一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统，包括上位机、主电路和次级电路三个部分。将次级电路安装在喷涂房内墙壁上，主电路安装在墙壁外，安装时保证两部分电路上的印制PCB电感最大重叠。次级电路包含温湿压三个MEMS微传感器，用来测试喷涂房内环境变化。主电路发出的载波通过电感耦合到次级电路为次级电路供电。次级电路采用时分复用技术，在一个周期内分段采集几个传感器参数，再将测得的信号对次级电路进行负载调制，调制后的波形通过电感耦合至主电路。主电路通过解调后就得到传感器测量信号。输出至上位机，经处理后得到相应的环境参数并显示出来。在该系统中，喷涂房内的传感器及其电路不需要电池供电，寿命长。
【专利说明】一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种用于监测密闭喷涂房环境的系统，尤其涉及一种无源无线多参数传感技术测量喷涂房温度、湿度以及气压值的系统。
【背景技术】
[0002]对于密封的喷涂房，房间内的温度、湿度及气压都会影响油漆的喷涂效果。需要一种环境监测系统实时监测喷涂房内的环境参数。目前基于Zigbee技术的环境监测系统已有较多研究。然而Zigbee虽然具有组网优势，但整个网络需要多个协调器和路由器，涉及协议，其开发复杂，价格昂贵，另外传感器节点一般使用电池供电，寿命较短。
【发明内容】
[0003]发明目的:针对上述现有技术，提供一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统，能够实现对密闭喷涂房中温度、湿度以及气压值的无源无线多参数测量以及传输。
[0004]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统，包括安装在喷涂房内的次级电路，安装在喷涂房外的主电路以及连接所述主电路的上位机；所述主电路包括第一耦合电感、载波发生模块、包络检波模块以及滤波放大模块；所述次级电路包括第二耦合电感、整流稳压模块、负载调制模块、时分复用模块、c-f转换模块以及MEMS(微机电系统技术)电容式传感器，所述第二耦合电感与第一耦合电感耦合连接；其中:
[0005]所述载波发生模块用于产生高频载波并经由所述第一耦合电感发射出去；
[0006]所述第二耦合电感用于接收所述高频载波后，发送到整流稳压模块得到稳定的5V电压；
[0007]所述MEMS电容式传感器为通过CMOS MEMS工艺制备的电容式温度、湿度、气压集成传感器，用于检测密闭喷涂房内的温度、湿度以及气压大小；
[0008]所述C-f转换模块包括连接三个传感器的多路开关，用于将所述MEMS电容式传感器的电容值转换成对应的频率信号；
[0009]所述时分复用模块用于产生控制信号来选通所述C-f转换模块的多路开关，在一个时钟周期内分段测量三个传感器信号；
[0010]所述负载调制模块用于根据所述c-f转换模块输出的频率信号，使所述第二耦合电感上的信号幅值发生变化，并耦合至所述第一耦合电感；
[0011]所述包络检波模块根据所述第一耦合电感接收到的信号幅值，解调得到传感器测
量信号;
[0012]所述滤波放大模块用于将所述传感器测量信号进行滤波放大后发送至所述上位机；
[0013]所述上位机用于根据所述滤波放大后的传感器测量信号，计算并输出密闭喷涂房的温度、湿度和气压值。
[0014]作为本发明的优选方案，所述第一耦合电感和第二耦合电感均为PCB印制电感，两部分PCB印制电感重叠设置。
[0015]作为本发明的优选方案，所述C-f转换模块包括六路C-f转换电路，分别连至所述温度、湿度、气压电容式传感器和三个固定电容；其中，每个连接固定电容的一路C-f转换电路和对应连接电容式传感器的一路C-f转换电路构成三路差频电路，所述每路差频电路的输出值fout=finl — fin2 ;其中finl为连接固定电容的一路C-f转换电路的输出值，fin2为连接电容式传感器的一路C-f转换电路的输出值。
[0016]有益效果:与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果:
[0017]1、相对于现有的利用Zigbee组网的监测系统，本发明安装方便，维护简单，调试容易，成本低廉，易于扩展，有较好的发展前景。
[0018]2、相对于现有的RFID技术，本发明，无需借助于单片机和存储器，无需编码，不需要同步时钟，仅通过电感耦合，时序控制简单，工作量小，成本低，对电压质量要求低。有效地节约了系统资源，使复杂的控制系统变得简单，且功耗低，成本低。
[0019]3、利用负载调制，通过电感耦合传递信号，实现了无源无线。
[0020]4、C-f转换电路采用有施密特触发器构成的差分电路，可以减少除环境因素外的其他因素对传感器测量精度的影响。
[0021]5、采用CMOS MEMS微传感器，未来有望实现片上集成。进一步发展，有望实现生物体征监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的安装示意图；
[0023]图2是电路结构示意图；
[0024]图3是系统工作流程图；
[0025]图4是两路C-f转换电路时分复用模块连接示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0027]如图1，一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统，包括次级电路
1、主电路2以及上位机3。将次级电路I安装在密闭喷涂房的内墙壁上，主电路2与次级电路重叠安装在外墙壁上。主电路2的输出连接上位机3，既可采用传统的物理连接方式，也可通过zigbee技术进行通信。
[0028]如图2所示，主电路2包括第一耦合电感21、载波发生模块4、包络检波模块5以及滤波放大模块6。次级电路I包括第二耦合电感11、整流稳压模块7、负载调制模块8、时分复用模块9、C-f转换模块10以及MEMS电容式传感器11。其中，第一耦合电感21和第二耦合电感11均为PCB印制电感，两部分PCB印制电感重叠设置，从而第二耦合电感11与第一耦合电感21耦合连接，构成次级电路I和主电路2之间的能量与信号传输通道。
[0029]其中，载波发生4采用E类放大器产生高频载波，并经由第一耦合电感21发射出去。E类放大器中的有源开关为功率MOS管，通过将振荡器LTC6900产生的高频方波信号输入MOS驱动芯片UCC27321，得到该MOS管的控制信号，从而控制产生所需高频载波。次级电路通过第二耦合电感11接收高频载波，将载波能量耦合到电路中，再通过整流稳压模块7得到稳定的5V电压为电路供电。整流部分采用桥式整流芯片MB6S，稳压部分采用TI的线性稳压芯片TPS71550。MEMS电容式传感器11为通过CMOS MEMS工艺制备的电容式温度、湿度、气压集成微传感器，用于检测密闭喷涂房内的温度、湿度以及气压大小。C-f转换模块10包括连接三个传感器的多路开关，用于将MEMS电容式传感器11的电容值转换成对应的频率信号。C-f转换模块10包括三路C-f转换电路，如图4所示，每一路C-f转换电路由两个74HC14施密特触发器分别连接固定电容和传感器构成差频电路，该差频电路的输出fout=finl—fin2，其中finl为由固定电容和施密特触发器构成的转换电路频率输出值，fin2为由传感器电容和施密特触发器构成的转换电路频率输出值。采用差频电路可以减少除环境因素外的其他因素对传感器测量精度的影响。时分复用模块9用于产生控制信号来选通C-f转换模块10的多路开关，在一个时钟周期内分段测量三个传感器信号。时分复用模块9由硅振荡器LTC6900产生低频时钟信号，经过两个D触发器二次分频，得到01、1U00U0四种控制信号。用该控制信号选通型号为TS5A3359的模拟开关，模拟开关的三路分别接至温度、湿度、气压三个C-f转换电路。如此，在一个周期内，就能按顺序测量三个传感器信号。负载调制模块8用于根据C-f转换模块10输出的频率信号，使第二耦合电感11上的信号幅值发生变化，并耦合至所述第一耦合电感21。具体为，C-f转换模块10的测量信号由模拟开关TS5A3359的COM端输出，加载到MOS开关管IRF540的栅极上，通过控制MOS管的通断改变负载大小，从而完成负载调制。调制后的波形再通过第二耦合电感11耦合到主电路。包络检波模块5由普通的检波二极管和RC滤波电路组成。包络检波模块5根据第一耦合电感21接收到的信号幅值，解调得到传感器测量信号。滤波放大模块6用于将传感器测量信号进行滤波放大后发送至上位机3。上位机3用于根据滤波放大后的传感器测量信号，计算并输出密闭喷涂房的温度、湿度和气压值。
[0030]如图3所示是整个电路的工作流程图。主电路2的载波产生模块4发出激励信号，经由电感21耦合到次级电路I中进行整流稳压，当电压稳定后次级电路开始工作；次级电路中时分复用模块9由时钟产生电路发出时钟信号后，经分频器产生多路模拟开关的逻辑控制信号；C-f转换模块10完成MEMS微传感器11的电容值到频率信号的转换；多路模拟开关受逻辑控制信号的控制选通多路开关，在一个时钟周期内，分段测量温度、湿度、气压三个传感器信号；将传感器测量信号输出至MOS开关管栅极控制端，控制开关管的通断，完成负载调制；电路的阻抗发生变化，使得次级电路的耦合电感11上的信号幅值发生变化；已调制波形通过电感耦合至主电路2中，主电路2通过解调后就得到传感器测量信号。输出至上位机，经处理后得到相应的环境参数。
[0031]在本系统中，根据实际需要，只需要做少许改动，就能在喷涂房中可以安装多个主次电路，实现全方位监测。通过增加次级电路上的分频器个数和模拟开关，就能增加传感器个数。在本系统中，主电路完成载波发射和接收，以及信号解调功能。主电路发出的信号既作为调制载波，也为次级电路提供能量。通过主次电路间的电感耦合，次级电路接收载波信号并经整流稳压后为自身提供能量。次级电路上包含三个不同的MEMS电容式传感器感应环境物理量的变化；通过C-f转换电路将传感器的电容信号转换成频率信号；再利用时分复用技术将不同传感器的频率信号经由一个传输通道控制负载开关通断，当电路负载阻抗变化时，会使电感上的信号幅度相应变化，即对载波信号完成负载调制。通过电感耦合，主电路接收调制后的信号进行解调后输出至上位机完成采样分析，最后输出喷涂房中各监测值。
[0032]使用本发明的基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测方法时，上位机应能将采集到的信号与相应传感器的参数一一对应，从而得到环境参数的量化。
[0033]在该监测系统中，喷涂房内的传感器及其电路不需要电池供电，寿命长。与外界无需物理线连接，保证了喷涂房的密封环境，安装方便。可以方便扩展测量的参数个数，仅需增加分频器个数以及多路开关的选通能力。整个系统，扩展性强，调试简单，功耗低，成本低。
[0034]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统，其特征在于:包括安装在喷涂房内的次级电路(1)，安装在喷涂房外的主电路(2)以及连接所述主电路(2)的上位机(3);所述主电路(2)包括第一耦合电感(21)、载波发生模块(4)、包络检波模块(5)以及滤波放大模块(6);所述次级电路(1)包括第二耦合电感(11)、整流稳压模块(7)、负载调制模块(8)、时分复用模块(9)、C-f转换模块(10)以及MEMS电容式传感器(11)，所述第二耦合电感(11)与第一耦合电感(21)耦合连接；其中: 所述载波发生模块(4)用于产生高频载波并经由所述第一耦合电感(21)发射出去； 所述第二耦合电感(11)用于接收所述高频载波后，发送到整流稳压模块(7)得到稳定的5V电压； 所述MEMS电容式传感器(11)为通过CMOS MEMS工艺制备的电容式温度、湿度、气压集成传感器，用于检测密闭喷涂房内的温度、湿度以及气压大小； 所述C-f转换模块(10)包括连接三个传感器的多路开关，用于将所述MEMS电容式传感器(11)的电容值转换成对应的频率信号； 所述时分复用模块(9)用于产生控制信号来选通所述C-f转换模块(10)的多路开关，在一个时钟周期内分段测量三个传感器信号； 所述负载调制模块(8)用于根据所述C-f转换模块(10)输出的频率信号，使所述第二耦合电感(11)上的信号幅值发生变化，并耦合至所述第一耦合电感(21)； 所述包络检波模块(5)根据所述第一耦合电感(21)接收到的信号幅值，解调得到传感器测量信号； 所述滤波放大模块(6)用于将所述传感器测量信号进行滤波放大后发送至所述上位机⑶； 所述上位机(3)用于根据所述滤波放大后的传感器测量信号，计算并输出密闭喷涂房的温度、湿度和气压值。
2.根据权利要求1所述的一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统，其特征在于:所述第一耦合电感(21)和第二耦合电感(11)均为PCB印制电感，两部分PCB印制电感重叠设置。
3.根据权利要求1所述的一种基于无源无线传感技术的密闭喷涂房环境监测系统，其特征在于:所述c-f转换模块(10)包括六路c-f转换电路，分别连至所述温度、湿度、气压电容式传感器和三个固定电容；其中，每个连接固定电容的一路C-f转换电路和对应连接电容式传感器的一路C-f转换电路构成三路差频电路，所述每路差频电路的输出值fout=f1nl—f1n2 ;其中f1nl为连接固定电容的一路C-f转换电路的输出值，f1n2为连接电容式传感器的一路C-f转换电路的输出值。
【文档编号】G01D21/02GK103925944SQ201410145133
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】唐丹, 王立峰, 黄庆安 申请人:东南大学