專利名稱：一種無線傳感器網絡單相控制節點裝置的制作方法
技術領域：
本發明適用于畜禽設施養殖環境監控、植物設施栽培環境監控、倉儲環境監 控、人居環境監控等類似系統中溫度、濕度、光照強度和各類氣體等監控的無線 傳感器網絡技術領域，尤其涉及一種無線傳感器網絡單相控制節點裝置。
背景技術：
作為一種動態配置的自組織智能傳感的無線傳感器網絡可廣泛應用在畜禽 設施養殖環境、植物設施栽培環境、倉儲環境、人居環境等場合對其溫度、濕度、 光照強度和各類氣體等實施監控具有極其廣闊的應用前景。無線傳感器網絡包含 大量的傳感器節點和至少一個通信基站，其應用于上述環境監測等領域時，能夠 即時、準確地監測環境數據。但當傳感器節點監測到溫度、濕度、光照和各類氣 體等環境指標高于或低于所需要的閾值時，需要能夠自動控制水簾、風扇、電燈 泡等執行設備的啟停，以達到對環境指標的調節作用，這是對無線傳感器網絡系 統提出的更高的要求。國內外一些無線傳感器網絡用于環境檢測的研究項目，如 加州大學伯克利分校計算機系的Intel實驗室和大西洋學院聯合開發了一個名為 "in-situ"的利用無線傳感網絡監測海島生態環境的項目，并在大鴨島(GreatDuck Island)開展了對海燕棲息地生態環境的研究；還有意大利佛羅倫薩大學2007年 提出了一種無線傳感器網絡應用于大范圍區域的環境監測平臺，并實際應用在了 農產品綜合生產項目上，但都未見其中有環境控制調節環節。怎樣達到能監測又 能控制是無線傳感器網絡技術在許多實際的工程應用中必需要面對的問題。在一 個完整的無線傳感器網絡監控系統中，傳感器節點獲取環境信息并進行簡單的數 據處理，節點間進行無線數據通信，以多跳的形式交換數據信息，將信息傳遞給 通信基站，通信基站可以將傳感器節點收集到的信息進行有效地處理，同時通過 傳感器網絡無線數據通信向本專利設計實現的單相控制節點裝置發送控制指令， 控制節點裝置即可以根據基站發出的控制指令控制執行設備的開關啟停，并且能 夠通過傳感器網絡向通信基站發出執行設備狀態信息。單相控制節點裝置應當具有安全有效的執行設備控制能力、穩定的通信能力和持續的工作能力，應當具有 執行設備控制、信息處理和無線傳輸的可靠性以及實時性、自組織網絡的適應能 力，結構的合理性等等。并且，單相控制節點裝置需投資成本低、性價比高、實 時性好、使用和維護方便。正是以解決上述問題為出發點，系統地研究和設計了 一種無線傳感器網絡單相控制節點裝置。在目前的國內外相關領域研究報道和檢 索中未見與本專利相同或類似的設計。發明內容技術問題本發明的目的是提供一種在畜禽設施養殖環境監控、植物設施栽培環境監 控、倉儲環境監控、人居環境監控等許多場合能有效應用的無線傳感器網絡單相 控制節點裝置，以有效解決無線傳感器網絡系統與執行設備之間的通信、控制方 面的問題，并且要求其投資成本低、性價比高、實時性好、安全可靠、使用和維 護方便。技術方案一種應用于畜禽設施養殖環境監控、植物設施栽培環境監控、倉儲環境監控、 人居環境監控等許多場合的無線傳感器網絡單相控制節點裝置，其包括執行設備 驅動部件和數據通信部件。執行設備驅動部件的可控硅觸發單元接口 7*與數據 通信部件的連接端口 J7相連，執行設備驅動部件的執行設備狀態輸出單元接口 8*與數據通信部件的連接端口 J8相連。所述的數據通信部件包括處理器單元l、身份標識單元2、存儲器單元3、無 線收發單元4、電源單元5。無線收發單元4接處理器單元1，用于接收時間同步信 號和基站控制指令(啟動或停止指令)，以及向基站發送執行設備狀態信號；處 理器單元1用于判斷和處理接收到的數據包以及獲取連接端口J8的電平值保存在 將要發送的數據包中，若是時間同步信號則重置時間同步計數器，若是控制指令 則向連接端口J7輸出高或低電平(啟動或停止指令)，以獲得的連接端口J8的電 平值作為狀態信號通過路由選擇路徑周期發送；身份標識單元2接處理器單元1， 用于為設備提供惟一標識符；存儲器單元3接處理器單元1，作為在處理器單元l內部存儲空間不足情況下的非易失性程序和數據存儲的補充；電源單元5為整個 數據通信部件提供工作電壓。所述的執行設備驅動部件包括可控硅控制單元6、可控硅觸發單元7、執行 設備狀態輸出單元8、電源單元9。可控硅觸發單元7接可控硅控制單元6，用 于由可控硅觸發單元接口 7*輸入的高或低電平導通或阻斷可控硅控制單元6;可 控硅控制單元6用于控制交流主電路的通斷從而控制執行設備啟停；執行設備狀態輸出單元8接可控硅控制單元6，用于檢測可控硅控制單元6的通斷從而得到 執行設備的工作狀態，并以高低電平的方式向執行設備狀態輸出單元接口 8*輸 出，高或低電平分別代表啟動或停止狀態；電源單元9為整個設備驅動部件提供 工作電壓。本發明還可以進一步采用以下技術措施1、 在數據通信部件中，處理器單元1主要由微處理器芯片"U1"組成；身份 標識單元2主要由隨機數產生芯片"U2"組成，它與微處理器芯片"U1"的通用 1/0接口相連；存儲器單元3主要由串行閃速存儲器芯片"U3"組成，它與微處理器芯片"U1"的通用同步和異步串行接口相連；無線收發單元4由無線收發芯片"U4"及其外圍電路組成的無線收發模塊4#和無線收發模塊接口 4*組成，其 中無線收發模塊接口 4*通過連接端口 Jl與微處理器芯片"U1"的串行外設接口相 連；通信調試接口 J6的數據線經過電阻上拉后與微處理器芯片"U1"的JATG接 口相連；連接端口 J7和連接端口 J8分別與微處理器芯片"U1"的通用1/0接口 相連。2、 在數據通信部件中，處理器單元l中的微處理器芯片"U1"按照在本裝置 的功能可分為1) 串行外設接口模塊，用于緩存由無線收發單元4接收到的數據包以及將 要發送的數據包。2) 處理器內核模塊，用于判斷和處理接收到的數據包，若是時間同步信號 則重置時間同步計數器，若是控制指令則判斷是啟動指令還是停止指令，且設置 控制端口模塊寄存器的值；以及讀取控制端口模塊寄存器的值將其保存在數據包 中作為狀態信號，通過路由選擇路徑周期發送。3) 控制端口模塊，用于根據處理器內核模塊對該模塊寄存器的設置，向連電平，以及將連接端口 J8的電平值保存在該模塊寄存器中。 4)定時器模塊，作為周期發送狀態信號的定時器以及保持整個傳感器網絡 同步的時間同步計數器。3、在執行設備驅動部件中，可控硅控制單元6中采用可控硅"Q2"控制交 流主電路的通斷；可控硅觸發單元7中的三極管"Q1"連接可控硅"Q2"，通 過控制三極管"Q1"的導通或截止從而導通或阻斷置于交流主電路的可控硅 "Q2";可控硅觸發單元接口 7*釆用光電耦合器"U2"與三極管"Q1"連接， 將執行設備驅動部件與數據通信部件光耦隔離；在執行設備狀態輸出單元8中， 置于交流主電路的電流互感器MUTUAL連接后續二極管和電容，加載于執行設 備狀態輸出單元接口 8*的光電耦合器"U3"的輸入端；執行設備狀態輸出單元 接口 8*除將執行設備驅動部件與數據通信部件光耦隔離外，還將輸出電平裝換 成符合TTL標準的高低電平。有益效果1) 本發明在系統地研究和設計了無線傳感器網絡系統的基礎上，設計并研 制了一種無線傳感器網絡單相控制節點裝置，以有效解決無線傳感器網絡系統與 執行設備之間的通信和控制方面的問題，并且其投資成本低、性價比高、實時性 好、安全可靠、使用和維護方便。2) 本發明集數據通信部件和執行設備驅動部件為一個整體，數據通信部件 接收控制指令，控制執行設備驅動部件的工作，并且從執行設備驅動部件讀取執 行設備狀態信號。本無線傳感器網絡單相控制節點裝置采用無線的方式收發控制 指令并對執行設備進行開關啟停控制，還可以檢測執行設備的運行狀態并發出狀 態信號，這樣既極大提高了整個無線傳感器網絡的實用性，也方便了維護。3) 本發明的執行設備驅動部件中，采用可控硅應用方案控制交流主電路的 通斷，從而避免了傳統的采用繼電器控制交流主電路容易產生電火花的問題；不 僅可以控制執行設備，還可以檢測并輸出執行設備的開關啟停狀態信號。4) 本發明在數據通信部件的電源單元中，采用單相交流電轉直流穩壓電路 方案，按照應用的需要使用多個穩壓器轉換為多級直流電源電壓。用一個電源單 元提供多種直流電源電壓，以滿足應用要求。5) 本發明在設計中由于采用了實用性設計，在充分考慮到其裝置在實際應 用中適用性的同時，盡量減小其成本。由于考慮到抗干擾和成本等因素而分開制 作的數據通信部件中無線收發模塊的接口連接部分、數據通信部件與執行設備驅 動部件的光耦隔離接口連接部分、各部分供電電源接口的連接部分等，也注意到 其牢固性，部署前焊牢，并注意焊接點的密封性，使得其裝置在潮濕、灰塵等環 境中都能正常工作，而不會發生腐蝕、線路短路或漏電故障等現象。6) 本發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 +85 C。(哈爾濱極端最低氣溫為-30.5 C。，重慶極端最高氣溫為+44 C。)正常工 作，這樣可使本發明適合于世界的絕大多數國家和地區。7) 本發明由于具有上面5)、 6)中所述的特點，能夠抵抗一般強度的高濕、 高低溫、風沙、撞擊和腐蝕等，極大地增強了其裝置在惡劣環境下的適應能力。8) 本發明在設計制作上將其裝置與AC-DC轉換供電電源板分開，并保證足 夠的物理距離，并且對無線收發模塊上的無線收發芯片采用金屬殼封裝，AC-DC 轉換的直流穩壓電源亦采用金屬殼封裝，這樣既減少了電源板對無線收發模塊的 干擾，也增強了無線收發模塊的抗干擾能力，從而提高了無線收發的性能。9) 本發明采用JTAG接口可以使終端對其裝置進行調試和編程以及燒寫程 序；不僅能夠控制執行設備，還可以檢測執行設備的狀態并發出通知，其功能 有效并且可靠。
圖1是本發明無線傳感器網絡單相控制節點裝置總體框圖。圖2是本發明無線傳感器網絡單相控制節點裝置數據通信部件處理器單元1中微處理器芯片Ul的結構框圖。圖3是本發明無線傳感器網絡單相控制節點裝置數據通信部件原理圖(電源單元5和無線收發模塊4#的原理圖單獨給出)。圖4是本發明無線傳感器網絡單相控制節點裝置無線收發模塊4#原理圖。圖5是本發明無線傳感器網絡單相控制節點裝置電源單元5原理圖。圖6是本發明無線傳感器網絡單相控制節點裝置數據通信部件處理器單元1中微處理器芯片U1的工作流程圖。圖7是本發明無線傳感器網絡單相控制節點裝置執行設備驅動部件原理圖。
具體實施方式
一種應用于畜禽設施養殖環境監控、植物設施栽培環境監控、倉儲環境監控、 人居環境監控等許多場合的無線傳感器網絡單相控制節點裝置，包括執行設備驅 動部件和數據通信部件。執行設備驅動部件的可控硅觸發單元接口 7*與數據通信部件的連接端口 J7相連；執行設備驅動部件的執行設備狀態輸出單元接口 8*與數據通信部件的連接端口 J8相連。在數據通信部件中，處理器單元1由微處理器芯片Ul及其外圍電路組成， Ul為ATmegal128、 ATmegall28L或MSP430。它主要完成信號控制、數據轉換、 數據運算、協議通信和算法處理，在實現的軟件上考慮與整個傳感器網絡系統協 同，采用傳感器網絡系統中采用的TinyOS微型嵌入式實時操作系統，并在此平 臺上采用nesC語言。根據在本裝置實現的功能，可將處理器單元l的微處理器芯片Ul分為-1) 串行外設接口模塊，其外部接口通過連接端口 Jl與無線收發單元4相連， 用于緩存由無線收發單元4接收到的數據包以及將要發送的數據包。2) 處理器內核模塊，它能夠訪問存儲器，執行運算，控制外設以及處理中 斷。在此實現的功能包括① 用于判斷和處理接收到的數據包，根據接收到的數據包頭地址判斷是時間 同步信號還是控制指令若是時間同步信號則重置時間同步計數器；若是控制指 令則根據數據包負載的數值判斷是啟動指令還是停止指令，并根據判斷相應設置 控制端口模塊寄存器的值。② 用于讀取控制端口模塊寄存器的相應值將其保存在數據包負載中作為狀 態信號，根據LEPS算法選擇路徑，并啟動一個新的定時器周期發送。3) 控制端口模塊，其外部接口通過連接端口 J7和連接端口 J8與執行設備 驅動部件相連，用于根據處理器內核模塊對該模塊寄存器的設置，向連接端口 J7輸出高或低電平，以及將連接端口 J8的電平值保存在該模塊寄存器中。4) 定時器模塊，作為周期發送狀態信號的定時器以及保持整個傳感器網絡同步的時間同步計數器。身份標識單元2主要由隨機數產生芯片U2組成，它的"DQ"(數據口)引 腳與微處理器芯片Ul的通用I/0口引腳相連。它具有全球惟一的隨機碼，作為 該設備在傳感器網絡中惟一的標識符，也是其無線通信的MAC層地址。存儲器單元3主要由串行閃速存儲器芯片U3及其外圍電路組成，它的"SI、 SO、 SCK"引腳分別與微處理器芯片U1的"USART1—TXD、 USART1_RXD、 USART1_CLK"引腳相連。它可以選用不同容量，主要完成在U1內部FLASH空 間不足情況下的非易失性程序和數據存儲的補充。無線收發單元4由無線收發芯片U4及其外圍電路組成的無線收發模塊(包 括無線收發天線)4#和無線收發模塊接口4*組成。無線收發芯片U4為工作在 300-1000MHzISM/SRD帶寬范圍內的CC1000、 CC1020，或工作在2.4GHz頻段的 CC2420等類似產品。無線收發模塊接口4*通過連接端口Jl與微處理器芯片U1的 串行外設接口相連，使無線收發芯片U4的"SI、 SO、 SCLK"引腳分別與微處理 器芯片U1的"SPI—MOSI、 SPI_MISO、 SPI—SCLK"引腳相連。天線采用橡皮封 裝螺旋式或直桿式，與無線收發模塊4弁主體之間采用SMA接口或TNC接口。它 主要用于接收時間同步信號和基站控制指令(啟動或停止指令)，以及向基站發 送執行設備狀態信號。通信調試接口 J6的數據線經過電阻上拉后與微處理器芯片U1的JTAG接口 相連，它們之間的"TCK、 TMS、 TDO、 TDI"引腳互連。它作為對微處理器芯 片Ul內部FLASH進行編程的接口，以及從硬件上控制Ul運行流程的調試接 □。數據通信部件中還包括與執行設備驅動部件相連的連接端口 (J7)、連接端 口 (J8)，它們分別與微處理器芯片的通用I/0口引腳相連。電源單元5為單相交流電轉直流穩壓電路，按照應用的需要輸出兩種不同的 直流電源電平。交流電源經過變壓器和整流橋降壓全橋整流后，經過U1芯片轉 換為第一種直流電源VCC2，再經過U2芯片轉換和后續開光電源等元器件的處 理后轉換為第二種直流電源VCC。它負責為整個數據通信部件供電。在執行設備驅動部件中，可控硅控制單元6主要由置于交流主電路的可控 硅Q2及其保護電路組成，可控硅Q2的導通和截止控制交流主電路的通斷，從而控制執行設備的啟停。可控硅觸發單元7主要由三極管Q1通斷電路組成，三級管Q1與可控硅Q2相 連。它用于通過由可控硅觸發單元接口71俞入的高或低電平控制三級管Q1的導 通或截止，從而控制置于交流主電路的可控硅Q2導通或阻斷。執行設備狀態輸出單元8主要由置于交流主電路的電流互感器MUTUAL檢 測主電路電流狀態，從而得到可控硅Q2的通斷狀態，并轉化為電壓輸出，并經 后續電路處理實現。可控硅觸發單元接口7*和執行電路狀態輸出單元接口8*采用光電耦合器 U2、 U3分別與三極管Q1、電流互感器MUTUAL相連。主要用于保證執行設備驅 動部件與數據通信部件的電平信號輸入輸出符合TTL標準，并且保證執行設備驅 動部件和數據通信部件之間的光耦隔離，使得無線傳感器網絡單相控制節點裝置 的不同電源部分的隔離，提高其抗干擾和可靠性。電源單元9采用單相交流電轉直流穩壓電路的方案，單相交流電經降壓全橋 整流后由U1芯片轉化為VCC1直流電源，為執行設備部件供電。實施例一上述數據通信部件(不包括電源單元5和無線收發單元4)的一個實施案例可 見圖3。它主要由處理器單元l、身份標識單元2、存儲器單元3、與無線收發模塊 接口34目連的連接端口J1、 J2、 J3、電源單元接口J4、通信調試接口J6、連接端 口J7、連接端口J8組成。處理器單元1中的微處理器芯片U1選用AT公司的高性能、低功耗AVR8位高 檔微處理器ATmegal28L。它具有先進的RISC結構,最高8MHz工作頻率，大多數 指令在一個周期內完成，運算速率高；片內128kFlash、 4kSRAM和4kEEPROM; 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口； 具有A/D、 D/A接口；具有2.7V-5.5V的寬工作電壓范圍；具有與IEEE 1 M9.1標準 兼容的JTAG接口。身份標識單元2中的隨機數產生芯片U2選用DALLAS公司的DS2401，它的 "2" (DQ)引腳與微處理器芯片U1的"47"引腳相連。存儲器單元3中的串行閃速存儲器芯片U3選用AT公司的4M flashAT45DB041B,它的"8、 1、 2"引腳分別與微處理器芯片U1的"27、 28、 30"引 腳相連。通信調試接口 J6的數據線經過電阻"R6 R9"上拉后與微處理器芯片Ul 的JTAG接口相連，它的"1、 3、 5、 9"引腳分別與微處理器芯片U1的"57、 56、 55、 54"引腳連接。連接端口 J7的"1"引腳與微處理器芯片U1的"33"引腳連接；連接端口 J8的"1"引腳與微處理器單元U1的"34"引腳連接。無線收發單元4的一個實施案例可見圖4。無線收發單元4中的無線收發芯 片U4選用Chipcon公司生產CClOOO。它具有高靈敏度(一般-109dbm);低供 電電壓(2.3V 3.6V);極低功耗；在本例中工作在433MHz頻段。它通過連接端 口 Jl使U4的"23"、 "24"引腳分別與U1的"12和13"、 "11"引腳相連。天 線采用橡皮封裝螺旋外置式，與無線收發模塊主體之間采用SMA接口。數據通信部件的電源單元5的一個實施案例可見圖5，采用單相交流電轉直 流穩壓電路方案，單相交流電圧經過變壓器降壓和整流橋全橋整流后，經U1芯 片L78L05AB引腳3輸入和引腳1輸出轉化為+ 5.0V直流電源，再經U2芯片 LP2950C-3.0引腳3輸入和引腳1輸出轉化為+3V直流電源，經過電源開關Sl 輸出VCC直流電源。電源單元5通過連接端口 J2、 J4、 J6分別向數據通信部件 的各個單元供電。該裝置調試成功后，各單元接口之間的連接點焊死。數據通信部件上所選芯片的溫度范圍如下單片微處理器芯片Ul為-55C。 到+125C。；隨機數產生芯片U2為-40C。到+85C。；串行閃速存儲器芯片U3為-40C。 到+85C。；無線收發模塊4弁中的無線收發芯片U4為-40C。到+85C。；電源單元5 中三端穩壓器Ul芯片L78L05AB為-40C。到+125C。；三端穩壓器U2芯片 LP2950C-3.0為-40C。到+125C。。這使得數據通信部件可工作在-40C。到+85C。的 環境中。實施例二根據實施例一所選用的芯片和連接方式，上述的數據通信部件的處理器單 元1中的微處理器芯片U1所實現功能的流程如圖6所示，它包括步驟1處理器內核模塊完成初始化任務，包括內部存儲器和寄存器初始化、 1/0端口初使化、電位器初始化、調度器初始化、應用程序組件初始化，以及開 中斷。處理器內核模塊清除G端口數據寄存器第零位為O，向PGO輸出TTL低電平。 同時啟動時間同步計時器開始計時。步驟2處理器內核模塊處理由串行設備接口模塊接收的數據包。1) 如果收到數據包的地址是本節點裝置的ID號、長度是CONTROL—SIZE (2)且特定數據位數值為1，則是基站控制指令，在此作為執行設備的啟動指令。此時設置G端口數據寄存器第零位為1，向PGO輸出TTL高電平，轉入步驟3。2) 如果收到數據包的地址是TOS—BCAST—ADDR ( 0xFFFF )、長度是 MSG一LEN (29)且數據位數值相符，則是基站時間同步信號。此時重置時間同 步計時器，重新開始計時，返回步驟2。3) 如果收到的數據包不符合上述兩種情況，則此數據無效，返回步驟2。 步驟31) 處理器內核模塊收到由串行設備接口模塊傳來的啟動指令執行操作后， 啟動一個新的定時器開始周期性地發送狀態信號。處理器內核模塊通過讀取G端 口數據寄存器第一位的當前值，獲取PG1電平值并將此數值保存在數據包的特定 數據位中作為狀態信號，通過路由選擇(LEPS路由算法選擇路徑)以多跳的方 式將狀態信號由串行設備接口模塊周期性地發出，返回步驟3 。2) 處理器內核模塊處理由串行設備接口模塊接收的數據包。① 如果收到基站控制指令，則根據數據包特定數據位的數值判斷處理。如 果數值為l，則為啟動指令，設置G端口數據寄存器第零位為1，向PGO輸出TTL 高電平；如果數值為0，則為停止指令，清除G端口數據寄存器第零位為O，向PG0 輸出TTL低電平。返回步驟3。② 如果收到基站時間同步信號，則重置時間同步計時器，重新開始計時， 返回步驟3。(D如果收到的數據包不符合上述兩種情況，則此數據無效，返回步驟3。 實施例三執行設備驅動部件的一個實施案例可見圖7，它主要由可控硅控制單元6、13可控硅觸發單元7、可控硅觸發單元接口7*、執行設備狀態輸出單元8、執行設 備狀態輸出單元接口8*、電源單元9組成。可控硅觸發單元接口 7*的"PIN33" 引腳通過連接端口 J7與微處理器芯片Ul的"33"引腳相連；執行設備輸出單 元接口 8*的"PIN34"引腳通過連接端口 J8與微處理器芯片Ul的"34"引腳相 連。在可控硅控制單元6中，置于交流主電路的可控硅Q2選用BTA26BW，最 大允許通過電流為26A，已可以滿足絕大部分應用場合的需求。在可控硅觸發單元7中，三極管Ql選用通用半導體器件8050， Ql的發射 極與可控硅Q2的門極相連，通過控制Q1的導通或截止來導通或阻斷置于交流 主電路的可控硅Q2。在可控硅觸發單元接口 7*中，光電耦合器U2選用TLP521， U2的輸出端通 過電阻R3限流后與三極管Q1的基極相連。它主要用于將執行設備驅動部件與 數據通信部件光耦隔離。執行設備輸出單元8的電流互感器MUTUAL置于可控硅控制單元6中的可 控硅Q2所控制的交流主電路上，主電路導通時，電流互感器MUTUAL將主電 路上通過的電流轉換為一個有效值在1.5 3V左右的電壓，經過后續二極管和電 容的定向穩壓，最終輸出為一個比較穩定的似直流電壓，加載于執行設備狀態輸 出單元接口 8*的光電耦合器113的輸入端，保證光電耦合器的導通。執行設備狀態輸出單元接口 8*的光電耦合器113同樣選用TLP521，除了將 執行設備驅動部件與數據通信部件光耦隔離外，還將輸出電平轉換成符合TTL 標準的高低電平。電源單元9采用單相交流電轉+12V (VCC1)直流穩壓電路方案，所選用的 三端穩壓器U1為L78L12AB;執行設備狀態輸出單元接口 8+所用到的VCC2直 流電源為+ 5V，由數據通信部件的電源單元5 (見實施例一)提供。執行設備驅動部件上所選芯片的溫度范圍如下三端穩壓器Ul芯片 L78L12AB為-40C。到+125C。；光電耦合器U2、U3芯片TLP521為-55C。到+100C。； 三極管Q1 8050為-55C。到+135C。；可控硅Q2 BTA26BW為-40C。到+125C。。這 使得執行設備驅動部件可工作在-40C。到+85C。的環境中。
權利要求
1、一種應用于畜禽設施養殖環境監控、植物設施栽培環境監控、倉儲環境監控、人居環境監控等許多場合的無線傳感器網絡單相控制節點裝置，其特征在于包括執行設備驅動部件和數據通信部件，執行設備驅動部件的可控硅觸發單元接口(7*)與數據通信部件的連接端口(J7)相連，執行設備驅動部件的執行設備狀態輸出單元接口(8*)與數據通信部件的連接端口(J8)相連；所述的數據通信部件包括處理器單元(1)、身份標識單元(2)、存儲器單元(3)、無線收發單元(4)、電源單元(5)，無線收發單元(4)接處理器單元(1)，用于接收時間同步信號和基站控制指令(啟動或停止指令)，以及向基站發送執行設備狀態信號；處理器單元(1)用于判斷和處理接收到的數據包以及獲取連接端口(J8)的電平值保存在將要發送的數據包中，若是時間同步信號則重置時間同步計數器，若是控制指令則向連接端口(J7)輸出高或低電平(啟動或停止指令)，以獲得的連接端口(J8)的電平值作為狀態信號通過路由選擇路徑周期發送；身份標識單元(2)接處理器單元(1)，用于為設備提供惟一標識符；存儲器單元(3)接處理器單元(1)，作為在處理器單元(1)內部存儲空間不足情況下的非易失性程序和數據存儲的補充；電源單元(5)為整個數據通信部件提供工作電壓；所述的執行設備驅動部件包括可控硅控制單元(6)、可控硅觸發單元(7)、執行設備狀態輸出單元(8)、電源單元(9)，可控硅觸發單元(7)接可控硅控制單元(6)，用于由可控硅觸發單元接口(7*)輸入的高或低電平導通或阻斷可控硅控制單元(6)；可控硅控制單元(6)用于控制交流主電路的通斷從而控制執行設備啟停；執行設備狀態輸出單元(8)接可控硅控制單元(6)，用于檢測可控硅控制單元(6)的通斷從而得到執行設備的工作狀態，并以高低電平的方式向執行設備狀態輸出單元接口(8*)輸出，高或低電平分別代表啟動或停止狀態；電源單元(9)為整個設備驅動部件提供工作電壓。
2、 根據權利要求1所述的無線傳感器網絡單相控制節點裝置，其特征在于在數 據通信部件中，處理器單元(1)主要由微處理器芯片"U1"組成；身份標識單元(2) 主要由隨機數產生芯片"U2"組成，它與微處理器芯片"Ul"的通用I/0接口相連； 存儲器單元(3)主要由串行閃速存儲器芯片"U3"組成，它與微處理器芯片"Ul"的通用同步和異步串行接口相連；無線收發單元(4)由無線收發芯片"U4"及其外 圍電路組成的無線收發模塊(4#)和無線收發模塊接口 (4*)組成，其中無線收發 模塊接口 (4*)通過連接端口 (Jl)與微處理器芯片"U1"的串行外設接口相連；通 信調試接口 (J6)的數據線經過電阻上拉后與微處理器芯片"U1"的JATG接口相連; 連接端口 (J7)和連接端口 (J8)分別與微處理器芯片"U1"的通用I/0接口相連。
3、 根據權利要求l、 2所述的無線傳感器網絡單相控制節點裝置，其特征在于 在數據通信部件中，處理器單元(1)中的微處理器芯片"U1"按照在本裝置的功能 可分為1) 串行外設接口模塊，用于緩存由無線收發單元(4)接收到的數據包以及將 要發送的數據包；2) 處理器內核模塊，用于判斷和處理接收到的數據包，若是時間同步信號則重 置時間同步計數器，若是控制指令則判斷是啟動指令還是停止指令，且設置控制端 口模塊寄存器的值；以及讀取控制端口模塊寄存器的值將其保存在數據包中作為狀 態信號，通過路由選擇路徑周期發送；3) 控制端口模塊，用于根據處理器內核模塊對該模塊寄存器的設置，向連接端 口 (J7)輸出高或低電平，以及將連接端口 (J8)的電平值保存在該模塊寄存器中；4) 定時器模塊，作為周期發送狀態信號的定時器以及保持整個傳感器網絡同步 的時間同步計數器。
4、 根據權利要求1所述的無線傳感器網絡單相控制節點裝置，其特征在于執行 設備驅動部件中，可控硅控制單元(6)中采用可控硅"Q2"控制交流主電路的通 斷；可控硅觸發單元(7)中的三極管"Q1"連接可控硅"Q2"，通過控制三極管"Q1"的導通或截止從而導通或阻斷置于交流主電路的可控硅"Q2";可控硅觸發 單元接口 (7*)采用光電耦合器"U2"與三極管"Q1"連接，將執行設備驅動部件 與數據通信部件光耦隔離；在執行設備狀態輸出單元(8)中，置于交流主電路的電 流互感器MUTUAL連接后續二極管和電容，加載于執行設備狀態輸出單元接口(8*)的光電耦合器"U3"的輸入端；執行設備狀態輸出單元接口 (8*)除將執行 設備驅動部件與數據通信部件光耦隔離外，還將輸出電平裝換成符合TTL標準的高 低電平。
全文摘要
本發明提供的無線傳感器網絡單相控制節點裝置涉及畜禽設施養殖和植物設施栽培環境監控等許多應用場合的無線傳感器網絡技術領域。該裝置由數據通信部件和執行設備驅動部件組成，數據通信部件中的存儲器單元、無線收發單元等分別與處理器單元相連；執行設備驅動部件中的可控硅觸發單元、執行設備狀態輸出單元分別與可控硅控制單元相連，并通過其相應的接口分別與數據通信部件的處理器單元相連。該裝置的無線收發單元將接收到的由傳感器網絡傳來的基站控制指令送處理器單元處理，并通過可控硅控制單元控制執行設備的開或關；處理器單元又通過執行設備狀態輸出單元獲取執行設備狀態信息，并通過無線收發單元經其傳感器網絡路由到基站處理。
文檔編號G05B19/418GK101329574SQ20081002289
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月25日 優先權日2008年7月25日
發明者剛 李, 郝永志, 陸甲子, 陳俊杰 申請人:東南大學