一種適應多種類型傳感器的感知節點電路的制作方法

文檔序號：7757439閱讀：173來源：國知局

專利名稱：一種適應多種類型傳感器的感知節點電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線傳感器網絡技術領域，尤其是涉及一種適應多種類型傳感器的感知節點(NPUmote)電路。
背景技術：
無線傳感器網絡是將大量的微型化感知節點布置在監測區域內，節點間通過無線通訊自組織而構成的一種網絡。微型化感知節點作為傳感器網絡的基本組成元素，通常包括環境參數檢測單元、數據處理、無線通信等部件，其中，傳感器是環境參數檢測單元的核心。現有的微型感知節點所采用的傳感器大多都為數字信號輸出，其數字信號輸出端通常通過串行異步通信方式(例如TWI、I2C)直接連接到處理器的相應管腳，而且現有微型感知節點通常功能單一，每個節點為特定傳感器而設計。綜上所述，現有感知節點的硬件和軟件(例如單收發器、單傳感器)設計功能單一，基本上都是一個節點帶一種類型的傳感器，沒有實現多種傳感器的集成與融合。

發明內容
為了克服現有技術功能單一的不足，本發明提供一種適應多種類型傳感器的感知節點電路，能有效解決現有感知節點只能帶一種類型傳感器且不能實現多種傳感器集成與融合的實際問題。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是包括環境參數檢測單元、中央處理器、無線射頻收發單元、數據存儲器和電源模塊。環境參數檢測單元包括多種類型傳感器，對環境參數進行實時檢測，所檢測信號由中央處理器進行采集和處理，并存儲在與中央處理器相接的數據存儲器中，處理后的數據通過無線射頻收發單元以及與無線射頻收發單元相配合使用的SMA天線、接在無線射頻收發單元和SMA天線間的阻抗匹配電路發送出去，電源模塊為各用電單元進行供電。所述環境參數檢測單元中的多種類型傳感器包括數字量傳感器和模擬量傳感器，所述數字量傳感器包括CO2傳感器、溫濕度傳感器和光照傳感器，所述模擬量傳感器包括 4 20MA和0 5V模擬量輸出的傳感器。所述中央處理器為8位高性能AVR單片機Atmegal281V。所述無線射頻收發單元為芯片AT86RF230。所述數據存儲器為芯片AT45DB041。所述CO2傳感器為6004紅外CO2模塊，通過USART連接到中央處理器。所述溫濕度傳感器為SHTxx系列單芯片傳感器，通過兩線制的串行接口連接到中央處理器。所述光照傳感器為光數字傳感器ISL29001，通過I2C總線連接到中央處理器。所述電源模塊由供電模塊以及分別與供電模塊相接的低壓差線性穩壓器和DC/DC 轉換器組成，用于中央處理器、無線射頻收發單元、數據存儲器、C02傳感器等模塊的供電。
所述DC/DC轉換器為單獨可關斷電源芯片MIC2288。本發明的有益效果是1、電路設計合理，接線簡單、安裝方便且電路板體積小、重量輕。2、使用效果好且實用價值高，不僅支持多種數字信號傳感器，還增加了對模擬信號傳感器的支持。在實際使用過程中，集成了 C02、溫濕度、光照等數據信號傳感器和土壤溫度、土壤水份模擬量傳感器，并將多種傳感器集成布設在一個電路板上，實現了多種傳感器的集成與融合。3、所用的無線射頻收發單元即芯片AT86RF230是與ZigBee/IEEE802. 15. 4兼容的無線射頻收發芯片，其工作在2. 4GHz ISM頻段，擁有104dB鏈路預算、-IOldB的接收靈敏度和3dB的傳輸功率，從而能夠減少網絡中所需節點設備的總數，從而大大降低了 IEEE 802. 15. 4系統的組網成本。4、所用的電源模塊設計合理且性能可靠，采用開關電源進行供電，由于開關電源內部關鍵元器件工作在高頻開關狀態，本身消耗的能量很低，開關電源效率可達80% 90%，比普通線性穩壓電源提高近一倍；并且采用電池和適配器供電方式，安全可靠且使用效果好；另外，針對C02傳感器專門配置有單獨可關斷電源芯片進行供電，以滿足傳感器功耗比較大的使用需求。綜上所述，本發明電路設計合理、接線簡單、體積小、重量輕、安裝方便且各部件性能優良、使用效果好、實用價值高，能有效解決現有感知節點只能帶一種類型傳感器且不能實現多種傳感器集成與融合的實際問題。l、NPUmote不僅支持多種數字信號傳感器，還增加了對模擬信號傳感器的支持，傳感器輸出的模擬信號被引入單片機ATMEL128的特定模數轉化模塊進行模數轉換后，再進行相應處理。2、NPUmote采用多種傳感器集成布設在一個電路板上的設計模式。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1為本發明的電路框圖。圖2為本發明電源模塊的電路框圖。圖中1-環境參數檢測單元； 2-中央處理器；4-SMA天線；5-阻抗匹配電路7-電源模塊；7-1-供電模塊；7-3-DC/DC 轉換器。
具體實施例方式如圖1所示，本發明包括由對多種環境參數進行實時檢測的多種類型傳感器組成的環境參數檢測單元1、對環境參數檢測單元1所檢測信號進行采集和處理的中央處理器 2、分別與中央處理器2相接的數據存儲器6和無線射頻收發單元3、與無線射頻收發單元3 相配合使用的SMA天線4、接在無線射頻收發單元3和SMA天線4間的阻抗匹配電路5以及為各用電單元供電的電源模塊7，所述環境參數檢測單元1中的多種類型傳感器均接中央
3-無線射頻收發單元；；6-數據存儲器；
7-2-低壓差線性穩壓器；
4處理器2。所述中央處理器2為8位高性能AVR單片機Atmegal281V。所述多種類型傳感器包括數字量傳感器和模擬量傳感器，所述數字量傳感器包括CO2傳感器、溫濕度傳感器和光照傳感器。本實施例中，所述CO2傳感器為6004紅外CO2模塊即芯片U104A，溫濕度傳感器為SHTxx系列單芯片傳感器，光照傳感器為光數字傳感器ISL29001即芯片U103。所述8位高性能AVR單片機Atmegal281V(以下簡稱單片機Atmegal281V)的供電電源為+3. 3V電源且其VCC管腳均接+3. 3V電源端，單片機Atmegal281V的AVCC管腳經電感LlOl后接+3. 3V電源端且其AREF管腳直接接+3. 3V電源端，所述單片機Atmegal281V 的AVCC管腳經電感LlOl后以及其VCC和AREF管腳均經電容C108后接地。所述單片機 Atmegal281V的工作時鐘源可以選取外部晶振、外部RC振蕩器、內部RC振蕩器、外部時鐘源等方式，工作時鐘源的選擇具體通過其內部熔絲位來設計，熔絲位可以通過JTAG編程、ISP 編程等方式進行設置，單片機Atmegal281V上對應設置有ISP應用編程接口和JTAG調試接本實施例中，單片機Atmegal281V采用兩個外部晶振7. 3728MHz晶振即晶振XlOl 作為單片機Atmegal281V的工作時鐘；32. 768kHz晶振即晶振XlOO作為實時時鐘源傳感器，其中，晶振XlOO的兩個引腳分別與單片機Atmegal281V的T0SC2/PG3和T0SC1/PG4管腳相接且其兩個引腳分別經電容ClOO和ClOl后接地，晶振XlOl的兩個引腳分別與單片機 Atmegal281V的XTAL2和XTALl管腳相接且其兩個引腳分別經電容C107和C109后接地。所述單片機Atmegal281V的^IT管腳經電阻R113后接+3. 3V電源端，且該管腳經電容 C112后接地。其中，所述6004紅外CO2模塊與單片機Atmegal281V之間采用UART方式進行通訊，即單片機Atmegal281V的一路TTL電平UART接口接6004紅外CO2模塊，所述6004紅外CO2模塊的RXD管腳經電阻R123后接單片機Atmegal281V的PEl (TXD0/PD0)管腳，所述 6004紅外CO2模塊的TXD管腳經電阻Rlll和R123后接單片機Atmegal281V的PE0(RXD0/ PCINT0/PDI)管腳，所述6004紅外CO2模塊的GND管腳經電阻RllO和R123后接單片機 Atmegal281V 的 PEO (RXD0/PCINT0/PDI)管腳，所述 6004 紅外 CO2 模塊的 SER_CLK、GND 和 SER_IN管腳均接地且其+5V管腳接+5V電源端。另外，由于6004紅外CO2模塊在工作時需要預熱，通常為2分鐘，最大時間為10分鐘。因而必須在6004紅外CO2模塊工作穩定時進行采樣，并且根據6004紅外CO2模塊的節點機械結構，其布設時選用擴散型。因為6004紅外CO2模塊為5V電源系統，因而與供電電源為+3. 3V的單片機Atmegal281V進行通訊時，要考慮電平轉換問題。本實施例中，采用5V電壓信號分壓，3. 3V電壓信號直接相連的接線方式。所述SHTxx系列單芯片傳感器的供電電壓為2. 4 5. 5V。當傳感器上電后，要等待Ilms以越過“休眠”狀態，在此期間無需中央處理器1發送任何指令。另外，SHTxx系列單芯片傳感器的電源引腳VCC和GND之間可增加一個電容，用以去耦濾波。SHTxx的串行接口(兩線雙向)，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優化處理；但與I2C接口不兼容，需使用GPIO 口來模擬I2C接口通信。所述SHTxx系列單芯片傳感器的串行時鐘輸入SCK用于中央處理器1即微處理器與SHTxx系列單芯片傳感器之間的通訊同步。所述SHTxx系列單芯片傳感器的串行數據接口 SDA即三態門用于數據的讀取，SDA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態，并僅在SCK時鐘上升沿有效。因而數據傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，SDA必須保持穩定。為避免信號沖突，所述微處理器應驅動DATA在低電平需要一個外部的上拉電阻，將信號提拉至高電平。本實施例中，所述SHTxx系列單芯片傳感器具體為 SHT75單芯片傳感器即芯片U102。所述SHT75單芯片傳感器的SDA和SCK管腳分別接單片機Atmegal281V的PDO (SCL/INT0)和PDl (SDA/INT1)管腳，所述SHT75單芯片傳感器的 SDA和SCK管腳分別經電阻RlOO和R104后接+3. 3V電源端，SHT75單芯片傳感器的VCC接 +3. 3V電源端且其GND管腳接地。所述光數字傳感器ISL29001的PD(P0WERD0WN模式選擇控制端)、SCL(即串行時鐘輸入端)和SDA(即串行數據輸入端)管腳分別接單片機Atmegal281V的PA3(AD3)、 PA4(AD4)和PA5(AD5)管腳，所述光數字傳感器ISL29001的的REXT(即光照強度控制端) 管腳經電阻R109后接地。考慮到光照傳感器的安裝位置不是十分明確。因此設計中，光數字傳感器ISL29001獨立成板且其通過軟排線與本發明的電路主板進行連接，以方便安裝合適的位置。所述+3. 3V電源端分別經電阻RlOl和發光二極管D100、電阻R102和發光二極管DlOl以及電阻R103和發光二極管D102后與單片機Atmegal281V的PAO (ADO)、 PAl (ADl)和PA2(AD2)管腳相接，同時所述+3. 3V電源端分別經電阻R108和R107后與單片機 Atmegal281V 的 PA4 (AD4)和 PA5 (AD5)管腳相接，單片機 Atmegal281V 的 PA3 (AD3)管腳經電阻R106后接地。綜上，單片機Atmegal281V的IIC接口接光照傳感器和溫濕度傳感器。所述單片機Atmegal281V的ADCO ADC2管腳為預留的以作擴展用的三路AD 口，上述ADCO ADC2管腳與模擬量傳感器相接，即作為所述模擬量傳感器的數據輸入接口。本實施例中，所述無線射頻收發單元3為zigbee無線通信模塊，具體為芯片 AT86RF230即芯片U201，所述芯片AT86RF230與單片機Atmegal281V間通過SPI接口(即串行外圍設備接口)進行通訊，具體而言單片機Atmegal28IV的PBO ( SS /PCINTO )、 PBl (SCK/PCINT1)、PB2 (M0SI/PCINT2)、PB3 (MIS0/PCINT3)、PB7 (0C0A/0C1C/PCINT7)和 PD4 (ICPl)六個管腳分別接芯片 AT86RF230 的、SCLK、K0SI、MIS0、SLP_TR 和 IRQ 六個管腳，所述單片機Atmegal281V的PD6 (Tl)和XTALl管腳分別經電阻R112和R114且均經電阻R203后接芯片AT86RF230的CLKM管腳；所述芯片AT86RF230的@管腳接單片機 Atmegal281V的PA6 (AD6)管腳。由于單片機Atmegal281V工作于內部為7. 3782MHz的振蕩頻率下，因而若單片機Atmegal281V要采用與芯片AT86RF230同步的外部時鐘信號，則芯片 AT86RF230的CLKM管腳要與單片機Atmegal281V的XTALl管腳相接，并且芯片AT86RF230 的熔絲位要設置為外部時鐘。另外，由于芯片AT86RF230的各種工作狀態中斷信號由其 IRQ管腳來控制，因而本發明中將芯片AT86RF230的IRQ管腳接到單片機Atmegal281V的 PD4(ICPl)管腳上以產生捕獲中斷，因為捕獲中斷可通過設置噪聲消除方式來減少外界的干擾，從而提高中斷的可靠性。另外，所述芯片AT86RF230的XTAL2和XTALl管腳分別接晶振X200的兩個引腳且晶振X200的兩個引腳分別經電容C201和C203后接地。需注意的是芯片AT86RF230的所接外部晶振Xl的長期工作頻率穩定度要小于等于40ppm，并根據晶振 X200和芯片AT86RF230的驅動能力選擇合適的負載電容。所述芯片AT86RF230的VDEC2、 VDECl和VDD管腳分別經電容C202、C205和C206后接地且其VDD管腳接+3. 3V電源端，芯片AT86RF230的CLKM管腳經電阻R203和電容C207后接地。所述芯片AT86RF230的RFP和RFN管腳分別接電容C200和C204后接芯片
6HHM1711D1的BAL2和BALl管腳，芯片AT86RF230的UNBl管腳接芯片CIRDIN_5_P的第5引腳且芯片CIRDIN_5-P的其余4個引腳均接地。對于芯片AT86RF230的模擬電路來說，為了降低其它部分的干擾程度，提高RF性能，需要采取抗干擾措施。例如，模擬電源輸入端增加磁珠或電感；AT86RF230模擬地和數字地要分開布線，并在一點接地；為了減小分布參數的影響，鋪地要盡可能大，并且要適當打上過孔；濾波用的電容也要盡量靠近芯片。另外，對于芯片AT86RF230而言，要注意阻抗匹配即需設計阻抗匹配電路5，芯片 AT86RF230的天線端口為2路100 Ω的差分輸出，可直接接差分饋電的天線，但缺點是阻抗匹配和測試都比較困難，一般可以用巴倫把2路100 Ω的差分輸出變換成一路50Ω輸出，然后接各類單端饋電的天線，饋線設計保證50歐的阻抗。所述數據存儲器6為芯片AT45DB041即芯片U105，該芯片具有容量大、讀寫速度快、外圍電路少等諸多優點，并且該芯片可最低工作在2. 5ν，工作電流僅為4mA，因此在移動通信、便攜等場合得到了廣泛的應用。所述芯片AT45DB041的VCC和■管腳均接+3. 3V 電源端且其西管腳接單片機Atmegal281V的PE3 (0C3A/A1N1)管腳，所述芯片AT45DB041 的SCK管腳接單片機Atmegal281V的PE4 (0C3B/INT4)管腳且其SI和SO管腳接單片機 Atmegal281V 的 PE5 (0C3C/INT5)和 PE6(T3/INT6)管腳，所述芯片 AT45DB041 的RESET管腳接單片機Atmegal281V的^ff管腳，結合圖2，所述電源模塊7由供電模塊7-1以及分別與供電模塊7-1相接的低壓差線性穩壓器7-2和DC/DC轉換器7-3組成。本實施例中，所述電源模塊7包括供電模塊 7-1、與供電模塊7-1相接且用于提供+3. 3V電源的低壓差線性穩壓器7-2即LDO和與供電模塊7-1相接且用于提供+5V電源的DC/DC轉換器7-3。本實施例中，所述低壓差線性穩壓器7-2分別為單片機Atmegal281V、芯片AT45DB041、芯片AT86RF230、SHTxx系列單芯片傳感器和光數字傳感器ISL29001提供+3. 3V電源，所述DC/DC轉換器7_3為所述6004紅外 CO2模塊提供+5V電源。所述供電模塊7-1中包括兩種并行的供電方式一是使用鋰電池即JlOO進行持續供電，所用鋰電池的電壓為4. 2V，容量> 2000mAH ；二是外部5V適配器即 J106供電，所述JlOO和J106的電源輸出端均經一個串聯的磁珠LlOO后輸出穩定的+5V或者+4. 2V電源。所述JlOO的電源輸出端上接有經兩個串接的分壓電阻R117和R119后接地，即電阻R117和R119為鋰電池電壓檢測分壓電阻且二者的相接點接單片機Atmegal281V 的PF3 (ADC3)管腳，也就是說，將電阻Rl 17和Rl 19間電壓的中間值單片機Atmegal281V的 A/D轉換接口中進行分析比較得出鋰電池的電壓數值。所述低壓差線性穩壓器7-2為降壓LDO即芯片U110，本實施例中，所述芯片UllO 為XC6221系列低壓差線性穩壓器，經過芯片UllO進行穩壓后輸出穩定的+3. 3V電源。所述DC/DC轉換器7-3為單獨可關斷電源芯片MIC2288即芯片U111，經過芯片Ulll升壓之后穩定輸出+5V電源。實際使用過程中，采用5V適配器供電時，省略DC/DC轉換器7_3，只需在磁珠LlOO 的電源輸出端上接一電阻R120用于輸出+5V電壓即可；相應地，在采用鋰電池供電時，則需使用DC/DC轉換器7-3，而與LlOO的電源輸出端相接的電阻R120則應省去。實際接線時，芯片UllO的VIN和EN管腳均接磁珠LlOO的電源輸出端，芯片UllO的VSS管腳接地且其 VO和NC管腳分別經電容C123和C124后接地，芯片UllO的VO管腳為+3. 3V電源輸出端。
7所述芯片Ulll的VIN管腳接磁珠LlOO的電源輸出端且其EN管腳接+3. 3V電源輸出端，芯片Ulll的SW管腳經肖特基二極管D103后輸出+5V電源，所述肖特基二極管D103的輸出端分別經兩個串聯的電阻Rl 16和Rl 18后接地且電阻Rl 16和Rl 18的連接點接芯片Ulll 的FB管腳且肖特基二極管D103的輸出端經電容C115后接地。對電源模塊7進行實際布線時，根據印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。同時，應注意將數字地與模擬地分開，若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。接地線應盡量加粗，若接地線用很紉的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線的長度應在2 3mm以上。接地線構成閉環路。只由數字電路組成的印制板，其接地電路布成團環路大多能提高抗噪聲能力。本實施例中，無線射頻收發單元3中除SMA天線、晶振和電源模塊7中的去耦電容外的所有關鍵器件都集成在一塊芯片中，封裝形式采用32引腳、5mmX5mmX0. 9mm大小的 QFN封裝，因而由該芯片所構成的設備僅需6個外部組件。所述芯片AT86RF230內部集成有 35個可以通過SPI控制時序訪問的8位寄存器，工作時有8個基本狀態(可以根據需要擴展為14個)，片內發送數據和接收數據的緩沖分別為129字節和130字節，正好可以滿足 IEEE802. 15. 4協議規定的最大幀長度127字節的要求，發送時需要加2字節的CRC16校驗碼，接收時還要多加1字節的鏈路質量指示。
權利要求
一種適應多種類型傳感器的感知節點電路，包括環境參數檢測單元、中央處理器、無線射頻收發單元、數據存儲器和電源模塊，其特征在于所述環境參數檢測單元包括多種類型傳感器，對環境參數進行實時檢測，所檢測信號由中央處理器進行采集和處理，并存儲在與中央處理器相接的數據存儲器中，處理后的數據通過無線射頻收發單元以及與無線射頻收發單元相配合使用的SMA天線、接在無線射頻收發單元和SMA天線間的阻抗匹配電路發送出去，電源模塊為各用電單元進行供電。
2.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的環境參數檢測單元中的多種類型傳感器包括數字量傳感器和模擬量傳感器，所述數字量傳感器包括CO2傳感器、溫濕度傳感器和光照傳感器，所述模擬量傳感器包括4 20MA和0 5V模擬量輸出的傳感器。
3.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的中央處理器為8位高性能AVR單片機Atmegal281V。
4.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的無線射頻收發單元為芯片AT86RF230。
5.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的數據存儲器為芯片AT45DB041。
6 根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的 CO2傳感器為6004紅外CO2模塊，通過USART連接到中央處理器。
7.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的溫濕度傳感器為SHTxx系列單芯片傳感器，通過兩線制的串行接口連接到中央處理器。
8.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的光照傳感器為光數字傳感器ISL29001，通過I2C總線連接到中央處理器。
9.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的電源模塊由供電模塊以及分別與供電模塊相接的低壓差線性穩壓器和DC/DC轉換器組成。
10.根據權利要求1所述的適應多種類型傳感器的感知節點電路，其特征在于所述的 DC/DC轉換器為單獨可關斷電源芯片MIC2288。
全文摘要
本發明公開了一種適應多種類型傳感器的感知節點電路，環境參數檢測單元包括多種類型傳感器，對環境參數進行實時檢測，所檢測信號由中央處理器進行采集和處理，并存儲在與中央處理器相接的數據存儲器中，處理后的數據通過無線射頻收發單元以及與無線射頻收發單元相配合使用的SMA天線、接在無線射頻收發單元和SMA天線間的阻抗匹配電路發送出去，電源模塊為各用電單元進行供電。本發明設計合理，接線簡單、安裝方便且電路板體積小、重量輕，使用效果好且實用價值高，能夠減少網絡中所需節點設備的總數，所用的電源模塊設計合理且性能可靠。
文檔編號H04W84/18GK101917207SQ20101025825
公開日2010年12月15日申請日期2010年8月19日優先權日2010年8月19日
發明者李士寧, 李志剛, 蒙海軍, 馬峻巖申請人:西北工業大學

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