專利名稱：低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置的制作方法
技術領域：
低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置
技術領域：
本實用新型涉及自動測試系統和遙感監(jiān)測領域，包括控制器、可程控激勵源和測量單元，以及無線收發(fā)單元，用于人工難以完成或要求沒有人為干預的實時、快速、多通道、 多參數測量，以及大量重復的綜合測試和數據采集與處理的場合；尤其涉及環(huán)境參數的在線實時測試和自組網無線傳輸信息，特別是涉及通過Z-Wave網絡實現一氧化碳和溫度、濕度的遙程感知監(jiān)測。
背景技術：
本實用新型涉及的物理量，是指電壓、電流、耗用的電能、門磁開關、流量、壓力、重量，以及三軸角速度和陀螺儀等，尤其是環(huán)境參數，包括被監(jiān)測地的氣溫、濕度、氧含量和放射線強度，以及散布于空氣中的各種有害氣體濃度，例如一氧化碳、甲醛和硫化氫，還有各種放射性塵埃的濃度，例如碘-131。所述這些有害氣體和放射性塵埃過高的濃度嚴重威脅人們的健康和生命安全，在人民生活和工業(yè)生產實踐中，實時、快速地監(jiān)測這些物理量的數值并將它們準確、可靠地傳送至本地電腦，進而至遠方電腦貯存和進行分析判斷，是十分必要的。Z-Wave是一種低速率、短距離的無線通信新技術，由丹麥公司knsys所一手主導的無線組網規(guī)格，其核心微控制器采用六倍速8051系列的架構，搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM，使用的路由協議是Source Routing，是鎖定家庭自動化平臺的一種無線技術。Z-Wave具有低成本、低功耗、高可靠性、傳輸穩(wěn)定性好、實時性好、能隨其網絡調整而迅速調整、網絡適應性較強，方便進行產品安裝的特點。Z-Wave非常適于在城鄉(xiāng)家庭，實驗室，農業(yè)大棚，部分工業(yè)場合等領域中使用?，F有技術物理量監(jiān)測多采用基于現場總線的監(jiān)測裝置，存在可移動性差、鋪設線纜困難、線纜容易扯斷等不足，特別是當用來檢測危險場所時，存在安全隱患。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在于避免上述現有技術的不足之處而提供一種低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，用于監(jiān)測并遠程傳送該裝置所在地的環(huán)境參數，尤其是，該裝置包括物理量采集處理單元、Z-wave核心單元、聲光報警單元、直流供電源、存儲器單元、編程接口及射頻天線和匹配電路；所述Z-wave核心單元借助通用I/O接口分別與物理量采集處理單元、射頻天線和匹配電路、存儲器單元及編程接口實現雙向連接，所述編程接口與存儲器單元采用SPI接口實現雙向連接，Z-wave核心單元的輸出端與聲光報警單元的輸入端相連接；所述直流供電源為Z-wave核心單元提供合適電壓的穩(wěn)定電源。所述Z-wave核心單元20采用第三代Z-wave模組ZM3102N，模組軟件系統版本為 4. 52。所述Ziave核心單元20的硬件電路兼容第四代Ziave模組ZM4102。所述物理量采集處理單元10與Z-wave核心單元20之間借助SPI接口進行數據通信及命令控制。所述SPI接口是三線制的，包括SCK/SD0/SDI三線。所述Z-wave核心單元20為SPI主端，物理量采集處理單元10為SPI從端。所述直流供電源40是兩路電源任擇其一的供電方式，一路為5. OV的標準迷你型 USB接口供電，另一路為三節(jié)乾電池串聯的4. 5V供電。所述直流供電源40提供LDO方式的3. 3V穩(wěn)定電壓，即由微型USB接口取得5. OV 電壓，經E1-FB3和C9C10高頻濾波網絡，再經C1-FB2高頻濾波節(jié)，或直接從乾電池組經高頻扼流圈FBl獲得4. 5V電壓后，再經Ul穩(wěn)壓集成電路及其輸出端的C4-C5和C7濾波電容而獲得穩(wěn)定、純凈的3. 3V電壓。所述射頻天線和匹配電路70中的射頻天線是集成在印刷電路板上的微型平面天線。所述射頻天線和匹配電路70中所需頻點的輸出阻抗為50 Ω。所述存儲器單元50是電可擦除可編程只讀存儲器E2PROM或者是內含閃存介質的快閃存儲器Flash ROM。同現有技術相比較，本實用新型低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置之有益效果在于通過對Z-Wave模組的無線遠程操作從而實現了本地和遠程對該模組所在地物理量的監(jiān)測。所述裝置可應用于城鄉(xiāng)家庭，實驗室，農業(yè)大棚，部分工業(yè)場合等領域，具有低功耗、低成本、可用乾電池組供電，使用壽命長，以及體積小巧、安裝簡單、可以集成到需要一氧化碳濃度和溫度監(jiān)測的無線網絡系統之中，也可以單獨應用于需要一氧化碳濃度和溫度監(jiān)測的無線系統的特點。
圖1是本實用新型遙感監(jiān)測物理量的裝置之系統結構原理框圖；圖2是所述遙感監(jiān)測物理量的裝置之Z-wave核心單元組成的原理框圖；圖3是所述遙感監(jiān)測物理量的裝置之軟件系統流程圖；圖4-1是Z-wave模組及其射頻天線和匹配網絡之電原理圖；圖4-2A，圖4-2B和圖4-2C是直流供電源電原理圖；圖4-3是E2PROM編程器接口電原理圖；圖4-4是系統編程器接口和一氧化碳濃度及溫度、濕度傳感器接口電原理圖。
具體實施方式
下面以本實用新型第一實施例，一種低功耗自組網遙感監(jiān)測一氧化碳CO的裝置為例，對本實用新型作進一步詳細說明。第一實施例如圖1至圖3所示，一種低功耗自組網遙感監(jiān)測CO的裝置，用于監(jiān)測并遠程傳送該裝置所在地的一氧化碳氣體濃度，該裝置包括物理量采集處理單元10、ζ-wave核心單元 20、聲光報警單元30、直流供電源40、E2PROM存儲單元50、編程接口 60及射頻天線和匹配電路70。所述Z-wave核心單元20借助通用I/O接口分別與物理量采集處理單元10、射頻天線和匹配電路70、E2PR0M存儲單元50和編程接口 60實現雙向連接；所述編程接口 60 與E 2PROM單元50之間采用SPI接口實現雙向連接；所述Z-wave核心單元20的輸出端與聲光報警單元30的輸入端相連接；所述直流供電源40為Z-wave核心單元20供電。本裝置各組成單元結構緊湊，有機地組合在一塊印刷電路板上，布局合理，將外部和自身產生的 EMI (電磁干擾)降到最低。所述物理量采集處理單元10包括一氧化碳濃度智能傳感器，采用兩極式電化學檢測原理的CO感知器，在0 IOOOppm濃度下，輸出電流的分辨率為1. 2-2. 4nA/ppm,經過采樣、放大、A/D轉換等一系列由微處理器所做的處理，采用3線制SPI通信；Z-Wave系統是SPI主機，CO模塊是SPI從機。一氧化碳濃度智能傳感器完成CO的濃度監(jiān)測及其報警輸出，一旦達到規(guī)定濃度即有聲光報警。它與Z-Wave模組是通過三線SPI接口、MIS0、 MOSI和SCLK，再加上片選信號EE_CS，與主控電路完成通信功能，輸出CO的濃度數值，單位是PPm(百萬分之一)。報警指示可以按照用戶的要求來定制。目前的報警提示是以5秒鐘為周期，一級報警為閃1下，二級報警為閃4下，以降低工作電流，所述E2PROM存儲單元50采用含閃存介質的PR0M，主要功能是貯存Z-Wave系統的配置參數、路由表、HOMEID和一部分Z-Wave協議數據；初始文件通過編程接口 60燒錄。所述Z-wave核心單元20采用了第三代Z-wave模組ZM3102N，模組軟件系統版本為4. 52。其主要功能是作為主控微處理器，完成Z-Wave的網絡系統節(jié)點加入、移除、數據接收、數據發(fā)送、異常處理和電源管理等功能。如圖2所示，所述Z-wave核心單元20主要組成包含專用ZW0301集成電路，該集成電路包含了 8051W微處理器、32KB閃存、專用寄存器、電源管理、中斷控制器、(2KB+256B) SRAM、SPI/UART接口、可控硅控制器和通用I/O接口等部分組成。在ZW0301的外圍還有去耦電路、32MHz晶體、射頻濾波電路和射頻前端匹配電路等構成了該系統的核心模組。Ziave核心單元20硬件設計上兼容了第四代Zwave模組ZM4102。物理量采集處理單元10與Z-wave核心單元20采用SPI接口進行數據通信及命令控制。所述SPI接口為三線制SPI。[0035]所述Z-wave核心單元20為SPI主端，物理量采集處理單元10為SPI從端。如圖4-1，圖4-2A，圖4-2B，圖4-2C，圖4_3及圖4_4所示，所述直流供電源40是兩路電源任擇其一的供電方式，一路為5. OV的標準微型USB接口供電，另一路為三節(jié)干電池串聯的4. 5V供電。所述直流供電源40提供LDO方式的3. 3V穩(wěn)定電壓，即由微型USB接口取得5. OV 電壓，經E1-FB3和C9C10高頻濾波網絡，再經C1-FB2高頻濾波節(jié)，或直接從乾電池組經高頻扼流圈FBl獲得4. 5V電壓后，再經Ul穩(wěn)壓集成電路及其輸出端的C4-C5和C7濾波電容而獲得穩(wěn)定、純凈的3. 3V電壓。所述射頻天線和匹配電路70中的射頻天線是集成在印刷電路板上的微型平面天線。所述射頻天線和匹配電路70中所需頻點的輸出阻抗為50 Ω。所述存儲器單元50是電可擦除可編程只讀存儲器E2PROM或者是內含閃存介質的快閃存儲器Flash ROM。圖3是本實用新型的軟件系統工作流程圖。如該圖所示，測量一氧化碳濃度程序主要包含硬件初始化ApplicationlnitHW、軟件初始化ApplicationlnitSW、讀
5取一氧化碳數據Read、加入與移除網絡、主循環(huán)ApplicationPol 1、命令數據幀傳輸 ApplicationCommandHandler等。程序設置串口打印信息，以便于程序調試。一氧化碳程序通過定時器中斷調取，程序可工作在正常模式與低功耗模式下。系統開始復位初始化，硬件電路外部輸入按鍵初始化，設置與外部一氧化碳模組 SPI接口電路，軟件初始化串口波特率，設置系統軟件參數，開啟定時器檢測輸入按鍵，判斷程序預設置的電源工作條件，在電池工作狀態(tài)下，如果喚醒定時器喚醒時間到，導入默認休眠時間，工作在休眠狀態(tài)時功耗最小，更新網絡喚醒次數。如果是按鍵復位，則設置初始化的休眠時間，開始喚醒定時器功能。如果當前狀態(tài)不是開始喚醒狀態(tài)，則進入空閑狀態(tài)。如果在外部電源時，將啟動網絡更新定時器，每分鐘更新一次。進入主循環(huán)。如果沒有加入網絡，則進入路由學習模式，如果有按鍵按下，則停止學習，進入空閑狀態(tài)，如果已經加入網絡，直接進入空閑狀態(tài)，如果下一狀態(tài)忙時，則送給當前狀態(tài)處理， 下一狀態(tài)變?yōu)榭臻e狀態(tài)，如果當前和下一狀態(tài)都空閑，進入按鍵檢測狀態(tài)，如果短時間按按鍵，則進入開始喚醒狀態(tài)，在按鍵檢測狀態(tài)，如果快速按輸入按鍵則可加入或移除網絡，短按一次鍵可復位初始化，如果沒有按鍵等外部命令，則是否有應用命令請求，如果定時喚醒時間到，則進入復位初始化。一氧化碳模塊的程序通過定時器調用，讀取數據存入讀/寫存儲器RAM中。第二實施例本實用新型的第二實施例為一種低功耗自組網遙感監(jiān)測溫度和濕度的裝置，包括物理量采集處理單元10、z-wave核心單元20、聲光報警單元30、直流供電源40、E2PROM存儲單元50、編程接口 60及射頻天線和匹配電路70。在該實例中，所述物理量采集處理單元 10采用溫度和濕度智能模塊，該模塊采用了法國HUMIREL公司的HTG3833CH模組，溫度和濕度模塊采用了自定義的1 接口，其余部分與本實用新型的第一實施例相同。通過以上對一氧化碳濃度和溫度、濕度等物理量的遙感采集監(jiān)測，同樣也可以實現對更多物理量的采集監(jiān)測的擴展，比如電壓、電流、功率，門磁開關，三軸角速度和陀螺儀，流量、壓力、重量等，采用相同的方法。以上所述實施方式僅表達了本實用新型的優(yōu)選實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制；應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍；因此，凡跟本實用新型權利要求范圍所做的等同變換與修飾， 均應屬于本實用新型權利要求的涵蓋范圍。
權利要求1.一種低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，用于監(jiān)測并遠程傳送該裝置所在地的環(huán)境參數，其特征在于包括物理量采集處理單元(10)、Z-Wave核心單元(20)、聲光報警單元 (30)、直流供電源(40)、存儲器單元(50)、編程接口(60)及射頻天線和匹配電路(70)；所述Z-wave核心單元00)借助通用I/O接口分別與物理量采集處理單元(10)、射頻天線和匹配電路(70)、存儲器單元(50)及編程接口(60)實現雙向連接；所述編程接口(60)與存儲器單元(50)之間采用SPI接口實現雙向連接；所述Z-wave核心單元Q0)的輸出端與聲光報警單元(30)的輸入端相連接；所述直流供電源GO)為Z-wave核心單元Q0)提供合適電壓的穩(wěn)定電源。
2.根據權利要求1所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述 Z-wave核心單元O0)采用第三代Z_wave模組ZM3102N。
3.根據權利要求2所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述 Z-wave核心單元QO)的硬件電路兼容第四代Z-wave模組ZM4102。
4.根據權利要求1所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述物理量采集處理單元(10)與Z-wave核心單元Q0)之間借助SPI接口進行數據通信及命令控制。
5.根據權利要求4所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征是所述SPI 接口是三線制的，包括SCK/SD0/SDI三線。
6.根據權利要求4所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述 Z-wave核心單元O0)為SPI主端，物理量采集處理單元(10)為SPI從端。
7.根據權利要求1所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述直流供電源GO)是兩路電源任擇其一的供電方式，一路為5. OV的標準微型USB接口供電，另一路為三節(jié)乾電池串聯的4. 5V供電。
8.根據權利要求7所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述直流供電源G0)提供LDO方式的3. 3V穩(wěn)定電壓，即由微型USB接口取得5. OV電壓，經E1-FB3 和C9C10高頻濾波網絡，再經C1-FB2高頻濾波節(jié)，或直接從乾電池組經高頻扼流圈FBl獲得4. 5V電壓后，再經Ul穩(wěn)壓集成電路及其輸出端的C4-C5和C7濾波電容而獲得穩(wěn)定、純凈的3. 3V電壓。
9.根據權利要求1所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述射頻天線和匹配電路(70)中的射頻天線是集成在印刷電路板上的微型平面天線。
10.根據權利要求9所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述射頻天線和匹配電路(70)中所需頻點的輸出阻抗為50Ω。
11.根據權利要求1所述的低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，其特征在于所述存儲器單元(50)是電可擦除可編程只讀存儲器E2PROM或者是內含閃存介質的快閃存儲器 Flash ROM。
專利摘要低功耗自組網遙感監(jiān)測物理量的裝置，用于監(jiān)測并遠程傳送該裝置所在地的環(huán)境參數，尤其是，該裝置包括物理量采集處理單元(10)、Z-wave核心單元(20)、聲光報警單元(30)、直流供電源(40)、存儲器單元(50)、編程接口(60)及射頻天線和匹配電路(70)；所述Z-wave核心單元(20)借助通用I/O接口分別與物理量采集處理單元(10)、射頻天線和匹配電路(70)、存儲器單元(50)和編程接口(60)實現雙向連接；所述編程接口(60)與存儲器單元(50)之間采用SPI接口實現雙向連接；所述Z-wave核心單元(20)的輸出端與聲光報警單元(30)的輸入端相連接；所述直流供電源(40)給Z-wave核心單元(20)供電。所述裝置具有低功耗、低成本、可用干電池組供電，以及使用壽命長、體積小巧、安裝簡單和適用領域廣闊等優(yōu)點。
文檔編號G08C17/02GK202189453SQ20112014481
公開日2012年4月11日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權日2011年5月6日
發(fā)明者姜國銀, 田周和 申請人:深圳清華大學研究院