專利名稱：一種用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集裝置，尤其涉及一種用于惡劣環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)采集裝置，采集外部傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的需求，人們?cè)O(shè)想如果從信息流通的角度將RFID技術(shù)、WSN 技術(shù)、GPS技術(shù)、數(shù)字地球技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)，就能夠?qū)⒒ヂ?lián)網(wǎng)的覆蓋范圍從“人”擴(kuò)大到“物”，就能夠通過(guò)RFID技術(shù)、WSN技術(shù)與GPS技術(shù)采集和獲取有關(guān)物流的信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)世界范圍內(nèi)的物流信息的快速、準(zhǔn)確識(shí)別與全程跟蹤，這種技術(shù)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在許多領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)之所以會(huì)有如此廣泛的市場(chǎng)，主要是由于它可以對(duì)“物”進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)和控制，從而使人們的生活真正的達(dá)到智能化，提高人們的生活質(zhì)量。傳感器數(shù)據(jù)采集裝置是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)十分重要的部分，它是將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行儲(chǔ)存或者發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理。例如大型建筑工程的監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置。通常的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置包括用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?hào)的傳感器信號(hào)采集單元，用于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理、儲(chǔ)存的微處理器單元，以及用于將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)單元。為了保護(hù)傳感器數(shù)據(jù)采集裝置中各種電子部件，通常將整個(gè)裝置封裝在一個(gè)容器內(nèi)(例如箱或盒)。隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，部分傳感器數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)收發(fā)單元已經(jīng)采用了無(wú)線通信方式。采用無(wú)線收發(fā)模塊來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集裝置與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，可以較有效地解決數(shù)據(jù)采集裝置的便攜性問(wèn)題，也可以在一定程度上提高封裝數(shù)據(jù)采集裝置的容器的密閉性，使整個(gè)裝置的安全和使用壽命得以提高。目前的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的傳感器信號(hào)采集單元與外部傳感器之間的連接還是采用常規(guī)的有線方式，這種有線連接的方式影響了封裝容器的密閉性。在一些惡劣環(huán)境條件下， 例如水下、沙漠、腐蝕性氣體等，不能完全密封的容器會(huì)使其中的電子元件容易損壞，整個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的安全性、可靠性及使用壽命均會(huì)大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù)采集裝置由于無(wú)法完全密封而導(dǎo)致的安全性、可靠性差的問(wèn)題，提供一種用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置。本發(fā)明的思路是通過(guò)RFID (Radio Frequency Identification ；即射頻識(shí)別)技術(shù)使傳感器信號(hào)采集模塊與外部傳感器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線供能及無(wú)線信號(hào)傳輸，從而解決上述技術(shù)問(wèn)題。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線系統(tǒng)，由一個(gè)詢問(wèn)器(或閱讀器、讀卡器)和很多應(yīng)答器(或標(biāo)簽)組成。RF技術(shù)利用無(wú)線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向傳輸數(shù)據(jù)，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。RFID標(biāo)簽俗稱電子標(biāo)簽，也稱應(yīng)答器(tag，transponder, responder)，根據(jù)工作方式可分為主動(dòng)式(有源)和被動(dòng)式(無(wú)源) 兩大類，有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，無(wú)源射頻標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池。對(duì)于有源電子標(biāo)簽來(lái)說(shuō)， 根據(jù)標(biāo)簽內(nèi)裝電池供電情況不同又可細(xì)分為有源電子標(biāo)簽(Active tag)和半無(wú)源電子標(biāo)簽Gemi—passive tag)。被動(dòng)式RFID標(biāo)簽由標(biāo)簽芯片和耦合元件(天線或線圈)組成， 利用電感耦合或電磁反向散射耦合原理實(shí)現(xiàn)與讀寫器之間的通訊。RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)一個(gè)唯一編碼，通常為64bits、96bits甚至更高，其地址空間大大高于條碼所能提供的空間，因此可以實(shí)現(xiàn)單品級(jí)的物品編碼。當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的作用區(qū)域，就可以根據(jù)電感耦合原理(近場(chǎng)作用范圍內(nèi))或電磁反向散射耦合原理(遠(yuǎn)場(chǎng)作用范圍內(nèi))在標(biāo)簽天線兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差，并在標(biāo)簽芯片通路中形成微弱電流，如果這個(gè)電流強(qiáng)度超過(guò)一個(gè)閾值，就將激活RFID標(biāo)簽芯片電路工作，從而對(duì)標(biāo)簽芯片中的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作，微控制器還可以進(jìn)一步加入諸如密碼或防碰撞算法等復(fù)雜功能。讀卡器也稱閱讀器、詢問(wèn)器、(reader, interrogator),是對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫操作的設(shè)備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號(hào)處理單元兩部分。讀卡器是RFID系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，一方面，RFID標(biāo)簽返回的微弱電磁信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)入讀卡器的射頻模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)讀寫器的數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)其進(jìn)行必要的加工整形，最后從中解調(diào)出返回的信息，完成對(duì)RFID標(biāo)簽的識(shí)別或讀/ 寫操作。讀卡器和RFID標(biāo)簽之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時(shí)讀卡器通過(guò)耦合給無(wú)源RFID標(biāo)簽提供能量和時(shí)序。具體而言，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，包括信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊，以及為整個(gè)裝置提供電能的電源模塊；所述信號(hào)采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，并將信號(hào)傳輸給所述微處理器模塊，微處理器模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)所述無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送；所述信號(hào)采集模塊包括多個(gè)信號(hào)發(fā)送端和一個(gè)信號(hào)接收端，所述信號(hào)發(fā)送端包括信號(hào)調(diào)理電路和被動(dòng)式RFID標(biāo)簽，所述信號(hào)接收端包括一 RFID讀卡器，RFID 讀卡器的輸出端與所述微處理器模塊連接；RFID讀卡器與所述微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。進(jìn)一步地，所述電源模塊為一無(wú)線供電裝置的受電端，包括依次連接的耦合元件、 整流電路及DC-DC轉(zhuǎn)換電路。本發(fā)明通過(guò)將信號(hào)采集模塊分為信號(hào)發(fā)送端和信號(hào)接收端兩部分，信號(hào)發(fā)送端與外部傳感器連接采集傳感器信號(hào)，信號(hào)接收端與微處理器模塊連接并一起封裝于密閉容器內(nèi)，信號(hào)發(fā)送端與信號(hào)接收端之間通過(guò)RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線的數(shù)據(jù)交換及供能。進(jìn)一步通過(guò)將無(wú)線供電裝置的受電端作為整個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，而由外部的無(wú)線供電裝置的供電端對(duì)其進(jìn)行無(wú)線供電，使整個(gè)裝置不需要更換電池，進(jìn)一步提高了裝置的安全可靠性。


圖1為本發(fā)明傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明電源模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，如附圖1所示，包括信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊，以及為整個(gè)裝置提供電能的電源模塊；所述信號(hào)采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，并將信號(hào)傳輸給所述微處理器模塊，微處理器模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)所述無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送；所述信號(hào)采集模塊包括多個(gè)信號(hào)發(fā)送端和一個(gè)信號(hào)接收端，所述信號(hào)發(fā)送端包括信號(hào)調(diào)理電路和被動(dòng)式RFID標(biāo)簽，所述信號(hào)接收端包括一 RFID讀卡器，RF讀卡器的輸出端與所述微處理器模塊連接；RFID讀卡器與所述微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。如圖1所示，本發(fā)明的信號(hào)采集模塊包括獨(dú)立的兩部分，即信號(hào)發(fā)送端和信號(hào)接收端，每一個(gè)信號(hào)發(fā)送端均包括信號(hào)調(diào)理電路及與信號(hào)調(diào)理電路連接的被動(dòng)式RFID標(biāo)簽 (即無(wú)源射頻卡)，信號(hào)調(diào)理電路與傳感器有線連接，將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)RFID標(biāo)簽存儲(chǔ)并無(wú)線發(fā)送。為了便于安裝，信號(hào)調(diào)理電路的輸入端設(shè)有數(shù)據(jù)接口，以供連接傳感器。信號(hào)接收端包括一 RFID讀卡器，讀卡器的輸出端與微處理器模塊連接。傳感器的數(shù)據(jù)傳送到射頻卡上，通過(guò)射頻的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)和能量的傳輸。射頻卡與讀卡器之間根據(jù)電磁感應(yīng)原理，傳遞能量；利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)非接觸信息、能量傳遞，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換目的。由于射頻卡與讀卡器之間無(wú)需有線連接，因此信號(hào)接收端可與微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。由于無(wú)源射頻卡的能量傳輸距離相對(duì)較近，為了保證信號(hào)發(fā)送端與信號(hào)接收端之間的信號(hào)和能量傳輸穩(wěn)定，密閉容器的外壁上設(shè)置有多個(gè)用于固定所述信號(hào)發(fā)送端的固定機(jī)構(gòu)，本發(fā)明采用與信號(hào)發(fā)送端的尺寸相適應(yīng)的插槽，信號(hào)發(fā)送端可固定于插槽內(nèi)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線接口與傳感器連接。由于每一個(gè)RFID標(biāo)簽均有一個(gè)唯一的編碼，因此可通過(guò)該編碼來(lái)識(shí)別與該RFID標(biāo)簽連接的傳感器，從而實(shí)現(xiàn)在需要的時(shí)刻隨時(shí)選擇接收任意傳感器的數(shù)據(jù)。所述電源模塊為整個(gè)裝置供電，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集裝置通常采用干電池或充電電池，當(dāng)電池電量耗光時(shí)，需要打開密封容器進(jìn)行電池更換或?qū)﹄姵爻潆?，從而影響整個(gè)裝置的密閉性。本發(fā)明采用無(wú)線供電的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，電源模塊為一無(wú)線供電裝置的受電端，包括依次連接的耦合元件、整流電路及DC-DC轉(zhuǎn)換電路。所述無(wú)線供電裝置可以是基于射頻的無(wú)線供電裝置、基于超聲波的無(wú)線供電裝置或者其它現(xiàn)有的各種無(wú)線供電裝置。 本發(fā)明所采用的無(wú)線供電裝置如附圖2所示，包括受電端和供電端。其中供電端包括依次連接的直流電源、橋式逆變器及主線圈；受電端包括依次連接的副線圈、整流器及DC-DC轉(zhuǎn)換器。逆變器將直流電源提供的直流電流轉(zhuǎn)換為特定頻率的交變電流并傳輸至主線圈，并通過(guò)主線圈產(chǎn)生該特定頻率的交變磁場(chǎng)；副線圈在主線圈的交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，并通過(guò)整流器將感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為直流電流，并經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為符合負(fù)載(即本發(fā)明裝置中的其它部件)要求的直流電流。該電源模塊與微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、信號(hào)采集的接收端相連，為其提供電能。同樣被封裝在所述密閉容器的內(nèi)部。所述微處理器模塊采用ARM 9微處理器，綜合處理數(shù)據(jù)以及控制系統(tǒng)的流程。連接信號(hào)采集模塊、無(wú)線收發(fā)模塊，控制信號(hào)的接收和發(fā)送。其工作流程是處理器在一定的時(shí)間間隔內(nèi)需要采集數(shù)據(jù)，通過(guò)信號(hào)采集模塊向傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，傳感器反饋數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)在射頻卡內(nèi)，然后由讀卡器讀取數(shù)據(jù)并傳輸給微處理器。微處理對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且可以通過(guò)與之相連的無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控平臺(tái)，以便監(jiān)控人員進(jìn)行分析、判斷。無(wú)線傳輸模塊可以采用現(xiàn)有的各種無(wú)線收發(fā)模塊。本發(fā)明采用能耗較低的Zigbee 無(wú)線收發(fā)模塊。經(jīng)過(guò)微處理器處理之后的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送到相應(yīng)的外部節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可以接收其他該裝置發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線控制。本發(fā)明的用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置可以分為兩部分，一部分完全封裝在密閉容器內(nèi)部，這部分包括Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊、微處理器模塊、一無(wú)線供電裝置的受電端(即電源模塊)，以及信號(hào)采集模塊中的信號(hào)接收端；另一部分則是暴露在外部的信號(hào)采集模塊中的信號(hào)接收端。由于采用了無(wú)線方式的信號(hào)和能量傳輸，密閉容器的密封性得到了充分保證，不會(huì)和外界有接觸，因此可在惡劣環(huán)境條件下保證容器內(nèi)各部件的安全性和使用壽命。同時(shí)多個(gè)信號(hào)發(fā)送端在正常工作時(shí)均固定在密閉容器外壁的插槽內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)、能量的穩(wěn)定傳遞，而在必要的時(shí)候，可以很方便地取下，從而保證了整個(gè)裝置的移動(dòng)便攜性。
權(quán)利要求
1.一種用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，包括信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊，以及為整個(gè)裝置提供電能的電源模塊；所述信號(hào)采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，并將信號(hào)傳輸給所述微處理器模塊，微處理器模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)所述無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送；其特征在于，所述信號(hào)采集模塊包括多個(gè)信號(hào)發(fā)送端和一個(gè)信號(hào)接收端，所述信號(hào)發(fā)送端包括信號(hào)調(diào)理電路和被動(dòng)式RFID標(biāo)簽，所述信號(hào)接收端包括一 RFID讀卡器，RFID讀卡器的輸出端與所述微處理器模塊連接；RFID讀卡器與所述微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，所述電源模塊為一無(wú)線供電裝置的受電端，包括依次連接的耦合元件、整流電路及DC-DC轉(zhuǎn)換電路。
3.如權(quán)利要求1所述傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，所述密閉容器外壁上設(shè)置有多個(gè)用于固定所述信號(hào)發(fā)送端的固定機(jī)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，所述固定機(jī)構(gòu)為與所述信號(hào)發(fā)送端的尺寸相適應(yīng)的插槽。
5.如權(quán)利要求1所述傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，所述無(wú)線收發(fā)模塊為Zigbee 無(wú)線收發(fā)模塊。
6.如權(quán)利要求1所述傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理電路的輸入端設(shè)置有用于連接傳感器的數(shù)據(jù)接口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置包括信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊，以及為整個(gè)裝置提供電能的電源模塊；信號(hào)采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，并將信號(hào)傳輸給所述微處理器模塊，微處理器模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送；信號(hào)采集模塊包括多個(gè)信號(hào)發(fā)送端和一個(gè)信號(hào)接收端，信號(hào)發(fā)送端包括信號(hào)調(diào)理電路和被動(dòng)式RFID標(biāo)簽，信號(hào)接收端包括一RFID讀卡器，RFID讀卡器的輸出端與微處理器模塊連接；RFID讀卡器與微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。進(jìn)一步地，該裝置的電源模塊為一無(wú)線供電裝置的受電端，通過(guò)外部無(wú)線供電。本發(fā)明具有安全可靠、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102184627SQ20111010056
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者孫樂(lè)樂(lè), 李孝嗣, 袁家斌 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)