工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控wsn采集器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，包括微處理器單元、無線通信單元、信號(hào)調(diào)理單元和電源管理單元，所述信號(hào)調(diào)理單元與外置傳感器相連，所述傳感器輸出二次儀表電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)所述信號(hào)調(diào)理單元放大后輸出到所述微處理器單元，所述微處理器單元將所述信號(hào)調(diào)理單元輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，并通過所述無線通信單元將處理所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，所述微處理器單元和所述無線通信單元由所述電源管理單元供電。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了工業(yè)裝備和環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域中參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并對(duì)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行無線收發(fā)，使用方式靈活，性能穩(wěn)定可靠。
【專利說明】工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型是一種工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，適用于工業(yè)裝備和環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，對(duì)工業(yè)裝備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集主要是采用人工巡檢方法的或預(yù)先布線的有線采集方式，人工巡檢方法盡管有一定的效果，但缺乏實(shí)時(shí)性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化和低成本，同時(shí)工作量較大且漏報(bào)率較高，采用有線數(shù)據(jù)采集的檢測(cè)系統(tǒng)受地理位置、物理線路和復(fù)雜環(huán)境因素的影響具有很明顯的局限性，存在布線困難、改線工程量大、線路易受損、不可移動(dòng)的問題。近年來廣泛采用的基于ZigBee協(xié)議的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)亦存在系統(tǒng)硬件加工成本高、無線信號(hào)繞射性差、通信距離短等缺陷。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]發(fā)明目的:為了解決現(xiàn)有裝置的不足，本實(shí)用推出一種工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，能夠準(zhǔn)確及時(shí)的采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、收發(fā)，具有成本低、科技含量高、適用領(lǐng)域廣的特點(diǎn)。
[0004]技術(shù)方案:本實(shí)用新型所述的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，包括微處理器單元、無線通信單元、信號(hào)調(diào)理單元和電源管理單元，所述信號(hào)調(diào)理單元與外置傳感器相連；所述信號(hào)調(diào)理單元包括依此相連的采集輸入接口、前置儀表放大器、可編程增益放大器和有源低通濾波器，所述微處理單元包括微處理芯片以及與微處理芯片分別相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換、JTAG接口、SPI 口、輸出口和存儲(chǔ)器；所述信號(hào)調(diào)理單元的采集輸入接口與所述傳感器相連，所述信號(hào)調(diào)理單元的有源低通濾波器與所述微處理器單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換相連，所述微處理器單元的SPI 口與所述無線通信單元的無線收發(fā)芯片相連，所述微處理器單元和所述無線通信單元由所述電源管理單元供電；所述傳感器輸出二次儀表電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)所述信號(hào)調(diào)理單元變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出到所述微處理器單元，所述微處理器單元將所述信號(hào)調(diào)理單元輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，并通過所述無線通信單元將處理所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。
[0005]所述傳感器輸出的電信號(hào)通過所述信號(hào)調(diào)理單元的采集輸入接口、前置儀表放大器進(jìn)行第一級(jí)放大，放大后的信號(hào)輸出到所述可編程增益放大器變換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過所述有源低通濾波器濾除高頻干擾信號(hào)，濾除高頻干擾信號(hào)的電壓信號(hào)輸出到所述微處理器單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)將傳感器輸出的微弱電流信號(hào)(可達(dá)nA級(jí))或微弱電壓信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸入到微處理器單元中進(jìn)行后續(xù)處理。
[0006]電源管理單元對(duì)微處理器單元和無線通信單元供電，有AC220V、干電池和太陽能三種供電方式。對(duì)于太陽能供電方式，所述電源管理單元由鋰電池充電控制單元和電壓等級(jí)變換單元組成；鋰電池充電控制單元包括鋰電池充電管理芯片、晶體管或MOSFET管、充電狀態(tài)指示燈以及外圍電路，鋰電池充電管理芯片通過肖特基勢(shì)壘整流器與太陽能電池板相連，將太陽能電池板輸出的直流電壓通過自適應(yīng)可調(diào)充電電路給鋰電池組充電，并通過監(jiān)測(cè)鋰電池組溫度來對(duì)充電電路進(jìn)行必要的保護(hù)和調(diào)節(jié)；電壓等級(jí)變換單元與鋰電池充電控制單元的輸出端相連并通過升、降壓芯片或穩(wěn)壓管及相應(yīng)外圍電路將鋰電池充電控制單元輸出端電壓進(jìn)行等級(jí)變換后提供相應(yīng)電壓。
[0007]所述微處理器單元采用AVR系列微處理器芯片，通過微處理器芯片上模數(shù)轉(zhuǎn)換口與所述信號(hào)調(diào)理單元相連，將其輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D變換、計(jì)算、解析、校驗(yàn)和存儲(chǔ)。
[0008]所述無線通信單元由無線收發(fā)芯片、晶振及相應(yīng)的外圍電路組成，采用低功耗、超高頻無線收發(fā)通信芯片CC1000或CC1020作為處理芯片，微處理器單元的SPI 口與無線通信單元的數(shù)據(jù)接口相連，通過控制無線通信單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。
[0009]所述微處理芯片由低頻晶振、高頻晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘電源，通過JATG接口與仿真器和PC相連，通過普通I/O 口與所述信號(hào)調(diào)理單元的可編程增益放大器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過SPI 口控制所述無線通信單元的無線收發(fā)芯片。
[0010]傳感器布置于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的移動(dòng)裝備中，工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置采用規(guī)格高、密封性能良好的材料，具有很高的防水、防爆水平，適用于絕大多數(shù)工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。
[0011]上述工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置的運(yùn)行方法，包括如下步驟:
[0012]1、上電初始化，包括微處理器單元和無線通信單元的初始化；
[0013]2、等待系統(tǒng)預(yù)啟動(dòng)分組，執(zhí)行步驟3 ；
[0014]3、微處理器單元收到系統(tǒng)預(yù)啟動(dòng)分組，轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，休眠標(biāo)識(shí)位置0，即節(jié)點(diǎn)裝置不休眠，同時(shí)廣播路由分組，建立動(dòng)態(tài)路由，并等待系統(tǒng)啟動(dòng)分組；
[0015]4、微處理器單元收到系統(tǒng)啟動(dòng)分組，轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，同時(shí)完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，并停止發(fā)送路由分組，休眠標(biāo)識(shí)位置1，即數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后可以休眠；
[0016]5、采集裝置根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)分組確定數(shù)據(jù)采集周期:從系統(tǒng)啟動(dòng)分組中讀取數(shù)據(jù)采集時(shí)間參數(shù)n，周期S = n+(-l)-cX[(id+c) % N] Xm，其中id為節(jié)點(diǎn)號(hào)，c為數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)，m為偏移量因子，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集定時(shí)器；
[0017]6、采集裝置等待數(shù)據(jù)采集設(shè)定時(shí)間，若數(shù)據(jù)采集時(shí)間到，則首先啟動(dòng)信號(hào)調(diào)理單元工作電壓，延遲Tl時(shí)間后啟動(dòng)通用模擬信號(hào)處理接口，同時(shí)延遲T3時(shí)間以響應(yīng)傳感器；
[0018]7、若傳感器響應(yīng)時(shí)間到，則采集傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)，并在微處理器單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)移動(dòng)平均濾波處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后延遲T2時(shí)間后關(guān)斷信號(hào)調(diào)理單元的工作電壓；
[0019]8、參數(shù)數(shù)據(jù)采集完成后，采集裝置啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，選擇最佳路由發(fā)送數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟9 ；
[0020]9、若采集裝置數(shù)據(jù)發(fā)送收到應(yīng)答，則數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)加1，更新路由；若采集裝置數(shù)據(jù)發(fā)送未收到應(yīng)答，并且數(shù)據(jù)重發(fā)超過k次，則發(fā)送失敗，數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)加1，更新路由；
[0021]10、若采集裝置數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)小于q，則啟動(dòng)休眠準(zhǔn)備定時(shí)器，向下執(zhí)行步驟11 ;若傳感主板數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)超過q，則等待系統(tǒng)預(yù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)到步驟3 ；
[0022]11、采集裝置等待休眠準(zhǔn)備設(shè)定時(shí)間，若休眠準(zhǔn)備時(shí)間到則設(shè)置微處理器單元為休眠狀態(tài)，關(guān)閉信號(hào)調(diào)理單元的工作電壓，關(guān)閉無線通信單元，使傳感主板處于低功耗狀態(tài)，轉(zhuǎn)到步驟6。
[0023]本實(shí)用新型的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置的運(yùn)行方法，需要對(duì)傳感器進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定，采用兩點(diǎn)電位法繪制標(biāo)定曲線，具體過程包括下述幾個(gè)步驟:
[0024]1.1初始化變量a、b并賦初值；
[0025]1.2輸入操作命令Operat1n進(jìn)行標(biāo)定。首先，測(cè)得所使用的傳感器在標(biāo)準(zhǔn)參照量T0下的微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為Utl，保存在變量a中；然后，測(cè)得所使用的傳感器在標(biāo)準(zhǔn)參照量T1的微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U1，保存在變量b中。對(duì)于量程為-20°C?120°C的溫度傳感器，Ttl可以取0°C，T1可以取100°C ;對(duì)于量程為0.2atm?1.2atm(atm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)的壓力傳感器，Ttl可以取0.4atm, T1可以取Iatm ；
[0026]1.3由標(biāo)準(zhǔn)參照量Ttl得到微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U。，記標(biāo)定點(diǎn)AO (T。，U0)，由標(biāo)準(zhǔn)參照量T1得到的微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U1，記標(biāo)定點(diǎn)Al (T1, U1)，通過兩點(diǎn)電位法確定標(biāo)定曲線，標(biāo)定完成，執(zhí)行步驟1.4 ；
[0027]1.4判斷標(biāo)定操作是否完成，若a、b都大于零，則表示標(biāo)定的各操作已經(jīng)完成，若標(biāo)定未完成，回到步驟1.2，再次進(jìn)行標(biāo)定操作，直至獲得U0J1的值；
[0028]1.5測(cè)得使用的傳感器在某環(huán)境下微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U，并記錄；
[0029]1.6運(yùn)用公式F = T{) + (U計(jì)算出被測(cè)量的值;
[0030]有益效果:相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)有:
[0031]1、本裝置能實(shí)時(shí)采集、處理工業(yè)裝備所處環(huán)境以及工業(yè)裝備運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將其數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基站和本地終端，其成本低、實(shí)時(shí)性好、適用性強(qiáng)、功耗低、壽命長(zhǎng)、安全可靠，解決了傳統(tǒng)的離線的人工巡檢方法缺乏實(shí)時(shí)性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性、漏報(bào)率高的弊端，能完全滿足工業(yè)裝備和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
[0032]2、本裝置具有良好的擴(kuò)展性，安裝無需布線，對(duì)比傳統(tǒng)的有線方法，其具有如下優(yōu)點(diǎn):①能夠安裝在移動(dòng)的工業(yè)裝備上，擺脫了線纜對(duì)于設(shè)備安裝的限制，具有更大的靈活性；②系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍大，擺脫了線纜驅(qū)動(dòng)能力對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)域的限制；③在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已安裝好后需要新增監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況下，無需對(duì)軟件及硬件作較大的改動(dòng)，只需在增加監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)后重新編程組網(wǎng)即可。
[0033]3、本裝置克服了 ZigBee協(xié)議的2.4GHz頻段在線監(jiān)測(cè)方法所帶來的系統(tǒng)硬件加工成本高、無線信號(hào)繞射性差、通信距離短等缺陷，采用433MHz頻段傳輸，抗干擾性強(qiáng)，信號(hào)繞射性(穿透性)強(qiáng)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊方式，數(shù)據(jù)收發(fā)一體，使用方式靈活，性能穩(wěn)定可靠。
[0034]4、本裝置采用規(guī)格高、密封性能良好的材料，具有很高的防水、防爆水平，適用于絕大多數(shù)工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。尤其是在不可避免地存在易燃、易爆氣體，粉塵和流體的石油、化工企業(yè)的惡劣環(huán)境中，本裝置能有效保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集和操作人員的人身安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1是本實(shí)用新型的電路原理圖。
[0036]圖2是本實(shí)用新型的微處理器單元和無線通信單元電路原理圖。
[0037]圖3是本實(shí)用新型的信號(hào)調(diào)理單元電路原理圖。
[0038]圖4是本實(shí)用新型電源管理單元電路原理圖。
[0039]圖5是本實(shí)用新型節(jié)點(diǎn)裝置運(yùn)行方法中參數(shù)數(shù)據(jù)采集和無線通信工作流程圖。
[0040]圖6是本實(shí)用新型的傳感器標(biāo)定流程圖。
[0041]圖7是本實(shí)用新型的傳感器兩點(diǎn)電位法標(biāo)定曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]如圖1所示的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN裝置，包括微處理器單元、無線通信單元、信號(hào)調(diào)理單元和電源管理單元，信號(hào)調(diào)理單元與外置傳感器相連；信號(hào)調(diào)理單元的采集輸入接口與傳感器相連，信號(hào)調(diào)理單元的有源低通濾波器與微處理器單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換相連，微處理器單元的SPI 口與無線通信單元的無線收發(fā)芯片相連，微處理器單元和無線通信單兀由電源管理單兀供電；傳感器輸出二次儀表電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理單兀放大后輸出到微處理器單元，微處理器單元將信號(hào)調(diào)理單元輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，并通過無線通信單元將處理所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。
[0043]微處理器單元由微處理器芯片及其相應(yīng)的外圍電路組成，微處理器芯片采用ATmegal28、ATmegal28A、ATmegal28L、ATmega64、ATmega64A 或 ATmega64L,主要用于傳感器輸出量的處理、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組織和無線數(shù)據(jù)收發(fā)控制。程序燒錄接口為標(biāo)準(zhǔn)DIPlO腳JTAG接口，通過AVR仿真器與PC機(jī)相連，用于程序的仿真、調(diào)試、燒錄。無線通信單元由無線收發(fā)芯片、晶振及相應(yīng)的外圍電路組成，無線收發(fā)芯片選用低功耗、超高頻無線收發(fā)通信芯片CC1000 和 CC1020 中的一種。
[0044]信號(hào)調(diào)理單元由采集輸入接口 3-1，高阻抗、低漂移的前置儀表放大器3-2，可編程增益放大器3-3和有源低通濾波器3-4依次連接構(gòu)成，通過信號(hào)調(diào)理單元將傳感器輸出的微弱電流或微弱電壓信號(hào)經(jīng)過下述步驟處理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸入到微處理器單元中，并進(jìn)行A/D變換、計(jì)算、解析、校驗(yàn)和存儲(chǔ)，現(xiàn)對(duì)該處理過程結(jié)合圖3加以闡述:
[0045]I)傳感器輸出的微弱電流或微弱電壓信號(hào)通過采集輸入接口 3-1和高阻抗、低漂移的前置儀表放大器3-2,對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)放大。前置儀表放大器3-2的輸出電壓與傳感器輸出的微弱電流或電壓信號(hào)的大小成正比例關(guān)系。
[0046]2)前置儀表放大器3-2輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過精密電阻分壓后輸入可編程增益放大器3-3，進(jìn)行精確變換后得到標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓信號(hào)?？删幊淘鲆娣糯笃?-3通過SPI總線與微處理器芯片的普通I/O 口相連，共同完成通道選擇和可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)。Dl為穩(wěn)壓二極管，用來避免意外干擾信號(hào)超過可編程增益放大器3-3芯片引腳的極限電壓造成芯片損壞。
[0047]3)可編程增益放大器3-3輸出的電壓信號(hào)通過有源低通濾波器3-4濾除高頻干擾信號(hào)，最后輸入到微處理器單元中進(jìn)行A/D采樣。有源低通濾波器3-4由運(yùn)算放大器芯片和外部RC元件組成，該RC濾波電路具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。
[0048]如圖5所示的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN裝置的運(yùn)行方法，包括下列步驟:
[0049]1.1上電初始化，包括微處理器單元和無線通信單元的初始化；
[0050]1.2等待系統(tǒng)預(yù)啟動(dòng)分組，執(zhí)行步驟1.3 ；
[0051]1.3微處理器單元收到系統(tǒng)預(yù)啟動(dòng)分組，轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，休眠標(biāo)識(shí)位置0，即節(jié)點(diǎn)裝置不休眠，同時(shí)廣播路由分組，建立動(dòng)態(tài)路由，并等待系統(tǒng)啟動(dòng)分組；
[0052]1.4微處理器單元收到系統(tǒng)啟動(dòng)分組，轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，同時(shí)完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，并停止發(fā)送路由分組，休眠標(biāo)識(shí)位置1，即數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后可以休眠；
[0053]1.5采集裝置根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)分組確定數(shù)據(jù)采集周期:從系統(tǒng)啟動(dòng)分組中讀取數(shù)據(jù)采集時(shí)間參數(shù)n，周期S = n+(-l)-cX[(id+c) % N] Xm，其中id為節(jié)點(diǎn)號(hào)，c為數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)，m(5?10毫秒)為偏移量因子，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集定時(shí)器；
[0054]1.6采集裝置等待數(shù)據(jù)采集設(shè)定時(shí)間，若數(shù)據(jù)采集時(shí)間到，則首先啟動(dòng)信號(hào)調(diào)理單元工作電壓，延遲Tl (10毫秒)時(shí)間后啟動(dòng)通用模擬信號(hào)處理接口，同時(shí)延遲T3 (2分鐘)時(shí)間以響應(yīng)傳感器；
[0055]1.7若傳感器響應(yīng)時(shí)間到，則采集傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)，并在微處理器單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)移動(dòng)平均濾波處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后延遲T2(30秒)時(shí)間后關(guān)斷信號(hào)調(diào)理單元的工作電壓；
[0056]1.8參數(shù)數(shù)據(jù)采集完成后，采集裝置啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，選擇最佳路由發(fā)送數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟1.9;
[0057]1.9若采集裝置數(shù)據(jù)發(fā)送收到應(yīng)答，則數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)加1，更新路由；若采集裝置數(shù)據(jù)發(fā)送未收到應(yīng)答，并且數(shù)據(jù)重發(fā)超過k(3)次，則發(fā)送失敗，數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)加1，更新路由；
[0058]1.10若采集裝置數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)小于q (取36次)，則啟動(dòng)休眠準(zhǔn)備定時(shí)器，向下執(zhí)行步驟1.11 ;若傳感主板數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)超過q(取36次)，則等待系統(tǒng)預(yù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)到步驟1.3 ；
[0059]1.11采集裝置等待休眠準(zhǔn)備設(shè)定時(shí)間，若休眠準(zhǔn)備時(shí)間到則設(shè)置微處理器單元為休眠狀態(tài)，關(guān)閉信號(hào)調(diào)理單元的工作電壓，關(guān)閉無線通信單元，使傳感主板處于低功耗狀態(tài)，轉(zhuǎn)到步驟1.6。
[0060]傳感器需要進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定，采用兩點(diǎn)電位法繪制標(biāo)定曲線，如圖6和圖7所示，具體過程包括下述幾個(gè)步驟:
[0061 ] 2.1初始化變量a、b并賦初值；
[0062]2.2輸入操作命令Operat1n進(jìn)行標(biāo)定。首先，測(cè)得所使用的傳感器在標(biāo)準(zhǔn)參照量T0下的微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為Utl，保存在變量a中；然后，測(cè)得所使用的傳感器在標(biāo)準(zhǔn)參照量T1的微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U1，保存在變量b中；對(duì)于量程為_20°C?120°C的溫度傳感器，Ttl可以取0°C，T1可以取100°C ;對(duì)于量程為0.2atm?1.2atm(atm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)的壓力傳感器，Ttl可以取0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，T1可以取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；
[0063]2.3由標(biāo)準(zhǔn)參照量Ttl得到微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U。，記標(biāo)定點(diǎn)AO (T。，U0)，由標(biāo)準(zhǔn)參照量T1得到的微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U1，記標(biāo)定點(diǎn)Al (T1, U1)，通過兩點(diǎn)電位法確定標(biāo)定曲線，標(biāo)定完成，執(zhí)行步驟1.4 ；
[0064]2.4判斷標(biāo)定操作是否完成，若a、b都大于零，則表示標(biāo)定的各操作已經(jīng)完成，若標(biāo)定未完成，回到步驟1.2，再次進(jìn)行標(biāo)定操作，直至獲得U0J1的值；
[0065]2.5測(cè)得使用的傳感器在某環(huán)境下微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電壓為U，并記錄；
[0066]2.6運(yùn)用公式F = T0 +~Τθ)計(jì)算出被測(cè)量的值;
[0067]實(shí)施例1:
[0068]如圖2所示的微處理器單元，微處理器芯片采用低功耗、高性能的8位CMOS處理器ATmegal28L。ATmegal28L基于AVR簡(jiǎn)單指令集結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)lMIPS/MHz，從而有效緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。微處理器單元中的JTAG接口的數(shù)據(jù)線經(jīng)過上拉電阻“R12-R15”后與ATmegal28L微處理器芯片的“54?57”引腳相連。LED1-LED3為ATmegal28L微處理器芯片的工作狀態(tài)指示燈和無線通信單元數(shù)據(jù)收發(fā)指示燈，在系統(tǒng)調(diào)試階段根據(jù)其指示燈的狀態(tài)判斷程序的運(yùn)行情況，狀態(tài)指示LED1-LED3燈與ATmegal28L的“49、50、51”引腳相連。R4與C6構(gòu)成復(fù)位電路。Yl、Y2為晶體振蕩器，Yl為低頻晶振，振蕩頻率為32.768kHz，可以在處理器運(yùn)行于低功耗模式時(shí)使用。Y2為高頻晶振，振蕩頻率為7.3728MHz，為系統(tǒng)時(shí)鐘源。S0、S1、SCK1、SCK2、CS1、CS2為用普通I/O 口來模擬SPI總線接口，它可以使ATmegal28L微處理器芯片與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息，實(shí)現(xiàn)可編程增益放大器芯片MCP6S21與ATmegal28L之間的數(shù)據(jù)傳輸。無線收發(fā)芯片2選用Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、超高頻無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片CC1000，采用先進(jìn)的SmartRF技術(shù)，工作于315MHz、433MHz、868MHz或915MHz ISM/SRD頻段，可通過SPI總線接口靈活控制。ATmegal28L微處理器芯片通過第“11、12、29、31、32、61”引腳與CClOOO相連接，CClOOO可通過簡(jiǎn)單的三條串行數(shù)據(jù)接口(PDATA、PCLK和PALE)進(jìn)行程序控制。
[0069]信號(hào)調(diào)理單元中，前置儀表放大器3-2為具有高輸入阻抗、低輸入失調(diào)電流、低漂移和低噪音的儀表放大器AD620。電阻R18為高精度的取樣電阻，將傳感器輸出的電流信號(hào)通過電阻R18取樣作為儀表放大器AD620的輸入電壓,儀表放大器AD620的放大倍數(shù)可以通過外部電阻R16調(diào)節(jié)。儀表放大器AD620輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過精密電阻R21和R22分壓后，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸入到可編程增益放大器3-3。可編程增益放大器3-3采用MCP6S21，通過SPI總線與微處理器單元普通I/O 口相連，共同完成通道選擇和可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)。MCP6S21的串行時(shí)鐘輸入引腳SCK1、串行數(shù)據(jù)輸入腳引腳S1、芯片選擇輸入引腳CSl分別與微處理器單元中的第“25”引腳、第“3”引腳和第“35”引腳相連，以此微處理器單元控制可控制編程增益放大器3-3工作。有源低通濾波器3-4由運(yùn)算放大器和外部RC元件組成，構(gòu)成RC濾波電路，其輸入阻抗高，輸出阻抗低。運(yùn)算放大器采用單電源運(yùn)放芯片MCP6281,并和外部RC元件組成Sallen-Key或Butterworth低通濾波器,濾波器的設(shè)計(jì)截止頻率為20Hz，運(yùn)算放大器的輸出與微處理器芯片的第“58”引腳A/D相連。
[0070]如圖4所示，電源管理單元由鋰電池充電控制單元4-1和電壓等級(jí)變換單元4-2組成，鋰電池充電控制單元4-1采用鋰電池充電管理芯片BQ2057WSN，其適用于鋰電池組(L1-1on)和鋰聚合物電池組(L1-Pol)的充電。太陽能電池板BT2通過肖特基勢(shì)壘二極管D3與鋰電池充電管理芯片BQ2057WSN相連，鋰電池充電管理芯片BQ2057WSN通過引腳“7”與P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Ql的門極G引腳相連，來控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，以便實(shí)施對(duì)鋰電池組的充電過程，Ql選用P溝道場(chǎng)效應(yīng)管SI647OTQ。BQ2057WSN內(nèi)集成的溫度傳感器通過引腳“4”不停檢測(cè)鋰電池內(nèi)部溫度。當(dāng)溫度超出所設(shè)定范圍時(shí)，立刻關(guān)閉對(duì)鋰電池組的充電。充電狀態(tài)識(shí)別通過BQ2057WSN上的引腳“5”與LED指示燈“D2、D3”相連，D2綠燈表示充滿，D3紅燈表示正在充電。
[0071]電壓等級(jí)變換單元4-2輸出端與線性穩(wěn)壓器TPS73630相連，將電壓降壓到+3.3V給微處理器單元和無線通信單元供電。
[0072]如上，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例表示和表述了本實(shí)用新型，但是不得將其解釋為對(duì)本實(shí)用新型自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本實(shí)用新型的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，包括微處理器單元、無線通信單元、信號(hào)調(diào)理單元和電源管理單元，所述信號(hào)調(diào)理單元與外置傳感器相連，其特征在于: 所述信號(hào)調(diào)理單元包括依次相連的采集輸入接口、前置儀表放大器、可編程增益放大器和有源低通濾波器，所述微處理單元包括微處理芯片以及與微處理芯片分別相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換、JTAG接口、SPI 口、輸出口和存儲(chǔ)器；所述信號(hào)調(diào)理單元的采集輸入接口與所述傳感器相連，所述信號(hào)調(diào)理單元的有源低通濾波器與所述微處理器單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換相連，所述微處理器單元的SPI 口與所述無線通信單元的無線收發(fā)芯片相連，所述微處理器單元和所述無線通信單元由所述電源管理單元供電；所述傳感器輸出二次儀表電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)所述信號(hào)調(diào)理單元變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出到所述微處理器單元，所述微處理器單元將所述信號(hào)調(diào)理單元輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，并通過所述無線通信單元將處理所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，其特征在于:所述傳感器輸出的電信號(hào)通過所述信號(hào)調(diào)理單元的采集輸入接口、前置儀表放大器進(jìn)行第一級(jí)放大，放大后的信號(hào)輸出到所述可編程增益放大器變換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過所述有源低通濾波器濾除高頻干擾信號(hào)，濾除高頻干擾信號(hào)的電壓信號(hào)輸出到所述微處理器單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，其特征在于:所述電源管理單元選擇AC220V、干電池或太陽能中任一方式對(duì)所述微處理器單元和無線通信單元進(jìn)行供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，其特征在于:所述電源管理單元采用太陽能對(duì)微處理器單元和無線通信單元進(jìn)行供電，所述電源管理單元包括鋰電池充電控制單元和電壓等級(jí)變換單元，所述鋰電池充電控制單元包括鋰電池充電管理芯片、晶體管或MOSFET管、充電狀態(tài)指示燈以及外圍電路，所述鋰電池充電管理芯片通過肖特基勢(shì)壘整流器與太陽能電池板相連，將太陽能電池板輸出的直流電壓通過自適應(yīng)可調(diào)充電電路給鋰電池組充電，并通過監(jiān)測(cè)鋰電池組溫度對(duì)充電電路進(jìn)行保護(hù)和調(diào)節(jié)；所述電壓等級(jí)變換單元與所述鋰電池充電控制單元的輸出端相連并通過升、降壓芯片或穩(wěn)壓管及相應(yīng)外圍電路將鋰電池充電控制單元輸出端電壓進(jìn)行等級(jí)變換后為所述微處理器單元和所述無線通信單元提供相應(yīng)電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，其特征在于:所述微處理單元采用AVR系列微處理器芯片，所述無線通信單元采用CC1000或者CC1020為處理芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，其特征在于:所述無線通信單元由無線收發(fā)芯片、晶振及相應(yīng)的外圍電路組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控WSN采集裝置，其特征在于:所述微處理芯片由低頻晶振、高頻晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘電源，通過JATG接口與仿真器和PC相連，通過普通I/O 口與所述信號(hào)調(diào)理單元的可編程增益放大器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過SPI 口控制所述無線通信單元的無線收發(fā)芯片。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK204101943SQ201420589929
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】陳俊杰, 甘立初 申請(qǐng)人:南京拓諾傳感網(wǎng)絡(luò)科技有限公司, 東南大學(xué)