專利名稱：用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于動物養(yǎng)殖和植物栽培的溫室大棚、核化污染區(qū)、氣象、工業(yè)現(xiàn)場等環(huán)境監(jiān)測，涉及用于環(huán)境溫度、濕度和大氣壓監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀薄弱，其手段主要有兩種一種是靠人員到達現(xiàn)場進行監(jiān)測，即依靠監(jiān)測人員的經(jīng)驗進行人工觀測或采用溫濕度計等監(jiān)測儀器進行人工現(xiàn)場測量，這是一種比較原始的監(jiān)測方法，嚴(yán)重浪費人力資源、缺乏實時性和應(yīng)有的科學(xué)性，不適合于實時性要求高的場合，也不適合于要求長期或頻繁監(jiān)測的場合；第二種是采用的有線方法監(jiān)測，存在電纜復(fù)用率低、系統(tǒng)投資高、性價比低、使用和維護不便、擴展性差、可靠性低，特別是不適用監(jiān)測區(qū)域分散性大的場合等諸多不足[王成，喬曉軍，焦春巖.分布式溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng).自動化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24(1)54～56]。因此，迫切需要一種高效的獲取、處理、利用信息的技術(shù)，并實現(xiàn)智能化的環(huán)境監(jiān)測[中國農(nóng)業(yè)科學(xué)機械化研究院.國內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展趨勢農(nóng)業(yè)科技推廣，2004(12)6-8]。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價小型或微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地獲取和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在長期無人值守的狀態(tài)下工作，在環(huán)境監(jiān)測、森林防火、生物棲息地監(jiān)控、智能農(nóng)業(yè)、智能建筑、軍事目標(biāo)保衛(wèi)、防范恐怖襲擊、個人健康監(jiān)測和智能家居等領(lǐng)域具有極其廣泛地應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作方式是，利用節(jié)點采集數(shù)據(jù)，并且利用其無線收發(fā)裝置以多跳的方式無線地收發(fā)信息、數(shù)據(jù)傳輸，并在其節(jié)點上進行信號處理，最后將信息傳輸?shù)交净蚪K端進行再次處理，并輸出觀測者所需要的結(jié)果。由于節(jié)點是獨立的單元，對于其應(yīng)用的適用性、結(jié)構(gòu)的合理性、能耗、可靠性、生命期等都有特別的要求。過去的技術(shù)雖然解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分問題，但在該環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用方面仍有很多方法和技術(shù)上的問題需要解決。如節(jié)點供電采用兩節(jié)干電池供電，這樣即使節(jié)點本身耗電極低，但由于在較潮濕的環(huán)境中使用而未采用一定保護措施，或電池本身的質(zhì)量問題等造成電池的自身放電，節(jié)點也將由于能量耗盡而很快失效；器件選擇不合適使之不能完全適應(yīng)監(jiān)測環(huán)境；采用過多的接插件把各部分插接在一起導(dǎo)致結(jié)構(gòu)極不牢固；潮濕環(huán)境，特別是降水很容易造成傳感器節(jié)點線路短路。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，以提高應(yīng)用適用性、結(jié)構(gòu)合理性、能量效率、增強節(jié)點生存能力、增長節(jié)點生命期和抗干擾等性能。
技術(shù)方案本發(fā)明的用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置通過以下方案實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主板加無線收發(fā)模塊(節(jié)點主體)的思想?？紤]到個別節(jié)點方便地與終端通信或節(jié)點部署前終端給節(jié)點燒寫程序的需要，制作了僅在需求時才與節(jié)點主體聯(lián)接使用的與終端通信模塊。在這里，我們定義無線收發(fā)模塊及與終端通信模塊為功能模塊。
該裝置中，主板上的處理器單元分別接存儲器單元、傳感器單元、電源單元、無線收發(fā)模塊接口、與終端通信模塊接口；功能模塊中的無線收發(fā)模塊、與終端通信模塊分別通過無線收發(fā)模塊接口、與終端通信模塊接口與主板的處理器單元相連。在主板中，處理器單元中的單片微處理器芯片“U1”的“47”引腳與隨機數(shù)產(chǎn)生芯片“U4”的“2”引腳相連，JTAG調(diào)試端口的數(shù)據(jù)線經(jīng)過電阻“R22～25”上拉后與單片微處理器芯片“U1”的“54～57”引腳相連；與終端通信模塊接口與單片微處理器芯片“U1”的“2、3”引腳相連；狀態(tài)指示LED1-3與單片微處理器芯片“U1”的“49、50、51”引腳相連；存儲器單元中的存儲器芯片“U3”的“8、1、2”腳與單片微處理器芯片“U1”的“27、28、30”引腳相連；傳感器單元包括多路模擬開關(guān)“U6”、溫濕度傳感器“U7”、大氣壓傳感器“U8”，傳感器單元中的多路模擬開關(guān)“U6”通過I2C總線與單片微處理器芯片“U1”的“25、26”引腳相連，溫濕度傳感器“U7”、大氣壓傳感器“U8”通過多路模擬開關(guān)“U6”與單片微處理器芯片“U1”的“9、38、27、28、30”引腳相連。電源單元中的電壓檢測芯片“U5”與單片微處理器芯片“U1”的“46、54”引腳相連，模擬開關(guān)“V3”分別與單片微處理器芯片“U1”中的“42”引腳及場效應(yīng)管“V2”相連，壓敏電阻“RT1”與太陽能電池板正負極相連，場效應(yīng)管“V2”控制太陽能電池板的充電，太陽能電池板通過二極管“V1”與充電電池相連。與終端通信模塊是一個單獨模塊，該模塊主要包括“RS232”電平轉(zhuǎn)換單元和電壓轉(zhuǎn)換單元，與終端通信模塊接口與“RS232”電平轉(zhuǎn)換芯片“U9”的“13、15”引腳相連，“RS232”電平轉(zhuǎn)換芯片“U9”的“16、17”引腳與“RS232”接口“J7”相連，直流電壓輸入接口與電壓轉(zhuǎn)換芯片“U10”的“1”引腳相連，電壓轉(zhuǎn)換芯片“U10”的“3”引腳通過電源開關(guān)“S1”與電源接口“J1”相連。
有益效果1)本發(fā)明在設(shè)計中由于采用了實用性設(shè)計，在盡量減小節(jié)點體積的同時，盡量把元器件做在一塊板上，不在同一塊板上的無線收發(fā)模塊5的無線收發(fā)模塊接口J4和無線收發(fā)模塊電源接口J5也注意到牢固性，部署前焊牢，并且用樹脂材料包裹主板和無線收發(fā)模塊，使得本發(fā)明結(jié)構(gòu)更為合理。
2)本發(fā)明由于采用了超低功耗設(shè)計，其中包括單片微處理器芯片U1支持多種睡眠模式，可以在各種模式下切換，是節(jié)點達到最低功耗的基礎(chǔ)；作為耗電最多的無線收發(fā)，選用支持低電平模式的無線收發(fā)芯片U2；溫濕度傳感器U7、大氣壓傳感器U8都選用了低電壓、低功耗、小體積、工作溫度范圍寬的傳感器，并且其電源線、數(shù)據(jù)線、時鐘線都是通過多路模擬開關(guān)U6與電源和處理器單元1相連，不采集數(shù)據(jù)時關(guān)閉相應(yīng)的模擬開關(guān)，傳感器完全斷電，從而達到極低功耗。
3)本發(fā)明由于采用了太陽能電池板給充電電池充電，從而極大地增長了節(jié)點的生命期。
4)本發(fā)明十分注意節(jié)點的工作溫度范圍，主板與無線收發(fā)模塊上的各芯片均選用工作溫度范圍大的元器件，使得節(jié)點可在-40℃到+85℃(哈爾濱極端最低氣溫為-30.5℃，重慶極端最高氣溫為+44℃)正常工作，這樣可使本發(fā)明適合于絕大多數(shù)地區(qū)。
5)本發(fā)明由于采用了技術(shù)方案所述的密封處理，使得本發(fā)明可以在潮濕環(huán)境中正常工作，而不會發(fā)生線路短路或電池漏電故障。
6)本發(fā)明由于具有上面1)、4)、5)中所述的特點，能夠抵抗一般強度的高濕、日曬、風(fēng)沙、撞擊等，極大地增強了節(jié)點在惡劣環(huán)境下的生存能力。
7)本發(fā)明把無線收發(fā)模塊5單獨作為一個部分而不把它與主板做到一起，從而減少了主板對無線收發(fā)模塊的干擾，提高無線收發(fā)模塊的性能。
8)本發(fā)明把與終端通信的部分單獨做成一個模塊，這個模塊并不在觀測現(xiàn)場工作，只是用這個模塊使個別節(jié)點與終端進行有效地通信或節(jié)點部署前終端給節(jié)點燒寫程序。


圖1是本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總體框圖。
圖2是本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主板原理圖。
圖3是本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無線收發(fā)模塊原理圖。
圖4是本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與終端通信模塊原理圖。
具體實施例方式
上述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)主板主要包括處理器單元1、存儲器單元2、傳感器單元3和電源單元4。處理器單元1又包括單片微處理器芯片U1、隨機數(shù)產(chǎn)生芯片U4、JTAG調(diào)試端口J3和狀態(tài)指示LED等。隨機數(shù)產(chǎn)生芯片U4與處理器芯片U1相連；JTAG調(diào)試端口J3數(shù)據(jù)線經(jīng)過電阻上拉后與單片微處理器芯片U1相連，JTAG調(diào)試端口J3電源線與電源單元4相連；與終端通信模塊接口J2與單片微處理器芯片U1相連；狀態(tài)指示LED與單片微處理器芯片U1相連。存儲器芯片U3與單片微處理器芯片U1相連。傳感器單元3包括多路模擬開關(guān)U6、溫濕度傳感器U7和大氣壓傳感器U8等。傳感器單元3中的多路模擬開關(guān)U6通過I2C總線與單片微處理器芯片U1相連，溫濕度傳感器U7、大氣壓傳感器U8通過多路模擬開關(guān)U6與單片微處理器芯片U1相連。電源單元4包括電源電壓檢測芯片U5、電源指示LED、太陽能電池板充電控制電路RT1、V1、V2、V3、電源接口J1和電源濾波電路。電壓檢測芯片U5與單片微處理器芯片U1相連，壓敏電阻RT1與太陽能電池板正負極相連，模擬開關(guān)V3與單片微處理器芯片U1和場效應(yīng)管V2相連，場效應(yīng)管V2控制太陽能電池板的充電，二極管V1與太陽能電池板正極及充電電池正極相連。主板對角放置螺釘孔。JTAG調(diào)試端口J3、電源指示LED及狀態(tài)指示LED僅供調(diào)試用，實際部署節(jié)點前要禁用或移除。
上述的無線收發(fā)模塊5包括無線收發(fā)芯片U2、螺旋天線A1、無線收發(fā)模塊接口J4和無線收發(fā)模塊電源接口J5。螺旋天線A1通過輸入/輸出匹配電路與無線收發(fā)芯片U2相連，無線收發(fā)芯片U2通過無線收發(fā)模塊接口J4與單片微處理器芯片U1相連，并且通過無線收發(fā)模塊電源接口J5與電源單元4相連。調(diào)試成功后，無線收發(fā)模塊接口J4和無線收發(fā)模塊電源接口J5焊死。
上述的與終端通信模塊6包括“RS232”串口電平轉(zhuǎn)換芯片U9、5V直流轉(zhuǎn)換3V直流芯片U10、5V直流電源輸入接口J6、“RS232”接口J7和與終端通信模塊接口J2?！癛S232”串口電平轉(zhuǎn)換芯片U9通過與終端通信模塊接口J2與單片微處理器芯片U1相連，并且通過“RS232”接口J7與終端相連；5V直流轉(zhuǎn)換3V直流芯片U10輸入端與5V直流電源輸入接口J6相連，5V直流轉(zhuǎn)換3V直流芯片U10輸出端通過電源接口J1與上述電源單元4相連。
節(jié)點還包括節(jié)點外殼和電池盒。節(jié)點實際部署前，要做以下工作電池盒與節(jié)點外殼用強力膠粘貼在一起，主板與外殼用兩個螺釘對角固定在一起，主板、無線收發(fā)模塊用絕緣并有一定彈性的樹脂材料密封(留天線在外面；留傳感器窗口)，無線收發(fā)模塊的天線沿主板一側(cè)折疊放置在節(jié)點盒內(nèi)，電池盒采用絕緣材料密封，接線點同樣用絕緣材料密封。
實施例一上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主板是按圖1、圖2的結(jié)構(gòu)實施的。主板主要包括了處理器單元1、存儲器單元2、傳感器單元3和電源單元4。單片微處理器芯片U1選用AT公司的高檔八位單片機ATmega128L。它具有以下特點最高8MHz工作頻率，大多數(shù)指令在一個周期內(nèi)完成，運算速率高；片內(nèi)128kFlash、4kSRAM和4kEEPROM；支持省電模式、掉電模式等多種睡眠模式；具有多種總線和充足的輸入輸出接口；具有A/D、D/A接口；低電壓；體積小。隨機數(shù)產(chǎn)生芯片U4采用達拉斯公司生產(chǎn)的DS2401，并且與單片微處理器芯片U1相連。產(chǎn)生隨機數(shù)作為每個節(jié)點相區(qū)別的標(biāo)識。溫濕度傳感器U7選用SHT11，大氣壓傳感器U8選用MS5534BM，多路模擬開關(guān)U6選用ADG715。溫濕度傳感器U7、大氣壓傳感器U8通過多路模擬開關(guān)U6與單片微處理器芯片U1相連。多路模擬開關(guān)U6通過TWI(I2C)總線與單片微處理器芯片U1通信。存儲器芯片U3選用AT公司的4MFlashAT45DB041B，并與單片微處理器芯片U1相連。所選芯片的溫度范圍如下單片微處理器芯片U1為-55℃到+125℃；無線收發(fā)芯片U2為-40℃到+85℃；多路模擬開關(guān)U6為-55℃到+125℃；溫濕度傳感器U7為-40℃到+123.8℃；大氣壓傳感器U8為-40℃到+125℃；存儲器芯片U3為-55℃到+125℃；電壓檢測芯片U5為-40℃到+85℃；隨機數(shù)產(chǎn)生芯片U4為-40℃到+85℃。鑒于以上參數(shù)值，使得整體節(jié)點可工作在-40℃到+85℃，可工作于絕大部分地理環(huán)境中。JTAG調(diào)試端口J3并未采用通常的十針的JTAG接口，而是選用50mil的插針做了六針的插口，目的是為盡量減小體積。JTAG調(diào)試端口J3與單片微處理芯片U1相連。電壓檢測芯片U5選用LM4041-1.2，并與單片微處理器芯片U1相連。電源單元4設(shè)計采用太陽能電池板和充電電池供電。太陽能電池板正負極與壓敏電阻RT1相連，模擬開關(guān)V3與單片微處理芯片U1及場效應(yīng)管V2相連，二極管V1與太陽能電池板正極及充電電池正極相連。
實施例二上述無線收發(fā)模塊5選用了Chipcon公司的CC1000模塊，其特點有低供電電壓2.3V-3.6V，極低功耗，工作頻帶為315、868、915MHz。它通過無線收發(fā)模塊接口J4、無線收發(fā)模塊電源接口J5與主板相連。無線收發(fā)模塊接口J4、無線收發(fā)模塊電源接口J5做成兩部分并分布成對角放置以便牢固地安裝在主板上。無線收發(fā)模塊接口J4為數(shù)據(jù)線接口，無線收發(fā)模塊電源接口J5為電源線和地線接口。天線采用螺旋彈簧天線，短小占用空間少且不易損壞。
實施例三上述與終端通信模塊6主要包括“RS232”電平轉(zhuǎn)換單元和電壓轉(zhuǎn)換單元?！癛S232”電平轉(zhuǎn)換芯片U9選用MAXIM公司的MAX3317E，有以下主要特點2.25V-3.3V供電，±15kV靜電保護，1uA的接收有效的關(guān)閉模式，460kbps數(shù)據(jù)傳輸率。與終端通信模塊接口J2與“RS232”電平轉(zhuǎn)換芯片U9相連，“RS232”電平轉(zhuǎn)換芯片U9與“RS232”接口J7相連。由于這個模塊一般不是在現(xiàn)場工作，而且不必隨節(jié)點設(shè)置(僅在個別節(jié)點與終端進行有效地通信或節(jié)點部署前終端給節(jié)點燒寫程序時聯(lián)接使用)，因此機械強度以及對環(huán)境的適應(yīng)性要求不高。可以選擇用節(jié)點上的充電電池供電，也可以把直流電壓輸入接口J6輸入的直流電通過電壓轉(zhuǎn)換芯片U10轉(zhuǎn)換得到3V直流電，通過電源開關(guān)S1到電源接口J1給節(jié)點供電。
權(quán)利要求
1.一種用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，包括主板和功能模塊，其特征在于該裝置中，主板上的處理器單元(1)分別接存儲器單元(2)、傳感器單元(3)、電源單元(4)、無線收發(fā)模塊接口(J4)、與終端通信模塊接口(J2)、JTAG調(diào)試端口(J3)；功能模塊中的無線收發(fā)模塊(5)、與終端通信模塊(6)分別通過無線收發(fā)模塊接口(J4)、與終端通信模塊接口(J2)與主板的處理器單元(1)相連；其中，與終端通信模塊(6)僅在個別節(jié)點與終端進行有效地通信或節(jié)點部署前終端給節(jié)點燒寫程序時聯(lián)接使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，其特征在于在主板中，處理器單元(1)中的單片微處理器芯片“U1”的“47”引腳與隨機數(shù)產(chǎn)生芯片“U4”的“2”引腳相連；JTAG調(diào)試端口(J3)的數(shù)據(jù)線經(jīng)過電阻“R22～25”上拉后與單片微處理器芯片“U1”的“54～57”引腳相連，與終端通信模塊接口(J2)與單片微處理器芯片“U1”的“2、3”引腳相連；狀態(tài)指示LED1-3與單片微處理器芯片“U1”的“49、50、51”引腳相連；存儲器單元(2)中的存儲器芯片“U3”的“8、1、2”腳與單片微處理器芯片“U1”的“27、28、30”引腳相連；傳感器單元(3)包括多路模擬開關(guān)“U6”、溫濕度傳感器“U7”、大氣壓傳感器“U8”；多路模擬開關(guān)“U6”通過I2C總線與單片微處理器芯片“U1”的“25、26”引腳相連，溫濕度傳感器“U7”、大氣壓傳感器“U8”通過多路模擬開關(guān)“U6”與單片微處理器芯片“U1”的“9、38、27、28、30”引腳相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，其特征在于電源單元(4)中的電壓檢測芯片“U5”與單片微處理器芯片“U1”的“46、54”引腳相連，模擬開關(guān)“V3”分別與單片微處理器芯片“U1”中的“42”引腳及場效應(yīng)管“V2”相連，壓敏電阻“RT1”與太陽能電池板正負極相連，場效應(yīng)管“V2”控制太陽能電池板的充電，太陽能電池板通過二極管“V1”與充電電池相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，其特征在于與終端通信模塊(6)是一個單獨模塊，該模塊主要包括“RS232”電平轉(zhuǎn)換單元和5V直流轉(zhuǎn)換3V直流電壓轉(zhuǎn)換單元；與終端通信模塊接口(J2)與“RS232”電平轉(zhuǎn)換芯片“U9”的“13、15”引腳相連，“RS232”電平轉(zhuǎn)換芯片“U9”的“16、17”引腳與“RS232”接口“J7”相連，直流電壓輸入接口與電壓轉(zhuǎn)換芯片“U10”的“1”引腳相連，電壓轉(zhuǎn)換芯片“U10”的“3”引腳通過電源開關(guān)“S1”與電源接口“J1”相連。
全文摘要
用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置適用于動物養(yǎng)殖和植物栽培的溫室大棚、核化污染區(qū)、氣象、工業(yè)現(xiàn)場等環(huán)境監(jiān)測，涉及用于環(huán)境溫度、濕度和大氣壓監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點工作環(huán)境復(fù)雜，而且是獨立的單元，對于其應(yīng)用的適用性、結(jié)構(gòu)的合理性、能耗、可靠性、生命期等都有特別的要求。本產(chǎn)品的用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，其組成包括主板和功能模塊。其中，主板上的處理器單元(1)分別接存儲器單元(2)、傳感器單元(3)、電源單元(4)，功能模塊中的無線收發(fā)模塊(5)、與終端通信模塊(6)與主板的處理器單元(1)相連。
文檔編號G05B19/418GK101042584SQ200610097418
公開日2007年9月26日 申請日期2006年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者陳俊杰, 徐本崇 申請人:東南大學(xué)