專利名稱：測量溫度的低功耗無線傳感器節點的制作方法
技術領域：
測量溫度的低功耗無線傳感器節點技術領域本發明涉及一種低功耗溫度測量裝置，尤其涉及一種通過對熱電偶輸出信 號的采集處理，以實現溫度測量及測量結果的無線傳輸的測量溫度的低功耗無 線傳感器節點。
技術背景目前工業現場溫度采集系統所使用的溫度信號采集裝置多種多樣，有相當一部分溫度信號測量單元都是有線方式(如CAN總線等)，將測量信號發送到 控制中心。由于工業現場環境復雜，使得有線信號傳輸方式的溫度測量單元的 安裝繁瑣、維護困難、成本過高，特別是還可能存在著一些無法布線的測點， 不能安裝溫度測量單元，造成測量盲區。隨著嵌入式技術、分布式信息處理技 術和無線通訊技術的發展，無線傳感器技術憑著節點體積小、安裝方便、節能 等優點，在狀態檢測領域具有廣闊的應用前景，在這一新技術的支持下，便可 對現有的溫度采集系統進行改進與革新。為了充分發揮溫度無線傳感系統安裝 方便的優勢，無線傳感器節點需要用電池供電，為了避免頻繁地為傳感器節點 更換電池，傳感器節點的節能設計是系統要解決的一個關鍵問題。 發明內容本發明針對現有技術的不足，而研制的一種適應于工業現場溫度采集的， 由電池供電，通過熱電偶測量測點溫度，并將測量數據通過微功耗無線通信單元進行無線傳輸的低功耗無線傳感器節點。本發明所采用的技術手段如下一種測量溫度的低功耗無線傳感器節點，包括熱電偶傳感器組，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微功耗微處理器、信號處理及數模轉換器、微功耗無線收發單元、模擬多路復用開關、電源模塊和ID配置單元；所述信號處理及數模轉換器，用于完成溫度測量信號放大、冷端補償，并將模擬信號轉換為數字信號；所述微功耗無線收發單元，用于將微處理器處理后的溫度測量信號向外發送或接收外部控制信號；所述模擬多路復用開關，用于對熱電偶傳感器組輸入的信號進行選擇輸出控制；所述電源模塊，包括電池和電源調理電路，電池輸出電壓經電源調理電 路調整后向各單元輸送電壓；所述ID配置單元，用于設置該無線傳感器節點的 ID號及T畫A通信時隙號；所述微處理器從ID配置單元讀取該節點的ID號， 再通過微功耗無線收發單元接收外部控制信號，實現與無線接收節點的同步， 并獲取采樣周期信息，之后將微功耗無線收發單元置為睡眠狀態，實現節能； 進行溫度信號采集時，所述熱電偶傳感器組將采集到的模擬信號經模擬多路復 用開關后，送入信號處理及數模轉換器中進行處理，并將其轉化為數字信號傳 送到微處理器中再次處理，后將溫度測量信號送至微功耗無線收發單元中，由 微功耗無線收發單元將測量信號在由ID配置單元指定的通信時隙內，發送至外 部無線接收單元中，并將微功耗無線收發單元置為睡眠狀態，等待下一個采樣 周期的開始。所述各單元通過數據總線進行連接。所述微功耗微處理器設有內部存儲器，用于存儲熱電偶傳感器組中的各個 熱電偶傳感器溫度測量結果；當熱電偶傳感器組中的所有溫度測量結果都存入 微處理器的內部存儲器中后，微處理器將所述該節點的ID號和所有溫度測量結 果打包，送入微功耗無線收發單元中。還設模擬開關，連接在可控制模擬多路復用開關同電源模塊之間和信號處 理及數模轉換器同電源模塊之間，由微處理器控制，在信號采樣間隔時間內關 閉電源，實現節能操作；所述各器件進行整體封裝，僅將微功耗無線收發單元 的天線和熱電偶傳感器組通過接線端子安置在封裝體外部。由于采用了上述技術方案，本發明提供的測量溫度的低功耗無線傳感器節 點，不但克服了目前基于有線信號傳輸的溫度采集器在安裝、維護等方面存在 的不足，還具有以下優點1、利用模擬開關控制溫度信號采集單元的供電電源， 在采樣結束后將其關閉，可實現節能；2、溫度無線傳感器節點工作與無線接 收單元的通信基于TDMA方式，避免了節點間的通信沖突，可實現節能；3、 利用ID配置單元簡化了傳感器節點的TDMA時隙分配過程；4、利用熱電偶 和相應的信號處理芯片，可實現高精度溫度測量；5、利用無線通信技術完成 測量數據的傳送，并且依靠電池供電，現場安裝無需鋪設導線，可以方便地安 裝在需要測量的位置，減少了安裝時間，節省了材料，降低了成本，提高了技 術含量；6、多個測量溫度的低功耗無線傳感器節點通過軟件控制還能夠組織成網絡，實現大范圍監測。所以，該測量溫度的低功耗無線傳感器節點具有很大的應用推廣價值。
圖1為本發明測量溫度的低功耗無線傳感器節點的方框圖；圖2為本發明測量溫度的低功耗無線傳感器節點的工作流程圖；圖1為本發明的說明書摘要附圖。圖中1、微處理器，2、信號處理及數模轉換器，3、微功耗無線收發單元， 4、熱電偶傳感器組，5、模擬多路復用開關，6、電源模塊，7、 ID配置單元，8、 模擬開關。
具體實施方式
如圖1所示， 一種測量溫度的低功耗無線傳感器節點，包括熱電偶傳感器組4，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微處理器l、信號處理及數模轉換器2、微功耗無線收發單元3、模擬多路復用開關5、電源模塊6和ID配置單 元7;本實施例中的熱電偶傳感器組4以8路為例，其中模擬多路復用開關5 可為8路熱電偶分時提供與信號處理及數模轉換器2相連的信號通道；無線傳 感器節點的ID號由所述節點ID配置單元進行設置；還設模擬開關8，連接在 可控制模擬多路復用開關5同電源模塊6之間和信號處理及數模轉換器2同電 源模塊6之間，由微處理器l控制；其中各器件進行整體封裝，僅將微功耗無 線收發單元3的天線和熱電偶傳感器組4通過接線端子安置在封裝體外部。使用時利用熱電偶探測測點溫度，其輸出的表征溫度的模擬信號經過模擬 多路復用開關5后送入信號處理與模數轉換器2中，完成信號放大、冷端補償 并將模擬信號轉換為數字信號。微處理器1通過SPI總線接口從信號處理與模 數轉換器2處讀取測點的溫度值，并對獲取的溫度測量值進行處理，補償由于 多路復用開關引入的偏差值，處理結果暫存于內部存儲器內，再將溫度測量結 果經SPI總線接口送至無線收發模塊3，由無線收發模塊3最終將溫度測量結 果發送至無線數據接收單元。本實施例中最多可使用8只K型熱電偶，模擬多路復用開關5采用的是具有8 選1功能的74HC4051，信號處理及數模轉換器2是MAX6675，該芯片集成了K型 熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口等功能，具有很高的集成度，其 領醞范圍為(TC +1024t:， A/D轉換器為12位，可提^0.25。C的分辨率，可滿足工業現場對溫度測量精度的要求。微處理器1是TI的微功耗芯片MSP430F147，運行溫度范 圍為-4(TC +85"C，適合于工業環境下運行，支持四種類型的低功耗工作模式，可滿 足無線傳感器節點節能的要求。微功耗無線收發單元3的核心芯片是Nordic的單片 433/868/915MHz ISM多頻段無線收發芯片nRF905，它利用SPI接口實現與 MSP430F147之間的雙向數據通信，射頻比特發送率為100kbps，實際數據發送 率為50kbps，滿足溫度測量應用中對發送速率的要求。nRF905的無線收發功耗 很低，具有4種無線發射功率供用戶選擇，還可以工作于休眠狀態，非常適合于 微功耗的應用場合。模擬開關8選用的是P溝道增強型MOS場效應管Si2301。供 電單元采用規格為3.6V， 2.4Ah的一次性鋰電池，電池輸出電壓經電壓調整芯片 TPS60101的處理，轉換為3.3V后供無線傳感器節點系統使用。本發明測量溫度的低功耗無線傳感器節點的具體工作流程如下，如圖2所 示系統上電，微處理器1首先從ID設置單元7處讀取自己的ID號和采樣周 期，然后進入無線接收狀態，等待來自無線數據接收單元的信標。在接收到信 標后，微處理器1控制微功耗無線收發單元3進入休眠狀態，并輸出電源開關 控制信號，打開模擬多路復用開關5和信號處理及模數轉換器2的電源，輸出 通道選擇控制信號到多路復用開關5，循環選通連接至多路復用開關的8路熱 電偶，將選通的熱電偶的輸出信號送至信號處理及模數轉換器2，完成信號放 大、誤差補償，并將模擬信號轉化為數字信號。之后，微處理器1通過SPI總 線從信號處理及模數轉換器2處讀取溫度測量結果，并對讀取的測量結果進行 處理，消除由于模擬多路開關引入的測量誤差，獲取準確的溫度信息，在其內 部存儲器內暫存。對8路熱電偶的一輪信號采集結束后，微處理器l便輸出電 源開關控制信號，關閉多路復用開關5和信號處理及模數轉換器的電源2，將 自己的ID號和所有測點的測量結果打包。在通信時隙到達后，微處理器控1 制微功耗無線收發單元3進入發送狀態，通過SPI總線接口將數據包傳送給微 功耗無線收發單元3，由微功耗無線收發單元3將測量結果發送至無線數據接 收單元。之后，無線傳感器節點進入下采樣周期循環，重復上述工作流程。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本 發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護 范圍之內。
權利要求1、一種測量溫度的低功耗無線傳感器節點，包括熱電偶傳感器組(4)，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微處理器(1)、信號處理及數模轉換器(2)、微功耗無線收發單元(3)、模擬多路復用開關(5)、電源模塊(6)和ID配置單元(7)；所述信號處理及數模轉換器(2)，用于完成溫度測量信號放大、冷端補償，并將模擬信號轉換為數字信號；所述微功耗無線收發單元(3)，用于將微處理器處理后的溫度測量信號向外發送或接收外部控制信號；所述模擬多路復用開關(5)，用于對熱電偶傳感器組(4)輸入的信號進行選擇輸出控制；所述電源模塊(6)，包括電池和電源調理電路，電池輸出電壓經電源調理電路調整后向各單元輸送電壓；所述ID配置單元(7)，用于設置該無線傳感器節點的ID號及TDMA通信時隙號；所述微處理器從ID配置單元讀取該節點的ID號，再通過微功耗無線收發單元接收外部控制信號；節點進行溫度信號采集時，所述熱電偶傳感器組將采集到的模擬信號經模擬多路復用開關后，送入信號處理及數模轉換器中進行處理，并將其轉化為數字信號傳送到微處理器中再次處理，后將溫度測量信號送至微功耗無線收發單元中，由微功耗無線收發單元將測量信號發送至外部無線接收單元中，所述各單元通過數據總線進行連接。
2、 根據權利要求l所述的測量溫度的低功耗無線傳感器節點，其特征在于 所述微處理器(1)設有內部存儲器，用于存儲熱電偶傳感器組中的各個熱電偶 傳感器溫度測量結果；當熱電偶傳感器組中的所有溫度測量結果都存入微處理 器的內部存儲器中后，微處理器將所述該節點的ID號和所有溫度測量結果打包， 送入微功耗無線收發單元(3)中。
3、 根據權利要求1或2所述的測量溫度的低功耗無線傳感器節點，其特征 在于還設模擬開關(8)，連接在可控制模擬多路復用開關(5)同電源模塊(6) 之間和信號處理及數模轉換器(2)同電源模塊(6)之間，由微處理器(1)控 制。
4、根據權利要求3所述的測量溫度的低功耗無線傳感器節點，其特征在于 所述各器件進行整體封裝，僅將微功耗無線收發單元(3)的天線和熱電偶傳感器組(4)通過接線端子安置在封裝體外部。
專利摘要本實用新型公開了一種測量溫度的低功耗無線傳感器節點，包括熱電偶傳感器組，用于溫度信號的采集；其特征在于還包括微功耗微處理器、信號處理及數模轉換器、微功耗無線收發單元、模擬多路復用開關、電源模塊和ID配置單元；該節點進行溫度信號采集時，熱電偶傳感器組將采集到的模擬信號經模擬多路復用開關后，送入信號處理及數模轉換器中進行處理，并將其轉化為數字信號傳送到微處理器中再次處理，后將溫度測量信號送至微功耗無線收發單元中，由微功耗無線收發單元將測量信號發送至外部無線接收單元中，所述各單元通過數據總線進行連接；該測量溫度的低功耗無線傳感器節點具有低功耗、安裝方便、抗干擾能力強等優點，適于在溫度測量領域廣泛推廣。
文檔編號G08C17/00GK201117071SQ200720016260
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月27日 優先權日2007年11月27日
發明者冬 馮, 瑩 王 申請人:大連海事大學