專利名稱：微型超低功耗智能無線傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微型超低功耗智能無線傳感器。
背景技術(shù)：
隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的信息，因此這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場革命。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。美國自然科學(xué)基金委員會2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，投資34000000美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。美國國防部和各軍事部門都對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視，在C4ISR的基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃，強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。美國英特爾公司、美國微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作，紛紛設(shè)立或啟動相應(yīng)的行動計劃。日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Ad Hoc方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個基本要素；有線或無線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器與觀察者之間的通信方式，用于在傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(傳感器)可以移動。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。節(jié)點間以Ad Hoc方式進行通信，每個節(jié)點都可以充當路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵問題是傳感器的實現(xiàn)問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器一般由電池供電，而且傳感器數(shù)量大、分布范圍廣，需要分布在各種各樣不同的環(huán)境中，如敵對區(qū)域、危險區(qū)域、人跡罕至或無人區(qū)域，在這些環(huán)境中，傳感器維護十分困難甚至不可維護。因此能夠長期在不同環(huán)境下(尤其是惡劣環(huán)境)工作的微型傳感器是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種可以實現(xiàn)在不同環(huán)境下長期、穩(wěn)定、可靠地工作，并提供較強的通信、處理和具有大數(shù)據(jù)量存儲能力的微型超低功耗智能無線傳感器。
上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)微型超低功耗智能無線傳感器，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼內(nèi)的模板，所述的模板上裝有主控模塊、無線傳輸模塊、存儲模塊及數(shù)據(jù)接口模塊，所述的模板通過接口與傳感器模板相連接。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的主控模塊通過數(shù)據(jù)總線與無線傳輸模塊、存儲模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接口模塊相連接，所述的數(shù)據(jù)接口模塊與電源管理模塊相連接。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的主控模塊包括單片微控制器U1和LED狀態(tài)指示單元，所述的狀態(tài)指示單元的三個LED分別和所述的單片微控制器U1相連接。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的無線傳輸模塊包括單片無線收發(fā)器U2和環(huán)形PCB天線F1，所述的無線收發(fā)模塊通過數(shù)據(jù)總線與所述的主控模塊的單片微控制器U1相連接。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的傳感器模板上裝有傳感器模塊，所述的傳感器模塊包括噪聲采集單元、溫度采集單元、光強采集單元、磁力采集單元、加速度采集單元、放大電路和電子開關(guān)，所述的可采集外界噪聲的麥克M0的噪聲采集單元與放大器U6連接，所述的放大器U6與接口J6相連接；所述的溫度采集單元中的集成溫度傳感器U7與所述的接口J6相連接；所述的光強采集單元中的光敏電阻RT1與所述的接口J6相連接；所述的磁力采集單元中的雙軸磁力傳感器U9與放大器U10相連接，所述的放大器U10與接口J6相連接；所述的加速度采集單元中的加速度傳感器U8與所述的接口J6相連接，所述的接口J6與所述的單片微處理器U1相連接，所述的主控模塊1中的接口J1與接口J5相連接，所述的單片微處理器U1和所述的接口J1相連接，所述的接口J6與接口J2相連接，所述的接口J6與所述的傳感器板相連接，所述的接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分別與所述的微控制器板及所述的傳感器板相連接，所述的傳感器板上的電子開關(guān)U5分別與接口J11、接口J5相連接。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的數(shù)據(jù)接口模塊中的JTAG接口J3與所述的單片微控制器U1相連接，所述的單片微控制器U1通過接口J4和上位機的UART串行數(shù)據(jù)接口連接。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的存儲模塊中的數(shù)據(jù)存儲器U3通過SPI接口與所述的單片微處理器U1相連接。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的電源管理模塊3中的電源管理芯片U4與所述的單片微處理器U1相連接。
這個技術(shù)方案有以下有益效果1.本實用新型的微型超低功耗智能無線傳感器，擺脫了時間、地點、條件和供電能力的限制，可在任何時間、任何地點、任何條件下協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息。
2.獨特的超低功耗設(shè)計，能夠支持傳感器的長期工作，使用2節(jié)AA電池供電，最長可工作2～3年。為了實現(xiàn)傳感器的低功耗，不但所有器件均采用低功耗器件，而且主控模塊、無線傳輸模塊、傳感器模塊均可通過編程單獨控制它們的工作狀態(tài)。其中主控模塊主要由一個單片超低功耗微控制器U1和LED狀態(tài)指示單元組成，單片超低功耗微控制器U1用來控制無線傳輸模塊、傳感器模塊、外部數(shù)據(jù)存儲器模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)接口模塊，使各個模塊按照預(yù)定的模式進行工作，LED狀態(tài)指示單元由三個LED和單片微控制器U1相連接，作為系統(tǒng)工作狀態(tài)的外部指示，主控模塊可工作于活動和低功耗狀態(tài)，在活動狀態(tài)下，可以通過頻率選擇，使微處理器在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四個頻率進行工作；無線傳輸模塊主要由一個單片無線收發(fā)器U2和環(huán)形PCB天線F1組成，其主要功能是按照主控模塊的要求控制數(shù)據(jù)的無線傳輸，并且無線傳輸模塊可以工作活動、低功耗和斷電三個狀態(tài)，在活動狀態(tài)下，可以通過選擇使單片無線收發(fā)器工作在-10db、-2db、6db、10db四種發(fā)射功率；傳感器模塊主要由噪聲采集單元、溫度采集單元、光強采集單元、磁力采集單元、加速度采集單元、放大電路和電子開關(guān)等構(gòu)成，噪聲采集單元應(yīng)用麥克M0采集外界噪聲，經(jīng)過放大器U6放大后，傳輸給接口J6；溫度采集單元應(yīng)用集成溫度傳感器U7采集外界溫度，然后直接傳輸給接口J6；光強采集單元應(yīng)用光敏電阻RT1采集光強信號，然后直接傳輸給接口J6；磁力強弱采集單元應(yīng)用雙軸磁力傳感器U9采集平面上X軸和Y軸的磁場強弱信號，經(jīng)過放大器U10處理后，然后直接傳輸給接口J6；加速度采集單元應(yīng)用加速度傳感器U8采集平面上X軸和Y軸的兩個方向上的加速度的變化情況。所有匯集到J6的信號，都需要通過J6傳輸給單片微處理器U1進行下一部處理，接口J1和J5相連接，作為單片微處理器U1和傳感器板之間的信號傳輸?shù)耐ǖ?，單片微處理器U1通過J1控制傳感器板上的各個信號采集單元，接口J6和J2相連接，作為傳感器板向單片微型處理器U1傳輸它所采集信號的通道，這些信號在單片微處理器內(nèi)部進行A/D轉(zhuǎn)換、處理，然后進行存儲或轉(zhuǎn)發(fā)。接口J1、接口J2、接口J5、接口J6把分離的微處理器板和傳感器板連接起來，由于接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分別位于微處理器板和傳感器板的兩側(cè)，使得微處理器板和傳感器板形成穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)，傳感器板上的電子開關(guān)U5根據(jù)單片微處理器的信號決定是否給各個傳感器單元模塊進行供電，傳感器模塊可工作于活動和斷電二個狀態(tài)，傳感器模塊上的各個傳感器也可以通過編程單獨控制其采樣頻率和工作狀態(tài)。通過編程控制傳感器的工作狀態(tài)，可以使其工作在最低功耗狀態(tài)，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的低功耗。
3.傳感器同時具有無線通信、計算、存儲和傳感器功能，可以超低電壓、超低功耗工作，其最低工作電壓為0.87V，在待機狀態(tài)下，工作電流＜8μA，在低功耗工作狀態(tài)下，工作電流＜500μA。
4.微處理器和無線傳輸模塊都采用極少的外圍元件設(shè)計、傳感器模塊采用物理上獨立、分離、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，這不但有利于節(jié)點的微型化，而且使傳感器模塊具有良好的穩(wěn)定性和可擴展性，可以根據(jù)需要單獨更換或增加傳感器，目前的傳感器模塊最多可支持32個傳感器。
5.無線傳輸模塊采用環(huán)形pcb天線設(shè)計，增加了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性、可靠性和對外界噪聲的抗干擾能力，所有器件均采用工業(yè)級的芯片，提高了系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性和溫度適應(yīng)范圍，使其能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。
6.無線傳輸模塊具有獨特的載波監(jiān)測輸出、地址匹配輸出、就緒輸出功能，不但能有效地避免無線通信碰撞，而且還可通過軟件設(shè)定地址，使節(jié)點只有在收到本機地址時才接收數(shù)據(jù)，非常適合點對點、點對多點無線通信。無線模塊內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC，通過SPI即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。
7.外部數(shù)據(jù)存儲器模塊主要由數(shù)據(jù)存儲器U3構(gòu)成，它通過SPI接口與單片微處理器U1相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的大容量存儲。
8.電源管理模塊主要由電源管理芯片U4構(gòu)成，負責管理整個裝置的供電，電源管理芯片U4通過和單片微處理器U1相連的信號線，檢測電源的健康狀況，并且根據(jù)需要對電源進行智能控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的供電。
9.數(shù)據(jù)接口模塊主要由JTAG編成器接口J3和UART串行數(shù)據(jù)接口J4構(gòu)成，單片微控制器U1通過JTAG編成器和接口J3實現(xiàn)U1的在線編程。單片微控制器U1通過接口J4和上位機的UART串行數(shù)據(jù)接口連接，實現(xiàn)傳感器節(jié)點和上位機之間的數(shù)據(jù)通信。
10.本發(fā)明的所有器件均采用低功耗器件，而且主控模塊、無線傳輸模塊、傳感器模塊均可通過編程單獨控制它們的工作狀態(tài)。其中主控模塊可工作于活動和低功耗狀態(tài)，在活動狀態(tài)下，可以通過頻率選擇，使單片微控制器U1在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四個頻率進行工作；無線傳輸模塊可以工作于活動、低功耗和斷電三個狀態(tài)，在活動狀態(tài)下，可以通過選擇使單片無線收發(fā)器U2工作在-10db、-2db、6db、10db四種發(fā)射功率；傳感器模塊可工作于活動和斷電二個狀態(tài)，傳感器模塊上的各個傳感器也可以通過編程單獨控制其采樣頻率和工作狀態(tài)。
11.本發(fā)明通過編程控制節(jié)點的工作狀態(tài)，可以使節(jié)點在不同情況下工作在最低功耗狀態(tài)，從而實現(xiàn)整個節(jié)點的低功耗。
12.本發(fā)明的傳感器具有無線通信、計算、存儲和傳感器功能，其無線通信距離大于150米，存儲能力大于8M字節(jié)。
13.單片超低功耗微控制器U1是該裝置的核心控制部分，主要用于感知數(shù)據(jù)的處理和存儲，以及感知數(shù)據(jù)的采集、無線收發(fā)、能量管理和電源管理等的控制。為了降低功耗，本發(fā)明采用美國TI公司的超低功耗處理器芯片MSP430F149芯片，它具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微處理器能達到最高的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗，數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us的時間內(nèi)激活到活躍的工作方式。兩個內(nèi)置的16位定時器，一個快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，單片微處理器U1采用雙晶振設(shè)計，在通常工作狀態(tài)下，使用外部8M高速晶振，通過分頻也可以在1MHz、4MHz狀態(tài)下工作，而低功耗時則啟用低速32.768k晶振，使系統(tǒng)進入低功耗運行狀態(tài)。系統(tǒng)可應(yīng)用自身的12位A/D轉(zhuǎn)換器，對外接信號進行采集。
14.無線傳輸模塊中的低功耗單片射頻收發(fā)器U2包括頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器，不需外加聲表濾波器，能夠自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微處理器通信。此外，低功耗單片射頻收發(fā)器U2的功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射數(shù)據(jù)時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，便于實現(xiàn)低功耗控制。低功耗單片射頻收發(fā)器U2片內(nèi)集成了電源管理，晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。無線傳輸模塊采用環(huán)形PCB天線，使無線傳輸模塊工作更加穩(wěn)定，抗干擾性更強。
15.數(shù)據(jù)存儲器U3為8M的Flash，實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的存儲，它采用三線串行讀寫方式，讀寫方便快捷，易于編程實現(xiàn)。
16.電源模塊中的電源管理芯片U4為DC/DC轉(zhuǎn)換芯片，可以使傳感器節(jié)點在較低的電壓下工作，對于普通的兩節(jié)AA電池，只要電壓大于0.9V，電源管理芯片U4就能通過DC/DC轉(zhuǎn)換穩(wěn)定輸出3.3V電壓。在外部電源提供的電壓不低于2.0V時，或系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)時，可以使電源模塊處于關(guān)閉模式，即使其工作在低功耗狀態(tài)，在關(guān)閉模式下，外部電源不經(jīng)過電源管理芯片U4的DC/DC轉(zhuǎn)換，直接給系統(tǒng)供電，電源管理芯片U4的工作電流為37μA，而在關(guān)閉模式下，只有2μA的控制電流。
17.狀態(tài)指示單元的LED1、LED2、LED3采用紅、黃、綠三個顏色連接到微處理器，可以通過程序控制LED，工作在不同的工作狀態(tài)，可以根據(jù)LED的狀態(tài)，判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
18.在傳感器模塊中，接口5和接口6為主控模塊、無線傳輸模塊、存儲模塊、傳感器模塊和電源管理模塊的接口J1和J2連接的接口，接口5和接口6分別設(shè)置在傳感器模塊的兩側(cè)，使得主控模塊、無線傳輸模塊、電源管理模塊、存儲模塊與傳感器模塊穩(wěn)定的連接，電子開關(guān)U5為控制整個傳感器模塊能量的電源開關(guān)，可以根據(jù)單片微處理器U1的命令，使能整個傳感器模塊上的各個傳感器模塊。
19.在傳感器模塊中的噪聲、光和溫度采集部分中，對外界的光強的采集是通過光敏電阻RT1實現(xiàn)的，由于采集的電壓信號適合于單片微處理器的A/D轉(zhuǎn)換，所以直接對采集的電壓進行采集，通過集成溫度傳感器U7進行溫度信號的采集，采用集成元件降低系統(tǒng)的功耗，提高信號采集的精度和靈敏度。
20.加速度傳感器單元采用雙軸加速度采集芯片ADXL202采集水平面上X、Y軸的加速度變化。磁力傳感器HMC1052用來采集節(jié)點附近磁場的變化，可以同時檢測兩個方向上磁場的變化。采集的信號經(jīng)過放大器放大后，進行A/D轉(zhuǎn)換。
21.數(shù)據(jù)接口模塊，它采用3V工作電壓的MAX3224進行電平轉(zhuǎn)換。
22.本產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點。


附圖1是本實用新型的微型超低功耗智能無線傳感器的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是附圖1沿A-A方向的剖視圖。
附圖3是本實用新型的微型超低功耗智能無線傳感器的電路圖。
附圖4是主控模塊的電路圖。
附圖5是無線傳輸模塊電路圖。
附圖6是電源管理模塊和存儲器模塊電路圖。
附圖7是傳感器模塊中的噪聲、光和溫度采集部分的電路圖。
附圖8是傳感器模塊中的磁力和加速度采集的電路圖。
附圖9是數(shù)據(jù)接口模塊的電路圖。
附圖10是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
實施例1微型超低功耗智能無線傳感器，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼內(nèi)的模板7，所述的模板7上通過插裝口裝有主控模塊1、無線傳輸模塊2、存儲模塊3及數(shù)據(jù)接口模塊6，所述的模板7通過接口9與傳感器模板8相連接。
實施例2微型超低功耗智能無線傳感器，所述的主控模塊1通過數(shù)據(jù)總線與無線傳輸模塊2、存儲模塊3、傳感器模塊4和5、數(shù)據(jù)接口模塊6相連接，所述的數(shù)據(jù)接口模塊6與電源管理模塊3相連接。
實施例3上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的主控模塊1包括單片微控制器U1和LED狀態(tài)指示單元，所述的狀態(tài)指示單元的LED1、LED2、LED3采用紅、黃、綠三個顏色并分別和所述的單片微控制器U1引腳50、引腳49、引腳48和接口J9引腳9、引腳8及引腳7相連接，所述的單片微控制器U1引腳2至引腳6通過ADC3～ADC7與接口J2的引腳3至7相連接，所述的接口J2的引腳1、引腳2通過ADC1和ADC2與單片微控制器U1引腳60、引腳61相連接，ADC0采集3V電池的健康狀況；ADC1采集溫度信號；ADC2采集光強信號；ADC3采集X軸的振動強弱；ADC4采集Y軸的振動情況；ADC5采集外接噪聲大??；ADC6采集X軸磁力強弱的變化；ADC7采集Y軸磁場變化情況；所述的單片微控制器U1引腳17至引腳23通過INT7至INT1與接口J1引腳8至引腳2相連接，INT1、INT2為光敏傳感器和溫度傳感器提供工作電壓；INT3、INT4為磁力傳感器的使能信號；INT5、INT6、INT7分別控制噪聲、磁力加速度、磁力的電源信號。所述的單片微控制器U1引腳52、引腳53的連線上連接有電容C32和電容C33，所述的電容C32和電容C33為A/D轉(zhuǎn)化通道提供外部參考電壓。單片微控制器U1引腳28至引腳31(P3.0，P3.1，P3.2，P3.3)通過SPI與接口J10引腳8至11相連接，SPI為連接外部數(shù)據(jù)存儲器的通道，所述的單片微控制器U1引腳32、引腳33(P3.4，P3.5)通過UART與接口J4引腳1、引腳2相連接，P3.4，P3.5為上位機通信的串行口，所述的單片微控制器U1上的P4.0～P5.3為單片無線收發(fā)器U2的控制信號線，其中，所述的單片微控制器U1引腳36至38、引腳40、引腳41與接口J10相連接，所述的單片微控制器U1引腳44～47分別與接口J9的引腳3至6相連接，所述的單片微控制器U1上的P5.4～P5.6分別控制外部連接的LED用來觀察節(jié)點的工作狀態(tài)。所述的單片微控制器U1上的P5.4～P5.6所對應(yīng)的引腳48至50與接口J9引腳7至9相連接，所述的單片微控制器U1引腳58至55(RST，TDI，TDK，TMS)與接口J3引腳3至6相連接，所述的RST，TDI，TDK，TMS為單片微處理器的JTAG編程口，所述的接口J1、J2為控制板和傳感器板的接口部分，分別與所述的接口J5、J6相連接，J3為單片微處理器U1和上位機串行通信的接口。所述的U1的8腳、9腳與X1的兩端連接，為系統(tǒng)提供輔助時鐘；所述的U1的52腳、53腳與Y2連接，提供系統(tǒng)工作主時鐘，所述的U1的52腳、53腳與C33和C24連接，為晶振Y2提供所需的電容，C23與所述的U1的58腳和地連接，同R21構(gòu)成上電復(fù)位電路，所述的R21連接在所述的U1的58腳和電源之間，同所述的C23構(gòu)成系統(tǒng)上電復(fù)位電路，所述的C32連接在電源和地之間，為系統(tǒng)去偶電容，所述的J4和U1的32腳、33腳連接，為主控模塊和數(shù)據(jù)接口模塊之間提供接口。
實施例4上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的無線傳輸模塊2包括低功耗單片射頻收發(fā)器U2和環(huán)形PCB天線F1，所述的無線收發(fā)模塊通過數(shù)據(jù)總線與所述的主控模塊的單片微控制器U1相連接，所述的低功耗單片射頻收發(fā)器U2的工作電壓為1.9～3.6V，工作于433/868/915MHz三個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us，C7連接于所述的U2的31腳和地之間，是所述的U2的低電壓正數(shù)字輸出的濾波電容，C5、C6連接在電源和地之間為無線傳輸模塊電路濾波，所述的C8連接在所述的U2的4腳和地之間，對從4腳流進所述的U2的電流就行濾波，Y1連接在U2的14腳、15腳之間，為無線模塊提供工作時鐘，電容C1連接在U2的14腳和地之間，為晶振Y1提供匹配電容，電容C2連接在U2的15腳和地之間，為晶振Y1提供匹配電容，電阻R1連接在U2的14腳、15腳之間，和所述的C1、C2一同確保晶振Y1的穩(wěn)定工作，電阻R2連接在U2的23腳和地之間，為無線模塊提供模擬的參考輸入電流，所述的C3、C4連接在U2的19腳和地之間，一同為功率放大器的電流進行濾波，電容C9、C10、C11及電阻R3連接在U2的20腳和21腳之間，為無線傳輸模塊天線提供匹配的電容和電阻。
實施例5上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的傳感器模板8上裝有傳感器模塊4和5，所述的傳感器模塊4和5包括噪聲采集單元、溫度采集單元、光強采集單元、磁力采集單元、加速度采集單元、放大電路和電子開關(guān)，所述的可采集外界噪聲的小麥克風M0的噪聲采集單元與語音放大芯片U6連接，將M0傳遞過來的模擬信號放大后，通過傳感器模塊上的接口連接到單片微處理器U1進行A/D轉(zhuǎn)換，所述的語音放大芯片U6與接口J6相連接；所述的采集外界溫度的溫度采集單元中的集成溫度傳感器U7與所述的接口J6相連接；所述的可采集光強信號的光強采集單元中的光敏電阻RT1與所述的接口J6相連接；所述的可采集平面上X軸和Y軸的磁場強弱信號的磁力采集單元中的雙軸磁力傳感器U9與放大器U10相連接，所述的放大器U10與接口J6相連接；所述的采集平面上X軸和Y軸兩個方向上的加速度變化情況的加速度采集單元中的加速度傳感器U8與所述的接口J6相連接，所述的接口J6與所述的單片微處理器U1相連接，所述的主控模塊中的接口J1與接口J5相連接，所述的單片微處理器U1和所述的接口J1相連接，所述的接口J6與接口J2相連接，所述的單片微處理器U1通過所述的接口J1控制所述的傳感器板上的各個信號采集單元，所述的接口J6與所述的傳感器板J2相連接，所述的接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分別與所述的微控制器板及所述的傳感器板相連接，所述的傳感器板上的電子開關(guān)U5分別與接口J11、接口J5相連接，電阻R32、R33連接于U6的5腳和M0的1腳之間，同電容C34一同為麥克提供穩(wěn)定的工作電壓，電容C35和電阻R34連接在M0的1腳和放大器U6的3腳之間，對M0輸出的信號進行濾波，為反饋電路提供匹配阻抗，電阻R35連接在所述的放大器U6的3腳和4腳之間，構(gòu)成反饋電路，電容C36連接在所述的放大器U6的5腳和地之間，為所述的放大器U6的去偶電容，電阻R41、R42和電容C44連接在電源和地之間，為所述的放大器U6的反饋電路提供參考電壓，電阻R36連接在集成溫度傳感器U7的1腳和4腳之間，構(gòu)成反饋電路，電阻R37連接在所述的放大器U6的4腳和集成溫度傳感器U7的4腳之間，構(gòu)成反饋電路的負輸入，電阻R38連接在集成溫度傳感器U7的3腳和地之間，構(gòu)成反饋電路的正輸入，電容C32連接在電阻RT1的1腳和地之間，為流過電阻RT1的電容濾波，電阻R30連接在電阻RT1的2腳和地之間，同電阻RT1構(gòu)成分壓電路，電容C43連接在電子開關(guān)U5的14腳和地之間，對從14腳流出的電流濾波，電容C47、C48連接于加速度傳感器U8的7腳和地之間，作為加速度傳感器的X軸濾波電路，電容C49、C50連接于加速度傳感器U8的6腳和地之間，作為加速度傳感器的Y軸濾波電路，電阻R46連接在加速度傳感器U8的2腳和3腳之間，作為復(fù)位電路的一部分，電容C51連接于加速度電源和地之間，構(gòu)成復(fù)位電路的另一部分，電阻R47連接于加速度傳感器U8的8腳和J11之間，為加速度傳感模塊提供工作電壓，電阻R48、R49和電容C52連接在電源和地之間為磁力傳感模塊提供參看電壓，電阻R53和電容C55連接在電源和地之間，為磁力傳感器提供工作電壓，電阻R50和電容C53連接在電源和地之間，為電容U10提供參考電壓，電阻R56連接在放大器U10的3腳和4腳之間，為放大器提供匹配電阻，電阻R57連接在放大器U10的7腳和接口J6之間，為X軸磁力提供轉(zhuǎn)換電路，電阻R59連接在放大器U10的13腳和14腳之間，為放大器提供匹配電阻，電阻R58和電容C57連接在放大器U10的10腳和J6之間，將轉(zhuǎn)換結(jié)果濾波輸出，電容C56連接在放大器U10的9腳和地之間，作為放大器U10的去偶電容。
實施例6上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的數(shù)據(jù)接口模塊6中的JTAG接口J3與所述的單片微控制器U1相連接，所述的單片微控制器U1通過接口J4和上位機的UART串行數(shù)據(jù)接口連接，接口J8與所述的主控模塊接口J4相連接，實現(xiàn)彈片微處理器和上位機的串行通信，電容C61、C64分別連接在U11的3腳、7腳和地之間，為U10的濾波電容，電容C62連接在所述的U11的2腳和4腳之間，為所述的U10提供濾波電容，電容C63連接在所述的U11的5腳和6腳之間，為所述的U11提供外部濾波電容，電容C65連接在U11的20腳和地之間，為U11的去偶電容。
實施例7上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的存儲模塊3中的數(shù)據(jù)存儲器U3通過SPI數(shù)據(jù)線直接與所述的單片微處理器U1相連接，電阻R12、R13、R14分別連接在外部數(shù)據(jù)存儲模塊U3的20腳19腳18腳和電源之間，為數(shù)據(jù)線提供上拉電阻。
實施例8上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的電源管理模塊3中的電源管理芯片U4與所述的單片微處理器U1相連接，接口J8直接和兩節(jié)AA電池相連接，通過開關(guān)S1控制電源的導(dǎo)通與關(guān)閉，電源電壓通過ADC0連接到單片微處理器U1，使所述的單片微處理器能實時檢測電源的健康狀況，電容C39連接在電源管理芯片U4的1腳和地之間，為電池出來的電流濾波，電阻R19連接在所述的電源管理芯片U4的4腳和電源之間，為所述的電源管理芯片U4的上拉電阻，電容C21連接在所述的電源管理芯片U4的8腳和地之間，為變壓之后的電源進行濾波，線圈L4為電壓轉(zhuǎn)換提供匹配的感抗。
實施例9上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的主控模塊1、無線傳輸模塊2、傳感器模塊4和5均可通過編程單獨控制，所述的主控模塊1在活動狀態(tài)下通過頻率選擇，使所述的單片微處理器U1在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四個頻率下進行工作；所述的無線傳輸模塊2通過選擇使所述的單片無線收發(fā)器U2在-10db、-2db、6db、10db四種發(fā)射功率及活動、低功耗和斷電狀態(tài)下工作；所述的傳感器模塊4和5中的各個傳感器通過編程單獨控制采樣頻率和工作狀態(tài)。
實施例10上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的傳感器模塊4和5采用物理上獨立、分離、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，所述的一組傳感器模塊支持32個傳感器。
實施例11上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的單片微處理器是節(jié)點的核心，它控制著節(jié)點所有的活動。根據(jù)不同的應(yīng)用，節(jié)點大體可分為兩類，一類直接和上位計算機相連，是網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點，另一類為普通的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。普通的節(jié)點其工作原理是系統(tǒng)上電后，初始化微處理器，設(shè)置定時器，關(guān)斷電源，然后使之進入低功耗模式；定時時間到，自動激活微處理器，微處理器啟動電源模塊，使其為整個系統(tǒng)供電；微處理器初始化無線收發(fā)模塊使之工作在接收模式，檢測是否有信號，如沒有信號，則微處理器開定時器，關(guān)斷電源，進入低功耗模式，如果有信號則接收、存儲數(shù)據(jù)；微處理器根據(jù)信號的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，使能各個傳感器模塊，采集相關(guān)的環(huán)境信息，存儲采集的信息；微處理根據(jù)一定的算法處理接收到的數(shù)據(jù)和自己采集的環(huán)境信息，再按照一定的路由協(xié)議將得到的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)；微處理器開定時器，關(guān)斷電源，進入低功耗模式。根節(jié)點直接和上位機相連，首先是接受計算機的命令，然后按照上位機給出的路由算法向自己附近的節(jié)點發(fā)送命令，然后等待網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點反饋回所需要的信息，共給上位計算機使用。
權(quán)利要求1.一種微型超低功耗智能無線傳感器，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼內(nèi)的模板，其特征是所述的模板上裝有主控模塊、無線傳輸模塊、存儲模塊及數(shù)據(jù)接口模塊，所述的模板通過接口與傳感器模板相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超低功耗智能無線傳感器，其特征是所述的主控模塊通過數(shù)據(jù)總線與無線傳輸模塊、存儲模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接口模塊相連接，所述的數(shù)據(jù)接口模塊與電源管理模塊相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超低功耗智能無線傳感器，其特征是所述的主控模塊包括單片微控制器U1和LED狀態(tài)指示單元，所述的狀態(tài)指示單元的三個LED分別和所述的單片微控制器U1相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超低功耗智能無線傳感器，其特征是所述的無線傳輸模塊包括單片無線收發(fā)器U2和環(huán)形PCB天線F1，所述的無線收發(fā)模塊通過數(shù)據(jù)總線與所述的主控模塊的單片微控制器U1相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超低功耗智能無線傳感器，其特征是所述的傳感器模板上裝有傳感器模塊，所述的傳感器模塊包括噪聲采集單元、溫度采集單元、光強采集單元、磁力采集單元、加速度采集單元、放大電路和電子開關(guān)，所述的可采集外界噪聲的麥克M0的噪聲采集單元與放大器U6連接，所述的放大器U6與接口J6相連接；所述的溫度采集單元中的集成溫度傳感器U7與所述的接口J6相連接；所述的光強采集單元中的光敏電阻RT1與所述的接口J6相連接；所述的磁力采集單元中的雙軸磁力傳感器U9與放大器U10相連接，所述的放大器U10與接口J6相連接；所述的加速度采集單元中的加速度傳感器U8與所述的接口J6相連接，所述的接口J6與所述的單片微處理器U1相連接，所述的主控模塊1中的接口J1與接口J5相連接，所述的單片微處理器U1和所述的接口J1相連接，所述的接口J6與接口J2相連接，所述的接口J6與所述的傳感器板相連接，所述的接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分別與所述的微控制器板及所述的傳感器板相連接，所述的傳感器板上的電子開關(guān)U5分別與接口J11、接口J5相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超低功耗智能無線傳感器，其特征是所述的數(shù)據(jù)接口模塊中的JTAG接口J3與所述的單片微控制器U1相連接，所述的單片微控制器U1通過接口J4和上位機的UART串行數(shù)據(jù)接口連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超低功耗智能無線傳感器，其特征是所述的存儲模塊中的數(shù)據(jù)存儲器U3通過SPI接口與所述的單片微處理器U1相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超低功耗智能無線傳感器，其特征是所述的電源管理模塊3中的電源管理芯片U4與所述的單片微處理器U1相連接。
專利摘要微型超低功耗智能無線傳感器。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器一般由電池供電，而且傳感器數(shù)量大、分布范圍廣，需要分布在各種各樣不同的環(huán)境中，如敵對區(qū)域、危險區(qū)域或無人區(qū)域，在這些環(huán)境中，傳感器維護十分困難甚至不可維護。因此能夠長期在不同環(huán)境下工作的微型傳感器是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。本實用新型的微型超低功耗智能無線傳感器，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼內(nèi)的模板7，所述的模板上裝有主控模塊1、無線傳輸模塊2、存儲模塊3及數(shù)據(jù)接口模塊6，所述的模板7通過接口9與傳感器模板8相連接。本產(chǎn)品用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。
文檔編號G08C17/02GK2748993SQ200420063708
公開日2005年12月28日 申請日期2004年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月4日
發(fā)明者李建中, 李金寶 申請人:黑龍江大學(xué), 哈爾濱工業(yè)大學(xué)