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设计开发

TinyWSN的操作原语定义

tinywsn是低功耗无线传感器网络, 它是一个同步网络,有效降低功耗,避免了无线冲突,
各个节点以微安级功耗有序地工作,其中,路由节点构成网络基础结构,提供接入和路由
服务,终端节点可以随机接入,类似IP网络结构,可以方便组成星型,树型和链型网络。

  1. 节点接入鉴权和加密
  2. 无线信道和时隙管理
  3. 自动组网和消息路由
  4. 功率控制和无线唤醒
  5. 节点和网关还支持二次开发

可以通过配置软件Tinycfg,完成下列基本功能配置就可以工作了。

  1. 节点角色,
    终端节点或路由节点, 并且确定以及他们在网络中层次,节点
    根据配置,自动组网,
  2. 工作模式
    终端节点可以工作在同步模式下,按分配的带宽进行收发,也
    可以工作在异步模式下,它处于睡眠状态,当受到外部触发转
    为同步模式,触发可以是数据输入,或者无线唤醒。
  3. 无线参数
    给定一组信道资源,节点会动态扫描信道,选择质量好的信道。

对于应用层则提供的类似IP的抽象网络模型,只需使用地址进行寻址,
通过以下四个操作原语,就可以有效进行数据发送和网络管理。

  1. ping
    测试节点是否在线,返回内容包含网络拓扑信息
  2. send
    发送数据
  3. recv
    收到的数据,通过异步消息方式传递给应用层
  4. wkup
    唤醒睡眠节点,进入在线模式
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静坐闲谈

TinyWSN演义-地主和长工

诗曰:
春种一粒粟,秋收万颗子。
四海无闲田,农夫犹饿死。

话说崇祯年间,天下大旱,民不聊生。 青山脚下有一个W姓大地主,家财万贯,可是一毛不拔,他早年读过几本书,参加过乡试,但还是个老童生, 讲究诗书礼仪,他有个毛病,不喜欢讲话被打断,希望一切都有序地进行。他还养了个狗腿子叫小R,专门负责监督长工,通风报信。老W雇了许多长工给他干活, 其中有两兄弟负责放牛,哥哥叫大S,弟弟叫小A,正是长身体的时候,常常抱怨肚子饿, 老W就和他们说:

“地主家也没有余粮啊,日子也不好过,我要告诉你一个方法,可以饿得慢一点,你们放牛的时候,把缰绳拴在的脚脖子上,找一片树荫下睡觉,牛如果要跑,就会把你们扯醒,这样你们就可以一边放牛,一边睡觉,还不容易饿,粮食就可以吃地少,这个方法真是太完美了,你们只要好好干!老爷年底再給你们娶一房姨太太”,兄弟俩都拍手叫好,觉得这个方法不错。

大S为人憨厚勤奋,他和老W约定每半个时辰就醒来对话一次,这样老W就可以随时掌握情况,或者下达命令。

08:30 老W,大S: 牛怎么样了?
08:30 大S,老W: 牛正在吃草呢!

09:00 老W,大S: 牛怎么样了?
09:00 大S,老W: 牛吃地正欢呢!
...
16:00 老W,大S: 牛怎么样了?
16:00 大S,老W: 不好了,牛撑死了!
16:00 老W,大S: 你这个狗日的!

小A机灵一点,他和老W约定没事就不上报了,你想了解什么情况,或者有什么吩咐,就直接叫醒我就可以了。

11:09 老W,小R: 快去叫醒小A
11:09 小A,老W: 老爷,有什么吩咐?
11:09 老W,小A: 牛怎么样了?
11:09 小A,老W: 牛正在吃草呢!
...
15:11 老W,小R: 快去叫醒小A
15:11 小A,老W: 老爷,有什么吩咐?
15:11 老W,小A: 牛怎么样了?
15:11 小A,老W: 咦,牛呢?
15:11 老W,小A: 你这个狗日的!

如果有什么突发情况,大S和小A都可以直接上报, 但是他们不会打断老W的说话,因为会这违反他的家规。

17:19 大S,老W,: 老爷,老爷,不好了!
17:19 老W,大S,: 慌慌张张,成何体统!
17:19 大S,老W: 刚刚闪电把牛劈死了!
17:19 老W,大S: 你这个狗日的!

17:20 小A,老W,: 老爷,老爷,不好了!
17:20 老W,小A: 是不是闪电把牛劈死了?
17:20 小A,老W: 啊,你已经知道了!
17:20 老W,小A: 你这个狗日的!

老W通过这个的方法,节约了大量的粮食,牛也喂喂壮壮的,自己又娶了几房姨太太,家族人丁兴旺。

附录:

格式 - 时间 发送,接受: 内容
老W - 无线传感器网络(WSN) 服务器
小R - 路由单元(RTU) 
大S - 同步节点(Sync node)
小A - 异步节点(Async node)
缰绳 - 传感器
粮食 - 电池电量
格式 - 时间 发送,接受: 内容

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设计开发

测量SMA+天线的驻波比

在网关和节点开发板加了一段SMA转接头,包括一小段射频线和IPEX接头,为了评估对射频性能的影响,可以使用网络分析仪测量天线通路的驻波比(SWR),通过测量可以看到SMA转接头对射频性能没有影响:

有一个现象,SMA外壳需要接地,如果悬空,会有100MHZ的频偏???

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设计开发

用PCB打样网关外壳面板

由于现在嘉立创的PCB打样的价格非常便宜,特别每月还可以免费打样两次的双面板,尝试打了N0303网关前后面板,主要测试一下开孔的定位,效果还不错

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设计开发

节点模块的工作状态介绍

节点模块有三个工作状态: 扫描, 监听和连接,如下图所示:

当终端节点模块上电后,它首先扫描无线信道,尝试寻找路由节点,如果接入成功后,就进入连接模式(同步模式),如果多次尝试失败后,进入监听模式(low duty rx),其中,连接和监听均是低功耗的状态。

在监听状态中,它周期打开一小段时间接受窗口,可以有效降低系统功耗,如下图所示

在接受窗口期间,如果接受无线唤醒帧,就重新进入扫描状态。路由节点设计了独特的唤醒算法,能够高效的唤醒节点。

连接状态是工作在同步模式中,节点可以精确地在自己的收发窗口中醒来进行数据传输,在其他空闲时间进行睡眠,以降低系统的功耗。

通过以上设计,使得节点模式无论是接连还是断开状态,均能够保持低功耗状态。

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设计开发

大电流DC-DC芯片评估

由于网关模块有4G模块,瞬间电流可以达到3.0A~3.5A,初期选用TI高性能TPS系列以及性价比TLV系列降压DC-DC,评估下来性能都不错,但是目前这些芯片非常难买到,而且价格飞涨,所以又尝试评估一些国产的电源芯片,性能基本能够满足要求。评估板可以评估以下三种类型的电源芯片。

编号适用范围
第一路SGM61230,TPS54302
第二路RT7257BH,AME5268,BL9384B,MP2307DN,TD1484A,等管脚兼容芯片
第三路TPS54232,TPS54332

评估板的详情参见
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/tools/

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传感器的扩展板介绍

作为节点开发板D0103的扩展板,对外提供GPIO,USART,SPI,I2C,ADC,TIM等接口,可以安装各类传感器,对整个TinyWSN网络进行功能评估和应用。

产品的介绍详见
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/ecosys/

产品的文档说明
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/docs/manual/ecosys/ecosys-e0003/

扩展板的原理图
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/download/

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设计开发

节点模块的开发板介绍

D0103是节点模块的开发板,主要用于节点模块的功能评估,功耗测量,也可以通过扩展板的形式安装各类传感器,进行功能评估或应用。


产品的介绍详见
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/tools/

产品的文档说明
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/docs/manual/tools/tools-d0103/

开发板的原理图
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/download/

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设计开发

网关模块的新成员加入

网关模块系列新成员G0303加入,主控芯片是厦门星宸科技的准工业级SigmaStar SSD202 SoC(ARM Cortex A7 内核)的超小型 SOM(System On Module)模块,是一款性价比比较高的主控芯片。

产品的介绍详见
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/gateway/

产品的文档说明
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/docs/manual/gateway/gateway-g0303/

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设计开发

节点模块支持人机交互

在一些应用场合可能需要简单的人机交互功能,为此增加了对u8g2嵌入式图形库的支持,u8g2支持几十种显示驱动芯片,丰富的字体可供选择,而且还可以支持中文显示,可以实现 比较复杂的图形动态显示。它包括两种使用模式

模式缓冲说明
u8x8所以得操作直接写入,导致刷新有抖动,支持8×8字符,但是节省内存
u8g21 page
2 page
full page
有显示缓冲,刷新效率高,支持中文和图形,但是要额外内存

具体实现可以参考下面的例程,支持I2C总线和SPI总线控制器

例8-u8x8嵌入式图形库显示测量值
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/docs/manual/node/node-wbed/node-wbed-ex8/

例9-u8g2嵌入式图形库显示测量值
http://www.tinywsn.net/wordpress/index.php/docs/manual/node/node-wbed/node-wbed-ex9/