專利名稱：測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種低功耗溫度測量裝置，尤其涉及一種通過對熱電偶輸出信 號的采集處理，以實現(xiàn)溫度測量及測量結(jié)果的無線傳輸?shù)臏y量溫度的低功耗無 線傳感器節(jié)點。
技術(shù)背景目前工業(yè)現(xiàn)場溫度采集系統(tǒng)所使用的溫度信號采集裝置多種多樣，有相當(dāng)一部分溫度信號測量單元都是有線方式(如CAN總線等)，將測量信號發(fā)送到 控制中心。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，使得有線信號傳輸方式的溫度測量單元的 安裝繁瑣、維護(hù)困難、成本過高，特別是還可能存在著一些無法布線的測點， 不能安裝溫度測量單元，造成測量盲區(qū)。隨著嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技 術(shù)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器技術(shù)憑著節(jié)點體積小、安裝方便、節(jié)能 等優(yōu)點，在狀態(tài)檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在這一新技術(shù)的支持下，便可 對現(xiàn)有的溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與革新。為了充分發(fā)揮溫度無線傳感系統(tǒng)安裝 方便的優(yōu)勢，無線傳感器節(jié)點需要用電池供電，為了避免頻繁地為傳感器節(jié)點 更換電池，傳感器節(jié)點的節(jié)能設(shè)計是系統(tǒng)要解決的一個關(guān)鍵問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而研制的一種適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場溫度采集的， 由電池供電，通過熱電偶測量測點溫度，并將測量數(shù)據(jù)通過微功耗無線通信單元進(jìn)行無線傳輸?shù)牡凸臒o線傳感器節(jié)點。本發(fā)明所采用的技術(shù)手段如下一種測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點，包括熱電偶傳感器組，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微功耗微處理器、信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器、微功耗無線收發(fā)單元、模擬多路復(fù)用開關(guān)、電源模塊和ID配置單元；所述信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于完成溫度測量信號放大、冷端補(bǔ)償，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述微功耗無線收發(fā)單元，用于將微處理器處理后的溫度測量信號向外發(fā)送或接收外部控制信號；所述模擬多路復(fù)用開關(guān)，用于對熱電偶傳感器組輸入的信號進(jìn)行選擇輸出控制；所述電源模塊，包括電池和電源調(diào)理電路，電池輸出電壓經(jīng)電源調(diào)理電 路調(diào)整后向各單元輸送電壓；所述ID配置單元，用于設(shè)置該無線傳感器節(jié)點的 ID號及T畫A通信時隙號；所述微處理器從ID配置單元讀取該節(jié)點的ID號， 再通過微功耗無線收發(fā)單元接收外部控制信號，實現(xiàn)與無線接收節(jié)點的同步， 并獲取采樣周期信息，之后將微功耗無線收發(fā)單元置為睡眠狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能； 進(jìn)行溫度信號采集時，所述熱電偶傳感器組將采集到的模擬信號經(jīng)模擬多路復(fù) 用開關(guān)后，送入信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行處理，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳 送到微處理器中再次處理，后將溫度測量信號送至微功耗無線收發(fā)單元中，由 微功耗無線收發(fā)單元將測量信號在由ID配置單元指定的通信時隙內(nèi)，發(fā)送至外 部無線接收單元中，并將微功耗無線收發(fā)單元置為睡眠狀態(tài)，等待下一個采樣 周期的開始。所述各單元通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接。所述微功耗微處理器設(shè)有內(nèi)部存儲器，用于存儲熱電偶傳感器組中的各個 熱電偶傳感器溫度測量結(jié)果；當(dāng)熱電偶傳感器組中的所有溫度測量結(jié)果都存入 微處理器的內(nèi)部存儲器中后，微處理器將所述該節(jié)點的ID號和所有溫度測量結(jié) 果打包，送入微功耗無線收發(fā)單元中。還設(shè)模擬開關(guān)，連接在可控制模擬多路復(fù)用開關(guān)同電源模塊之間和信號處 理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器同電源模塊之間，由微處理器控制，在信號采樣間隔時間內(nèi)關(guān) 閉電源，實現(xiàn)節(jié)能操作；所述各器件進(jìn)行整體封裝，僅將微功耗無線收發(fā)單元 的天線和熱電偶傳感器組通過接線端子安置在封裝體外部。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié) 點，不但克服了目前基于有線信號傳輸?shù)臏囟炔杉髟诎惭b、維護(hù)等方面存在 的不足，還具有以下優(yōu)點1、利用模擬開關(guān)控制溫度信號采集單元的供電電源， 在采樣結(jié)束后將其關(guān)閉，可實現(xiàn)節(jié)能；2、溫度無線傳感器節(jié)點工作與無線接 收單元的通信基于TDMA方式，避免了節(jié)點間的通信沖突，可實現(xiàn)節(jié)能；3、 利用ID配置單元簡化了傳感器節(jié)點的TDMA時隙分配過程；4、利用熱電偶 和相應(yīng)的信號處理芯片，可實現(xiàn)高精度溫度測量；5、利用無線通信技術(shù)完成 測量數(shù)據(jù)的傳送，并且依靠電池供電，現(xiàn)場安裝無需鋪設(shè)導(dǎo)線，可以方便地安 裝在需要測量的位置，減少了安裝時間，節(jié)省了材料，降低了成本，提高了技 術(shù)含量；6、多個測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點通過軟件控制還能夠組織成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)大范圍監(jiān)測。所以，該測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點具有很大的應(yīng)用推廣價值。


圖1為本發(fā)明測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點的方框圖；圖2為本發(fā)明測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點的工作流程圖；圖1為本發(fā)明的說明書摘要附圖。圖中1、微處理器，2、信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器，3、微功耗無線收發(fā)單元， 4、熱電偶傳感器組，5、模擬多路復(fù)用開關(guān)，6、電源模塊，7、 ID配置單元，8、 模擬開關(guān)。
具體實施方式
如圖1所示， 一種測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點，包括熱電偶傳感器組4，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微處理器l、信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器2、微功耗無線收發(fā)單元3、模擬多路復(fù)用開關(guān)5、電源模塊6和ID配置單 元7;本實施例中的熱電偶傳感器組4以8路為例，其中模擬多路復(fù)用開關(guān)5 可為8路熱電偶分時提供與信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器2相連的信號通道；無線傳 感器節(jié)點的ID號由所述節(jié)點ID配置單元進(jìn)行設(shè)置；還設(shè)模擬開關(guān)8，連接在 可控制模擬多路復(fù)用開關(guān)5同電源模塊6之間和信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器2同電 源模塊6之間，由微處理器l控制；其中各器件進(jìn)行整體封裝，僅將微功耗無 線收發(fā)單元3的天線和熱電偶傳感器組4通過接線端子安置在封裝體外部。使用時利用熱電偶探測測點溫度，其輸出的表征溫度的模擬信號經(jīng)過模擬 多路復(fù)用開關(guān)5后送入信號處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器2中，完成信號放大、冷端補(bǔ)償 并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。微處理器1通過SPI總線接口從信號處理與模 數(shù)轉(zhuǎn)換器2處讀取測點的溫度值，并對獲取的溫度測量值進(jìn)行處理，補(bǔ)償由于 多路復(fù)用開關(guān)引入的偏差值，處理結(jié)果暫存于內(nèi)部存儲器內(nèi)，再將溫度測量結(jié) 果經(jīng)SPI總線接口送至無線收發(fā)模塊3，由無線收發(fā)模塊3最終將溫度測量結(jié) 果發(fā)送至無線數(shù)據(jù)接收單元。本實施例中最多可使用8只K型熱電偶，模擬多路復(fù)用開關(guān)5采用的是具有8 選1功能的74HC4051，信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器2是MAX6675，該芯片集成了K型 熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口等功能，具有很高的集成度，其 領(lǐng)醞范圍為(TC +1024t:， A/D轉(zhuǎn)換器為12位，可提^0.25。C的分辨率，可滿足工業(yè)現(xiàn)場對溫度測量精度的要求。微處理器1是TI的微功耗芯片MSP430F147，運(yùn)行溫度范 圍為-4(TC +85"C，適合于工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行，支持四種類型的低功耗工作模式，可滿 足無線傳感器節(jié)點節(jié)能的要求。微功耗無線收發(fā)單元3的核心芯片是Nordic的單片 433/868/915MHz ISM多頻段無線收發(fā)芯片nRF905，它利用SPI接口實現(xiàn)與 MSP430F147之間的雙向數(shù)據(jù)通信，射頻比特發(fā)送率為100kbps，實際數(shù)據(jù)發(fā)送 率為50kbps，滿足溫度測量應(yīng)用中對發(fā)送速率的要求。nRF905的無線收發(fā)功耗 很低，具有4種無線發(fā)射功率供用戶選擇，還可以工作于休眠狀態(tài)，非常適合于 微功耗的應(yīng)用場合。模擬開關(guān)8選用的是P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管Si2301。供 電單元采用規(guī)格為3.6V， 2.4Ah的一次性鋰電池，電池輸出電壓經(jīng)電壓調(diào)整芯片 TPS60101的處理，轉(zhuǎn)換為3.3V后供無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)使用。本發(fā)明測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點的具體工作流程如下，如圖2所 示系統(tǒng)上電，微處理器1首先從ID設(shè)置單元7處讀取自己的ID號和采樣周 期，然后進(jìn)入無線接收狀態(tài)，等待來自無線數(shù)據(jù)接收單元的信標(biāo)。在接收到信 標(biāo)后，微處理器1控制微功耗無線收發(fā)單元3進(jìn)入休眠狀態(tài)，并輸出電源開關(guān) 控制信號，打開模擬多路復(fù)用開關(guān)5和信號處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換器2的電源，輸出 通道選擇控制信號到多路復(fù)用開關(guān)5，循環(huán)選通連接至多路復(fù)用開關(guān)的8路熱 電偶，將選通的熱電偶的輸出信號送至信號處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，完成信號放 大、誤差補(bǔ)償，并將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。之后，微處理器1通過SPI總 線從信號處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換器2處讀取溫度測量結(jié)果，并對讀取的測量結(jié)果進(jìn)行 處理，消除由于模擬多路開關(guān)引入的測量誤差，獲取準(zhǔn)確的溫度信息，在其內(nèi) 部存儲器內(nèi)暫存。對8路熱電偶的一輪信號采集結(jié)束后，微處理器l便輸出電 源開關(guān)控制信號，關(guān)閉多路復(fù)用開關(guān)5和信號處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源2，將 自己的ID號和所有測點的測量結(jié)果打包。在通信時隙到達(dá)后，微處理器控1 制微功耗無線收發(fā)單元3進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，通過SPI總線接口將數(shù)據(jù)包傳送給微 功耗無線收發(fā)單元3，由微功耗無線收發(fā)單元3將測量結(jié)果發(fā)送至無線數(shù)據(jù)接 收單元。之后，無線傳感器節(jié)點進(jìn)入下采樣周期循環(huán)，重復(fù)上述工作流程。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本 發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點，包括熱電偶傳感器組(4)，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微處理器(1)、信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(2)、微功耗無線收發(fā)單元(3)、模擬多路復(fù)用開關(guān)(5)、電源模塊(6)和ID配置單元(7)；所述信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(2)，用于完成溫度測量信號放大、冷端補(bǔ)償，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述微功耗無線收發(fā)單元(3)，用于將微處理器處理后的溫度測量信號向外發(fā)送或接收外部控制信號；所述模擬多路復(fù)用開關(guān)(5)，用于對熱電偶傳感器組(4)輸入的信號進(jìn)行選擇輸出控制；所述電源模塊(6)，包括電池和電源調(diào)理電路，電池輸出電壓經(jīng)電源調(diào)理電路調(diào)整后向各單元輸送電壓；所述ID配置單元(7)，用于設(shè)置該無線傳感器節(jié)點的ID號及TDMA通信時隙號；所述微處理器從ID配置單元讀取該節(jié)點的ID號，再通過微功耗無線收發(fā)單元接收外部控制信號；節(jié)點進(jìn)行溫度信號采集時，所述熱電偶傳感器組將采集到的模擬信號經(jīng)模擬多路復(fù)用開關(guān)后，送入信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行處理，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送到微處理器中再次處理，后將溫度測量信號送至微功耗無線收發(fā)單元中，由微功耗無線收發(fā)單元將測量信號發(fā)送至外部無線接收單元中，所述各單元通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點，其特征在于 所述微處理器(1)設(shè)有內(nèi)部存儲器，用于存儲熱電偶傳感器組中的各個熱電偶 傳感器溫度測量結(jié)果；當(dāng)熱電偶傳感器組中的所有溫度測量結(jié)果都存入微處理 器的內(nèi)部存儲器中后，微處理器將所述該節(jié)點的ID號和所有溫度測量結(jié)果打包， 送入微功耗無線收發(fā)單元(3)中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點，其特征 在于還設(shè)模擬開關(guān)(8)，連接在可控制模擬多路復(fù)用開關(guān)(5)同電源模塊(6) 之間和信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(2)同電源模塊(6)之間，由微處理器(1)控 制。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點，其特征在于 所述各器件進(jìn)行整體封裝，僅將微功耗無線收發(fā)單元(3)的天線和熱電偶傳感器組(4)通過接線端子安置在封裝體外部。
專利摘要本實用新型公開了一種測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點，包括熱電偶傳感器組，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微功耗微處理器、信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器、微功耗無線收發(fā)單元、模擬多路復(fù)用開關(guān)、電源模塊和ID配置單元；該節(jié)點進(jìn)行溫度信號采集時，熱電偶傳感器組將采集到的模擬信號經(jīng)模擬多路復(fù)用開關(guān)后，送入信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行處理，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送到微處理器中再次處理，后將溫度測量信號送至微功耗無線收發(fā)單元中，由微功耗無線收發(fā)單元將測量信號發(fā)送至外部無線接收單元中，所述各單元通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接；該測量溫度的低功耗無線傳感器節(jié)點具有低功耗、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，適于在溫度測量領(lǐng)域廣泛推廣。
文檔編號G08C17/00GK201117071SQ200720016260
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者冬 馮, 瑩 王 申請人:大連海事大學(xué)