一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)，包括匯聚節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊、電源模塊和控制開關(guān)。電源模塊與匯聚節(jié)點(diǎn)直接相連；匯聚節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊相連，雙向傳遞數(shù)據(jù)；控制開關(guān)的輸入端與電源模塊相連，輸出端與GPRS模塊相連，控制端與匯聚節(jié)點(diǎn)相連；匯聚節(jié)點(diǎn)能夠通過控制開關(guān)對GPRS模塊的供電進(jìn)行開關(guān)控制。匯聚節(jié)點(diǎn)以無線微處理器芯片為核心，配以外圍電路集成在一塊電路板上；控制開關(guān)為數(shù)字開關(guān)，由三極管、MOS管、光電耦合器和電阻構(gòu)成。本實(shí)用新型可應(yīng)用于煤田火區(qū)低頻度數(shù)據(jù)采集無線遠(yuǎn)程監(jiān)測中，自身帶有數(shù)據(jù)采集功能，可進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)整體休眠、降低能耗、緩解網(wǎng)絡(luò)能量瓶頸問題。
【專利說明】一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于無線傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及無線傳感器網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]在煤田滅火和火區(qū)治理、管理中，需要有對煤層溫度實(shí)時(shí)、實(shí)地、直接測量的遠(yuǎn)程、長期的監(jiān)測手段，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為此提供了可能。部署在現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集火區(qū)溫度匯集到網(wǎng)關(guān)，經(jīng)由GPRS模塊穿越移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)端服務(wù)器。遠(yuǎn)離基礎(chǔ)設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無持續(xù)性供電，能耗問題是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)又是網(wǎng)絡(luò)能耗的瓶頸，需要開發(fā)一個(gè)低功耗的網(wǎng)關(guān)。
[0003]現(xiàn)有能進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的無線傳感器網(wǎng)關(guān)一般由單片機(jī)或嵌入式板作為主控芯片，連接匯聚節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊或以太網(wǎng)卡組成[I~4]，收集無線傳感器一般節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，自身不具備數(shù)據(jù)采集功能，以無休眠方式工作。持續(xù)工作時(shí)網(wǎng)關(guān)能耗在IOOmA以上，待機(jī)時(shí)功耗有η X IOmA,采用一個(gè)45Ah的大容量電池能維持供電一個(gè)月左右。在煤田火區(qū)監(jiān)測的低頻度信息采集中，網(wǎng)關(guān)絕大部分能量都在待機(jī)中消耗。如果讓網(wǎng)關(guān)在信息采集間隙休眠(不單指匯聚節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)其余組件也要能休眠)，會(huì)降低能耗。新近出產(chǎn)的無線傳感器芯片[5~6]集成了微處理器，選用此類芯片為核心形成的節(jié)點(diǎn)可以兼有收集數(shù)據(jù)和控制功能，能夠替代網(wǎng)關(guān)中的主控芯片，減少組成部件。核心芯片休眠電流都在μΑ級，節(jié)點(diǎn)能耗主要集中在外圍電路；GPRS模塊自身不具備休眠功能，需要外加控制手段。
[0004]對比文件
[0005][I]王金林，張文博，楊嘯宇，石慧.嵌入式無線傳感器網(wǎng)關(guān).CN102932966A.[0006][2] 丁承君，李紅磊，張建英.無線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，41 (6) ,2012.12.[0007][3]應(yīng)致標(biāo)，許康金，江為陽，章國良，周建.無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備.CN201323659Y
[0008][4]王宜懷，吳瑾，張文哲，伏玉琢，郭蕓.無線傳感器網(wǎng)關(guān)裝置.CN102387609A
[0009][5] Jennie.JN_DS-JN5139-xxx_Myy Iv6 [DB/0L].http: //www.jennic.com/support/datasheets/jn5139_module_datasheet, 2010-1
[0010][6] TIC0.Ltd.2530Datasheet [DB/0L].http: //www.t1.com.cn/product/cn/cc2530,2010-10
實(shí)用新型內(nèi)容
[0011]本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠整體休眠的煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)低功耗工作模式下的無線數(shù)據(jù)的采集、收集、轉(zhuǎn)發(fā)及遠(yuǎn)程傳輸。
[0012]為了解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的具體技術(shù)方案如下:
[0013]一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)，包括匯聚節(jié)點(diǎn)(I)、GPRS模塊(2)、電源模塊
(3)和控制開關(guān)(4)，其特征在于:匯聚節(jié)點(diǎn)(I)與GPRS模塊(2)相連，以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信；電源模塊(3)與匯聚節(jié)點(diǎn)(I)直接相連、通過控制開關(guān)(4)與GPRS模塊(2)相連，控制開關(guān)⑷與匯聚節(jié)點(diǎn)⑴相連；匯聚節(jié)點(diǎn)⑴以無線微處理器芯片(101)為核心，配以外圍電路集成在一塊電路板上；網(wǎng)關(guān)能夠整體休眠。
[0014]所述控制開關(guān)(4)與匯聚節(jié)點(diǎn)(I)集成在同一塊電路板中；控制開關(guān)(4)的輸入端(401)連接電源模塊(3)，輸出端(402)連接GPRS模塊(2)，控制端(403)連接匯聚節(jié)點(diǎn)
(I);當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)⑴休眠時(shí)控制開關(guān)⑷關(guān)閉，關(guān)斷GPRS模塊⑵電源；當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)(I)蘇醒時(shí)控制開關(guān)⑷打開，給GPRS模塊⑵供電。
[0015]所述控制開關(guān)(4)為數(shù)字開關(guān)，由MOS管VT1、三極管VT2、光電耦合器OC和電阻R所述外圍電路包括電源電路(102)、外部時(shí)鐘(103)、晶振電路(104)、LED電路(105)、高溫采集電路(106)、天線匹配電路(107)、電壓測量(108)、MiniUSB 口 (109)和RS232串口(110)，分別與無線微處理器芯片(101)相連。
[0016]本實(shí)用新型具有有益效果。
[0017](I)本發(fā)明的煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)由匯聚節(jié)點(diǎn)直接與GPRS模塊相連構(gòu)成，無需另加控制芯片，優(yōu)化了組成部件；可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、收集、轉(zhuǎn)發(fā)以及遠(yuǎn)程雙向傳輸。匯聚節(jié)點(diǎn)控制GPRS模塊電源開關(guān)，使網(wǎng)關(guān)能夠整體休眠，在低頻度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中減少能耗。
[0018](2)本發(fā)明通過在匯聚節(jié)點(diǎn)上添加高溫采集模塊，使其兼有普通節(jié)點(diǎn)的采集火區(qū)煤層高溫?cái)?shù)據(jù)的功能,增加網(wǎng)絡(luò)空間監(jiān)測密度。
[0019](3)本發(fā)明的最小化匯聚節(jié)點(diǎn)在滿足監(jiān)測需求下包含最少外圍電路，功耗低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明匯聚節(jié)點(diǎn)電路原理圖；
[0022]圖3是本發(fā)明GPRS模塊電源控制開關(guān)電路原理圖。
[0023]圖中:1、匯聚節(jié)點(diǎn)2、GPRS模塊3、電源模塊4、控制開關(guān)
[0024]101、無線微處理器芯片102、電源電路103、外部時(shí)鐘104、晶振電路105、LED電路106、高溫采集電路107、天線匹配電路108、電壓測量109、MiniUSB 口 110、RS232串口
[0025]401、輸入端402、輸出端403、控制端
【具體實(shí)施方式】
[0026]為進(jìn)一步解釋本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果，以TI公司CC2530芯片作為匯聚節(jié)點(diǎn)核心、上海毅加EP221P無線數(shù)傳終端作為GPRS模塊為例，從無線傳感器網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)、電路原理以及控制開關(guān)的電路原理三部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]1.本實(shí)用新型所述的無線傳感器網(wǎng)關(guān)由匯聚節(jié)點(diǎn)1、GPRS模塊2、電源模塊3和控制開關(guān)4組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0028](I)匯聚節(jié)點(diǎn)I與GPRS模塊2通過串口相連進(jìn)行雙向通信，電源模塊3與匯聚節(jié)點(diǎn)I直接相連、與GPRS模塊2通過控制開關(guān)4相連；控制開關(guān)4與匯聚節(jié)點(diǎn)I相連。
[0029](2)選用TI公司CC2530芯片作為核心，加外圍電路形成匯聚節(jié)點(diǎn)I。CC2530芯片是用于2.4GHz, IEEE802.15.4,ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)片上系統(tǒng)，結(jié)合了 RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8-KBRAM和其它功能。
[0030](3 )GPRS模塊2選用上海毅加EP22IP無線數(shù)傳終端，即插即用，實(shí)現(xiàn)RS232與GPRS網(wǎng)絡(luò)透明轉(zhuǎn)換，支持900/1800GSM/GPRS系統(tǒng)，供電為5?12V直流電。
[0031](4)電源模塊3選用6V12Ah蓄電池，給GPRS模塊2和匯聚節(jié)點(diǎn)I統(tǒng)一供電。
[0032](5)網(wǎng)關(guān)可以整體休眠。在煤田火區(qū)高溫監(jiān)測應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集間隔可為幾小時(shí)或幾天，每個(gè)周期中工作時(shí)間僅需幾分鐘，剩余時(shí)間采用休眠方式可節(jié)省能量。匯聚節(jié)點(diǎn)I休眠時(shí)給控制開關(guān)4指示信號關(guān)斷GPRS模塊2的電源供給，使GPRS模塊2無需耗電；匯聚節(jié)點(diǎn)I蘇醒后給控制開關(guān)4指示信號打開GPRS模塊2的電源，使GPRS模塊2上電工作。
[0033]2.如圖2所示，匯聚節(jié)點(diǎn)I的無線微處理器芯片101采用CC2530芯片，外圍電路由電源電路102、外部時(shí)鐘103、晶振電路104、LED電路105、高溫采集電路106、天線匹配電路 107、電壓測量 108、MiniUSB 口 109、RS232 串口 110 組成。
[0034](1)CC2530芯片有40個(gè)引腳，39引腳、31引腳、29引腳、28引腳、27引腳連接電源VCC，1?4引腳接地。6引腳、9引腳、12引腳、13引腳、15引腳未用，40引腳通過15pF電容接地，30引腳通過56K電阻接地。
[0035](2)電源電路102中，蓄電池BAT提供的6V電壓，經(jīng)下壓式開關(guān)SWl、保險(xiǎn)絲Fl連入穩(wěn)壓芯片HT7330的I引腳，轉(zhuǎn)換后由HT7330的2引腳輸出3V穩(wěn)定電壓VCC0
[0036](3)外部時(shí)鐘103采用PCF8563芯片，與CC2530芯片相連提供精確時(shí)鐘。PCF8563芯片的I引腳和2引腳連接的晶振Y5的2引腳和4引腳；晶振Y5的I引腳和3引腳與地之間分別連接一個(gè)15pF的負(fù)載電容；晶振Y5的I引腳和3引腳之間并聯(lián)一個(gè)IOM的大電阻。PCF8563芯片的8引腳連接雙重電源，7引腳懸空，4引腳接地。PCF8563芯片的5引腳和6引腳分別連接CC2530芯片的19引腳和18引腳，組成I2C接口 ；I2C接口的兩根連線上分別接上拉電阻R13和上拉電阻R14。CC2530芯片通過I2C接口將時(shí)間寫入時(shí)鐘芯片，計(jì)時(shí)到PCF8563芯片在3引腳產(chǎn)生中斷信號，送入CC2530芯片的37引腳，喚醒節(jié)點(diǎn)。
[0037](4)晶振電路104包括32MHz的晶振Yl和32.768KHz的晶振Y2。CC2530芯片的22引腳、23引腳之間連接晶振Y1，晶振Yl的兩個(gè)引腳分別通過一個(gè)27pF電容接地；CC2530芯片的32引腳、33引腳之間連接晶振Y2，晶振Y2的兩個(gè)引腳分別通過一個(gè)15pF電容接地。
[0038](5) LED電路105用來顯示節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。三盞LED燈通過跳線開關(guān)SW2分別與電源電路102的VCC、CC2530芯片的7、8兩個(gè)輸出引腳相連。LED燈Dl是電源指示燈，只要VCC上電就會(huì)亮起；LED燈D2和LED燈D3是狀態(tài)指示燈，根據(jù)用戶需求自行定義。
[0039](6)高溫采集電路106將K型熱電偶通過MAX31855溫度調(diào)理芯片與CC2530芯片相連。K型熱電偶正、負(fù)極分別與MAX31855芯片的3、2引腳相連。MAX31855芯片的4引腳接VCC，I引腳接地，4引腳和I引腳之間接一個(gè)0.1yF的電容。MAX31855芯片的8腳懸空，5引腳、6引腳、7引腳分別于CC2530芯片的5引腳、11引腳、38引腳相連組成SPI接口。當(dāng)MAX31855芯片的CS引腳電平由高到低跳變時(shí)，在時(shí)鐘SCK的作用下，由SO引腳向CC2530芯片輸出已轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
[0040](7)天線匹配電路107的一個(gè)支路由CC2530芯片的26引腳連接一個(gè)18pF和一個(gè)IpF的電容，兩個(gè)電容間引出2nH電感接地；第二個(gè)支路由CC2530芯片的25引腳連接一個(gè)18pF電容和一個(gè)2nH的電感，電容與電感間引出IpF電容接地；兩個(gè)支路同時(shí)通過2.2pF電容接50歐姆天線。[0041](8)電壓測量108電路將VIN分壓后送入CC2530芯片的14引腳，用來監(jiān)測蓄電池電壓。
[0042](9)MiniUSB 口 109JP1有5個(gè)引腳，I引腳、2引腳、3引腳分別連接CC2530芯片的20引腳、35引腳、34引腳，4引腳懸空，5引腳接地。
[0043](10)RS232串口 110。CC2530芯片采用高電平為邏輯1、低電平為邏輯O的TTL電平模式，而串口采用正高電平為邏輯O、負(fù)高電平為邏輯I的232電平模式，TTL電平與232電平需通過電平轉(zhuǎn)換才能通信。本例采用SP3232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換成232電平，串口接口為DB9型。CC2530芯片的16引腳、17引腳分別與SP232芯片的12引腳、10引腳相連，用作輸入和輸出；SP232的7引腳、13引腳分別與DB9插座的2引腳、3引腳相連用作輸入和輸出。
[0044]3.本實(shí)用新型GPRS模塊2電源端的控制開關(guān)4電路圖如圖3所示。
[0045]控制開關(guān)4的作用是當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)I休眠時(shí)關(guān)斷GPRS模塊2的供電，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)I蘇醒時(shí)開啟GPRS模塊2的供電。控制開關(guān)4的輸入端401連接圖1的電源模塊3，輸出端402連接圖1的GPRS模塊2的電源輸入，控制端403連接圖2所示CC2530芯片的P2_0引腳。
[0046]電阻R22和電阻R21串聯(lián)后，一端接入三極管VT2的集電極，另一端接入MOS管VTl的S極，中間引出線連接MOS管VTl的G極；M0S管VTl的D極引出線作為控制開關(guān)4的輸入端401，S極引出線作為控制開關(guān)4的輸入端402。三極管VT2的基極連接光電耦合器OC的5引腳，同時(shí)接上拉電阻R23 ;三極管VT2的發(fā)射極接地。光電耦合器OC的2、4引腳接地，I引腳經(jīng)限流電阻R20引出作為控制開關(guān)4的控制端403。
[0047]匯聚節(jié)點(diǎn)I休眠時(shí)，從CC2530芯片的P2_0引腳輸出高電平，點(diǎn)亮光電耦合器OC的I引腳、2引腳間的發(fā)光二極管，使光電耦合器OC的4引腳、5引腳之間呈低阻態(tài)；三極管VT2基極相當(dāng)于接地，集電極電位拉低；M0S管VTl的G極電壓降低至閾值以下，D、S極之間相當(dāng)于斷開；控制開關(guān)4的輸出端402電壓接近于0，控制開關(guān)4相當(dāng)于關(guān)閉。
[0048]匯聚節(jié)點(diǎn)I蘇醒時(shí)，從CC2530芯片的P2_0弓丨腳輸出低電平，光電耦合器OC的發(fā)光二極管不亮，4引腳、5引腳之間呈高阻態(tài)；三極管VT2的基極高電平，集電極電位拉高;M0S管VTl的G極高電平，D、S極之間導(dǎo)通，控制開關(guān)4的輸出端402有近6V電壓，控制開關(guān)4相當(dāng)于開啟。
[0049]以上實(shí)施例表明本實(shí)用新型的具體實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)實(shí)施例說明即可制作出用于煤田火區(qū)帶有高溫監(jiān)測和遠(yuǎn)程傳輸功能、能夠整體休眠的網(wǎng)關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)，包括匯聚節(jié)點(diǎn)(1)、GPRS模塊(2)、電源模塊(3)和控制開關(guān)(4)，其特征在于:匯聚節(jié)點(diǎn)⑴與GPRS模塊⑵相連，以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信；電源模塊(3)與匯聚節(jié)點(diǎn)(I)直接相連、通過控制開關(guān)(4)與GPRS模塊(2)相連，控制開關(guān)⑷與匯聚節(jié)點(diǎn)⑴相連；匯聚節(jié)點(diǎn)⑴以無線微處理器芯片(101)為核心，配以外圍電路集成在一塊電路板上；網(wǎng)關(guān)能夠整體休眠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)，其特征在于:所述控制開關(guān)⑷與匯聚節(jié)點(diǎn)⑴集成在同一塊電路板中；控制開關(guān)⑷的輸入端(401)連接電源模塊(3)，輸出端(402)連接GPRS模塊(2)，控制端(403)連接匯聚節(jié)點(diǎn)(I);當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)(I)休眠時(shí)控制開關(guān)⑷關(guān)閉，關(guān)斷GPRS模塊⑵電源；當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)(I)蘇醒時(shí)控制開關(guān)(4)打開，給GPRS模塊⑵供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)，其特征在于:所述控制開關(guān)⑷為數(shù)字開關(guān)，由MOS管VT1、三極管VT2、光電耦合器OC和電阻R2(TR23構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤田火區(qū)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)關(guān)，其特征在于:所述外圍電路包括電源電路(102)、外部時(shí)鐘(103)、晶振電路(104)、LED電路(105)、高溫采集電路(106)、天線匹配電路(107)、電壓測量(108)、MiniUSB 口 (109)和 RS232 串口 (110)，分別與無線微處理器芯片(101)相連。
【文檔編號】H04W88/16GK203801079SQ201420070762
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】曹清華, 閆述, 聞萍, 譚成龍 申請人:江蘇大學(xué)