專利名稱：可用于化工安全監(jiān)控的便攜式無線傳感器節(jié)點的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡、混雜現(xiàn)場總線、嵌入式系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種可用于化工安全監(jiān)控的便攜式無線傳感器節(jié)點。
背景技術：
隨著無線通信技術的發(fā)展，無線通信設備不斷成熟，成本也進一步的降低，為了解決工業(yè)環(huán)境及過程控制環(huán)境下的許多移動對象、旋轉對象以及危險環(huán)境對象的監(jiān)測與控制問題，出現(xiàn)了一種混雜的有線/無線現(xiàn)場總線(hybrid wired/wireless field bus)的新技術。在工作環(huán)境較為惡劣、安全生產(chǎn)風險較高的化工企業(yè)，混雜現(xiàn)場總線技術可以隨作業(yè)現(xiàn)場進行部署，迅速地覆蓋所有工段。當現(xiàn)場工作人員攜帶無線傳感器節(jié)點時，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡的定位技術對工作人員進行實時定位，萬一發(fā)生事故可以對作業(yè)現(xiàn)場的工作人員在事故發(fā)生時刻的位置進行跟蹤，便于設計高效的應急救援方案?；诨祀s現(xiàn)場總線技術的現(xiàn)代化化工安全監(jiān)控系統(tǒng)包括ZigBee與CAN總線之間的有線/無線網(wǎng)關、基于ZigBee的無線傳感器節(jié)點、基于CAN總線的傳感器節(jié)點等。其中，無線傳感器節(jié)點可分為兩類，一類是隨身無線傳感器節(jié)點，是工作人員隨身攜帶的無線傳感器節(jié)點，用于監(jiān)測現(xiàn)場工作人員的位置、生命特征、周圍環(huán)境參數(shù)等，這些信息既可以在救援過程中及時判斷工作人員所在位置及生命活動情況，又可以通過工作人員在工藝現(xiàn)場的移動，實現(xiàn)較大范圍內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。另一類是便攜無線傳感器節(jié)點，用于在暫時不便鋪設CAN總線的地方監(jiān)測環(huán)境參數(shù)和設備參數(shù)，并且還負責中繼周圍工作人員的隨身無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于ZigBee無線技術，可用于化工安全監(jiān)控的便攜式無線傳感器節(jié)點。該節(jié)點可用于暫時不便鋪設CAN總線的地方監(jiān)測環(huán)境參數(shù)和設備參數(shù)，并且還可以負責中繼周圍無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)。本發(fā)明采取的具體技術方案為本發(fā)明包括電源管理模塊，環(huán)境參數(shù)采集模塊， ZigBee無線通信模塊和處理器模塊。所述電源管理模塊包括7. 4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3. 3V電壓轉換電路、1. 8V 電壓轉換電路。鋰電池JS-7. 4V-2. 2AH為5V電壓轉換電路提供電源；5V電壓轉換電路的核心為SPX1117M3-5. 0低壓差線性穩(wěn)壓電源芯片，其輸出供給3. 3V電壓轉換電路、1. 8V電壓轉換電路；3. 3V電壓轉換電路的核心為SPX1117M3-3. 3低壓差線性穩(wěn)壓電源芯片，其輸出供給處理器模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊和ZigBee無線通信模塊；1. 8V電壓轉換電路的核心是SPX1117M3-1. 8低壓差線性穩(wěn)壓電源芯片，其輸出供給處理器模塊。所述環(huán)境參數(shù)采集模塊包括溫濕度采集單元和氣壓采集單元。溫濕度采集單元 SHT21數(shù)字式溫濕度傳感器和處理器模塊的Inter — Integrated Circuit(I2C)總線相連，電源端和3. 3V電壓轉換電路相連；氣壓采集單元MS5607數(shù)字式氣壓計和處理器模塊的串行外設接口 Gerial Peripheral hterface，SPI)相連，電源端和3. 3V電壓轉換電路相連。所述ZigBee無線通信模塊的型號為HZ2012，該模塊和處理器模塊的通用異步串行接收 / 發(fā)送器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)接口相連，電源端和3. 3V電壓轉換電路相連。所述處理器模塊以處理器LPC2109FBD64/01為核心，在其外圍分別搭建了復位電路、晶振電路、JTAG電路以及ISP電路。并且處理器的各電源引腳均接有退藕電容，復位電路采用專用的復位芯片MAX811S。處理器的電源端和3. 3V電壓轉換電路、1. 8V電壓轉換電路相連；處理器模塊SPI接口和氣壓采集單元相連；處理器模塊的1 接口和溫濕度采集單元相連；處理器模塊的UART接口和ZigBee無線通信模塊相連。本發(fā)明相比與現(xiàn)有技術，具有以下優(yōu)勢
1、設備使用方便，監(jiān)測范圍廣。該設備可布置于暫時不便于鋪設CAN總線的地方，能監(jiān)測周圍環(huán)境參數(shù)和中繼周圍無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。2、設備運行功耗低。節(jié)點設備的軟硬件都采用低功耗設計，可在工藝現(xiàn)場長時間工作。3、設備數(shù)據(jù)處理速度快，升級潛力大。本發(fā)明采用了 ARM7內(nèi)核的高性能處理器， 數(shù)據(jù)處理能力強，并且處理器的片上外設豐富，升級潛力大。4、設備成本低。相對于在復雜環(huán)境中鋪設CAN總線的方法，本發(fā)明的成本更加低廉
MTv ο5、設備適應性強。節(jié)點設備各部件均采用符合工業(yè)級標準的器件，在惡劣環(huán)境下具有較強的適應性；充分考慮防潮、防腐、防爆、及本質安全等因素，采用防護等級IP66、防爆等級Ex ia IICT6的設計，使得事故發(fā)生后的設備生存能力強。


圖1為本發(fā)明的電源管理模塊電路原理圖； 圖2為本發(fā)明的環(huán)境參數(shù)采集模塊電路原理圖3為本發(fā)明的ZigBee無線通信模塊電路原理圖； 圖4為本發(fā)明的處理器模塊電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述
如圖ι所示，電源管理模塊包括7. 4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3. 3V電壓轉換電路、 1.8V電壓轉換電路。7. 4V鋰電池的負極接地，正極和單刀雙擲開關Sl的2引腳相連，單刀雙擲開關Sl的3引腳懸空，1引腳和二極管Dl陽極相連，Dl的陰極和電源芯片U2的3引腳相連。5V電壓轉換電路中鉭電容C23的正極和電源芯片U2的3引腳相連，負極接地；電源芯片U2的1引腳接地，2引腳和鉭電容C24的正極、電源指示燈DSl的陽極相連；鉭電容 C24的負極、電源指示燈DSl的陰極均接地；電源芯片U2的2引腳分別和電源芯片U3的3 引腳、電源芯片U4的3引腳相連。3. 3V電壓轉換電路中電容C7的一端和電源芯片U3的3引腳相連，另一端接地；電源芯片U3的1引腳接地，2引腳和鉭電容C9的正極、電源指示燈 DS2的陽極相連；鉭電容C9的負極、電源指示燈DS2的陰極均接地。1.8V電壓轉換電路中電容C8的一端和電源芯片的U4的3引腳相連，另一端接地；電源芯片U4的1引腳接地，2 引腳和鉭電容ClO的正極、電源指示燈DS3的陽極相連；鉭電容ClO的負極、電源指示燈DS3 的陰極均接地。如圖2所示，環(huán)境參數(shù)采集模塊包括溫濕度采集單元和氣壓采集單元。溫濕度采集單元的核心數(shù)字式溫濕度傳感器U8的1引腳和處理器的沈引腳相連，6引腳和處理器的 22引腳相連；數(shù)字式溫濕度傳感器U8的5引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳接地，電容C32的一端和數(shù)字式溫濕度傳感器U8的5引腳相連，另一端接地；數(shù)字式溫濕度傳感器 U8的3、4引腳均懸空。氣壓采集單元核心數(shù)字式氣壓傳感器U7的6引腳和處理器的30引腳相連、7引腳和處理器的四引腳相連、8引腳和處理器的27引腳相連；數(shù)字式氣壓傳感器 U7的4引腳、5引腳均和處理器的1引腳相連；數(shù)字式氣壓傳感器U7的1引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳、3引腳均接地；電容C12的一端和數(shù)字式氣壓傳感器U7的1引腳相連，另一端和數(shù)字式氣壓傳感器U7的2引腳相連。如圖3所示，ZigBee無線通信模塊U12的13引腳、15引腳、17引腳均和3. 3V電壓轉換電路相連；ZigBee無線通信模塊U12的21引腳、23引腳、25引腳、27引腳均接地； ZigBee無線通信模塊U12的18引腳和處理器的19引腳相連，20引腳和處理器的21引腳相連，其余引腳均懸空。如圖4所示，處理器模塊的核心為處理器U1，還包括復位電路、晶振電路、JTAG電路、ISP電路和退藕電容。處理器模塊的核心處理器Ul的57引腳和復位芯片U5的2弓丨腳相連。復位芯片U5的1引腳接地，4引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，電容Cll的一端和復位芯片的1引腳連接，另外一端和復位芯片的4引腳相連；復位芯片的3引腳和復位開關S2 的一端相連，復位開關S2另一端接地。處理器Ul的61弓丨腳、62引腳分別和晶振電路相連。 晶振電路中晶振Yl的兩端并聯(lián)一個電阻R3使系統(tǒng)更容易起振；晶振電路中電容Cl、C2的一端分別和晶振相連，另一端均接地。處理器的JTAG接口和接插件JPl相連，其中處理器的20引腳和接插件JPl的3引腳相連，24引腳和接插件JPl的11引腳相連，52引腳和接插件JPl的7引腳相連，56引腳和接插件JPl的9引腳相連，57引腳和接插件JPl的15引腳相連，60引腳和接插件JPl的5引腳相連，64引腳和接插件JPl的13引腳相連；接插件 JPl的1引腳、2引腳均和3. 3V電壓轉換電路相連，17引腳、19引腳均懸空，其余引腳均接地；電阻R2的一端和接插件JPl的11引腳相連，另一端接地。處理器ISP接口 41引腳和接插件JP2的1引腳相連，接插件JP2的2引腳接地；電阻Rl的一端和接插件JP2的1引腳相連，電阻Rl的另外一端和3. 3V電壓轉換電路相連。退藕電容部分中，電容C16的一端和處理器的17弓丨腳相連，另一端接地；電容C17的一端和處理器的49引腳相連，另一端接地；電容C18的一端和處理器的63引腳相連，另一端接地；電容C19的一端和處理器的7弓丨腳相連，另一端接地；電容C20的一端和處理器的23引腳相連，另一端接地；電容C21的一端和處理器的43引腳相連，另一端接地；電容C22的一端和處理器的51引腳相連，另一端接地。 本發(fā)明的工作過程為合上單刀雙擲開關Sl，鋰電池輸出的7. 4V電源電壓通過5V 電壓轉換電路轉換為5V電壓，為3. 3V電壓轉換電路、1. 8V電壓轉換電路提供電源；3. 3V電壓轉換電路為處理器模塊、溫濕度采集單元、氣壓采集單元提供電源；1.8V電壓轉換電路為處理器提供電源。將設備布置于工藝現(xiàn)場后，設備可由溫濕度采集單元和氣壓采集單元自動采集工藝現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，然后通過ZigBee無線通信模塊將上述采集到的信息發(fā)送至鄰近的無線傳感器節(jié)點或CAN總線傳感器節(jié)點，同時該節(jié)點自身也能中繼附近無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。 本發(fā)明提供了一種可用于化工安全監(jiān)控的便攜式無線傳感器節(jié)點，該節(jié)點可用于監(jiān)測暫時不便鋪設CAN總線地方的環(huán)境參數(shù)和設備參數(shù)，并能中繼周圍無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)。
權利要求
1.可用于化工安全監(jiān)控的便攜式無線傳感器節(jié)點，包括電源管理模塊，環(huán)境參數(shù)采集模塊，ZigBee無線通信模塊和處理器模塊，其特征在于所述的電源管理模塊包括7. 4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3. 3V電壓轉換電路、1. 8V電壓轉換電路；鋰電池的負極接地，正極和單刀雙擲開關Sl的2引腳相連，單刀雙擲開關Sl 的3引腳懸空，1引腳和二極管Dl陽極相連，Dl的陰極和電源芯片U2的3引腳相連；5V電壓轉換電路中鉭電容C23的正極和電源芯片U2的3引腳相連，負極接地；電源芯片U2的1 引腳接地，2引腳和鉭電容CM的正極、電源指示燈DSl的陽極相連；鉭電容C24的負極、電源指示燈DSl的陰極均接地；電源芯片U2的2引腳分別和電源芯片U3的3引腳、電源芯片 U4的3引腳相連；3. 3V電壓轉換電路中電容C7的一端和電源芯片U3的3引腳相連，另一端接地；電源芯片U3的1引腳接地，2引腳和鉭電容C9的正極、電源指示燈DS2的陽極相連；鉭電容C9的負極、電源指示燈DS2的陰極均接地；1. 8V電壓轉換電路中電容C8的一端和電源芯片的U4的3引腳相連，另一端接地；電源芯片U4的1引腳接地，2引腳和鉭電容 ClO的正極、電源指示燈DS3的陽極相連；鉭電容ClO的負極、電源指示燈DS3的陰極均接地；所述的環(huán)境參數(shù)采集模塊包括溫濕度采集單元和氣壓采集單元；溫濕度采集單元的核心數(shù)字式溫濕度傳感器U8的1引腳和處理器的沈引腳相連，6引腳和處理器的22引腳相連；數(shù)字式溫濕度傳感器U8的5引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳接地，電容C32的一端和數(shù)字式溫濕度傳感器U8的5引腳相連，另一端接地；數(shù)字式溫濕度傳感器U8的3、 4引腳均懸空；氣壓采集單元核心數(shù)字式氣壓傳感器U7的6引腳和處理器的30引腳相連、 7引腳和處理器的四引腳相連、8引腳和處理器的27引腳相連；數(shù)字式氣壓傳感器U7的4 引腳、5引腳均和處理器的1引腳相連；數(shù)字式氣壓傳感器U7的1引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳、3引腳均接地；電容C12的一端和數(shù)字式氣壓傳感器U7的1引腳相連，另一端和數(shù)字式氣壓傳感器U7的2引腳相連；所述的ZigBee無線通信模塊U12的13引腳、15引腳、17引腳均和3. 3V電壓轉換電路相連；ZigBee無線通信模塊U12的21引腳、23引腳、25引腳、27引腳均接地；ZigBee無線通信模塊U12的18引腳和處理器的19引腳相連，20引腳和處理器的21引腳相連，其余引腳均懸空；所述的處理器模塊的核心為處理器U1，還包括復位電路、晶振電路、JTAG電路、ISP電路和退藕電容；處理器模塊的核心處理器Ul的57引腳和復位芯片U5的2引腳相連；復位芯片U5的1引腳接地，4引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，電容Cll的一端和復位芯片的1 引腳連接，另外一端和復位芯片的4引腳相連；復位芯片的3引腳和復位開關S2的一端相連，復位開關S2另一端接地；處理器Ul的61引腳、62引腳分別和晶振電路相連；晶振電路中晶振Yl的兩端并聯(lián)一個電阻R3使系統(tǒng)更容易起振；晶振電路中電容C1、C2的一端分別和晶振相連，另一端均接地；處理器的JTAG接口和接插件JPl相連，其中處理器的20引腳和接插件JPl的3引腳相連，24引腳和接插件JPl的11引腳相連，52引腳和接插件JPl的 7引腳相連，56引腳和接插件JPl的9引腳相連，57引腳和接插件JPl的15引腳相連，60 引腳和接插件JPl的5引腳相連，64引腳和接插件JPl的13引腳相連；接插件JPl的1引腳、2引腳均和3. 3V電壓轉換電路相連，17引腳、19引腳均懸空，其余引腳均接地；電阻R2 的一端和接插件JPl的11引腳相連，另一端接地；處理器ISP接口 41引腳和接插件JP2的1引腳相連，接插件JP2的2引腳接地；電阻Rl的一端和接插件JP2的1引腳相連，電阻Rl 的另外一端和3. 3V電壓轉換電路相連；退藕電容部分中，電容C16的一端和處理器的17引腳相連，另一端接地；電容C17的一端和處理器的49引腳相連，另一端接地；電容C18的一端和處理器的63引腳相連，另一端接地；電容C19的一端和處理器的7引腳相連，另一端接地；電容C20的一端和處理器的23引腳相連，另一端接地；電容C21的一端和處理器的43 引腳相連，另一端接地；電容C22的一端和處理器的51引腳相連，另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于化工安全監(jiān)控的便攜式無線傳感器節(jié)點。本發(fā)明包括電源管理模塊，環(huán)境參數(shù)采集模塊，ZigBee無線通信模塊和處理器模塊。電源管理模塊包括7.4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3.3V電壓轉換電路、1.8V電壓轉換電路。環(huán)境參數(shù)采集模塊包括溫濕度采集單元和氣壓采集單元。處理器模塊以處理器LPC2109FBD64/01為核心，在其外圍分別搭建了復位電路、晶振電路、JTAG電路以及ISP電路。本發(fā)明使用方便，監(jiān)測范圍廣。
文檔編號H04W84/18GK102305641SQ201110136469
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者吳斌, 蔣鵬 申請人:杭州電子科技大學