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：
本發(fā)明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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)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?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)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(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(chǎng)革命。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用價(jià)值，它已經(jīng)引起了世界許多國(guó)家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，投資34000000美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。美國(guó)國(guó)防部和各軍事部門都對(duì)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(jì)劃，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)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(gè)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(xiàng)目。美國(guó)英特爾公司、美國(guó)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(dòng)相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃。日本、英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家也對(duì)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(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)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(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)(傳感器)可以移動(dòng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)間以Ad Hoc方式進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備動(dòng)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(gè)關(guān)鍵問題是傳感器的實(shí)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(duì)區(qū)域、危險(xiǎn)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(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。因此能夠長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地工作，并提供較強(qiáng)的通信、處理和具有大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)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(shí)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)的主控模塊，所述的主控模塊通過數(shù)據(jù)總線與無線傳輸模塊、存儲(chǔ)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(gè)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，所述的傳感器模塊包括噪聲采集單元、溫度采集單元、光強(qiáng)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(qiáng)信號(hào)的光強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)弱信號(hào)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(gè)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(gè)信號(hào)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。
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(jī)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(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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中的電源管理芯片U4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，所述的主控模塊、無線傳輸模塊、傳感器模塊均可通過編程單獨(dú)控制，所述的主控模塊在活動(dòng)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(gè)頻率下進(jìn)行工作；所述的無線傳輸模塊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(dòng)、低功耗和斷電狀態(tài)下工作；所述的傳感器模塊中的各個(gè)傳感器通過編程單獨(dú)控制采樣頻率和工作狀態(tài)。
上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的傳感器模塊采用物理上獨(dú)立、分離、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所述的一組傳感器模塊支持32個(gè)傳感器。
這個(gè)技術(shù)方案有以下有益效果1.本發(fā)明的微型超低功耗智能無線傳感器，擺脫了時(shí)間、地點(diǎn)、條件和供電能力的限制，可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何條件下協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(cè)對(duì)象的信息。
2.獨(dú)特的超低功耗設(shè)計(jì)，能夠支持傳感器的長(zhǎng)期工作，使用2節(jié)AA電池供電，最長(zhǎng)可工作2～3年。為了實(shí)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(dú)控制它們的工作狀態(tài)。其中主控模塊主要由一個(gè)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(chǔ)器模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)接口模塊，使各個(gè)模塊按照預(yù)定的模式進(jìn)行工作，LED狀態(tài)指示單元由三個(gè)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(dòng)和低功耗狀態(tài)，在活動(dòng)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(gè)頻率進(jìn)行工作；無線傳輸模塊主要由一個(gè)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(dòng)、低功耗和斷電三個(gè)狀態(tài)，在活動(dòng)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(qiáng)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(qiáng)采集單元應(yīng)用光敏電阻RT1采集光強(qiáng)信號(hào)，然后直接傳輸給接口J6；磁力強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)弱信號(hào)，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(gè)方向上的加速度的變化情況。所有匯集到J6的信號(hào)，都需要通過J6傳輸給單片微處理器U1進(jìn)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(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃瑔纹⑻幚砥鱑1通過J1控制傳感器板上的各個(gè)信號(hào)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(hào)的通道，這些信號(hào)在單片微處理器內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、處理，然后進(jìn)行存儲(chǔ)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(hào)決定是否給各個(gè)傳感器單元模塊進(jìn)行供電，傳感器模塊可工作于活動(dòng)和斷電二個(gè)狀態(tài)，傳感器模塊上的各個(gè)傳感器也可以通過編程單獨(dú)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(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗。
3.傳感器同時(shí)具有無線通信、計(jì)算、存儲(chǔ)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(jī)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(jì)、傳感器模塊采用物理上獨(dú)立、分離、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這不但有利于節(jié)點(diǎn)的微型化，而且使傳感器模塊具有良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要單獨(dú)更換或增加傳感器，目前的傳感器模塊最多可支持32個(gè)傳感器。
5.無線傳輸模塊采用環(huán)形pcb天線設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性、可靠性和對(duì)外界噪聲的抗干擾能力，所有器件均采用工業(yè)級(jí)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(dú)特的載波監(jiān)測(cè)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(diǎn)只有在收到本機(jī)地址時(shí)才接收數(shù)據(jù)，非常適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。
7.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U3構(gòu)成，它通過SPI接口與單片微處理器U1相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)。
8.電源管理模塊主要由電源管理芯片U4構(gòu)成，負(fù)責(zé)管理整個(gè)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(hào)線，檢測(cè)電源的健康狀況，并且根據(jù)需要對(duì)電源進(jìn)行智能控制，實(shí)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(shí)現(xiàn)U1的在線編程。單片微控制器U1通過接口J4和上位機(jī)的UART串行數(shù)據(jù)接口連接，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)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(dú)控制它們的工作狀態(tài)。其中主控模塊可工作于活動(dòng)和低功耗狀態(tài)，在活動(dòng)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(gè)頻率進(jìn)行工作；無線傳輸模塊可以工作于活動(dòng)、低功耗和斷電三個(gè)狀態(tài)，在活動(dòng)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(dòng)和斷電二個(gè)狀態(tài)，傳感器模塊上的各個(gè)傳感器也可以通過編程單獨(dú)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(diǎn)的工作狀態(tài)，可以使節(jié)點(diǎn)在不同情況下工作在最低功耗狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的低功耗。
12.本發(fā)明的傳感器具有無線通信、計(jì)算、存儲(chǔ)和傳感器功能，其無線通信距離大于150米，存儲(chǔ)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(chǔ)，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(guó)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(dá)到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)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(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式。兩個(gè)內(nèi)置的16位定時(shí)器，一個(gè)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(jì)，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(shí)則啟用低速32.768k晶振，使系統(tǒng)進(jìn)入低功耗運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)可應(yīng)用自身的12位A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)外接信號(hào)進(jìn)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(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，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(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，便于實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)。
15.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U3為8M的Flash，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)，它采用三線串行讀寫方式，讀寫方便快捷，易于編程實(shí)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(diǎn)在較低的電壓下工作，對(duì)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(shí)，或系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)時(shí)，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(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(gè)傳感器模塊上的各個(gè)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(duì)外界的光強(qiáng)的采集是通過光敏電阻RT1實(shí)現(xiàn)的，由于采集的電壓信號(hào)適合于單片微處理器的A/D轉(zhuǎn)換，所以直接對(duì)采集的電壓進(jìn)行采集，通過集成溫度傳感器U7進(jìn)行溫度信號(hào)的采集，采用集成元件降低系統(tǒng)的功耗，提高信號(hào)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(diǎn)附近磁場(chǎng)的變化，可以同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)方向上磁場(chǎng)的變化。采集的信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，進(jìn)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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。


附圖1是本發(fā)明的微型超低功耗智能無線傳感器各模塊連接結(jié)構(gòu)框圖。
附圖2是本發(fā)明的微型超低功耗智能無線傳感器的電路圖。
附圖3是主控模塊的電路圖。
附圖4是無線傳輸模塊電路圖。
附圖5是電源管理模塊和存儲(chǔ)器模塊電路圖。
附圖6是傳感器模塊中的噪聲、光和溫度采集部分的電路圖。
附圖7是傳感器模塊中的磁力和加速度采集的電路圖。
附圖8是數(shù)據(jù)接口模塊的電路圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)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)的主控模塊1，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(chǔ)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(shí)施例2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(gè)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U 1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(hào)；ADC2采集光強(qiáng)信號(hào)；ADC3采集X軸的振動(dòng)強(qiáng)弱；ADC4采集Y軸的振動(dòng)情況；ADC5采集外接噪聲大?。籄DC6采集X軸磁力強(qiáng)弱的變化；ADC7采集Y軸磁場(chǎng)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(hào)；INT5、INT6、INT7分別控制噪聲、磁力加速度、磁力的電源信號(hào)。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(chǔ)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(jī)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(hào)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(diǎn)的工作狀態(tài)。所述的單片微控制器U1上的P5.4～P5.6所對(duì)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(jī)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(shí)鐘；所述的U1的52腳、53腳與Y2連接，提供系統(tǒng)工作主時(shí)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(shí)施例3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(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)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(duì)從4腳流進(jìn)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(shí)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(jìn)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(shí)施例4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包括噪聲采集單元、溫度采集單元、光強(qiáng)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(fēng)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(hào)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(jìn)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(qiáng)信號(hào)的光強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)弱信號(hào)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(gè)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(gè)信號(hào)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(duì)M0輸出的信號(hào)進(jìn)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(fù)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(duì)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(shí)施例5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(jī)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(shí)現(xiàn)彈片微處理器和上位機(jī)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(shí)施例6上述的微型超低功耗智能無線傳感器，所述的存儲(chǔ)模塊3中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)施例7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(shí)時(shí)檢測(cè)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(jìn)行濾波，線圈L4為電壓轉(zhuǎn)換提供匹配的感抗。
實(shí)施例8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(dú)控制，所述的主控模塊1在活動(dòng)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(gè)頻率下進(jìn)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(dòng)、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(gè)傳感器通過編程單獨(dú)控制采樣頻率和工作狀態(tài)。
實(shí)施例9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(dú)立、分離、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所述的一組傳感器模塊支持32個(gè)傳感器。
實(shí)施例10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(diǎn)的核心，它控制著節(jié)點(diǎn)所有的活動(dòng)。根據(jù)不同的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)大體可分為兩類，一類直接和上位計(jì)算機(jī)相連，是網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)，另一類為普通的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。普通的節(jié)點(diǎn)其工作原理是系統(tǒng)上電后，初始化微處理器，設(shè)置定時(shí)器，關(guān)斷電源，然后使之進(jìn)入低功耗模式；定時(shí)時(shí)間到，自動(dòng)激活微處理器，微處理器啟動(dòng)電源模塊，使其為整個(gè)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(cè)是否有信號(hào)，如沒有信號(hào)，則微處理器開定時(shí)器，關(guān)斷電源，進(jìn)入低功耗模式，如果有信號(hào)則接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；微處理器根據(jù)信號(hào)的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，使能各個(gè)傳感器模塊，采集相關(guān)的環(huán)境信息，存儲(chǔ)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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；微處理器開定時(shí)器，關(guān)斷電源，進(jìn)入低功耗模式。根節(jié)點(diǎn)直接和上位機(jī)相連，首先是接受計(jì)算機(jī)的命令，然后按照上位機(jī)給出的路由算法向自己附近的節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，然后等待網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)反饋回所需要的信息，共給上位計(jì)算機(jī)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)的主控模塊，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(chǔ)模塊、傳感器模塊和、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。
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(gè)LED分別和所述的單片微控制器U1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。
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，其特征是所述的傳感器模塊包括噪聲采集單元、溫度采集單元、光強(qiáng)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(qiáng)信號(hào)的光強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)弱信號(hào)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(gè)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(gè)信號(hào)采集單元，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。
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(jī)的UART串行數(shù)據(jù)接口連接。
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，其特征是所述的存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U3通過SPI接口與所述的單片微處理器U1相連接。
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，其特征是所述的電源管理模塊中的電源管理芯片U4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，其特征是所述的主控模塊、無線傳輸模塊、傳感器模塊均可通過編程單獨(dú)控制，所述的主控模塊在活動(dòng)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(gè)頻率下進(jìn)行工作；所述的無線傳輸模塊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(dòng)、低功耗和斷電狀態(tài)下工作；所述的傳感器模塊中的各個(gè)傳感器通過編程單獨(dú)控制采樣頻率和工作狀態(tài)。
9.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塊采用物理上獨(dú)立、分離、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所述的一組傳感器模塊支持32個(gè)傳感器。
全文摘要
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(duì)區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域或無人區(qū)域，在這些環(huán)境中，傳感器維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。因此能夠長(zhǎng)期在不同環(huán)境下工作的微型傳感器是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。本發(fā)明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)的主控模塊1，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(chǔ)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。本產(chǎn)品用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(hào)G01D21/02GK1770214SQ200410044009
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:黑龍江大學(xué), 哈爾濱工業(yè)大學(xué)