530构成的2.4GHz高频发射模块、AP1117构成的电池/电源供电模块及MAX3223构成的串口输出模块组成。

参看图2，本发明的总电路原理图，反映了各个模块的逻辑联系。总电路原理图从右上角开始按逆时针方向依次的顺序是：电池/电源供电模块、工作状态指示模块、高频发射模块和CC2530 Debug接口、传感器插座、串口输出模块、能耗及故障检测模块和MSP430 Debug接口及信号放大模块和采样电阻R8。更详细的内容，参看通过图3-图11将图2按各模块分解后的各模块放大图和相应的结构描述。

下面结合附图对各个模块做进一步说明：

参看图3，由AP1117三端稳压器构成的电池/电源供电模块，为本发明的无线传感器网络节点提供稳定的电源。既可以是5V的直流电源供电也可以是电池供电，提升了无线传感器节点的适用范围。首先通过供电方式选择器J1(Bet-Dc)选择供电方式，若选择电源供电，将5V的电源接在DC插座上，通过二极管D1经滤波电解电容C7后的电源信号做为三端稳压器的输入信号，稳压后三端稳压器会输出3.3V电压信号，经过钽电容C8后使电源信号更加平滑为无线传感器节点提供稳定电源；若选择电池供电，将两节AA电池放入电池盒并接入Bet插座后此时的电源信号不用再经过三端稳压器，直接为无线传感器节点提供3.2V电压信号确保无线传感器节点正常工作。

参看图4，工作状态指示模块，该模块由三个限流电阻(RJG、RJr、R2)、两个红色发光二极管(Link、Link-R)和一个绿色发光二极管(Link-G)组成。三个工作状态指示灯分别与高频发射模块的8号、9号、10号引脚相连接。节点工作后，通过下载到CC2530的程序控制相应的I/O口做出高低电平的变化，点亮预先想要点亮的发光二极管，通过发光二极管的点亮与熄灭直观的反映出板子的工作状态，提升了板子的可用性与便利性。例如一个红色的发光二极管是电源指示灯，上电后该灯点亮表示板子已经通电。另一个红色的发光二极管和一个绿色的发光二极管同时点亮代表着该节点是Coordinator。只点亮一个红色的发光二极管代表着该节点是Router。一个红色和一个绿色的发光二极管都熄灭代表着End Device。

参看图5，高频发射模块与传感器插座、CC2530 Debug接口电路图。通过传感器插座接入光照传感器和温湿度传感器。当接入光照传感器时，光照传感器Po188将感知光照强度的模拟信号通过AN0和AN1接口传入高频发射模块中CC2530内置的A/D转换器内，将模拟信号变为数字信号，再通过微带线和天线将感知的光照强度信息发射给管理端和周围节点；当接入的是温湿度传感器时，温湿度传感器SHT11将感知的温湿度信号通过P1_5和P1_4传递给高频发射模块中CC2530的I/O口，再通过微带线和天线将感知的光照信息发射给管理端和周围节点，由于SHT11中内置A/D转换器，因此SHT11输出信号时为数字信号，省去了CC2530进行A/D转换的过程。

高频发射模块主要由CC2530芯片和天线组成。模块的3号引脚通过C10和R3连接到CC2530 Debug模块的RSTn引脚，由于CC2530 Debug模块有复位按钮，当完成对CC2530的程序下载后，按下复位按钮使CC2530复位。因为按下开关的过程会产生一定的高频分量，所以通过R3和C10组成的低通滤波器对高频分量进行滤除，得到稳定的低频分量。高频发射模块通过3号引脚、15号和16号引脚、21号引脚、22号引脚、26号引脚、27号引脚分别与CC2530 Debug的RSTn引脚、GND引脚、P1_4引脚P1_5引脚P2_1引脚、P2_2引脚相连接，实现CC2530 Debug对CC2530的程序下载与调试。

参看图6，串口输出模块主要由MAX3223与RS232组成，MAX3223是3V供电的具有自动关机、唤醒功能的通信接口，搞数据率的能力，以及增强的静电放电(ESD)保护，MAX3223含有两个驱动器和两个接收器。MAX3223通过15号引脚RXD1与高频发射模块的24号引脚相连，MAX3223的16和17号引脚与RS232相连，13号引脚与选择器SW1的2号引脚相连，而选择器SW1的输出端1号引脚与高频发射模块的23号引脚相连，3号引脚连接MSP430的34号引脚。实现了在管理端通过RS232接口读取MSP430和高频发射中的CC2530的信息。

参看图7，能耗及故障检测模块主要有MSP430F247构成，CP1是退耦合电容，其目的是滤除电源中的纹波，防止电源中的高频分量影响MSP430芯片。MSP430的54号至58号引脚分别与MSP430 Debug的TDO、TDI、TMS、TCK、RST相连接，实现MSP430 Debug对MSP430的程序烧写与调试。因为MSP430Debug下载器上有复位开关，而按下开关的动作会产生高频分量，所以通过C11滤除防止高频分量对MSP430的影响。

MSP430的A0引脚与信号放大模块的7号引脚相连，信号放大模块的7号引脚输出的信号成分是被放大后的无线传感器节点能耗检测信息和故障检测信息。能耗信息和故障检测信息是模拟量经过A0引脚送入MSP430的A/D转换器中，进行模数转换将转换后的能耗检测或故障检测的数字信号通过34号引脚传给串口输出模块的13号引脚TXD1，使得在管理端能检测到无线传感器能耗检测信息或故障检测信息便于网络管理者及时分析网络故障的症结达到及时改善网络的目的。MSP430的A1引脚通过连接的R9和C13组成的低通滤波器与电池相连接，因为电池的电压信号是模拟量，所以将其通过A1接入MSP430的A/D转换器进行模数转换，将转换后得到的数字信号与预先在MSP430中设置的最小电池电量阈值相比较，若小于该阈值再由MSP430将转换的数字信号经MSP430的38号引脚I2与高频发射模块的7号引脚P0_3相连，再由高频发射模块将信息发送给管理端与其他节点。

参看图8，所示信号放大模块由LT2051构成，以0.1欧姆高灵敏度电阻R8采样的电压值作为LT2051的输入信号，将输入信号进行放大，在7号引脚输出，并且将输出值送入MSP430的A0引脚。

参看图9-1至图9-3，是温湿度传感器电路原理图，主要有温湿度传感器SHT11、传感器插座CN1和CN2构成。当传感器工作的时候，感知周围的温度和湿度，将感知的模拟信号进行模数转换后输出数字信号，将输出的数字信号通过SHT11的3号引脚输出到传感器P1_4端口，之后再传到CC2530模块。图9-1中R1是限流电阻，C1是退耦合电容，避免高频分量对SH11的影响。

参看图10-1至图10-3，是光照传感器的电路原理图，主要有光照传感器Po188、传感器插座CN1和CN2构成。当传感器工作的时候感知光照强度，将感知的模拟信号输入到传感器的AN0端口，之后再传到CC2530模块。

参看图11，无线传感器节点中高频发射模块内部电路原理图，图中主要芯片是CC2530 F256，C3是退耦合电容，防止电源中高频部分对芯片的影响，发射模块包含一个32MHz高速晶振Y2和一个32.768Khz的低速晶振Y1。高速晶振与CC2530的32号和33号引脚相连接，低速晶振与CC2530的22号和23号引脚相连接。CC2530的25号和26号引脚是射频输入端，连接由巴伦(BALUN)、C4、L1、A1构成的匹配网络以及发射天线。匹配网络构成的阻抗为50欧姆，使发射模块的输出功率最大，提高了能源效益。

实施例

在本发明中电池/电源供电模块为整个无线传感器网络节点提供稳定的能量使各模块上电工作，使用中先将光照传感器或温湿度传感器插在传感器插座上，上电后以CC2530为主的高频发射模块基于Zigbee技术以自组织的方式与其他传感器网络节点组网。光照传感器/温湿度传感器感知节点周围的光照强度/温度、湿度，将感知的信息传递给与其串联的CC2530，再通过高频发射模块将感知的信息传递给其他节点或管理端。

在上述无线传感器节点进行工作的过程中，采样电阻R8与高频发射模块进行串联，通过检测发射模块的干路电压进而检测到传感器节点的能耗。以采样电阻R8两端的电压作为信号放大模块的输入信号，对采样电阻R8两端微弱的电压信号进行放大并将放大后的信号传给MSP430，再经过串口输出模块在管理端显示出所检测到的传感器功耗。

无线传感器网络节点的故障检测功能的实现是将串联在无线传感器网络节点干路的采样电阻R8采集的电压信号和采样的时间存入MSP430中并将采集的电压信号与提前设置在MSP430中节点正常工作的最大工作阈值电压和最小工作阈值电压相比较，若明显大于最大工作阈值电压或小于最小工作阈值电压则判断该节点出现故障，通过串口输出模块读取无线传感器网络节点上电压采集的相关信息，进而可以帮助网络管理者掌握故障的信息。

无线传感器工作一段时间后，电池电压信号经过并联耦合电容将电池瞬时电压信号送入能耗检测模块中MSP430集成的A/D转换器，将模拟电流信号转换成数字信号，并与提前设置在MSP430的两个阈值(一个是电量较少的阈值，另一个是电量即将枯竭的阈值)进行比较。若电池电量低于电量较少的阈值，那么MSP430会将信号经过高频发射模块将信号发送给管理端或其他节点，达到少使用该节点目的，进而平衡整个网络的电量避免因一个节点的电量提前耗尽而导致整个网络崩溃，延长网络使用寿命；若电量低于电量即将枯竭的阈值，那么MSP430会将信号经过高频发射模块将信号发送给管理端或其他节点，达到管理端或其他节点得知该传感器电量耗尽即将不能工作，不会继续向该节点发送信息与指令节省发射信号时所浪费的电量，进而延长网络的使用寿命。

无线传感器网络节点上电后，工作状态指示模块通过两种不同颜色的发光二极管进行显示已达到显示该无线传感器节点的工作状态。即工作状态指示模块由两个红色、一个绿色的发光二极管构成，三个发光二级管分别连接高频发射模块中CC2530三个I/O口，通过控制三个I/O口的电平输出就可控制三个灯的点亮或熄灭，进而表现出板子节点的工作状态。例如一个红色的发光二极管是电源指示灯，上电后该灯点亮，表示板子已经通电。另一个红色的发光二极管和一个绿色的发光二极管同时点亮代表着该节点是coordinator。只点亮一个红色的发光二极管代表着该节点是Router。一个红色和一个绿色的发光二极管都熄灭代表着End Device。

Claims

1.Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，它主要包括传感器插座、信号放大模块、工作状态指示模块、高频发射模块、能耗及故障检测模块、电池/电源供电模块及串口输出模块；其特征在于：由MSP430单片机构成的所述能耗及故障检测模块通过高灵敏度采样电阻对传感器节点的干路电压进行采样，实现对无线传感器网络节点的能耗检测和故障检测；即：通过采样电阻对以CC2530为主要芯片的高频发射模块进行电压采样；通过串口输出模块将实时采样的信息传递给管理端，已达到在管理端实时读取传感器的能耗信息；对高频发射模块进行电压采样的同时，由MSP430存储每次采集的电压值和采样时间，并将采集的电压值与预先设定在MSP430中的最大和最小工作阈值电压相比较，若采样的电压值明显高于最大工作阈值电压或低于最小工作阈值电压则表明无线传感器网络节点已经出现故障，通过串口输出模块将实时采样的故障信息传递给管理端，通过管理端及时分析网络故障的症结；利用MSP430单片机中集成的A/D转换器，对周期性采集的电池电量信息进行模数转换，将转换得到的数字信号与预先设定的最小电池电量阈值相比较，低于该阈值时MSP430通过高频发射模块将信息发送给管理端和其他无线传感器网络节点；并将传感器模块和高频发射模块进行集成，在所述传感器模块中由温湿度传感器和光照强度传感器分别采集温湿度信息和光照强度信息后，通过高频发射模块传递给管理端。

2.根据权利要求1所述的Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，其特征在于：所述能耗及故障检测模块由串联在节点干路的采样电阻R8和MSP430 F247组成。

3.根据权利要求1所述的Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，其特征在于：所述工作状态指示模块由两种不同颜色的发光二级管组成，并分别与高频发射模块中的CC2530 I/O口控制连接。

4.根据权利要求1所述的Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，其特征在于：所述无线传感器网络节点中的所述光照传感器模块由Po188光照传感器构成，所述温湿度传感器模块由SHT11传感器构成，所述信号放大模块由LT2051构成，所述高频发射模块由2.4GHz CC2530构成，所述电池/电源供电模块由AP1117构成，以及所述串口输出模块由MAX3223构成。

5.根据权利要求1所述的Zigbee无线传感器网络节点能耗及故障检测装置，其特征在于：在所述无线传感器网络节点上还设有CC2530 Debug接口，MSP430扩展接口及MSP430 Debug接口。