專利名稱：無線溫濕度智能傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫濕度傳感器，具體涉及一種無線溫濕度智能傳感器。
技術(shù)背景溫濕度與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活密切相關(guān)，像倉庫、農(nóng)田、生產(chǎn)過程，濕度過大會引起糧食霉變和變質(zhì)；溫度變化會影響糧食品質(zhì)；精密儀器、 半導(dǎo)體器件會因過溫過濕而性能降低。另外，隨著人們的生活質(zhì)量的提高，對室內(nèi)環(huán)境的高要求也需要對溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。以往的溫濕度傳感器大多是有線方式傳送數(shù)據(jù)，線路冗余復(fù)雜，不適 合大范圍多數(shù)量放置，布線成本高，線路的老化問題也影響了其可靠性。 另一方面，網(wǎng)絡(luò)化傳感器所要求的無線技術(shù)不同于現(xiàn)在己有的一些無線網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)，這種網(wǎng)絡(luò)并不需要太高的傳輸速率，而是在成本和功耗方面有比 較苛刻的要求。以前常用的無線通訊技術(shù)包括WiFi， Bluetooth, UWB等， WiFi設(shè)備復(fù)雜成本高，Bluetooth功耗太大成本也降不下來，UWB由亍電 波的大部分帶寬已經(jīng)被無線通信等基礎(chǔ)設(shè)施占用，不能隨意使用，再加上 UWB的電波輸出功率要盡量控制在不影響其他無線通信的噪音以下的水 平上，因此可以通信的最大距離也只有10m左右，它們都不是構(gòu)架無線溫 濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想通信技術(shù)。為了滿足類似于溫濕度傳感器這樣小型、低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求， ZigBee技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)展起來。ZigBee技術(shù)是IEEE 802.15.4基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的，是最新的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的 雙向無線通信技術(shù)，可工作在2.4GHz(全球流行)、868 MHz(歐洲流行)和915 MHZ(美國流行)這三個(gè)頻段上。它的主要優(yōu)點(diǎn)如下1) 功耗低在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號千電池可使用6個(gè)月以上，這也是ZigBee支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢；2) 時(shí)延短ZigBee針對時(shí)延有嚴(yán)格要求的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和 從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)間典型值為30ms，設(shè)備激活 時(shí)間典型值為15ms，活動設(shè)備信道接入時(shí)間為15ms;3) 成本低ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，大大降低了成本；4) 網(wǎng)絡(luò)容量大:每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255臺設(shè)備，即每個(gè)ZigBee 設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接；5) 工作可靠為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，ZigBee采用了載波偵聽多 址/沖突避免(CSMA/CA)的信道接入方式和完全握手協(xié)議。6) 工作頻段靈活使用的頻段分別為868MHz (歐洲)，915MHz (美 國)及2.4GHz (通用)，均為免執(zhí)照頻段，無需申請注冊。目前對于我國， 只有2.4GHz通用頻段無需申請。由于ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，基于ZigBee的無線設(shè)備的開發(fā)就體 現(xiàn)了其優(yōu)越性。目前在無線傳感器方面，有基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器方 面的專利"藍(lán)牙無線傳感器"(專利申請?zhí)?003105080.9)，但是基于ZigBee 技術(shù)、可靈活用于多種復(fù)雜環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化智能溫濕度傳感器的相關(guān)消息并 未見報(bào)道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種無線溫濕度智能傳感器， 它克服了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的局限性，避免了其他無線通信技術(shù)的高功耗的 缺點(diǎn)。本發(fā)明所提出的第一個(gè)技術(shù)問題是這樣解決的構(gòu)造一種無線溫濕度智能傳感器，它與上位機(jī)一起組成傳感系統(tǒng)，其特征在于，它包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、串口通訊模塊和電源模塊傳感器模塊傳感器負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息，轉(zhuǎn)換成微處理內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器可以檢測范圍內(nèi)的電壓模擬信號，通過A/D 口輸入微處理器，等待進(jìn)一步處理；微處理器模塊微處理器負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，包括數(shù)據(jù)采集的控制，溫濕度數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的精度校準(zhǔn)以及同外界的數(shù)據(jù)通信；無線收發(fā)模塊無線通訊模塊采用ZigBee通信協(xié)議，將微處理器傳送 過來的數(shù)據(jù)調(diào)制成ZigBee協(xié)議規(guī)定的射頻信號，通過天線發(fā)射出去，以達(dá) 到與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)的目的；串口模塊串口通訊模塊使任何一個(gè)智能無線溫濕度傳感器都可以作 為一個(gè)接口，使內(nèi)部傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部進(jìn)行通訊。電源模塊本發(fā)明是無線傳感器節(jié)點(diǎn)，所以采用高功率電池供電，并且設(shè)置了低電壓檢測機(jī)制，如果電池電壓快用盡，本發(fā)明自身可以發(fā)出低 電量提示信息，并且將此信息發(fā)送給上位控制機(jī)。本發(fā)明是用來完成大范圍內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)的自動采集的設(shè)備，其核心技術(shù)——力8866無線通信協(xié)議，以vl.0標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合溫濕度模擬信號 的采集技術(shù)，是適用于多種復(fù)雜場合的無線溫濕度智能傳感器。它具有以下優(yōu)點(diǎn)1)無線性本發(fā)明應(yīng)用免去了電源線和數(shù)據(jù)線的牽絆，無須基礎(chǔ)設(shè)施和復(fù)雜的布線 工作即可組成無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？煽?，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)和隨意增刪。2) 靈活性本發(fā)明也可以單獨(dú)作為一個(gè)溫濕度傳感器使用，直接通過RS-232輸出 檢測數(shù)據(jù)。3) 低功耗本發(fā)明采用Freescale公司的MC13192芯片，在單一的芯片內(nèi)包含了 802.15.4及ZigBee兼容系統(tǒng)中必備的組件，有效降低了功耗，延長了各傳 感器的維護(hù)周期，節(jié)省了人力和物力。4) 可用性本發(fā)明具有節(jié)點(diǎn)成本低，網(wǎng)絡(luò)容量大，生存周期長等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛 應(yīng)用于糧食儲備倉庫及蔬果、蛋肉存儲倉庫的溫度、濕度控制；溫室種植、 各種禽獸養(yǎng)殖場的溫度濕度控制；中央空調(diào)系統(tǒng)的需求；/ —房環(huán)境的溫度、 濕度控制；實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫度、濕度控制等方面，市場前景廣闊


圖1是本發(fā)明所提供的無線溫濕度智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明所提供的無線溫濕度智能傳感器的邏輯框圖； 圖3是本發(fā)明所提供的無線溫濕度智能傳感器的電原理圖； 圖4是本發(fā)明所提供的無線溫濕度智能傳感器的工作流程圖。 其中，1、監(jiān)測區(qū)域，2、傳感器節(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 如圖1由本發(fā)明所提供的無線溫濕度智能傳感器所示，網(wǎng)絡(luò)之中有一個(gè)充當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)的無線溫濕度傳感器通過RS-232接口與上位控制機(jī)相連，網(wǎng)絡(luò)中其它的無線溫濕度傳感器則將自己采集到的信息調(diào)制成無線的 ZigBee射頻信號，通過多跳的方式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)，最多可以有多達(dá)65535個(gè)無線溫濕度智能傳感器同時(shí)工作，構(gòu)成一個(gè)龐大的無線溫濕度傳感器系統(tǒng)。如圖2無線溫濕度智能傳感器的邏輯框圖所示，以微處理器為核心，添 加外圍傳感器模塊和有線、無線兩種接口模塊，以及電源模塊組成的無線 傳感器設(shè)備，能夠兼容ZigBee集成開發(fā)環(huán)境下載、調(diào)試程序，結(jié)構(gòu)靈活， 最終完成溫濕度采集的功能，并通過ZigBee將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，以供監(jiān) 控和采集大范圍內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，由于其無線方式，可以方便靈活的應(yīng)用 到許多無法或者很難大規(guī)模鋪設(shè)電纜的環(huán)境。如圖3無線溫濕度智能傳感器電原理圖所示，溫度和濕度傳感器采集環(huán) 境溫濕度數(shù)據(jù)，將表征溫濕度物理量的模擬信號通過A/D 口采樣輸入微處 理器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行精度校準(zhǔn)處理，最后打包成規(guī)定 的報(bào)文格式，等待發(fā)送。每次發(fā)送數(shù)據(jù)成功，所設(shè)置的LED1會改變一下 亮滅的狀態(tài)。本發(fā)明最核心的部分是ZigBee無線收發(fā)模塊，其中包括1) ZigBee無線模塊主芯片MC13192;2) 16.000 MHz高性能晶振；3) 射頻單元RF發(fā)送和接收電路；4) 高性能的2.40天線；ZigBee無線模塊主芯片具有一個(gè)優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期；4個(gè)定時(shí)比較器可以使用一個(gè)性能較低、價(jià)格低廉的MCU，從而能夠降低成本；〗'"泛的中斷維修服務(wù)使軟件開發(fā)更具靈活 性；連接質(zhì)量檢測使傳感器可以清楚知道自身的處境，便于維護(hù)。它通過 SPI和GPIO 口與微處理器相連，接收微處理器內(nèi)的程序控制，收發(fā)通過微 處理器傳來的數(shù)據(jù)。高性能的晶振保證了射頻部分電路時(shí)序的正確。射頻 發(fā)送和接收電路保證射頻信號的低損傳輸，使通過該通路的信號不會在通 路上產(chǎn)生太大的衰減，也保證了天線前端的阻抗匹配。另外，為了減小體 積，使安裝使用更為靈活，本發(fā)明使用了2.40的？08雙極天線。串口模塊包括串行接口部件和RS-232物理接口 。前者通過SCI接口與 微處理器相連，將微處理器上的通用異歩收發(fā)信號轉(zhuǎn)為符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的 差分信號；后者采用3針單排插針作為該模塊的物理接口，以此作為本發(fā) 明同上位機(jī)以及其他物理設(shè)備的通訊接口 。本發(fā)明有良好的電源方案，可以使用5V~12V的寬范圍DC電壓輸入， 經(jīng)過低壓差穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換成為+3V電壓，給板上各個(gè)器件以及ZigBee無線 收發(fā)模塊供電。電源處接出了兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，再將分壓后的電壓信號 輸入微處理器的A/D轉(zhuǎn)換口，經(jīng)過程序的采樣和判定，以達(dá)到低電壓檢測 的目的。正常工作時(shí)，板上的綠色LED (圖中的LED5) —直亮，如果電 池電量快要用盡，則該LED開始閃爍，直至電量降到可使用范圍以下，該 LED熄滅。圖4為本發(fā)明的工作流程圖，可以描述如下本傳感器在系統(tǒng)初始化后自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，微處理器先關(guān)閉傳感模 塊和射頻模塊的功能，進(jìn)入"沉睡"狀態(tài)，只保持微弱的監(jiān)聽電流，當(dāng)設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送周期達(dá)到后，內(nèi)部定時(shí)器發(fā)送一個(gè)中斷信號給微處理器以喚 醒節(jié)點(diǎn)，微處理器脫離休眠狀態(tài)，恢復(fù)時(shí)鐘并打開傳感模塊和射頻模塊的 功能，整個(gè)節(jié)點(diǎn)蘇醒進(jìn)入工作狀態(tài)，微處理器接收傳感模塊檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及一些初步的數(shù)據(jù)處理，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式送入無線收發(fā)模塊調(diào)制成射頻信號發(fā)送出去。上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)本設(shè)備作為接入節(jié)點(diǎn)，接收這個(gè)信號再調(diào)制成 數(shù)字量輸入監(jiān)控中心，進(jìn)行后期的處理和存儲。本發(fā)明解決了以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)1) 本發(fā)明是一個(gè)有有線和無線雙接口的智能溫濕度傳感器，有線接口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)，無線接口滿足ZigBee協(xié)議；2) 本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控；3) 本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的無線化監(jiān)控；本發(fā)明是低功耗設(shè)備，可以長時(shí)間靠電池供電進(jìn)行工作，所以能適用 與很多不便連線和不便更換電話的特殊環(huán)境。
權(quán)利要求
1. 一種無線溫濕度智能傳感器，它與上位機(jī)一起組成傳感系統(tǒng)，其特征在于，它包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、串口通訊模塊和電源模塊傳感器模塊傳感器負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息，轉(zhuǎn)換成微處理內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器可以檢測范圍內(nèi)的電壓模擬信號，通過A/D口輸入微處理器，等待進(jìn)一步處理；微處理器模塊微處理器負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，包括數(shù)據(jù)采集的控制，溫濕度數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的精度校準(zhǔn)以及同外界的數(shù)據(jù)通信；無線收發(fā)模塊無線通訊模塊采用ZigBee通信協(xié)議，將微處理器傳送過來的數(shù)據(jù)調(diào)制成ZigBee協(xié)議規(guī)定的射頻信號，通過天線發(fā)射出去，以達(dá)到與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)的目的；串口模塊串口通訊模塊使任何一個(gè)傳感器都可以作為一個(gè)接口，使內(nèi)部傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部進(jìn)行通訊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線溫濕度智能傳感器，其特征在于，所 述傳感器模塊中有一個(gè)充當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器通過RS-232接口與上位控制 機(jī)相連，其它的傳感器則將自己采集到的信息調(diào)制成無線的ZigBee射頻信 號，通過多跳的方式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。
3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的無線溫濕度智能傳感器，其特征在于，無線 收發(fā)模塊包括ZigBee無線模塊主芯片MC13192、 16.000 MHz s曰b振、射頻 單元RF發(fā)送和接收電路以及2.4G的PCB雙極天線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線溫濕度智能傳感器，它與上位機(jī)一起組成傳感系統(tǒng)，其特征在于，它包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、串口通訊模塊和電源模塊，核心部分為無線收發(fā)模塊，它包括ZigBee無線模塊主芯片MC13192、16.000MHz晶振、射頻單元RF發(fā)送和接收電路以及2.4G的PCB雙極天線。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)無線性；2)靈活性；3)低功耗；4)可用性。
文檔編號H04B7/00GK101275957SQ20061002246
公開日2008年10月1日 申請日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者李曉初, 杜曉松, 蔣亞東, 謝光忠, 蘭 譚 申請人:電子科技大學(xué)