可充电无线传感器网络感知节点设计(附件)
采用了低功耗短距离无线通信技术，实现了可充电无线传感器网络感知节点的功能需求。设计了面向环保的低功耗可充电无线传感器网络感知节点，完成了ZigBee硬件电路的设计与焊接，初步制作了硬件样机。该系统可以实时监测温湿度、PM2.5等环境因子，并将数据通过串口发送至PC端串口助手，用户能够通过上位机软件查看节点状况。其中，终端节点使用小型锂电池单独供电，不需要额外的电源线和插座。在节点不更换电池的情况下，无线充电模块通过电磁感应的方式对锂电池进行电量补给，以延长节点和网络寿命。经过多次试验证明，系统短距通信基本正常、接收无线充电效率约65%，能够实现数据监测和无线充电，基本实现了可充电无线传感器网络感知节点的设计目标。关键词 短距离无线通信，环境监测，无线充电，电磁感应
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 课题研究目的 5
1.4 课题主要研究内容 5
2 可充电无线传感器网络感知节点设计 5
2.1 需求分析 5
2.2 方案设计 6
3 可充电无线传感器网络感知节点硬件设计 9
3.1 可充电无线传感器网络感知节点总体设计 9
3.2 ZigBee传输终端 9
3.3 ZigBee监控终端硬件设计 11
3.4 接收无线充电模块 17
4 程序设计 20
4.1 ZigBee监控终端嵌入式程序设计 20
4.2 ZigBee协调器嵌入式程序设计 23
4.3 软件程序设计 23
5 系统测试 24
5.1 节点制作与测试 24
5.2 软件测试 26
5.3 无线充电接收模块硬件测试 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录 33
引言
研究背景与意义
通信技术和传感器技术与时俱进，可靠性高、体积小、精度高的传感器应运而生[1]。价格低、性能稳定、功耗低的面向环保监测的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
无线传感器网络感知节点的设计具有重要的意义和使用推广的价值。但是，基于无线的传感网络与其它传感网络相比最大的弱势在于整个的传感器网络易受到单个节点的临界功率的制约而导致整个网络崩溃。通常，单个传感器节点的寿命受供电电池容量和尺寸影响最大[2]，供电电池的储能比较少，传感器节点在工作后，容易因供电电池电量不足而导致节点通信故障。在复杂环境下，对于已经部署的传感器节点，进行电池的维护和更换会比较困难，而通过无线充电技术可以有效解决在不更换电池的情况下进行电池电量补给。
针对这些需求，可充电无线传感器网络感知节点的研究是十分必要的。可充电无线传感器网络感知节点是在保证节点低功耗的状态下对节点进行能量补充，并进行电量采集，且预算电池剩余寿命，以满足复杂环境的节点生存周期。可充电无线传感器感知节点的充电器采用分离式充电器，接收无线充电器充电。因此，节点具有不间断工作、无线充电的优点，解决了传感器节点生存期短的问题。
国内外研究与发展现状
近些年，可充电无线传感器网络感知节点的设计在国内外都有所突破，多用于仓库的监控。系统的设计主要涉及到无线通信技术、无线充电技术、节点寿命预算方法、传感器数据采集等问题的研究。
1）无线通信技术
无线通信技术能解决多个子节点间进行数据传输的问题[3]。目前，无线通信技术被广泛地应用于动物、人等运动物体或者医疗卫生、冷链物流等不适宜布线的环境下。其中，蓝牙技术、ZigBee技术等无线通信技术能够解决不宜布线的问题。
蓝牙技术是具有鲁棒性、低复杂度、低功耗等特点的较成熟的无线通信技术[45]。近年来，SIG (蓝牙特别兴趣集团)不断升级、优化该技术的性能[6]，蓝牙技术也逐渐进入了人们生活。在2016年，H.Matsuoka等人[7]采用了蓝牙技术进行家电控制。
WiFi具有数据传输效率高、通信距离适中的特点[8]，目前，大多数室内都装有无线WiFi。在2015年，Hangki Joh等人[9]提出了一种蓝牙低功耗的混合WiFi，该技术结合了WiFi传输快和蓝牙低功耗的特点。WiFi结合P2P的技术尚有缺陷，并存在通信不稳定和覆盖成本高的问题。
2001年，ZigBee技术兴起[10]，越来越多的企业使用和推广ZigBee技术。2004年，ZigBee联盟正式发布ZigBee技术规范ZigBee1.0 [10]。随后该技术获得了大公司的支持和市场青睐，德州仪器、飞思卡尔等大型芯片制造提供商推出了各自的ZigBee芯片和优化的ZigBee协议栈。目前，ZigBee技术通常被应用于物联网家居[11]、智慧城市、国防安全等领域。在2016年，SHI Zuochen等人[12]研究了低功耗状态下ZigBee发射机的通信效率，研究证明在百米的传输距离的情况下，ZigBee通信成功率大约在90%左右[13]。各项无线通信技术指标在性能上各有优缺点，如表11所示。
表11 无线通信技术比较
方式
Bluetooth
WiFi
ZigBee
频段
2.4GHz
2.4GHz，5GHz
2.4GHz
通信距离
120m
2050m
20200m
传输速率
<1Mbps
1154Mbps
10Kbps
网络大小
7
32
255/65000
功耗
20mA
1050mA
5mA
典型领域
无线耳机、鼠标
家用电子设备
无线传感网
在上述通信方法中，蓝牙具有功耗低的优势，并能够解决节点的通信问题。但是，蓝牙技术缺陷明显，通信距离短，通信稳定性低。WiFi传输数据量大、效率高，但是目标通信系统需要多个传感器感知节点，WiFi在不同位置的信号强弱差距较大且能量损失较大。ZigBee可进行多个节点通信，且符合低功耗节点的要求，但是其数据传输效率低，在少量组网使用时成本较高。综上所述，ZigBee更适合本系统的开发和操作。
无线充电技术
与有线网络直连插座供电不同，无线传感器网络中的终端节点大多是由小型锂电池或干电池提供能量供给。但是，在无人值守的环境或者不方便更换电池的情况下，节点及网络的瘫痪大多因电池电量的消耗殆尽造成[14]。因此，单个传感器节点的生存期长短成为整个无线传感器网络的生存期首要问题。无线充电技术是解决传感器节点在非人工更换电池的情况下对节点电池进行能量补给的问题，并延长整个网络的寿命。
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 课题研究目的 5
1.4 课题主要研究内容 5
2 可充电无线传感器网络感知节点设计 5
2.1 需求分析 5
2.2 方案设计 6
3 可充电无线传感器网络感知节点硬件设计 9
3.1 可充电无线传感器网络感知节点总体设计 9
3.2 ZigBee传输终端 9
3.3 ZigBee监控终端硬件设计 11
3.4 接收无线充电模块 17
4 程序设计 20
4.1 ZigBee监控终端嵌入式程序设计 20
4.2 ZigBee协调器嵌入式程序设计 23
4.3 软件程序设计 23
5 系统测试 24
5.1 节点制作与测试 24
5.2 软件测试 26
5.3 无线充电接收模块硬件测试 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录 33
引言
研究背景与意义
通信技术和传感器技术与时俱进，可靠性高、体积小、精度高的传感器应运而生[1]。价格低、性能稳定、功耗低的面向环保监测的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
无线传感器网络感知节点的设计具有重要的意义和使用推广的价值。但是，基于无线的传感网络与其它传感网络相比最大的弱势在于整个的传感器网络易受到单个节点的临界功率的制约而导致整个网络崩溃。通常，单个传感器节点的寿命受供电电池容量和尺寸影响最大[2]，供电电池的储能比较少，传感器节点在工作后，容易因供电电池电量不足而导致节点通信故障。在复杂环境下，对于已经部署的传感器节点，进行电池的维护和更换会比较困难，而通过无线充电技术可以有效解决在不更换电池的情况下进行电池电量补给。
针对这些需求，可充电无线传感器网络感知节点的研究是十分必要的。可充电无线传感器网络感知节点是在保证节点低功耗的状态下对节点进行能量补充，并进行电量采集，且预算电池剩余寿命，以满足复杂环境的节点生存周期。可充电无线传感器感知节点的充电器采用分离式充电器，接收无线充电器充电。因此，节点具有不间断工作、无线充电的优点，解决了传感器节点生存期短的问题。
国内外研究与发展现状
近些年，可充电无线传感器网络感知节点的设计在国内外都有所突破，多用于仓库的监控。系统的设计主要涉及到无线通信技术、无线充电技术、节点寿命预算方法、传感器数据采集等问题的研究。
1）无线通信技术
无线通信技术能解决多个子节点间进行数据传输的问题[3]。目前，无线通信技术被广泛地应用于动物、人等运动物体或者医疗卫生、冷链物流等不适宜布线的环境下。其中，蓝牙技术、ZigBee技术等无线通信技术能够解决不宜布线的问题。
蓝牙技术是具有鲁棒性、低复杂度、低功耗等特点的较成熟的无线通信技术[45]。近年来，SIG (蓝牙特别兴趣集团)不断升级、优化该技术的性能[6]，蓝牙技术也逐渐进入了人们生活。在2016年，H.Matsuoka等人[7]采用了蓝牙技术进行家电控制。
WiFi具有数据传输效率高、通信距离适中的特点[8]，目前，大多数室内都装有无线WiFi。在2015年，Hangki Joh等人[9]提出了一种蓝牙低功耗的混合WiFi，该技术结合了WiFi传输快和蓝牙低功耗的特点。WiFi结合P2P的技术尚有缺陷，并存在通信不稳定和覆盖成本高的问题。
2001年，ZigBee技术兴起[10]，越来越多的企业使用和推广ZigBee技术。2004年，ZigBee联盟正式发布ZigBee技术规范ZigBee1.0 [10]。随后该技术获得了大公司的支持和市场青睐，德州仪器、飞思卡尔等大型芯片制造提供商推出了各自的ZigBee芯片和优化的ZigBee协议栈。目前，ZigBee技术通常被应用于物联网家居[11]、智慧城市、国防安全等领域。在2016年，SHI Zuochen等人[12]研究了低功耗状态下ZigBee发射机的通信效率，研究证明在百米的传输距离的情况下，ZigBee通信成功率大约在90%左右[13]。各项无线通信技术指标在性能上各有优缺点，如表11所示。
表11 无线通信技术比较
方式
Bluetooth
WiFi
ZigBee
频段
2.4GHz
2.4GHz，5GHz
2.4GHz
通信距离
120m
2050m
20200m
传输速率
<1Mbps
1154Mbps
10Kbps
网络大小
7
32
255/65000
功耗
20mA
1050mA
5mA
典型领域
无线耳机、鼠标
家用电子设备
无线传感网
在上述通信方法中，蓝牙具有功耗低的优势，并能够解决节点的通信问题。但是，蓝牙技术缺陷明显，通信距离短，通信稳定性低。WiFi传输数据量大、效率高，但是目标通信系统需要多个传感器感知节点，WiFi在不同位置的信号强弱差距较大且能量损失较大。ZigBee可进行多个节点通信，且符合低功耗节点的要求，但是其数据传输效率低，在少量组网使用时成本较高。综上所述，ZigBee更适合本系统的开发和操作。
无线充电技术
与有线网络直连插座供电不同，无线传感器网络中的终端节点大多是由小型锂电池或干电池提供能量供给。但是，在无人值守的环境或者不方便更换电池的情况下，节点及网络的瘫痪大多因电池电量的消耗殆尽造成[14]。因此，单个传感器节点的生存期长短成为整个无线传感器网络的生存期首要问题。无线充电技术是解决传感器节点在非人工更换电池的情况下对节点电池进行能量补给的问题，并延长整个网络的寿命。
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