專利名稱：可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型技術(shù)涉及一種可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，適 用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、目標(biāo)探測(cè)等需要實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)具備無線 通信能力，不僅負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集、處理，還要收、發(fā)自身和網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，但其能量等資源 有限。由于節(jié)點(diǎn)的供電電池不便更換，最大限度的節(jié)能是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的首要原則。無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由微處理器、無線通信、傳感器和電源等四個(gè)模塊組成。一股認(rèn)為傳感模塊功耗 很低，因而現(xiàn)有研究基本上只討論處理器和無線通信器件的節(jié)能問題。由于能量供給限制， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一股適用于實(shí)時(shí)性要求較低的環(huán)境監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器持續(xù)工作時(shí)，其能耗不 一定低于通信模塊的能耗，性能要求越高能耗也越大。因此，現(xiàn)有無線傳感器節(jié)點(diǎn)難以適應(yīng) 狀態(tài)監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)性要求高、需要傳感器持續(xù)工作的應(yīng)用場(chǎng)合。微處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理與無線通信，但并非一直處 于高負(fù)載工作狀態(tài)下，因此，節(jié)點(diǎn)的微處理器應(yīng)具備多種不同功耗的工作模式，可根據(jù)當(dāng)前 負(fù)載情況合理選擇既滿足性能要求又能降低功耗的工作模式。在以往的節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)中，傳感器模塊以低占空比的工作方式運(yùn)行，因此，對(duì)無 線傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗技術(shù)的研究忽略了傳感器的影響，缺少針對(duì)傳感器工作的低功耗設(shè) 計(jì)。隨著無線傳感器技術(shù)的發(fā)展和面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用的需求，實(shí)際中有許多場(chǎng)合需要對(duì)振動(dòng)信 號(hào)進(jìn)行持續(xù)不間斷地在線監(jiān)測(cè)。由于持續(xù)地監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)，即使采用了低功耗的集成傳感 器件，傳感器模塊的能耗占節(jié)點(diǎn)總能耗的比例也很大，不可忽略，需要根據(jù)任務(wù)需求和傳感 器特點(diǎn)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。傳感器種類繁多，工作原理與構(gòu)成不盡相同。按照能量關(guān)系，傳感 器可分為自源型與外源型。自源型傳感器的輸出直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而得，不需激勵(lì)電 源，但是，一股因信號(hào)弱而測(cè)量精度不及外源型傳感器。在目標(biāo)探測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合，盡管采 用高精度外源型傳感器能保證精度要求，但當(dāng)目標(biāo)的出現(xiàn)不可預(yù)見時(shí)，持續(xù)使用該類傳感 器監(jiān)測(cè)，將使得節(jié)點(diǎn)電池能量耗費(fèi)過多，不能滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求。僅采用自源型傳感 器，雖能顯著降低節(jié)點(diǎn)能耗、延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，但往往其測(cè)量精度、帶寬等都不夠。因此，迫切 需要既能持續(xù)監(jiān)測(cè)，又具備低功耗特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不同模塊具有不同的工作電流或電壓，同一模塊在不同工 作狀態(tài)下的電流也不同。從節(jié)能考慮，節(jié)點(diǎn)各模塊要有不同功耗的工作模式及工作電壓， 因而需要調(diào)整電源。另一方面，節(jié)點(diǎn)選用的電池種類不同例如堿性電池、鋰電池等，使電池 的實(shí)際非線性特性和輸出電壓范圍不同。為給各模塊提供所需穩(wěn)定電壓并充分利用電池電 能，需要進(jìn)行高能效的升壓、降壓或升/降壓穩(wěn)壓調(diào)整。負(fù)載變化和電池特性使節(jié)點(diǎn)電源調(diào) 整器的輸入、輸出處于變化中，其中輸出電流變化較大。這要求節(jié)點(diǎn)電源及管理既要滿足節(jié) 點(diǎn)運(yùn)行與性能所需的電源規(guī)格和質(zhì)量要求，又能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)其他模塊的負(fù)載變化，為其提供 不同工作狀態(tài)所需的電壓和電流，同時(shí)還能降低從高負(fù)載到空載條件下的電源自耗，提高不同負(fù)載下的能效。目前，大多節(jié)點(diǎn)是由電池直接供電，有的典型節(jié)點(diǎn)平臺(tái)僅配置了線性電 壓調(diào)整器以保持電池的穩(wěn)定電壓輸出，未實(shí)現(xiàn)電源模塊的節(jié)能。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝 置，該裝置節(jié)能效果明顯，能保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，包括微處理器、電源模 塊、通信模塊和傳感器模塊，所述的電源模塊、通信模塊和傳感器模塊均與微處理器連接；所述的電源模塊的結(jié)構(gòu)為太陽能電池和鋰電池的輸出端分別與受控于微處理器 的第一模擬開關(guān)的2個(gè)輸入端相接，所述的第一模擬開關(guān)的輸出端經(jīng)穩(wěn)壓器接微處理器的 電源接口 ；鋰電池的輸出端接二極管的正極，二極管的負(fù)極接電源模塊的輸出端；所述的傳感器模塊的結(jié)構(gòu)為自源型振動(dòng)傳感器的信號(hào)輸出端經(jīng)第一運(yùn)算放大器 與微處理器的信號(hào)輸入端相接，自源型振動(dòng)傳感器的信號(hào)輸出端接比較器的一個(gè)輸入端， 比較器的另一個(gè)輸入端接可由數(shù)控電位器設(shè)定比較閾值的參考電壓電阻分壓電路輸出端， 比較器的輸出端接微處理器的中斷口；外源型加速度傳感器的信號(hào)輸出端經(jīng)第二運(yùn)算放大器與微處理器的另一個(gè)信號(hào) 輸入端相接；外源型加速度傳感器的電源端經(jīng)受控于微處理器的第二模擬開關(guān)的一個(gè)開關(guān) 通道連接到電源模塊的輸出端口 ；第一運(yùn)算放大器的電源端經(jīng)受控于微處理器的第二模擬 開關(guān)的另一個(gè)開關(guān)通道連接到電源模塊的輸出端口。所述的通信模塊的結(jié)構(gòu)為無線通信器件通過受控于微處理器的第三模擬開關(guān)連 接到電源模塊的輸出端口，無線通信器件與微處理器相接。太陽能電池與超級(jí)電容器并聯(lián)。微處理器采用超低功耗微處理器，調(diào)整穩(wěn)壓器選用在小負(fù)載下能維持高能效的集 成升/降壓穩(wěn)壓器，自源型加速度傳感器由壓電型振動(dòng)元件結(jié)合低功耗比較器和運(yùn)算放大 器構(gòu)成，外源型加速度傳感器選用低功耗集成器件，第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)和第三模 擬開關(guān)均選用超低功耗的集成電子模擬開關(guān)，第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器均采用低 功耗集成芯片，無線通信器件選用集成模塊。微處理器的型號(hào)為MSP430F1611，調(diào)整穩(wěn)壓器型號(hào)為TPS63030，自源型振動(dòng)傳感 器采用壓電振動(dòng)元件MiniSense 100，外源型加速度傳感器的型號(hào)為ADXL202E，第一模擬 開關(guān)的型號(hào)為ADG821，第二模擬開關(guān)的型號(hào)為ADG821、第三模擬開關(guān)的型號(hào)為ADG821，第 一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器均采用TLV2402芯片，比較器采用TLV3492芯片，參考電壓 源采用reflll2芯片，無線通信器件采用CC2520芯片，電源模塊的輸出端口的輸出電壓為 3V。鋰電池的輸出端接二極管的正極，二極管的負(fù)極接電源模塊的輸出端，其作用是， 當(dāng)可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置啟動(dòng)時(shí)，模擬開關(guān)還不起作用，此次， 鋰電池就通過該二極管為微處理器供電，當(dāng)可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 裝置穩(wěn)定工作時(shí)，該二極管支路就不再起作用了。有益效果
4[0018]本實(shí)用新型在保證性能要求的前提下，以低功耗方式實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的持續(xù)監(jiān) 測(cè)，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1、本實(shí)用新型采用自源型與外源型傳感器協(xié)同工作的方式，降低了節(jié)點(diǎn)的傳感器 模塊功耗，可適應(yīng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)性要求高、需要傳感器持續(xù)工作的應(yīng)用場(chǎng)合?，F(xiàn)有無線 傳感器節(jié)點(diǎn)采用的即便是低功耗的外源型集成傳感器件，相同性能下其工作電流最低也在 0. 3mA以上，一股屬mA級(jí)，其供電電壓為3. 3V，由此可知其功耗在1 IOmW之間。若傳統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在需要傳感器持續(xù)工作的場(chǎng)合，當(dāng)其工作時(shí)間提高10倍，例如由Is提高到10s，則 傳感器模塊能耗(按ImW計(jì))由ImJ增至10mJ。本實(shí)用新型供電電壓為3V，使用自源型傳 感器探測(cè)目標(biāo)信號(hào)，若無目標(biāo)事件出現(xiàn)，則外源型傳感器保持休眠狀態(tài)，只有自源型傳感器 的比較電路耗能(功率< 20 μ W)，其IOs能耗< 200 μ J ；若目標(biāo)事件發(fā)生，則啟動(dòng)外源型傳 感器以獲得高精度測(cè)量數(shù)據(jù)，若外源型傳感器休眠時(shí)間與工作時(shí)間相同(50%占空比)， 則 IOs內(nèi)的傳感器模塊能耗僅增加至4. 7mJ(4. 5+0. 2 = 4. 7)，不到傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)傳感器模塊能耗 (IOmJ)的一半。由于目標(biāo)事件屬于低概率事件，需要進(jìn)行高精度測(cè)量的情況很少，因此，若 以事件發(fā)生概率為計(jì)，則本實(shí)用新型的傳感器模塊的能耗(平均功耗)可低達(dá)傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn) 的 1/41(0. 45x0. 01+0. 02x1 ^ 1/41)。2、本實(shí)用新型采用低功耗模塊開關(guān)，用于切換節(jié)點(diǎn)電源的供電方式，提高了電源 能效，可獲得更長(zhǎng)的使用壽命。傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)大多使用電壓調(diào)整器以固定方式為其他模塊提供 穩(wěn)定電壓，但電壓調(diào)整器的能效隨負(fù)載變化而變化，小負(fù)載電流下一股電壓調(diào)整器的平均 能效大多不超過75%;本實(shí)用新型采用鋰電池為主電源，太陽能電池為輔電源，選用小負(fù)載 下能保持高能效(85%以上)的電壓調(diào)整器，根據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載以及太陽能電池的電壓動(dòng)態(tài)地 選擇電壓調(diào)整或直接供電方式，使電源模塊的平均能效高于85%，同時(shí)，在太陽能充足的時(shí) 候?qū)﹄姵貙?shí)現(xiàn)能量補(bǔ)給，從而使節(jié)點(diǎn)獲得更長(zhǎng)壽命。3.對(duì)于通信模塊，無線通信器件周期性地監(jiān)聽信道，若無接收數(shù)據(jù)，則微處理器通 過I/O 口輸出休眠命令，使無線通信器件轉(zhuǎn)入低功耗休眠模式；若有數(shù)據(jù)發(fā)送，則在發(fā)送完 畢時(shí)轉(zhuǎn)入休眠模式；為進(jìn)一步節(jié)能，可以使用低功耗模擬開關(guān)，通過微處理器的I/O 口輸出 低電平，使低功耗模擬開關(guān)關(guān)閉無線通信器件的電源通道，使無線通信器件處于斷電狀態(tài) 中。對(duì)于通信模塊的這種設(shè)計(jì)也能顯著降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗。

圖1為本實(shí)用新型可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實(shí)用新型節(jié)點(diǎn)裝置實(shí)施例自源型傳感器放大調(diào)理電路圖。圖3為本實(shí)用新型節(jié)點(diǎn)裝置實(shí)施例主板電路圖圖4為節(jié)點(diǎn)自源型壓電振動(dòng)元件及整流電橋電路圖。圖5為節(jié)點(diǎn)外源型加速度傳感器電路圖。圖6為節(jié)點(diǎn)無線模塊控制示意圖。圖7為節(jié)點(diǎn)電源模塊電路圖。圖8為可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合圖和具體實(shí)施過程對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1 如圖1所示的可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)框圖，它包 括微處理器、傳感器模塊、通信模塊以及電源模塊，微處理器是節(jié)點(diǎn)的核心，其他模塊與微 處理器相連并受微處理器控制。如圖2所示的本實(shí)用新型裝置實(shí)施例自源型傳感器放大調(diào)理電路圖。自源型壓電 振動(dòng)傳感器MiniSense 100 (以垂直方向?yàn)槔?放大調(diào)理電路包括整流電橋、低功耗比較器 TLV3492與低功耗集成運(yùn)放TLV2402。壓電振動(dòng)元件的電壓輸出先經(jīng)過整流電橋整流，再與 低功耗比較器U13C的一輸入端、低功耗集成運(yùn)放器U7C的正輸入端相連，低功耗集成運(yùn)放 器的輸出端與微處理器U9C的A/D轉(zhuǎn)換器接口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電振動(dòng)元件輸出電壓的采樣； 低功耗比較器的另一輸入端接收微處理器控制的參考電壓，該受控的參考電壓電路包括低 功耗參考電壓源芯片UlOC與數(shù)字電位器U14C，通過微處理器的27、281/0引腳控制參考電 壓電路的輸出電壓值。當(dāng)超閾值的振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，低功耗比較器的輸出端“1”和“7”引 腳分別接微處理器的中斷口 “17”、“19”引腳，通過中斷模式喚醒微處理器，然后，微處理器 通過低功耗模擬開關(guān)TOC的第2通道給與自源型壓電振動(dòng)傳感器中的運(yùn)算放大器供電，從 而對(duì)自源型壓電傳感器的輸出進(jìn)行采樣，若采樣結(jié)果表明該信號(hào)振動(dòng)強(qiáng)度確實(shí)大于閾值， 即設(shè)定的目標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)，則選通低功耗模擬開關(guān)U5C的第1通道，從而啟動(dòng)具有高精度和快 速測(cè)量性能的外源型加速度傳感器。通過比較器的輸出端喚醒處于休眠的微處理器以及使得與自源型壓電振動(dòng)傳感 器中的運(yùn)算放大器(即第一運(yùn)算放大器)通過模擬開關(guān)與電源輸出端相接，一方面是為了 避免誤動(dòng)作觸發(fā)中斷，微處理器進(jìn)一步對(duì)自源型壓電傳感器的輸出進(jìn)行采樣的目的之一就 是檢查是否有誤動(dòng)作發(fā)生，另一方面是為了節(jié)能，即第一運(yùn)算放大器平常不供電，只是在需 要采用的時(shí)候才供電啟動(dòng)，這就能顯著地降低能耗。如圖3所示的本實(shí)用新型可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置實(shí) 施例主板電路圖。微處理器使用MSP430F1611，供電電壓范圍為1. 8 3. 6V，內(nèi)部功能模塊 可獨(dú)立工作，在2. 2V電壓、IMHz時(shí)鐘頻率的活動(dòng)模式下其功耗為330uA，同時(shí)具備多級(jí)功耗 模式。主板的3V電壓輸入口 J2C與電源模塊的3V電壓輸出口 J16C相連。無線通信器件、 JTAG編程器分別通過無線通信接口 J5C與JTAG接口 J7C與微處理器相連。壓電信號(hào)接口 J9C、加速度信號(hào)接口 J3C用于微處理器對(duì)傳感器信號(hào)的采樣、電源控制，而對(duì)電源模塊的 電源調(diào)整、切換則通過處理器模塊電源控制口 J12C實(shí)現(xiàn)，JlOC與JllC為本裝置預(yù)留的I/ 0 口，以便擴(kuò)展。通過以上所述接口，處理器實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)模塊的信號(hào)采集、電源控制。如圖4所示實(shí)例節(jié)點(diǎn)的自源型壓電振動(dòng)元件及整流電橋電路圖，使用壓電振動(dòng)元 件MiniSense 100探測(cè)某方向的振動(dòng)信號(hào)，電壓靈敏度為lV/g。壓電傳感器接口 J8C與節(jié) 點(diǎn)主板壓電信號(hào)接口 J9C相連，用于將輸出電壓送至主板上的低功耗比較器U13C。根據(jù)實(shí) 際需求將本電路安裝至不同位置及方向上，即可實(shí)現(xiàn)多維振動(dòng)探測(cè)。比如，實(shí)際需求中需要 探測(cè)垂直方向與水平方向的振動(dòng)信號(hào)，即二維振動(dòng)探測(cè)，則可使用兩個(gè)該種電路，分別安置 于垂直方向與水平方向。同理，若需要三維或更多維的振動(dòng)探測(cè)，只需將三個(gè)或更多該電路 分別安裝于需要探測(cè)的位置及方向即可。
6[0037]如圖5所示實(shí)例節(jié)點(diǎn)裝置的外源型振動(dòng)傳感器電路圖，加速度傳感器接口 JlC與 節(jié)點(diǎn)主板加速度信號(hào)接口 J3C相連。本實(shí)例中，多維加速度傳感器為高性能雙軸加速度計(jì) ADXL202E,工作電壓為3 5. 25V，工作電流為0. 6mA,測(cè)量范圍為士2g，靈敏度為167mV/g， 功耗大但測(cè)量精度高、頻帶寬，其輸出接RC濾波電路，再經(jīng)低功耗放大器“U2C”放大后送給 加速度傳感器接口 J1C。微處理器將“P1. 3” I/O 口置高電平，從而選通了低功耗模擬開關(guān) U5C的第1通道，即U5C的第2引腳接通了提供給加速度傳感器的3V電源，由此啟動(dòng)了加速 度傳感器以便獲得高精度測(cè)量數(shù)據(jù)；反之，若微處理器將Pl. 3對(duì)應(yīng)的I/O 口置低電平，則切 斷了加速度傳感器的3V電源，關(guān)閉了該傳感器。如圖6所示實(shí)例節(jié)點(diǎn)的無線模塊控制示意圖，微處理器MSP430F1611與無線通信 器件通過三總線進(jìn)行連接，分別是電源控制線、數(shù)據(jù)線以及控制線。無線通信器件周期性地 監(jiān)聽信道，若無接收數(shù)據(jù)，則微處理器通過控制線輸出休眠命令，使無線通信器件轉(zhuǎn)入低功 耗的休眠方式；若有數(shù)據(jù)發(fā)送，則在發(fā)送完畢時(shí)轉(zhuǎn)入休眠方式；為了進(jìn)一步節(jié)能，可以使用 電源控制線，輸出一低電平即可斷開低功耗模擬開關(guān)(1/2個(gè)ADG821)的選通通道，使無線 通信器件(CC2520)處于斷電狀態(tài)中。如圖7所示實(shí)例節(jié)點(diǎn)的電源模塊電路圖，電源調(diào)整電路選用升/降壓穩(wěn)壓器 TPS63030，輸入電壓范圍1. 8V 5. 5V，輸入電壓為3V時(shí)輸出電流可達(dá)500mA，在節(jié)能模式 下，輸出電流減小到約ImA時(shí)，能效依然能保持在85%以上。寬輸入 電壓范圍的太陽能電池 接口 J13C、超級(jí)電容接口 . J14C和可充電鋰電池接口 J15C分別接太陽能電池、超級(jí)電容以 及充電鋰電池。3V電壓輸出口 J16C、電源模塊控制口 J17C分別接微處理器的3V電壓輸入 口 J2C、處理器模塊電源控制口 J12C。節(jié)點(diǎn)裝置剛上電時(shí)，鋰電池的輸出電壓直接經(jīng)二極管 和電阻降壓(低于3V)后送微處理器以啟動(dòng)微處理器，隨后，微處理器通過控制低功耗模擬 開關(guān)U17C即1. 5個(gè)AD6821實(shí)現(xiàn)供電管理，能在太陽能電池供電、鋰電池供電和直接輸出與 通過穩(wěn)壓器調(diào)整穩(wěn)壓輸出等供電方式之間選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電源供電的控制，以便最大限 度提高電源的能效，從而延長(zhǎng)使用壽命。供電方式選擇策略如下1、太陽能電池電壓大于3V時(shí)，微處理器31腳置高電平，直接使用太陽能電池作為 供電電源；太陽能電池電壓低于3V但仍高于調(diào)整穩(wěn)壓器TPS63030的輸入電壓下限值時(shí)，微 處理器30腳、32腳置高電平，使太陽能電池的電壓輸出經(jīng)過調(diào)整穩(wěn)壓器TPS63030調(diào)整為穩(wěn) 定的3V電源，作為節(jié)點(diǎn)的供電電源；若太陽能電池電壓低于穩(wěn)壓器的輸入電壓下限值，則 不使用太陽能電池。2、在不使用太陽能電池的前提下，當(dāng)鋰電池電壓高于3. 3V(3V+ 二極管的管壓降 0. 3V)時(shí)，或低于3V但仍高于調(diào)整穩(wěn)壓器TPS63030的輸入電壓下限值時(shí)，微處理器“32”腳 置高電平，啟動(dòng)調(diào)整穩(wěn)壓器TPS63030，將穩(wěn)壓器的輸出作為節(jié)點(diǎn)供電電源；當(dāng)鋰電池電壓 低于3. 3V且不低于3V時(shí)，直接使用鋰電池作為供電電源；若鋰電池電壓低于調(diào)整穩(wěn)壓器 TPS63030的輸入電壓下限值，則表明節(jié)點(diǎn)的電能已經(jīng)全部耗盡。由于需要判斷太陽能電池和鋰電池的電壓，因此必須有測(cè)量太陽能電池和鋰電池 電壓的相關(guān)電路，且將測(cè)量的信號(hào)送入微處理器進(jìn)行處理，這部分電路為現(xiàn)有成熟技術(shù)。
權(quán)利要求一種可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，包括微處理器、電源模塊、通信模塊和傳感器模塊，所述的電源模塊、通信模塊和傳感器模塊均與微處理器連接；其特征在于所述的電源模塊的結(jié)構(gòu)為太陽能電池和鋰電池的輸出端分別與受控于微處理器的第一模擬開關(guān)的2個(gè)輸入端相接，所述的第一模擬開關(guān)的輸出端經(jīng)調(diào)整穩(wěn)壓器接微處理器的電源接口；鋰電池的輸出端接二極管的正極，二極管的負(fù)極接電源模塊的輸出端；所述的傳感器模塊的結(jié)構(gòu)為自源型振動(dòng)傳感器的信號(hào)輸出端經(jīng)第一運(yùn)算放大器與微處理器的信號(hào)輸入端相接，自源型振動(dòng)傳感器的信號(hào)輸出端接比較器的一個(gè)輸入端，比較器的另一個(gè)輸入端接可由數(shù)控電位器設(shè)定比較閾值的參考電壓電阻分壓電路的輸出端，比較器的輸出端接微處理器的中斷口；外源型加速度傳感器的信號(hào)輸出端經(jīng)第二運(yùn)算放大器與微處理器的另一個(gè)信號(hào)輸入端相接；外源型加速度傳感器的電源端經(jīng)受控于微處理器的第二模擬開關(guān)的一個(gè)開關(guān)通道連接到電源模塊的輸出端口；第一運(yùn)算放大器的電源端經(jīng)受控于微處理器的第二模擬開關(guān)的另一個(gè)開關(guān)通道連接到電源模塊的輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征 在于，所述的通信模塊的結(jié)構(gòu)為無線通信器件通過受控于微處理器的第三模擬開關(guān)連接 到電源模塊的輸出端口，無線通信器件與微處理器相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，其 特征在于，太陽能電池與超級(jí)電容器并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征 在于，微處理器的型號(hào)為MSP430F1611，調(diào)整穩(wěn)壓器型號(hào)為TPS63030，自源型振動(dòng)傳感器采 用壓電振動(dòng)元件MiniSense 100，外源型加速度傳感器的型號(hào)為ADXL202E，第一模擬開關(guān) 的型號(hào)為ADG821，第二模擬開關(guān)的型號(hào)為ADG821、第三模擬開關(guān)的型號(hào)為ADG821，第一運(yùn) 算放大器和第二運(yùn)算放大器均采用TLV2402芯片，比較器采用TLV3492芯片，參考電壓源采 用reflll2芯片，無線通信器件采用CC2520芯片，電源模塊的輸出端口的輸出電壓為3V。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種可持續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，電源模塊、通信模塊和傳感器模塊均與微處理器連接；所述的電源模塊的結(jié)構(gòu)為太陽能電池和鋰電池的輸出端分別與第一模擬開關(guān)的3個(gè)輸入端相接，所述的第一模擬開關(guān)的輸出端接微處理器的電源接口；自源型振動(dòng)傳感器的信號(hào)輸出端經(jīng)第一運(yùn)算放大器和比較器分別與微處理器的信號(hào)輸入端和中斷口相接；外源型加速度傳感器的信號(hào)輸出端經(jīng)第二運(yùn)算放大器與微處理器的另一個(gè)信號(hào)輸入端相接；外源型加速度傳感器的電源端經(jīng)受控于微處理器的第二模擬開關(guān)接節(jié)點(diǎn)所選的當(dāng)前電源輸出端。該裝置節(jié)能效果明顯，能保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。
文檔編號(hào)H04W84/18GK201733447SQ20102028752
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者劉少?gòu)?qiáng), 樊曉平, 洪丹龍, 陳磊 申請(qǐng)人:中南大學(xué)