CN203219503U - 无线传感器网络*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无线传感器网络***。其目的是提供一种能够扩充网络网络容量、降低***成本、提高数据传输效率的无线传感器网络***。一种无线传感器网络***，包括一个Zigbee树形网络子***和若干星形网络子***，所述Zigbee树形网络***包括一个协调器、若干个路由器以及若干个终端节点，所述星形网络子***包括一个主节点和若干传感器节点，所述星形网络子***的主节点与所述Zigbee树形网络子***的终端节点通信连接；所述传感器节点与主节点通过无线链路通信连接，传感器节点用于收集传感数据并发送至主节点，所述路由器与各终端节点通过无线链路连接，所述协调器与各路由器通过无线链路连接。

Description

无线传感器网络***

技术领域

本实用新型涉及一种无线传感器网络***。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术的飞速发展和不断融合，一种兼具感知能力、计算能力和通信能力的新型网络——无线传感器网络得到逐步发展，因其具有开发简单、价格低廉、抗毁性强、隐蔽性高等优势，在环境监测、智能农业、智能家居、医疗监护等领域具有广泛的应用前景。

为满足小型低成本设备的无线联网要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术——ZigBee技术。ZigBee一词来源于蜜蜂在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来传递花粉所在的方位信息，即依靠这种方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

Zigbee无线网络主要包含三种类型的节点，即协调器、路由器和终端节点，其中协调器和路由器是全功能设备FFD（Full Function Device），支持标准定义的所有功能和特性，可以与任何节点进行通信；而终端节点是精简功能设备RFD（Reduced Function Device），RFD设备功能简洁，存储容量要求最少，一个RFD设备只能与一个FFD设备通信，RFD设备之间不能直接通信。

Zigbee网络支持星形、树形和网状三种网络拓扑结构。树形拓扑结构的路由方式非常简单，每次报文转发都在父、子节点之间进行，即当源节点需要与目标节点进行通信时，首先将报文转发至其父节点或子节点，收到该报文的节点也按照同样的方式将报文转发给对应的父节点或子节点，直至该报文被传送至目标传感器节点。这种路由方式虽然简单，但是传统的Zigbee树形网络所能支持的总节点个数有限，随着终端节点数目的增加，***的成本也明显增加，而且给网络节点的维护带了很大的考验。同时，由于树形路由的特点，当终端节点个数较多时，网络协调器想要获取各个终端节点的传感数据效率偏低。

星形点对多点网络，由一个主结点和多个从节点组成，主节点和从节点都有微控制器，主节点可以主动向从节点轮询采集到的传感数据，从节点也可以定时将数据主动上传到主节点，工作方式非常灵活。这种星形网络拓扑结构非常简单，无需为了维护网络而产生的额外开销，而且在不工作时采用相应的休眠模式可以将功耗降到很低，而且点对点通信是所有无线通信方式中成本最低的一种。但是其通信距离有限，网络结构单一，数据传输鲁棒性低，不适合于复杂的相对大规模的应用场合，有一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够扩充网络网络容量、降低***成本、提高数据传输效率的无线传感器网络***。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种无线传感器网络***，包括一个Zigbee树形网络子***和若干星形网络子***，所述Zigbee树形网络***包括一个协调器、若干个路由器以及若干个终端节点，所述星形网络子***包括一个主节点和若干传感器节点，所述星形网络子***的主节点与所述Zigbee树形网络子***的终端节点通信连接；所述传感器节点与主节点通过无线链路通信连接，传感器节点用于收集传感数据并发送至主节点，所述路由器与各终端节点通过无线链路连接，所述协调器与各路由器通过无线链路连接。

其中，所述Zigbee树形网络子***的各节点均由节点控制器、射频前端模块和射频功放模块组成，所述Zigbee树形网络子***的各节点是指协调器、路由器和终端节点；所述星形网络子***的各节点均由节点控制器和点对点无线收发模块组成，所述星形网络子***的各节点是指主节点和传感器节点；所述星形网络子***的主节点与树形网络子***的终端节点直接通过串口直连，星形网络子***的主节点将从传感器节点收集到的传感数据汇总，经过串口将信息直接转发至树形网络子***的终端节点。

作为本实用新型的一种优选配置，所述节点控制器为LPC2136节点控制器；所述射频前端模块为CC2520射频前端模块；所述射频功放模块为CC2591射频功放模块；所述节点控制器为STM32F103节点控制器；所述点对点无线收发模块为nRF24L01点对点无线收发模块。上述优选配置，使得Zigbee树形网络子***的终端节点间直线通信距离能达到300米以上，且带有加密、数据重传等机制，提高了数据传输的鲁棒性和安全性；而nRF24L01无线收发模块最多支持一点对六点的通信，直线通信距离达到100米，该模块具有成本低，使用简单等功能。

本实用新型由于采用了上述技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：本实用新型将点对点无线收发的星形网络子***与传统的Zigbee树形网络子***相结合，构成混合型无线传感器网络***，集合两种网络***的优点，通过Zigbee树形网络子***实现数据的远距离、高可靠性的传输，同时通过星形网络子***实现局部传感信息的采集和汇总，由于点对点通信的成本是所有无线通信中最低的一种，因此在同等网络容量下（即具有相同的传感器节点数目），本实用新型混合网络的成本要比传统的Zigbee树形网络的成本更低，同时避免了传感器节点的Zigbee协议栈网络层的二次开发，大大缩短了开发周期；此外，由于星形网络子***可以将多个传感器节点的信息汇总，一起发送到Zigbee树形网络中，相比传统的每个终端节点只有带有一个传感器节点Zigbee树形网络，传输的效率明显提高。

附图说明

通过以下本发明的实施例并结合附图的描述，示出本发明的其它优点和特征，该实施例以实例的形式给出，但并不限于此，其中：

图1为本实用新型无线传感器网络***的结构示意图；

图2为Zigbee树形网络子***的各节点的结构组成示意图；

图3为星形网络子***的各节点的结构组成示意图；

图4为Zigbee树形网络子***和星形网络子***的连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实用新型无线传感器网络***的一个较优实施例，整个***由Zigbee树形网络子***1和星形网络子***2组成。其中，树形网络子***1由一个协调器11，若干路由器12以及若干终端节点13组成；星形网络子***2由一个主节点21和多尔传感器节点22组成。其中，各协调器11、路由器12、终端节点13的硬件组成是一样的，只是在软件的功能上有所不同，协调器11和路由器12都具有路由功能，允许其它节点加入网络，需要相对较多的资源来存储网络路由表和邻居表、网络状态等信息；协调器11除了具备路由功能外，还具有建立Zigbee无线个域网及初始化网络的功能；而终端节点13不具备路由功能，只能加入到某个路由器或协调器中。

Zigbee树形网络子***各节点在硬件组成上是一样的（结合图2所示），即协调器11、路由器12和终端节点13都是由节点控制器、射频前端模块和射频功放模块组成。节点控制器上运行着基于嵌入式实时操作***uC/OSII的Zigbee协议栈，协议栈软件指定了每个节点在Zigbee树形网络子***中的角色，即是协调器、路由器还是终端节点。协调器首先建立并初始化一个Zigbee网络，随后路由器和终端节点相继加入，共同组成Zigbee树形网络子***。本实施例中，节点控制器的主控采用NXP公司的芯片LPC2136，该芯片基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并带有256K字节嵌入的高速Flash存储器；该芯片具有4个32位定时器、2个10位8路ADC、1个10位DAC、6个PWM通道和多达47个GPIO以及多达9个边沿电平出发的外部中断，特别适用于工业控制和医疗***。射频前端模块由基于德州仪器的兼容IEEE802.15.4/Zigbee协议的无线收发芯片CC2520及相应的***电路组成，与节点控制器通过SPI总线进行通信，完成数据的实际发送和接收过程。射频功放模块基于同样由德州仪器公司生产的射频功放芯片CC2591及相应的***电路组成。CC2591通过提供功率放大来增加输出功率，通过提供低噪放大增加接收灵敏度，很好的扩展了无线收发的效率和距离，使得树形网络子***节点的通信距离在开阔地上能够达到300米以上。

结合图3所示，星形网络子***由一个主节点21以及若干传感器节点22组成，主节点21和传感器节点22在硬件上是一样的，均由节点控制器和点对点无线收发模块组成。在本实施例中，节点控制器的主控采用意法半导体ST公司的STM32F103芯片，该芯片采用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含2个I2C接口和SPI接口、3个UART接口、一个USB接口和一个CAN接口。点对点收发模块基于点对点收发芯片nRF24L01及***电路和天线等组成；nRF24L01是一款工作在2.4GHz到2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，包括频率发生器、增强型模式控制器、功率放大器、晶振、调制器和解调器，输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。该芯片具有较低的电流消耗，通信距离可达100米。

nRF24L01在工作模式下可以设置为发送模式和接收模式，在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，每一个数据通道使用不通的地址，但共用相同的频道，即6个不同的nRF24L01设置为发送模式后可以与同一个设置为接收模式的nRF24L01进行通讯，而设置为接收模式的nRF24L01可以对这6个发射端进行识别。因此，nRF24L01点对点无线收发模块最多支持1点对6点的通信，主节点通过轮询的方式依次向从节点发送数据请求，从节点收到数据请求消息后，将采集到的传感数据发送给主节点，实现一定范围内传感数据的采集和汇总。

如图4所示，Zigbee树形网络子***的终端节点13的节点控制器与星形网络子***的主节点21的节点控制器之间通过串口直连，完成星形网络子***和Zigbee树形网络子***之间的信息交互。星形网络子***的主节点21通过轮询方式向每个传感器节点22请求采集数据，传感器节点22将采集到的数据发送至对应的主节点21，主节点21将所有6个传感器节点22的数据汇总，并通过串口发送至Zigbee树形网络子***的终端节点13，Zigbee树形网络子***的终端节点13收到星形网络子***发来的数据后，经由路由器12，将数据发送至远端的协调器11，最终实现传感数据的远程获取。

Zigbee树形网络子***的终端节点处通过星形网络子***进行扩展，有效的提高了整个无线网络的覆盖范围，而且，由于Zigbee树形网络子***的终端节点可以同时获取星形网络子***的主节点发来的6个传感节点的数据，相比每个终端节点仅与1个传感节点相连的传统Zigbee树形传感器网络，数据获取的效率明显提升；同时，鉴于点对点无线收发器的价格要比Zigbee节点低得多，而且点对点无线收发器的软件开发相比Zigbee协议栈的开发和维护要简单得多，因此无论在价格上还是开发时间上，本实施例相比传统Zigbee无线网络具有明显的优势，应用范围更加广泛。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络***，其特征在于：包括一个Zigbee树形网络子***和若干星形网络子***，所述Zigbee树形网络***包括一个协调器、若干个路由器以及若干个终端节点，所述星形网络子***包括一个主节点和若干传感器节点，所述星形网络子***的主节点与所述Zigbee树形网络子***的终端节点通信连接；

所述传感器节点与主节点通过无线链路通信连接，传感器节点用于收集传感数据并发送至主节点，所述路由器与各终端节点通过无线链路连接，所述协调器与各路由器通过无线链路连接。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络***，其特征在于：所述Zigbee树形网络子***的各节点均由节点控制器、射频前端模块和射频功放模块组成，所述Zigbee树形网络子***的各节点是指协调器、路由器和终端节点。

3.如权利要求2所述的无线传感器网络***，其特征在于：所述节点控制器为LPC2136节点控制器；所述射频前端模块为CC2520射频前端模块；所述射频功放模块为CC2591射频功放模块。

4.如权利要求1所述的无线传感器网络***，其特征在于：所述星形网络子***的各节点均由节点控制器和点对点无线收发模块组成，所述星形网络子***的各节点是指主节点和传感器节点。

5.如权利要求4所述的无线传感器网络***，其特征在于：所述节点控制器为STM32F103节点控制器；所述点对点无线收发模块为nRF24L01点对点无线收发模块。

6.如权利要求1所述的无线传感器网络***，其特征在于：所述星形网络子***的主节点与树形网络子***的终端节点直接通过串口直连，星形网络子***的主节点将从传感器节点收集到的传感数据汇总，经过串口将信息直接转发至树形网络子***的终端节点。

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