專利名稱：基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于ZigBee技術(shù)的采集系統(tǒng)，特別是一種傳感器通用接口，屬于無線通信和電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的發(fā)展，推動了低功耗多功能傳感器的發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，實現(xiàn)客觀物理世界信息的采集、傳輸、處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集單元傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。ZigBee技術(shù)是一種短距離、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)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE802. 15. 4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。然而目前我國的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)尚且存在以下問題I.傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點一般由四個模塊組成傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊，實際應(yīng)用中需要針對各模塊要求選取各種芯片，同時還要考慮芯片間的引腳連接和外圍電路，導(dǎo)致電路復(fù)雜連線多，一旦連接不易更改。2.傳感器種類繁多，每種傳感器都需要一種連接電路。按照被測物理量類型的不同、工作原理的不同、輸出信號類型的不同可以劃分出多種多樣的傳感器，每一種傳感器都有自己的引腳結(jié)構(gòu)、工作時序、與處理器的連接方法，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集多種數(shù)據(jù)時，需要針對不用的傳感器設(shè)計不同的連接電路。3.傳感器設(shè)計不統(tǒng)一，缺少通用性。即使是同一種類的傳感器也有不同的引腳設(shè)計和輸出信號類型，有的是三個引腳、有的是四個引腳、有的是數(shù)字輸出、有的是模擬輸出，造成需要采集一種物理數(shù)據(jù)時還要考慮多種連接方式，缺少通用性。4.無法實現(xiàn)傳感器的即插即用。一旦傳感器節(jié)點的電路焊接完成，就無法再更改電路除非重新焊接電路，而一般情況下傳感器節(jié)點需要通過更換傳感器來采集不同的物理數(shù)據(jù)，因此需要不斷的更改、焊接電路，缺少一個傳感器的即插即用接口。5.兼容性差，成本高?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集各種類型的數(shù)據(jù)，不同的數(shù)據(jù)采集對應(yīng)不同的傳感器、不同的連接電路、不斷的更改、焊接電路，系統(tǒng)兼容性差，同時也浪費了不必要的資源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單連接線少，無需更改電路，統(tǒng)一封裝的傳感器通過傳感器通用接口即插即用，可以測量多種數(shù)據(jù)，成本低、效率高、兼容性好。本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明提供了一種基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由ZigBee模塊I、電源模塊2、傳感器通用接口模塊3和數(shù)字封裝傳感器模塊4四部分組成。ZigBee模塊I負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，包括傳輸控制命令、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)；負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。ZigBee模塊I引用ZigBee芯片的電源引腳、接地引腳和兩個I/O引腳，作為電源線、接地線、時鐘線和數(shù)據(jù)線，并通過時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線與傳感器通用接口模塊3連接。其中電源線和接電線為傳感器通用接口模塊3提供工作電壓；ZigBee模塊I通過微控制器將端口 I的兩個I/O引腳模擬為串行傳輸總線，分別為時鐘線和數(shù)據(jù)線，用于傳輸控制命令和采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)。電源模塊2由兩節(jié)五號電池構(gòu)成，由電池的正、負(fù)兩極分別引出電源線和接地線。電源模塊2通過電源線和接地線與ZigBee模塊I連接，并為ZigBee模塊I提供3V的工作電壓。傳感器通用接口模塊3包括時鐘線、電源線、接電線和數(shù)據(jù)線，外形采用PIN插孔。傳感器通用接口模塊3通過時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線與數(shù)字封裝傳感器模塊4連接。其中PIN插孔采用單排四孔插孔形式，I號插孔為時鐘線、2號插孔為電源線、3號插孔為接地線、4號插孔為數(shù)據(jù)線，插孔間距為2. 54_。傳感器通用接口模塊3為多功能統(tǒng)一數(shù)字封裝傳感器提供一個即插即用的插孔，方便、快捷、效率高。數(shù)字封裝傳感器模塊4將傳感器及其外圍電路封裝在一個PCB板上，并引出四個引腳分別為時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線。傳感器負(fù)責(zé)感知、采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測信息，外圍電路是為了保證數(shù)字封裝傳感器模塊4的數(shù)字輸出。當(dāng)封裝的傳感器為數(shù)字型傳感器時，可按照四線輸出直接封裝；當(dāng)封裝的傳感器為模擬型傳感器時，需要將傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器與串行接口這樣的外圍電路連接，保證四線數(shù)字輸出。其中電源線和接地線通過傳感器通用接口模塊3為數(shù)字封裝傳感器模塊4提供3V的工作電壓；時鐘線和數(shù)據(jù)線相互配合完成控制命令的發(fā)送和采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)字封裝傳感器模塊4的外形采用四針單排PIN插針作為引腳，I號引腳為時鐘線、2號引腳為電源線、3號引腳為接地線、4號引腳為數(shù)據(jù)線，引腳間距為2. 54mm，引腳長度為6. 35mm，引腳尺寸與傳感器通用接口模塊3的PIN插孔一致，實現(xiàn)即插即用無縫連接。本發(fā)明的有益效果是I.本發(fā)明的節(jié)點電路用一個ZigBee模塊代替處理器模塊和無線通信模塊兩個模塊，整個電路只有時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線四根連接線，結(jié)構(gòu)簡單清晰，降低了生產(chǎn)成本，并以最少的模塊和連接線完成最需要的功能。2.本發(fā)明的傳感器通用接口為各種傳感器接入電路提供一個插座，根據(jù)測量數(shù)據(jù)類型的不同選取不同的傳感器插入插座，無需更改電路，方便快捷。3.本發(fā)明的數(shù)字封裝傳感器為實現(xiàn)對通用接口的即插即用功能，出廠前根據(jù)發(fā)明要求的硬件規(guī)范和時序規(guī)范統(tǒng)一封裝，實現(xiàn)傳感器的封裝統(tǒng)一化，易于安裝并提高了利用率。4.本發(fā)明適用于同時采集多種類型數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，針對不同采集任務(wù)只需更換特定封裝傳感器，無需其他操作，高效、快捷、節(jié)約資源。


圖I為本發(fā)明提供的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的傳感器通用接口和數(shù)字封裝傳感器的外形尺寸示意圖；其中圖2(a)是傳感器通用接口的外形尺寸示意圖；圖2(b)是數(shù)字封裝傳感器的外形尺寸示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的一種基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例提供的數(shù)字溫濕度傳感器DHT90的數(shù)據(jù)采集程序流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個具體的實施方式進(jìn)行說明。本發(fā)明所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示。包括ZigBee模塊I、電源模塊2、傳感器通用接口模塊3和數(shù)字封裝傳感器模塊4 ；ZigBee模塊I通過時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線與傳感器通用接口模塊3連接；電源模塊2通過電源線和接地線與ZigBee模塊I連接；傳感器通用接口模塊3通過時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線與數(shù)字封裝傳感器模塊4連接。附圖3是基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口米集系統(tǒng)的一個實施方案選用HFZ-CC2430EM-22模塊作為ZigBee模塊1，負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點的操作，發(fā)送控制命令、處理和發(fā)送采集數(shù)據(jù)，并與其他節(jié)點無線通信形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該模塊，采用德州儀器(TI)的ZigBee射頻芯片CC2430，片上集成高性能8051內(nèi)核、ADC、USART等，支持ZigBee協(xié)議棧。該模塊共引出24個引腳分別為19個I/O 口，包括所有Pl口、PO 口和P2_0、P2_1、P2_2三個口，2個電源引腳，2個接地引腳，一個復(fù)位引腳，引腳間距為2. 54mm。其中CC2430芯片上集成的8051微控制器將引出的Pl_l和Pl_3 口模擬為串行傳輸總線作為時鐘線和數(shù)據(jù)線，分別與傳感器通用接口模塊3的I號插孔和4號插孔連接；電源引腳與接地引腳分別與傳感器通用接口模塊3的2號插孔和3號插孔連接。選用兩節(jié)五號電池最為電源模塊2，負(fù)責(zé)為ZigBee模塊I、傳感器通用接口模塊3和數(shù)字封裝傳感器模塊4提供3V的工作電壓。兩節(jié)五號電池串聯(lián)，正極與HFZ-CC2430EM-22模塊的電源引腳連接，負(fù)極與HFZ-CC2430EM-22模塊的接地引腳連接。選用單排四孔的PIN插孔作為傳感器通用接口模塊3，負(fù)責(zé)為數(shù)字封裝的傳感器提供一個即插即用的插座。其中I號插孔為時鐘線、2號插孔為電源線、3號插孔為接地線、4號插孔為數(shù)據(jù)線，插孔間距為2. 54mm，外形尺寸示意圖參閱圖2(a)所示。其中I號插孔、2號插孔、3號插孔、4號插孔分別與數(shù)字封裝傳感器模塊4的I號引腳、2號引腳、3號引腳、4號引腳連接。選用插針型封裝的數(shù)字溫濕度傳感器DHT90作為數(shù)字封裝傳感器模塊4，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的感知、采集和轉(zhuǎn)換。DHT90包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件、并在同一芯片上與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接；提供四針單排引腳封裝，從上至下依次為I號引腳至4號引腳，其中I號引腳為時鐘線SCK、2號引腳為電源線VDD、3號引腳為接電線GND、4號引腳為數(shù)據(jù)線DATA，引腳間距為2. 54mm,引腳長度為6. 35mm,傳感器封裝在PCB板上，外形尺寸示意圖參閱圖2 (b)所示。DHT90的工作電壓范圍為2. 4-5. 5V，本實施例選用3V的工作電壓，因而2號引腳和3號引腳通過PIN插孔的2號插孔和3號插孔與HFZ-CC2430EM-22模塊的電源引腳和接地引腳連接；DHT90的I號引腳和4號引腳通過PIN插孔的I號插孔和4號插孔與HFZ-CC2430EM-22模塊的P1_0和Pl_3連接，DHT90的I號至4號引腳對應(yīng)插入PIN插孔的I號至4號插孔。按照以上方法完成實施例的硬件連接后，開始對整個系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計。采用IAREmbedded Workbench (IAR嵌入式工作臺)作為軟件開發(fā)平臺，因其調(diào)試功能強(qiáng)大,界面友好而被廣泛應(yīng)用，適合開發(fā)基于32/16/8位微處理器的嵌入式操作系統(tǒng)。IAR集C-SPY調(diào)試器、工程管理器、文件編輯器、庫管理器、鏈接器、匯編工具和C/C++編輯器于一體。IAR軟件內(nèi)還有一個代碼優(yōu)化器，使得IAR嵌入式工作臺可以為8051系列芯片生成可靠高效的FLASH代碼。IAR Embedded Workbench的編譯器具有以下特點內(nèi)存模式選擇，高效浮點支持，瓶頸性能分析，便捷的中斷模擬和處理，擴(kuò)展工具和版本控制支持良好，目標(biāo)特性擴(kuò)充，完全與標(biāo)準(zhǔn)C兼容。 使用IAR Eff對實施例系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的步驟如下(I)設(shè)置工程選項。(2)編輯并編譯源文件，生成應(yīng)用程序文件。(3)連接目標(biāo)模塊，包含調(diào)試選項。(4)調(diào)試程序，如果出現(xiàn)錯誤返回到第二步修改文件然后重新調(diào)試。(5)調(diào)試成功后，退出調(diào)試選項，完成片上系統(tǒng)的程序下載。實施例系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點的程序設(shè)計主要有兩部分組成，一部分負(fù)責(zé)實現(xiàn)節(jié)點間的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，另一部分負(fù)責(zé)實現(xiàn)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及讀取。節(jié)點間的組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁鞒虨橄葘鞲衅鞴?jié)點進(jìn)行初始化，初始化完成后，節(jié)點發(fā)出信號請求加入網(wǎng)絡(luò)，可以采用父節(jié)點直接加入網(wǎng)絡(luò)的方法來實現(xiàn)，如果傳感器節(jié)點入網(wǎng)成功，傳感器節(jié)點開始對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后向匯聚節(jié)點即協(xié)調(diào)器發(fā)送采集數(shù)據(jù)，發(fā)送成功之后返回到信息采集階段，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，周而復(fù)始不斷采集數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)。DHT90和CC2430芯片上集成的8051微控制器通過時鐘線和數(shù)據(jù)線的相互配合完成控制命令的發(fā)送和采集數(shù)據(jù)的傳輸。溫濕度傳感器DHT90的數(shù)據(jù)采集程序流程參閱圖4所示，具體過程是首先上電啟動傳感器，使傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài)；傳感器啟動后，由微控制器向傳感器發(fā)送一個啟動傳輸時序，完成初始化工作；初始化時序發(fā)送之后，微控制器向傳感器發(fā)送測量命令，傳感器確定是否接受命令；確定接收命令之后，等待測量數(shù)據(jù)直到傳感器表示數(shù)據(jù)測量完畢；數(shù)據(jù)測量完畢后重新啟動時鐘，微控制器讀取測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完畢后通信結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)由ZigBee模塊(I)、電源模塊(2)、傳感器通用接口模塊(3)和數(shù)字封裝傳感器模塊(4)組成；所述ZigBee模塊(I)通過時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線與傳感器通用接口模塊(3)連接；所述電源模塊(2)通過電源線和接地線與ZigBee模塊(I)連接；所述傳感器通用接口模塊(3)通過時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線與所述數(shù)字封裝傳感器模塊(4)連接。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，所述ZigBee模塊(I)通過微控制器將端口 I的兩個I/O引腳模擬為串行傳輸總線，分別為時鐘線和數(shù)據(jù)線，用于傳輸控制命令和采集數(shù)據(jù)；ZigBee模塊(I)只引用電源引腳、接地引腳和上述兩個I/O引腳，作為電源線、接地線、時鐘線和數(shù)據(jù)線。
3.按照權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊(2)采用兩節(jié)五號電池通過電源線和接地線為ZigBee模塊(I)提供3V的工作電壓。
4.按照權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器通用接口模塊(3)包括時鐘線、電源線、接電線和數(shù)據(jù)線，外形采用PIN插孔。
5.按照權(quán)利要求4所述的傳感器通用接口模塊(3)，其特征在于，所述PIN插孔采用單排四孔插孔形式，I號插孔為時鐘線、2號插孔為電源線、3號插孔為接地線、4號插孔為數(shù)據(jù)線，插孔間距為2. 54mm。
6.按照權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字封裝傳感器模塊(4)是將傳感器及其外圍電路封裝在一個PCB板上，并引出四個引腳分別為時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線；數(shù)字封裝傳感器模塊(4)通過時鐘線、電源線、接電線和數(shù)據(jù)線與傳感器通用接口模塊(3)連接；外形采用四針單排引腳封裝；輸出的采集數(shù)據(jù)為數(shù)字輸出。
7.按照權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，所述電源線和接地線通過傳感器通用接口模塊(3)為數(shù)字封裝傳感器模塊(4)提供3V的工作電壓；所述的時鐘線和數(shù)據(jù)線相互配合完成控制命令的發(fā)送和采集數(shù)據(jù)的傳輸。
8.按照權(quán)利要求6所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，所述四針單排引腳封裝采用PIN插針作為引腳，I號引腳為時鐘線、2號引腳為電源線、3號引腳為接地線、4號引腳為數(shù)據(jù)線，引腳間距為2. 54mm，引腳長度為6. 35mm。
9.按照權(quán)利要求6所述的基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)封裝傳感器為數(shù)字型傳感器時，可按照四線輸出直接封裝；當(dāng)封裝的傳感器為模擬型傳感器時，需要將傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器與串行接口連接，保證四線數(shù)字輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于ZigBee技術(shù)的傳感器通用接口采集系統(tǒng)，屬于無線通信和電子技術(shù)領(lǐng)域。包括ZigBee模塊、電源模塊、傳感器通用接口模塊和數(shù)字封裝傳感器模塊；ZigBee模塊的微控制器將其I/O口模擬為串行傳輸總線時鐘線和數(shù)據(jù)線，與傳感器通用接口模塊連接；電源模塊通過電源線和接地線為ZigBee模塊提供電源；傳感器通用接口模塊包括時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線；數(shù)字封裝傳感器模塊通過時鐘線、電源線、接地線和數(shù)據(jù)線與傳感器通用接口模塊連接。本發(fā)明通過傳感器通用接口實現(xiàn)了特定封裝傳感器的即插即用，避免了不同類型數(shù)據(jù)采集的電路變化，提高了系統(tǒng)的兼容性和有效性，并降低了成本。
文檔編號H04L29/10GK102801818SQ20121030133
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者錢志鴻, 付彩欣, 孫大洋, 王雪 申請人:吉林大學(xué)