專利名稱：一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信中的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別是無(wú)線通信中的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體是ー種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子技木、MEMS技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能，從而促進(jìn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)、建筑物和橋梁監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)源和污染源監(jiān)測(cè)、設(shè)備和裝備監(jiān)測(cè)、倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。在這些應(yīng)用場(chǎng)合中，傳統(tǒng)上通常使用三種方式對(duì)這些場(chǎng)合進(jìn)行監(jiān)測(cè)(I)離線的人工巡檢方式，這種方式盡管有一定的效果，但是缺乏實(shí)時(shí)性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化和低成本，而且漏報(bào)率較高；(2)有線方式，采用這種方式實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允侨菀妆ＷC的，并且確有一定的成效，但從更廣泛的切合應(yīng)用實(shí)際意義、推廣價(jià)值和未來(lái)發(fā)展的角度看，其存在系統(tǒng)投資大、成本高、性價(jià)比低，系統(tǒng)的電纜復(fù)用率低、復(fù)雜性高，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高、不便于維護(hù)，同時(shí)系統(tǒng)的擴(kuò)展性差，使得監(jiān)測(cè)容量相對(duì)較小，特別是在其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已安裝好后需要増加監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況下，不但需要對(duì)軟件，而且還需要對(duì)硬件作較大的改動(dòng)，甚至需要重新設(shè)計(jì)制作；(3)GSM、2G或3G公共無(wú)線網(wǎng)方式，這種方式對(duì)于大范圍區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警是ー個(gè)值得考慮的解決方案，但對(duì)于小范圍區(qū)域它卻不盡合理，因?yàn)槠溥\(yùn)行成本高，普及推廣價(jià)值不大，更為重要的是，無(wú)線收發(fā)由于天線等的表面浄電電荷、聞?lì)l福射等因素在收發(fā)功率較大時(shí)可能廣生聞?lì)l電火花，特別在環(huán)境惡劣時(shí)發(fā)生的可能性更大。而且，根據(jù)GSM、2G或3G系統(tǒng)的蜂窩式無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓逃袡C(jī)理，無(wú)線收發(fā)功率的大小與監(jiān)控區(qū)域范圍的大小成正比。因此，將其用于不可避免得存在易燃、易爆氣體、粉塵和流體的石油、化工企業(yè)的環(huán)境中時(shí)，常常很難達(dá)到防爆的安全要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其一方面保留了傳統(tǒng)有線方式應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)部分，以兼容傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法；另一方面融合了有線和無(wú)線的方式，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在統(tǒng)ー的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下組網(wǎng)，很方便的對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了升級(jí)改造，且能夠滿足ー些特殊場(chǎng)合的安全防爆要求。此外本發(fā)明還提供這種裝置的運(yùn)行方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其包括信號(hào)處理及通信模塊和I個(gè)以上終端儀表信號(hào)采集模塊，各終端儀表信號(hào)采集模塊通過(guò)總線連接信號(hào)處理及通信模塊；各終端儀表信號(hào)米集模塊包括第一電源管理單兀，和由第一電源管理單兀供電的電壓信號(hào)采集部分、電流信號(hào)采集部分、頻率信號(hào)采集部分和數(shù)字I/O信號(hào)采集部分；其中 電壓信號(hào)采集部分包括電壓信號(hào)處理器単元、電壓采集単元和第一總線通信單元；電壓信號(hào)處理器単元接收電壓采集單元采集到的電壓信號(hào)，并將處理后的電壓信號(hào)通過(guò)第一總線通信單元輸出至總線；電流信號(hào)采集部分包括電流信號(hào)處理器単元、電流采集単元和第二總線通信單元；電流信號(hào)處理器単元接收電流采集單元采集到的電流信號(hào)，并將處理后的電流信號(hào)通過(guò)第二總線通信單元輸出至總線；頻率信號(hào)采集部分包括頻率信號(hào)處理器単元、頻率采集単元和第三總線通信單元；頻率信號(hào)處理器単元接收頻率采集單元采集到的頻率信號(hào)，并將處理后的頻率信號(hào)通過(guò)第三總線通信單元輸出至總線；數(shù)字I/O信號(hào)采集部分包括數(shù)字I/O信號(hào)處理器単元、數(shù)字I/O采集單元和第四總線通信単元；數(shù)字I/o信號(hào)處理器単元接收數(shù)字I/O采集單元采集到的數(shù)字I/O信號(hào)，并將處理后的數(shù)字I/o信號(hào)通過(guò)第四總線通信單元輸出至總線；
信號(hào)處理及通信模塊包括第二電源管理単元和由第二電源管理単元供電的主處理器單元、第五總線通信単元、無(wú)線收發(fā)單元和存儲(chǔ)單元；存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有分別對(duì)應(yīng)各終端儀表信號(hào)采集模塊的地址信息；主處理器単元通過(guò)第五總線通信單元連接總線，根據(jù)地址向相應(yīng)的終端儀表信號(hào)采集模塊請(qǐng)求采集結(jié)果信號(hào)，然后接收相應(yīng)地址的終端儀表信號(hào)采集模塊傳輸?shù)娇偩€的采集結(jié)果信號(hào)并處理，再將處理后的信號(hào)通過(guò)無(wú)線收發(fā)單元輸出。為使裝置的運(yùn)行更加安全，數(shù)字信號(hào)的傳輸更加穩(wěn)定，本發(fā)明中，電壓信號(hào)處理器単元與第一通信単元之間、電流信號(hào)處理器単元與第二通信単元之間、頻率信號(hào)處理器單元與第三通信単元之間、數(shù)字I/o信號(hào)處理器単元與第四通信単元之間，以及主處理器單元與第五通信単元之間通過(guò)光耦隔離單元連接，光耦隔離単元采用現(xiàn)有光耦元器件及外圍電路實(shí)現(xiàn)。進(jìn)ー步的，本發(fā)明的信號(hào)處理通信模塊中還包括通信調(diào)試單元；主處理器単元上設(shè)有通信調(diào)試端ロ，通信調(diào)試端ロ連接通信調(diào)試單元。通信調(diào)試接ロ用來(lái)為系統(tǒng)下載運(yùn)行程序和調(diào)試程序，便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。更進(jìn)ー步的，本發(fā)明所述總線采用UART、SPI、I2C、SMBus, RS485、CAN中的ー種總線形式實(shí)現(xiàn)。終端儀表信號(hào)采集模塊傳輸?shù)娇偩€的信息格式為數(shù)據(jù)幀，這些信號(hào)傳輸至信號(hào)處理及通信模塊后，經(jīng)主處理器單元和無(wú)線收發(fā)單元處理，被轉(zhuǎn)變換成無(wú)線信息格式數(shù)據(jù)幀進(jìn)行無(wú)線傳輸。上述主處理器單元以及無(wú)線收發(fā)單元的實(shí)現(xiàn)形式可以為主處理器單元采用AVR系列微控制器、MSP430系列微控制器、PIC系列微控制器中的ー種控制器為核心處理器實(shí)現(xiàn)，無(wú)線收發(fā)單元采用現(xiàn)有的射頻收發(fā)芯片及其相關(guān)外圍電路實(shí)現(xiàn)。主處理器単元與無(wú)線收發(fā)單元也可以由現(xiàn)有的內(nèi)含32位低功耗RSIC處理器核的NXP公司生產(chǎn)的JN51XX系列無(wú)線收發(fā)模塊及外圍電路組成，還可以由內(nèi)含ARM Cortex-M3處理器核的Ember公司生產(chǎn)的EM3XX系列無(wú)線收發(fā)模塊及外圍電路組成。為使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，本發(fā)明的終端儀表信號(hào)采集模塊中，電壓信號(hào)處理器單元、電流信號(hào)處理器単元、頻率信號(hào)處理單元和數(shù)字I/O信號(hào)處理器単元集成到同一個(gè)處理器單元，利用同一個(gè)現(xiàn)有的處理器芯片的多組輸入端ロ來(lái)實(shí)現(xiàn)采集結(jié)果信號(hào)的接收。集成的處理器単元可采用AVR系列微控制器、MSP430系列微控制器、PIC系列微控制器中的一種控制器為核心處理器實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置的運(yùn)行方法，包括如下步驟(I)啟動(dòng)第一和第二電源管理模塊使裝置上電；(2)信號(hào)處理及通信模塊中的各部分處理器單元進(jìn)行初始化，設(shè)置堆棧指針，開啟全局中斷，并讀取各終端儀表信號(hào)采集模塊的地址信息，將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中，然后根據(jù)實(shí)際需求發(fā)送相應(yīng)的地址信號(hào)；各終端儀表信號(hào)采集模塊中的各部分處理器単元初始化，設(shè)置堆棧指針，開啟全局中斷，不斷循環(huán)查詢接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的地址信號(hào)；地址信號(hào)發(fā)送完畢后，信號(hào)處理及通信模塊開始循環(huán)等待接收從相應(yīng)地址的終端儀表信號(hào)采集模塊返回的應(yīng)答消息；(3)終端儀表信號(hào)采集模塊中的各部分處理器単元接收到地址信號(hào)，并對(duì)地址信號(hào)中的地址信息進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)和存儲(chǔ)處理，并判斷是否與自己已 被配置的地址相同若不相同，則丟棄本次地址信號(hào)，繼續(xù)等待接收下一次信號(hào)；若相同，則(4)相應(yīng)部分的處理器単元返回應(yīng)答消息給信號(hào)處理及通信模塊，并開始循環(huán)等待接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送來(lái)的命令信號(hào)；(5)信號(hào)處理及通信模塊接收到應(yīng)答消息，并對(duì)應(yīng)答消息進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)和存儲(chǔ)處理，判斷其中的地址信息是否和自己發(fā)出的地址信號(hào)中的地址ー致若不一致，則再次重發(fā)地址信號(hào)；若一致，則向相應(yīng)的處理器單元發(fā)送命令消息，命令消息的類型為電壓采集命令、電流采集命令、頻率采集命令、數(shù)字I/O采集命令中的ー種；(6)命令消息發(fā)送完畢，信號(hào)處理及通信模塊開始等待終端儀表信號(hào)采集模塊中相應(yīng)部分的處理器單元發(fā)來(lái)的采集結(jié)果信號(hào)；(7)相應(yīng)地址的處理器単元接收到命令消息，并對(duì)接收到的命令消息進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)和存儲(chǔ)處理，判斷命令消息的類型從而得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)采集對(duì)象，然后根據(jù)命令消息對(duì)相應(yīng)的終端儀表信號(hào)進(jìn)行采集；(8)相應(yīng)地址的處理器単元將采集結(jié)果發(fā)送至總線，進(jìn)而傳輸至信號(hào)處理及通信模塊；采集結(jié)果發(fā)送完成后，終端儀表信號(hào)采集模塊中的各部分處理器単元繼續(xù)等待接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的地址信號(hào)；(9)信號(hào)處理及通信模塊接收到采集結(jié)果信號(hào)，并對(duì)采集結(jié)果信號(hào)進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、校驗(yàn)、濾波、構(gòu)建和存儲(chǔ)處理后，將總線信息格式數(shù)據(jù)幀的采集結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線信息格式數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò)無(wú)線收發(fā)單元發(fā)送給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)；(10)信號(hào)處理及通信模塊繼續(xù)根據(jù)需求向終端儀表信號(hào)采集模塊發(fā)送地址信息，重復(fù)步驟⑶至步驟(9)。本發(fā)明在系統(tǒng)地研究和設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了ー種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其有益效果為I)有效解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳感節(jié)點(diǎn)應(yīng)用范圍窄的問(wèn)題，且系統(tǒng)投資成本低、性價(jià)比高、實(shí)時(shí)性好、安全可靠、使用和維護(hù)方便；2)本發(fā)明中的終端儀表信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理及通信模塊，共同組成ー個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，終端儀表信號(hào)采集模塊可以采集傳感器輸出的四種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(電壓、電流、頻率、數(shù)字1/0)，只要傳感器的輸出信號(hào)為這四種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之一，都可以與終端儀表信號(hào)采集模塊相連接，從而擴(kuò)大了傳感節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用范圍；3)本發(fā)明的無(wú)線通信單元可采用支持Zigbee和IEEE802. 15. 4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)芯片，這種芯片具有低功耗、低成本等特性，同時(shí)組建的網(wǎng)絡(luò)具有自組織性和自愈性，使得傳感節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中能夠進(jìn)行廣泛的部署并進(jìn)行可靠的通信，能夠滿足大多數(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)合；4)本發(fā)明能夠?qū)鹘y(tǒng)的總線信號(hào)(如RS485、CAN等總線信號(hào))轉(zhuǎn)換成無(wú)線信號(hào)進(jìn)行傳輸，從而使得有線方式和無(wú)線方式能夠進(jìn)行有效的結(jié)合，這ー優(yōu)點(diǎn)可以使得大部分傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的場(chǎng)合升級(jí)改造為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而促進(jìn)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步；5)本發(fā)明由于采用的各元器件的工作溫度范圍大，使其裝置可以在-40C°到+85C°正常工作，這樣可使本發(fā)明適合于世界的絕大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)。


圖I是本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2是本發(fā)明終端儀表信號(hào)采集模塊的部分電路原理圖，其中包括處理器単元、第一電源管理単元、光耦隔離単元、總線通信単元；圖3是本發(fā)明終端儀表信號(hào)采集模塊中各信號(hào)采集單元的電路原理圖；其中包括電壓與電流信號(hào)采集單元01、頻率信號(hào)采集單元02、數(shù)字I/O信號(hào)采集單元03 ；圖4是本發(fā)明運(yùn)行方法中終端儀表信號(hào)采集模塊的軟件流程圖；圖5是本發(fā)明中信號(hào)處理及通信模塊的部分電路原理圖，其中包括主處理器單元、無(wú)線收發(fā)單元、看門狗單元、存儲(chǔ)單元；圖6是本發(fā)明運(yùn)行方法中信號(hào)處理及通信模塊的軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的內(nèi)容更加明顯易懂，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步描述。如圖I所示，本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，包括信號(hào)處理及通信模塊和I個(gè)以上終端儀表信號(hào)采集模塊，各終端儀表信號(hào)采集模塊通過(guò)總線連接信號(hào)處理及通信模塊；各終端儀表信號(hào)米集模塊包括第一電源管理單兀，和由第一電源管理單兀供電的電壓信號(hào)采集部分、電流信號(hào)采集部分、頻率信號(hào)采集部分和數(shù)字I/O信號(hào)采集部分；其中電壓信號(hào)采集部分包括電壓信號(hào)處理器単元、電壓采集単元和第一總線通信單元；電壓信號(hào)處理器単元接收電壓采集單元采集到的電壓信號(hào)，并將處理后的電壓信號(hào)通過(guò)第一總線通信単元以及連接端ロ Jl輸出至總線；電流信號(hào)采集部分包括電流信號(hào)處理器単元、電流采集単元和第二總線通信單元；電流信號(hào)處理器単元接收電流采集單元采集到的電流信號(hào)，并將處理后的電流信號(hào)通過(guò)第二總線通信単元以及連接端ロ J2輸出至總線；頻率信號(hào)采集部分包括頻率信號(hào)處理器単元、頻率采集単元和第三總線通信單元；頻率信號(hào)處理器単元接收頻率采集單元采集到的頻率信號(hào)，并將處理后的頻率信號(hào)通過(guò)第三總線通信単元以及連接端ロ J3輸出至總線；、
數(shù)字I/O信號(hào)采集部分包括數(shù)字I/O信號(hào)處理器単元、數(shù)字I/O采集單元和第四總線通信単元；數(shù)字I/o信號(hào)處理器単元接收數(shù)字I/O采集單元采集到的數(shù)字I/O信號(hào)，并將處理后的數(shù)字I/o信號(hào)通過(guò)第四總線通信単元以及連接端ロ J4輸出至總線；信號(hào)處理及通信模塊包括第二電源管理単元和由第二電源管理単元供電的主處理器單元、第五總線通信単元、無(wú)線收發(fā)單元和存儲(chǔ)單元；存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有分別對(duì)應(yīng)各終端儀表信號(hào)采集模塊的地址信息；主處理器単元通過(guò)第五總線通信単元以及連接端ロ J5連接總線。信號(hào)處理及通信模塊根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求確定采集何種環(huán)境或者物體狀態(tài)信息，然后由主處理器単元通過(guò)總線，向所有終端儀表信號(hào)采集模塊發(fā)出地址信號(hào)以請(qǐng)求采集結(jié)果信號(hào)，再向相應(yīng)地址的終端儀表信號(hào)采集模塊發(fā)出與采集信號(hào)類型相關(guān)的命令消息，待終端儀表信號(hào)采集模塊將采集結(jié)果信號(hào)傳輸至總線， 信號(hào)處理及通信模塊中的主處理器単元即接收采集結(jié)果信號(hào)并進(jìn)行處理，最后由連接端ロ J6通過(guò)無(wú)線收發(fā)單元輸出。本發(fā)明中，電壓信號(hào)處理器単元與第一通信単元之間、電流信號(hào)處理器単元與第二通信単元之間、頻率信號(hào)處理器単元與第三通信単元之間、數(shù)字I/o信號(hào)處理器単元與第四通信単元之間，以及主處理器単元與第五通信単元之間通過(guò)光耦隔離單元連接，光耦隔離單元采用現(xiàn)有光耦元器件及外圍電路實(shí)現(xiàn)。為了便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，本發(fā)明的信號(hào)處理通信模塊中還包括通信調(diào)試單元；主處理器単元上設(shè)有通信調(diào)試端ロ，通信調(diào)試端ロ連接通信調(diào)試單元，以為系統(tǒng)下載運(yùn)行程序和調(diào)試程序。本發(fā)明中，總線采用UART、SPI、I2C、SMBus、RS485、CAN中的一種總線形式實(shí)現(xiàn)，終端儀表信號(hào)采集模塊的電路原理圖可結(jié)合圖2和圖3，電壓信號(hào)處理器単元、電流信號(hào)處理器単元、頻率信號(hào)處理單元和數(shù)字I/O信號(hào)處理器単元集成到同一個(gè)處理器単元，利用同一個(gè)處理器芯片的多組輸入端ロ來(lái)實(shí)現(xiàn)采集結(jié)果信號(hào)的接收。處理器単元中的微處理器芯片U3選用AT公司的高性能、低功耗AVR8位高檔微處理器ATmegal28L。它具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，最高8MHz工作頻率，大多數(shù)指令在ー個(gè)周期內(nèi)完成，運(yùn)算速率高；片內(nèi)128KFlash、4KSRAM和4KEEPR0M ;支持省電模式、掉電模式等6種睡眠模式；具有多種總線和充足的輸入輸出接ロ ；具有A/D、D/A接ロ ；具有2. 7V-5. 5V的寬工作電壓范圍；具有與IEEEl 149. I標(biāo)準(zhǔn)兼容的JTAG接ロ。光耦隔離單元中的光耦隔離芯片U4A、U4B、U4C采用TOSHIBA公司生產(chǎn)的TLP521-4GB芯片，它的4腳、6腳、16腳分別與微處理器芯片的TXDO、PCI、RXDO相連?？偩€通信單元的通信芯片U5采用MAXM公司生產(chǎn)的MAX1487E芯片，它采用+5VDC供電.當(dāng)供電電流約為500 ii A時(shí)，傳輸速率達(dá)到2. 5Mb/s，適用于半雙エ通信，通信總線上最多可掛128個(gè)收發(fā)器。通信調(diào)試接ロ的數(shù)據(jù)線經(jīng)過(guò)電阻“R2 R5”上拉后與微處理器芯片的JTAG接ロ相連，它的“ 1、3、5、9”引腳分別與微處理器芯片Ul的“57、56、55、54”引腳連接。電源管理單元的電源轉(zhuǎn)換芯片U2使用SIPEX公司生產(chǎn)的SPXl 117-3. 3V芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3. 3V電壓，并使用周立功公司生產(chǎn)的DC-DC電壓隔離模塊BS0505-1W為微處理器単元和總線通信単元提供電壓隔離。如圖3所示，為使電路更加簡(jiǎn)潔，本發(fā)明將電壓采集単元與電流采集単元電路集成為ー個(gè)模塊Ol :電壓采集單元采集到的模擬電壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)由R1、R3、R5的的分壓，電流采集單元采集到模擬電流信號(hào)經(jīng)過(guò)Rl、R3、R5的電壓轉(zhuǎn)換和分壓，再經(jīng)過(guò)由R1、R3、C8組成的阻容式低通濾波器進(jìn)行濾波，然后送到US(MiCiX)Chip公司生產(chǎn)的可編程增益放大器MCP6S28芯片)進(jìn)行放大處理，MCP6S28芯片通過(guò)SPI總線與微處理器芯片相連，MCP6S28芯片具有多路選擇輸入模塊，由軟件設(shè)置通道選擇，其頻寬為2MHz 12MHz，有8種增益選擇+lV/V，+2V/V, +4V/V, +5V/V, +8V/V, +10V/V, +16V/V, +32V/V，可靈活放大模擬信號(hào)，匹配輸入電阻減少采樣時(shí)間，增益誤差(±1% )、偏移(275 ii V)、噪聲(lOnV/rtHz)低，電流消耗典型值為1mA。頻率采集單元02采集到的頻率信號(hào)首先經(jīng)過(guò)R8、R10、R12、C10的分壓濾波之后， 然后采用芯片U7(TI公司生產(chǎn)的SN74LVC2G14芯片)進(jìn)行整形，最后將信號(hào)送到微處理器的Tl ロ進(jìn)行處理。數(shù)字I/O采集單元03采集到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)U6 (MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3378芯片)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后送到微處理器芯片的I/O引腳進(jìn)行處理，MAX3378是雙向低電壓邏輯電平轉(zhuǎn)換器，在3V與5V之間轉(zhuǎn)換通信速度高達(dá)8Mb/s，具有三態(tài)引腳，當(dāng)為低有效電平吋，消耗電流為I PA，靜態(tài)電流典型值為130 PA，整體功耗較低。本發(fā)明中信號(hào)處理及通信模塊的電路原理圖如圖5所示，主處理器単元和無(wú)線收發(fā)單元Ul采用NXP公司生產(chǎn)的JN5139模塊，JN5139模塊集成了ー個(gè)32位的RSIC處理器，可充分兼容2. 4GHz、IEEE802. 15. 4收發(fā)器，提供了豐富的模擬量和數(shù)字外圍接ロ，除了做無(wú)線通信外，還可以做性能非常強(qiáng)大的MCU使用，所有的硬件外設(shè)有完善的API函數(shù)，可以快速優(yōu)質(zhì)的開發(fā)應(yīng)用程序。其內(nèi)部具有128位AES安全協(xié)處理器，6KB容量RAM靜態(tài)存儲(chǔ)器，192KB容量ROM程序存儲(chǔ)器，4路12位ADC、2路11位ADC、2個(gè)比較器，3個(gè)系統(tǒng)Timer和兩個(gè)用戶Timer，兩個(gè)UART端ロ，ー個(gè)SPI接ロ，帶有5個(gè)片選線，ー個(gè)2線串行接ロ，兼容SM-BUS和I2C規(guī)范，21個(gè)通用I/O ロ，符合ROHS規(guī)范。JN5139內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信的完整協(xié)議棧；內(nèi)置RAM存儲(chǔ)器可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能，而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間；內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載。JN5139支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能，同時(shí)提供了對(duì)于大量的模擬和數(shù)字外設(shè)的互操作支持，讓用戶可以方便的連接到自己的外部應(yīng)用系統(tǒng)?？撮T狗單元中看門狗芯片U4使用MAXM公司生產(chǎn)的MAX706芯片，該芯片具有uP復(fù)位(高、低電平)、掉電監(jiān)測(cè)、手動(dòng)復(fù)位輸入功能，其WDO引腳與微處理器芯片RESEIN引腳相連。通信調(diào)試接ロ既可以作為調(diào)試接ロ使用，也可用來(lái)下載程序，它的“2、4、5、6”引腳分別與JN5139的“ 17、19、18、16”引腳連接。本發(fā)明在運(yùn)行時(shí)，首先啟動(dòng)第一和第二電源管理単元使裝置上電，終端儀表信號(hào)采集模塊的軟件流程圖如圖4所示，具體步驟為(I)裝置上電后，終端儀表信號(hào)采集模塊中各處理器單元進(jìn)行初始化，設(shè)置堆棧指針，開啟全局中斷，不斷循環(huán)接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的地址信號(hào)；(2)如果接收到地址信號(hào)，終端儀表信號(hào)采集模塊中各處理器単元對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)、存儲(chǔ)等處理，判斷是否和自己的地址信息相同，若不相同，則丟棄本次地址消息，繼續(xù)等待接收下一次地址消息，若相同，則返回ー應(yīng)答消息給信號(hào)處理及通信模塊中的主處理器単元，即主機(jī)；并開始循環(huán)等待接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令消息；(3)接收到命令消息后，終端儀表信號(hào)采集模塊中各處理器單元進(jìn)行相應(yīng)提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)、存儲(chǔ)等處理，并判斷是對(duì)應(yīng)何種采集信號(hào)的采集命令消息，如電壓采集命令、電流采集命令、 頻率采集命令或者數(shù)字I/O采集命令，然后各信號(hào)采集單元根據(jù)采集命令進(jìn)行相應(yīng)儀表信號(hào)的采集；(4)當(dāng)對(duì)終端儀表信號(hào)采集完成后，終端儀表信號(hào)采集模塊將采集結(jié)果信號(hào)發(fā)送給信號(hào)處理及通信模塊，發(fā)送完成后，又重新繼續(xù)等待接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的地址信號(hào)，重復(fù)步驟(2)至步驟(4)。信號(hào)處理及通信模塊的軟件處理流程可結(jié)合圖6，具體步驟為(I)裝置上電后，信號(hào)處理及通信模塊中處理器單元進(jìn)行初始化，設(shè)置堆棧指針，開啟全局中斷，并讀取各從機(jī)即終端儀表信號(hào)采集模塊的地址信息，將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中，然后根據(jù)相應(yīng)需求發(fā)送相應(yīng)的從機(jī)地址信號(hào)；(2)從機(jī)地址發(fā)送完成后，信號(hào)處理及通信模塊開始循環(huán)等待接收從機(jī)發(fā)送的應(yīng)答消息；(3)信號(hào)處理及通信模塊接收到從機(jī)發(fā)送的應(yīng)答消息之后，信號(hào)處理及通信模塊中處理器単元對(duì)應(yīng)答消息進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)、存儲(chǔ)等處理，判斷是否和自已發(fā)送到從機(jī)地址一致，若不一致，則再次重發(fā)從機(jī)地址消息，若一致，則發(fā)送命令消息，命令消息包括電壓采集命令、電流采集命令、頻率采集命令、數(shù)字I/O采集命令；(4)當(dāng)發(fā)送完命令消息之后，信號(hào)處理及通信模塊便開始等待終端儀表信號(hào)采集模塊發(fā)送相應(yīng)的采集結(jié)果信號(hào)，接收到采集結(jié)果信號(hào)之后，信號(hào)處理及通信模塊中的處理器単元對(duì)采集結(jié)果信號(hào)進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、校驗(yàn)、濾波、構(gòu)建、存儲(chǔ)等處理后，最終將總線信息格式數(shù)據(jù)幀的采集結(jié)果信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線信息格式數(shù)據(jù)幀，通過(guò)無(wú)線收發(fā)單元發(fā)送給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)；(5)發(fā)送完成之后，信號(hào)處理及通信模塊又重新根據(jù)實(shí)際需要發(fā)送相應(yīng)的從機(jī)地址信息給采集結(jié)果信息，并重復(fù)步驟(2)至步驟(5)。本發(fā)明中所述具體實(shí)施案例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施案例而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)作為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，包括信號(hào)處理及通信模塊和I個(gè)以上終端儀表信號(hào)采集模塊，各終端儀表信號(hào)采集模塊通過(guò)總線連接信號(hào)處理及通信模塊； 各終端儀表信號(hào)采集模塊包括第一電源管理單元，和由第一電源管理單元供電的電壓信號(hào)采集部分、電流信號(hào)采集部分、頻率信號(hào)采集部分和數(shù)字I/o信號(hào)采集部分；其中 電壓信號(hào)采集部分包括電壓信號(hào)處理器單元、電壓采集單元和第一總線通信單元；電壓信號(hào)處理器單元接收電壓采集單元采集到的電壓信號(hào)，并將處理后的電壓信號(hào)通過(guò)第一總線通信單元輸出至總線； 電流信號(hào)采集部分包括電流信號(hào)處理器單元、電流采集單元和第二總線通信單元；電流信號(hào)處理器單元接收電流采集單元采集到的電流信號(hào)，并將處理后的電流信號(hào)通過(guò)第二總線通信單元輸出至總線； 頻率信號(hào)采集部分包括頻率信號(hào)處理器單元、頻率采集單元和第三總線通信單元；頻率信號(hào)處理器單元接收頻率采集單元采集到的頻率信號(hào)，并將處理后的頻率信號(hào)通過(guò)第三總線通信單元輸出至總線； 數(shù)字I/O信號(hào)采集部分包括數(shù)字I/O信號(hào)處理器單元、數(shù)字I/O采集單元和第四總線通信單元；數(shù)字I/o信號(hào)處理器單元接收數(shù)字I/O采集單元采集到的數(shù)字I/O信號(hào)，并將處理后的數(shù)字I/o信號(hào)通過(guò)第四總線通信單元輸出至總線； 信號(hào)處理及通信模塊包括第二電源管理單元和由第二電源管理單元供電的主處理器單元、第五總線通信單元、無(wú)線收發(fā)單元和存儲(chǔ)單元；存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有分別對(duì)應(yīng)各終端儀表信號(hào)采集模塊的地址信息；主處理器單元通過(guò)第五總線通信單元連接總線，根據(jù)地址向相應(yīng)的終端儀表信號(hào)采集模塊請(qǐng)求采集結(jié)果信號(hào)，然后接收相應(yīng)地址的終端儀表信號(hào)采集模塊傳輸?shù)娇偩€的采集結(jié)果信號(hào)并處理，再將處理后的信號(hào)通過(guò)無(wú)線收發(fā)單元輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，電壓信號(hào)處理器單元與第一通信單元之間、電流信號(hào)處理器單元與第二通信單元之間、頻率信號(hào)處理器單元與第三通信單元之間、數(shù)字I/O信號(hào)處理器單元與第四通信單元之間，以及主處理器單元與第五通信單元之間通過(guò)光耦隔離單元連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，信號(hào)處理通信模塊中還包括通信調(diào)試單元；主處理器單元上設(shè)有通信調(diào)試端口，通信調(diào)試端口連接通信調(diào)試單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，所述總線采用UART, SPI、I2C、SMBus, RS485、CAN 中的一種總線形式實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，所述終端儀表信號(hào)采集模塊中，電壓信號(hào)處理器單元、電流信號(hào)處理器單元、頻率信號(hào)處理器單元以及數(shù)字I/O信號(hào)處理器單元集成到同一個(gè)處理器單元實(shí)現(xiàn)；集成的處理器單元采用AVR系列微控制器、MSP430系列微控制器、PIC系列微控制器中的一種控制器為核心處理器實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，所述信號(hào)處理及通信模塊中，主處理器單元采用AVR系列微控制器、MSP430系列微控制器、PIC系列微控制器中的一種控制器為核心處理器實(shí)現(xiàn)；無(wú)線收發(fā)單元采用射頻收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，主處理器單元與無(wú)線收發(fā)單元采用JN51XX系列無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是，主處理器單元與無(wú)線收發(fā)單元由采用EM3XX系列無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)。
9.基于權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置的運(yùn)行方法，其特征是，包括如下步驟 (1)啟動(dòng)第一和第二電源管理模塊使裝置上電； (2)信號(hào)處理及通信模塊中的各部分處理器單元進(jìn)行初始化，設(shè)置堆棧指針，開啟全局中斷，并讀取各終端儀表信號(hào)采集模塊的地址信息，將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中，然后根據(jù)實(shí)際需求發(fā)送相應(yīng)的地址信號(hào)； 各終端儀表信號(hào)采集模塊中的各部分處理器單元初始化，設(shè)置堆棧指針，開啟全局中斷，不斷循環(huán)查詢接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的地址信號(hào)； 地址信號(hào)發(fā)送完畢后，信號(hào)處理及通信模塊開始循環(huán)等待接收從相應(yīng)地址的終端儀表 信號(hào)采集模塊返回的應(yīng)答消息； (3)終端儀表信號(hào)采集模塊中的各部分處理器單元接收到地址信號(hào)，并對(duì)地址信號(hào)中的地址信息進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)和存儲(chǔ)處理，并判斷是否與自己已被配置的地址相同若不相同，則丟棄本次地址信號(hào)，繼續(xù)等待接收下一次信號(hào)；若相同，則 (4)相應(yīng)部分的處理器單元返回應(yīng)答消息給信號(hào)處理及通信模塊，并開始循環(huán)等待接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送來(lái)的命令信號(hào)； (5)信號(hào)處理及通信模塊接收到應(yīng)答消息，并對(duì)應(yīng)答消息進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)和存儲(chǔ)處理，判斷其中的地址信息是否和自己發(fā)出的地址信號(hào)中的地址一致若不一致，則再次重發(fā)地址信號(hào)；若一致，則向相應(yīng)的處理器單元發(fā)送命令消息，命令消息的類型為電壓采集命令、電流采集命令、頻率采集命令、數(shù)字I/O采集命令中的一種； (6)命令消息發(fā)送完畢，信號(hào)處理及通信模塊開始等待終端儀表信號(hào)采集模塊中相應(yīng)部分的處理器單元發(fā)來(lái)的采集結(jié)果信號(hào)； (7)相應(yīng)地址的處理器單元接收到命令消息，并對(duì)接收到的命令消息進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、濾波、校驗(yàn)和存儲(chǔ)處理，判斷命令消息的類型從而得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)采集對(duì)象，然后根據(jù)命令消息對(duì)相應(yīng)的終端儀表信號(hào)進(jìn)行采集； (8)相應(yīng)地址的處理器單元將采集結(jié)果發(fā)送至總線，進(jìn)而傳輸至信號(hào)處理及通信模塊；采集結(jié)果發(fā)送完成后，終端儀表信號(hào)采集模塊中的各部分處理器單元繼續(xù)等待接收信號(hào)處理及通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的地址信號(hào)； (9)信號(hào)處理及通信模塊接收到采集結(jié)果信號(hào)，并對(duì)采集結(jié)果信號(hào)進(jìn)行提取、計(jì)算、變換、解析、校驗(yàn)、濾波、構(gòu)建和存儲(chǔ)處理后，將總線信息格式數(shù)據(jù)幀的采集結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線信息格式數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò)無(wú)線收發(fā)單元發(fā)送給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)； (10)信號(hào)處理及通信模塊繼續(xù)根據(jù)需求向終端儀表信號(hào)采集模塊發(fā)送地址信息，重復(fù)步驟(3)至步驟(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)裝置及其運(yùn)行方法，其包括信號(hào)處理及通信模塊和多個(gè)終端儀表信號(hào)采集模塊；各終端儀表信號(hào)采集模塊中皆設(shè)有電壓、電流、頻率和數(shù)字I/O信號(hào)采集部分；各信號(hào)采集部分由相應(yīng)的信號(hào)采集單元、處理器單元和總線通信單元組成；信號(hào)處理及通信模塊中設(shè)有主處理器單元、總線通信單元、存儲(chǔ)單元和無(wú)線收發(fā)單元。運(yùn)行時(shí)，各信號(hào)采集部分根據(jù)主處理器單元的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，通過(guò)信號(hào)采集單元采集相應(yīng)的信號(hào)，再將處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)總線輸送至主處理器單元；主處理器接收到信號(hào)采集結(jié)果并進(jìn)行處理后，將采集結(jié)果通過(guò)無(wú)線收發(fā)單元輸出至其它傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明可有效解決無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳感節(jié)點(diǎn)應(yīng)用范圍窄的問(wèn)題。
文檔編號(hào)H04W88/02GK102665292SQ20121011300
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者李為猛, 陳俊杰 申請(qǐng)人:東南大學(xué), 南京拓諾傳感網(wǎng)絡(luò)科技有限公司