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
技術領域：
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到的數(shù)據(jù)。
背景技術：
為了適應經(jīng)濟全球化的需求，人們設想如果從信息流通的角度將RFID技術、WSN 技術、GPS技術、數(shù)字地球技術與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，就能夠?qū)⒒ヂ?lián)網(wǎng)的覆蓋范圍從“人”擴大到“物”，就能夠通過RFID技術、WSN技術與GPS技術采集和獲取有關物流的信息，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對世界范圍內(nèi)的物流信息的快速、準確識別與全程跟蹤，這種技術就是物聯(lián)網(wǎng)技術。 物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)應用在許多領域。物聯(lián)網(wǎng)之所以會有如此廣泛的市場，主要是由于它可以對“物”進行有效地監(jiān)測和控制，從而使人們的生活真正的達到智能化，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)技術中的一個十分重要的部分，它是將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)采集，然后進行儲存或者發(fā)送給上位機進行處理。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)男盘柕膫鞲衅餍盘柌杉瘑卧?，用于對采集到的信號進行處理、儲存的微處理器單元，以及用于將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機的數(shù)據(jù)收發(fā)單元。為了保護傳感器數(shù)據(jù)采集裝置中各種電子部件，通常將整個裝置封裝在一個容器內(nèi)(例如箱或盒)。隨著無線技術的發(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)采用了無線通信方式。采用無線收發(fā)模塊來進行數(shù)據(jù)采集裝置與上位機之間的數(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使其中的電子元件容易損壞，整個傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的安全性、可靠性及使用壽命均會大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù)采集裝置由于無法完全密封而導致的安全性、可靠性差的問題，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RFID (Radio Frequency Identification ；即射頻識別)技術使傳感器信號采集模塊與外部傳感器之間實現(xiàn)無線供能及無線信號傳輸，從而解決上述技術問題。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，由一個詢問器(或閱讀器、讀卡器)和很多應答器(或標簽)組成。RF技術利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向傳輸數(shù)據(jù)，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。RFID標簽俗稱電子標簽，也稱應答器(tag，transponder, responder)，根據(jù)工作方式可分為主動式(有源)和被動式(無源) 兩大類，有源電子標簽內(nèi)裝有電池，無源射頻標簽沒有內(nèi)裝電池。對于有源電子標簽來說， 根據(jù)標簽內(nèi)裝電池供電情況不同又可細分為有源電子標簽(Active tag)和半無源電子標簽Gemi—passive tag)。被動式RFID標簽由標簽芯片和耦合元件(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現(xiàn)與讀寫器之間的通訊。RFID標簽中存儲一個唯一編碼，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，因此可以實現(xiàn)單品級的物品編碼。當RFID標簽進入讀寫器的作用區(qū)域，就可以根據(jù)電感耦合原理(近場作用范圍內(nèi))或電磁反向散射耦合原理(遠場作用范圍內(nèi))在標簽天線兩端產(chǎn)生感應電勢差，并在標簽芯片通路中形成微弱電流，如果這個電流強度超過一個閾值，就將激活RFID標簽芯片電路工作，從而對標簽芯片中的存儲器進行讀/寫操作，微控制器還可以進一步加入諸如密碼或防碰撞算法等復雜功能。讀卡器也稱閱讀器、詢問器、(reader, interrogator),是對RFID標簽進行讀/寫操作的設備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號處理單元兩部分。讀卡器是RFID系統(tǒng)中最重要的基礎設施，一方面，RFID標簽返回的微弱電磁信號通過天線進入讀卡器的射頻模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過讀寫器的數(shù)字信號處理單元對其進行必要的加工整形，最后從中解調(diào)出返回的信息，完成對RFID標簽的識別或讀/ 寫操作。讀卡器和RFID標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時讀卡器通過耦合給無源RFID標簽提供能量和時序。具體而言，本發(fā)明采用以下技術方案
一種用于惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，包括信號采集模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊，以及為整個裝置提供電能的電源模塊；所述信號采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?，并將信號傳輸給所述微處理器模塊，微處理器模塊對信號進行處理后通過所述無線收發(fā)模塊發(fā)送；所述信號采集模塊包括多個信號發(fā)送端和一個信號接收端，所述信號發(fā)送端包括信號調(diào)理電路和被動式RFID標簽，所述信號接收端包括一 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、無線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。進一步地，所述電源模塊為一無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)明通過將信號采集模塊分為信號發(fā)送端和信號接收端兩部分，信號發(fā)送端與外部傳感器連接采集傳感器信號，信號接收端與微處理器模塊連接并一起封裝于密閉容器內(nèi)，信號發(fā)送端與信號接收端之間通過RFID系統(tǒng)實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)交換及供能。進一步通過將無線供電裝置的受電端作為整個傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，而由外部的無線供電裝置的供電端對其進行無線供電，使整個裝置不需要更換電池，進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。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明本發(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，包括信號采集模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊，以及為整個裝置提供電能的電源模塊；所述信號采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?，并將信號傳輸給所述微處理器模塊，微處理器模塊對信號進行處理后通過所述無線收發(fā)模塊發(fā)送；所述信號采集模塊包括多個信號發(fā)送端和一個信號接收端，所述信號發(fā)送端包括信號調(diào)理電路和被動式RFID標簽，所述信號接收端包括一 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)明的信號采集模塊包括獨立的兩部分，即信號發(fā)送端和信號接收端，每一個信號發(fā)送端均包括信號調(diào)理電路及與信號調(diào)理電路連接的被動式RFID標簽 (即無源射頻卡)，信號調(diào)理電路與傳感器有線連接，將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過RFID標簽存儲并無線發(fā)送。為了便于安裝，信號調(diào)理電路的輸入端設有數(shù)據(jù)接口，以供連接傳感器。信號接收端包括一 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，通過射頻的方式進行數(shù)據(jù)和能量的傳輸。射頻卡與讀卡器之間根據(jù)電磁感應原理，傳遞能量；利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)非接觸信息、能量傳遞，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換目的。由于射頻卡與讀卡器之間無需有線連接，因此信號接收端可與微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。由于無源射頻卡的能量傳輸距離相對較近，為了保證信號發(fā)送端與信號接收端之間的信號和能量傳輸穩(wěn)定，密閉容器的外壁上設置有多個用于固定所述信號發(fā)送端的固定機構(gòu)，本發(fā)明采用與信號發(fā)送端的尺寸相適應的插槽，信號發(fā)送端可固定于插槽內(nèi)，并通過數(shù)據(jù)線接口與傳感器連接。由于每一個RFID標簽均有一個唯一的編碼，因此可通過該編碼來識別與該RFID標簽連接的傳感器，從而實現(xiàn)在需要的時刻隨時選擇接收任意傳感器的數(shù)據(jù)。所述電源模塊為整個裝置供電，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集裝置通常采用干電池或充電電池，當電池電量耗光時，需要打開密封容器進行電池更換或?qū)﹄姵爻潆?，從而影響整個裝置的密閉性。本發(fā)明采用無線供電的方式來解決這個問題，電源模塊為一無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。所述無線供電裝置可以是基于射頻的無線供電裝置、基于超聲波的無線供電裝置或者其它現(xiàn)有的各種無線供電裝置。 本發(fā)明所采用的無線供電裝置如附圖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，并通過主線圈產(chǎn)生該特定頻率的交變磁場；副線圈在主線圈的交變磁場中產(chǎn)生交變的感應電流，并通過整流器將感應電流轉(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、無線收發(fā)模塊、信號采集的接收端相連，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。連接信號采集模塊、無線收發(fā)模塊，控制信號的接收和發(fā)送。其工作流程是處理器在一定的時間間隔內(nèi)需要采集數(shù)據(jù)，通過信號采集模塊向傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)請求信號，傳感器反饋數(shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后存儲在射頻卡內(nèi)，然后由讀卡器讀取數(shù)據(jù)并傳輸給微處理器。微處理對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并且可以通過與之相連的無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控平臺，以便監(jiān)控人員進行分析、判斷。無線傳輸模塊可以采用現(xiàn)有的各種無線收發(fā)模塊。本發(fā)明采用能耗較低的Zigbee 無線收發(fā)模塊。經(jīng)過微處理器處理之后的數(shù)據(jù)通過Zigbee無線收發(fā)模塊發(fā)送到相應的外部節(jié)點，同時可以接收其他該裝置發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程無線控制。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無線收發(fā)模塊、微處理器模塊、一無線供電裝置的受電端(即電源模塊)，以及信號采集模塊中的信號接收端；另一部分則是暴露在外部的信號采集模塊中的信號接收端。由于采用了無線方式的信號和能量傳輸，密閉容器的密封性得到了充分保證，不會和外界有接觸，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。同時多個信號發(fā)送端在正常工作時均固定在密閉容器外壁的插槽內(nèi)，可實現(xiàn)信號、能量的穩(wěn)定傳遞，而在必要的時候，可以很方便地取下，從而保證了整個裝置的移動便攜性。
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，包括信號采集模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊，以及為整個裝置提供電能的電源模塊；所述信號采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘枺⑿盘杺鬏斀o所述微處理器模塊，微處理器模塊對信號進行處理后通過所述無線收發(fā)模塊發(fā)送；其特征在于，所述信號采集模塊包括多個信號發(fā)送端和一個信號接收端，所述信號發(fā)送端包括信號調(diào)理電路和被動式RFID標簽，所述信號接收端包括一 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置有多個用于固定所述信號發(fā)送端的固定機構(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，所述固定機構(gòu)為與所述信號發(fā)送端的尺寸相適應的插槽。
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，所述無線收發(fā)模塊為Zigbee 無線收發(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，所述信號調(diào)理電路的輸入端設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。該裝置包括信號采集模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊，以及為整個裝置提供電能的電源模塊；信號采集模塊用于采集外部傳感器傳輸?shù)男盘?，并將信號傳輸給所述微處理器模塊，微處理器模塊對信號進行處理后通過無線收發(fā)模塊發(fā)送；信號采集模塊包括多個信號發(fā)送端和一個信號接收端，信號發(fā)送端包括信號調(diào)理電路和被動式RFID標簽，信號接收端包括一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、無線收發(fā)模塊、電源模塊一起封裝于一密閉容器內(nèi)。進一步地，該裝置的電源模塊為一無線供電裝置的受電端，通過外部無線供電。本發(fā)明具有安全可靠、使用壽命長的優(yōu)點。
文檔編號G08C17/02GK102184627SQ20111010056
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者孫樂樂, 李孝嗣, 袁家斌 申請人:南京航空航天大學