專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般包括傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊以及電源管理模塊。目前高度集成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)普遍存在數(shù)據(jù)采集精度低、數(shù)據(jù)采集誤差較大、輸入阻抗低、功耗受電池容量限制等缺點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊決定了數(shù)據(jù)采集精度?，F(xiàn)有的傳感器大多以電壓形式輸出?，F(xiàn)有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集精度上存在缺陷，主要表現(xiàn)為電壓分辨率過(guò)低和采集誤差較大。目前無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的電壓分辨率通常在2. 5毫伏左右，采集誤差在59TlO%之間，模擬信號(hào)的輸入阻抗一般小于I兆歐。造成現(xiàn)有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)電壓分辨率過(guò)低的主要原因是現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為了節(jié)約能耗通常采用MCU(微處理器)內(nèi)部集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這種MCU內(nèi)集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)一般不超過(guò)12位。這種AD轉(zhuǎn)換器能夠滿(mǎn)足一般的數(shù)據(jù)采集要求，但對(duì)于一些高精度高輸出阻抗的傳感器就無(wú)能為力了。
造成數(shù)據(jù)采集誤差較大的原因則來(lái)自于多方面的因素來(lái)自于傳感器本身的熱噪聲，以及外界的電磁干擾等等，其中最重要的是現(xiàn)有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是通過(guò)使用外置射頻收發(fā)芯片，造成整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路中的高頻噪聲較多，干擾數(shù)模轉(zhuǎn)換器，從而增加采集誤差。
通常，現(xiàn)有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入阻抗為千歐級(jí)。普通的帶有輸出能力的有源傳感器的輸出阻抗也是千歐級(jí)，將這種傳感器的輸出連接無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是完全可行的。但是有些無(wú)源傳感器，如PH計(jì)的內(nèi)阻達(dá)到250兆歐，如果直接接入無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，則輸出的微弱電壓量將完全被無(wú)源傳感器的內(nèi)阻消耗，很難被采集到?，F(xiàn)有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常使用能量有限的一次性鋰亞電池作為電源，雖然使用了很多降低能耗的算法來(lái)提高節(jié)點(diǎn)的使用壽命，但是如果沒(méi)有補(bǔ)充，則電源終將耗盡，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將停止工作。因此，能源問(wèn)題就成了制約整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命的關(guān)鍵因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種數(shù)據(jù)采集精度高、輸入阻抗高且工作壽命長(zhǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，包括無(wú)線射頻收發(fā)模塊，所述無(wú)線射頻收發(fā)模塊包括2. 4G無(wú)線收發(fā)器和高增益天線，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送；裝置還包括傳感器模擬接 口模塊，對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)后模數(shù)轉(zhuǎn)換以形成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)串行外設(shè)接口總線和無(wú)線射頻收發(fā)模塊進(jìn)行通信；所述傳感器模擬接口模塊具體包括一個(gè)用于阻抗轉(zhuǎn)換和模擬信號(hào)放大的芯片以及一個(gè)用于模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的芯片，其中前者的輸出端與后者的模擬輸入口相連接。傳感器模擬接口模塊可外接傳感器。進(jìn)一步，所述用于阻抗轉(zhuǎn)換和模擬信號(hào)放大的芯片采用儀用放大器INA333芯片，所述用于模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的芯片采用ADS1234芯片，INA333芯片的輸出端和ADS1234芯片的模擬輸入口相連接。INA333芯片將外部傳感器輸入的微弱差分轉(zhuǎn)換成單端電壓，并適度放大；ADS1234芯片將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI)總線輸出。進(jìn)一步，裝置還包括電源管理模塊，負(fù)責(zé)給整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供電源和 進(jìn)行自動(dòng)充電管理，該模塊具體包括鋰電池、為節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)供電和為鋰電池充電的充電管理芯片以及將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換為輸出穩(wěn)定的3. 3V直流電供應(yīng)至無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的升降壓開(kāi)關(guān)芯片。進(jìn)一步，所述充電管理芯片采用CN3063芯片，所述升降壓開(kāi)關(guān)芯片采用ADP2503芯片。電源管理模塊中的太陽(yáng)能板把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能輸送到CN3063芯片，經(jīng)過(guò)電壓和電流調(diào)整后，為節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)供電的同時(shí)為鋰電池充電；ADP2503芯片將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換為輸出穩(wěn)定的3. 3V直流電供應(yīng)至無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步，所述無(wú)線射頻收發(fā)模塊采用CC2530芯片，該芯片內(nèi)含一個(gè)高性能射頻收發(fā)器，還集成了 8051內(nèi)核的微處理器，芯片內(nèi)的能射頻收發(fā)器與5dbi室外全向高增益天線相連。本發(fā)明還在CC2530芯片的射頻輸出端裝有一個(gè)2. 4GHz的CC2591功率放大芯片。采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明獲得了如下有益效果
本發(fā)明加裝了一個(gè)傳感器模擬接口模塊后，一方面可以對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大，提供了較高的輸入阻抗，另一方面還能精確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，具有高精度微弱信號(hào)的采集能力，因此較傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的精度和輸入的阻抗更高，且可與多種有源傳感器或無(wú)源傳感器相連接。本發(fā)明的最小可采集電壓為I納伏，數(shù)據(jù)采集誤差為1%以?xún)?nèi)。另外，本發(fā)明還具有自動(dòng)充電功能，可以最大限度延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，又由于節(jié)點(diǎn)的整套系統(tǒng)采用雙層板電路設(shè)計(jì)，所使用的芯片都是常用大批量生產(chǎn)的通用芯片，單套的成本低至一百元左右，具有廣泛應(yīng)用的價(jià)值。


圖I是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是傳感器模擬接口模塊工作模式示意圖。圖3是電源管理模塊工作模式示意圖。圖4是無(wú)線射頻收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖I所示。包括無(wú)線射頻收發(fā)模塊、傳感器模擬接口模塊和電源管理模塊。外接的傳感器輸出的模擬信號(hào)通過(guò)傳感器模擬接口模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸送給無(wú)線射頻收發(fā)模塊，無(wú)線射頻收發(fā)模塊采用無(wú)線的方式發(fā)送出去。電源管理模塊提供無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所必須的電能。傳感器模擬接口部分和電源管理部分由無(wú)線射頻收發(fā)模塊中的微處理器控制。本裝置可與多種有源傳感器或無(wú)源傳感器相連接。本實(shí)施例中的傳感器模擬接口模塊和電源管理模塊是獨(dú)立的兩個(gè)部分，各自起著相應(yīng)的功能，獨(dú)立工作，互不影響。如圖2所示，傳感器模擬接口模塊包括一個(gè)用于阻抗轉(zhuǎn)換和模擬信號(hào)放大的芯片以及一個(gè)用于模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的芯片，其中前者的輸出端與后者的模擬輸入口相連接。用于阻抗轉(zhuǎn)換和模擬信號(hào)放大芯片優(yōu)選儀用放大器INA333芯片，用于模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片優(yōu)選ADS1234芯片。本發(fā)明可用于高輸出阻抗傳感器信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)采集的輸入阻抗應(yīng)與傳感器的輸出阻抗匹配，至少為IG歐以上，所以采用高輸入阻抗的儀用放大芯片INA333對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大。該芯片可以放大差分或者單端信號(hào)，輸入阻抗為100G歐，輸入電容只有3pF，可以不失真穩(wěn)定放大直流電壓信號(hào)或者IOOHz以下的交流電壓 信號(hào)，它的最大增益是1000倍，完全符合高輸出阻抗傳感器的輸出負(fù)載要求。此外采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1234作為系統(tǒng)的模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片的分辨率為24位，內(nèi)部可調(diào)增益最大為128倍，最小采樣精度為0. 3納伏。將INA333的輸出連接到ADS1234的輸入端，則傳感器輸出的最小采樣精度高達(dá)0.3納伏。鑒于實(shí)際應(yīng)用中，電源和空間中的雜波干擾，實(shí)測(cè)的最小采樣精度約為I納伏，并且數(shù)據(jù)采集的誤差在1%以?xún)?nèi)。如圖3所示，電源管理模塊包括鋰電池、為節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)供電和為鋰電池充電的充電管理芯片以及將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換為輸出穩(wěn)定的3. 3V直流電供應(yīng)至無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的升降壓開(kāi)關(guān)芯片。采用CN3063芯片作為充電管理芯片，它能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，適合利用太陽(yáng)能板等電流輸出能力有限的電壓源為鋰電池充電?？稍O(shè)置的持續(xù)恒流充電電流可達(dá)600mA，它采用恒流/恒壓/恒溫模式充電，既可以使充電電流最大化，又可以防止芯片過(guò)熱。在電壓和電流足夠的情況下，在使用太陽(yáng)能電池為節(jié)點(diǎn)供電的同時(shí)為充電電池充電。同時(shí)，CN3063還具有自動(dòng)再充電和電池溫度監(jiān)測(cè)功能。鋰電池的充電電壓是4. 2V，輸出電壓范圍是:T4. 2V，為了給傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3. 3V工作電壓，采用升降壓開(kāi)關(guān)芯片ADP2503對(duì)鋰電池的輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADP2503的電壓輸入范圍2. 3 5. 5V，固定3. 3V輸出，電源轉(zhuǎn)換效率高于90%。圖4示出了本發(fā)明中無(wú)線射頻收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)，其核心芯片采用Ti公司的CC2530。芯片CC2530集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051、一個(gè)在各種供電方式下具備數(shù)據(jù)保持能力的 8-KB RAM、2.4GHz IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器、一個(gè) IEEE 802. 5. 4 MAC 定時(shí)器、一個(gè)通用定時(shí)器、8通道12位ADC和5通道DMA。CC2530是專(zhuān)為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的低功耗系列產(chǎn)品，除了正常的工作模式外，還具有4種可以單獨(dú)選擇的低功耗休眠模式。功耗最低的一種休眠模式，其休眠電流僅有I U A。同時(shí)，芯片支持2 3. 6V的工作電壓，使其在使用電池供電的設(shè)備上具有優(yōu)秀的低功耗表現(xiàn)。通過(guò)軟件編程的方式，設(shè)置芯片的工作模式寄存器，可以使芯片在各種運(yùn)行模式間快速切換。也可以通過(guò)外部高精度32. 768KHz的晶振精確控制其休眠時(shí)間。芯片CC2530內(nèi)部集成了 2. 4GHz IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，具有出色的接收器靈敏度和抗干擾能力。其可編程輸出功率為最高為+4. 5 dBm。只需要極少量的外部阻抗匹配元件就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)功能。為了延長(zhǎng)通信距離，并配合野外安裝的要求，選用5dbi室外全向高增益天線。同時(shí)在PCB板的射頻部分，地的覆銅和過(guò)孔嚴(yán)格按照50歐姆射頻傳輸線的設(shè)計(jì)要求，從而使芯片的射頻輸出能夠和天線具有最好的匹配效果，以使得射頻輸出的實(shí)際效率最大化。在穩(wěn)定通信的情況下，本發(fā)明實(shí)測(cè)的可視距離最大為400米。如果在芯片的射頻輸出部分 再加上2. 4 GHz的功率放大芯片，如CC2591芯片，則可以得到最高+22 dBm的輸出功率。在穩(wěn)定通信的情況下,實(shí)測(cè)的可視距離最大為I. 2千米,完全滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離無(wú)線傳感的要求。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，包括無(wú)線射頻收發(fā)模塊，所述無(wú)線射頻收發(fā)模塊包括2. 4G無(wú)線收發(fā)器和高増益天線，其特征在于所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置還包括傳感器模擬接ロ模塊，對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)后模數(shù)轉(zhuǎn)換以形成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)串行外設(shè)接ロ總線和無(wú)線射頻收發(fā)模塊進(jìn)行通信；所述傳感器模擬接ロ模塊具體包括一個(gè)用于阻抗轉(zhuǎn)換和模擬信號(hào)放大的芯片以及ー個(gè)用于模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的芯片，其中前者的輸出端與后者的模擬輸入口相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是所述用于阻抗轉(zhuǎn)換和模擬信號(hào)放大的芯片采用儀用放大器INA333芯片，所述用于模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的芯片采用ADS1234芯片，INA333芯片的輸出端和ADS1234芯片的模擬輸入口相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置還包括電源管理模塊，負(fù)責(zé)給整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供電源和進(jìn)行自動(dòng)充電管理，該模塊具體包括鋰電池、為節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)供電和為鋰電池充電的充電管理芯片以及將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換為輸出穩(wěn)定的3. 3V直流電供應(yīng)至無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的升降壓開(kāi)關(guān)芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是所述充電管理芯片采用CN3063芯片，所述升降壓開(kāi)關(guān)芯片采用ADP2503芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征是所述無(wú)線射頻收發(fā)模塊采用CC2530芯片，在該芯片的射頻輸出端裝有ー個(gè)2. 4GHz的CC2591功率放大芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高精度高輸入阻抗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，包括無(wú)線射頻收發(fā)模塊、傳感器模擬接口模塊和電源管理模塊。其中，傳感器模擬接口模塊可外接傳感器，對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)串行外設(shè)接口總線和無(wú)線射頻收發(fā)模塊進(jìn)行通信；無(wú)線射頻收發(fā)模塊包括2.4G無(wú)線收發(fā)器和高增益天線，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送；電源管理模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供電源和進(jìn)行自動(dòng)充電管理。本發(fā)明可與多種有源傳感器或無(wú)源傳感器相連接，提供較高的輸入阻抗，具有高精度微弱信號(hào)的采集能力。
文檔編號(hào)H04B1/40GK102664652SQ20121008419
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者丁正山, 時(shí)斌, 朱曉舒, 齊亮 申請(qǐng)人:常熟南師大發(fā)展研究院有限公司