一种无线无源传感器网络节点的制作方法

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线无源传感器网络节点。

背景技术：

无线传感器网络，由部署在监测区域内的大量传感器以自组织和多跳等方式构成的，以协作方式采集、传输、处理和感知网络覆盖区域内监测对象信息的无线网络，是当前在国际国内备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供直接、有效、真实的海量信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪最具影响力的技术之一。

现阶段的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大，节点分布更为密集。节点使用微型电池，能量十分有限，由于环境的影响和能量耗尽，节点更容易出现故障，在大面积和恶劣环境中节点寿命更是一大问题，比如荒漠戈壁中的石油管道监测、大型工厂内的设备监测。目前，典型应用的无线无源传感器分为三类：无源射频集成电路(RFIC)传感器、无源声表面波(SAW)传感器、无源LC传感器，而该类技术不适用于远距离无线传感器网络。有效的从外部环境获取能量，对于低功耗的无线传感器网络具有重要意义，可以大大延长节点寿命，减少网络维护成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是利用外部能源为传感器网络节点安全、稳定、节能的进行供电，提供一种无线无源传感器网络节点，通过新能源供电单元将外部能源转化为电能，转化的电能进一步通过电源电量管理单元为节点供电，从而实现无线无源传感器网络节点，节能环保，大大延长传感器网络节点寿命，提高网络节点的稳定性和可靠性，减少因更换或者维护传感器网络节点而造成的节点数据问题和人力资源问题。同时，所述网络节点还具有结构简单、体型小巧、实用性强、维护方便的特点。

本发明通过下述技术方案实现：

一种无线无源传感器网络节点，包括新能源供电单元、电源管理单元、电池、稳压单元、传感器单元、微控制单元和无线收发单元，其中，

所述新能源供电单元与电源管理单元电连接，用于将外部能源转换为电能输出至电源管理单元；

所述电源管理单元与稳压单元和电池电连接，用于管理新能源供电单元输出的电能，给稳压单元供电，同时给电池充电；

所述电池与电源管理单元和稳压单元电连接，用于存储电能，给稳压单元供电；

所述稳压单元与传感器单元和微控制单元电连接，用于将电源管理单元和电池输出的电压转化为与传感器单元和微控制单元工作电压相匹配的稳定电压，给传感器单元和微控制单元供电；

所述传感器单元与微控制单元电连接，用于监测现场环境，并将监测结果发送至微控制单元；

所述微控制单元与无线收发单元连接，用于控制传感器单元对现场环境各项参数进行监测，并将监测结果输出；

所述无线收发单元用于微控制单元与无线传感器网络的数据传输。

特别地，所述电源管理单元包括充电管理芯片、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一LED指示灯和第二LED指示灯，其中，新能源供电单元输出电压正端经第一电容接地，充电管理芯片的CHRG管脚连接第二LED指示灯的阴极，充电管理芯片的DONE管脚连接第一LED指示灯的阴极，第一LED指示灯和第二LED指示灯的阳极并联后经第一电阻连接新能源供电单元输出电压正端，新能源供电单元输出电压正端同时连接充电管理芯片的VIN管脚,充电管理芯片的GND管脚接地，充电管理芯片的FB管脚经第二电阻连接电池的正端，充电管理芯片的BAT管脚连接电池正端和稳压单元正端，充电管理芯片的TEMP管脚连接电池负端和稳压单元负端，充电管理芯片的ISET管脚经第三电阻接地，电池的负端接地，第二电容设置于电池的正端和负端之间。

特别地，所述充电管理芯片型号为CN3063。

特别地，所述无线无源传感器网络节点还包括电池电量监测单元，所述电池电量监测单元与电池、电源管理单元、稳压单元及微控制单元均电连接，用于监测电池电量和充放电状态。

特别地，所述电池电量监测单元包括电量监测芯片、第一场效应管、第二场效应管、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻，其中，第一场效应管的栅极经第四电阻连接电量监测芯片的管脚，第一场效应管的源极经第六电阻连接电量监测芯片的PLS管脚，第一场效应管的漏极连接第二场效应管的漏极，第二场效应管的栅极经第五电阻连接电量监测芯片的管脚，第二场效应管的源极连接电池的正端，第三电容和第四电容串联后设置于第一场效应管P31的源极和第二场效应管P32的源极之间，电量监测芯片的DQ管脚经第七电阻连接微控制单元，电量监测芯片的SNS管脚均连接电池负端,电量监测芯片的VIN管脚经第八电阻连接电池正端，电量监测芯片的VDD管脚一路经第九电阻连接电池正端，另一路经第七电容连接电池负端，电量监测芯片的VSS管脚均连接电池负端,第五电容设置于第一场效应管的源极和电池负端之间，第六电容设置于电量监测芯片的IS1和IS2管脚之间，第一场效应管的源极连接稳压单元正输入端和电源管理单元，电池负端连接稳压单元负输入端和电源管理单元。

特别地，所述电量监测芯片型号为DS2762。

特别地，所述电池电量监测单元包括第十一电阻和第十二电阻，第十一电阻和第十二电阻串联设置于电池输出电压正端和地之间，第十一电阻和第十二电阻的公共端连接微控制单元的ADC管脚。

特别地，所述新能源供电单元包括风能发电机、水能发电机、太阳能电池板之中的至少一种。

特别地，所述电池采用锂离子电池。

特别地，所述无线收发单元采用天线。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明所述一种无线无源传感器网络节点，利用外部能源为传感器网络节点安全、稳定、节能的进行供电，可以大大延长传感器网络节点寿命，减少因更换或者维护传感器网络节点而造成的节点数据问题和人力资源问题。同时，所述网络节点还具有结构简单、体型小巧、实用性强、维护方便的特点，可进一步提高网络节点的稳定性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的无线无源传感器网络节点结构框图。

图2为本发明实施例1提供的充电管理单元电路原理图。

图3为本发明实施例1提供的电池电量监测单元精确监测电路原理图。

图4为本发明实施例1提供的电池电量监测单元模糊监测电路原理图。

图5为本发明实施例1提供的风能发电机或水能发电机发电原理图。

图6为本发明实施例1提供的太阳能发电原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，图1为本发明实施例1提供的无线无源传感器网络节点结构框图。

本实施例中，所述无线无源传感器网络节点包括新能源供电单元、电源管理单元、电池、稳压单元、传感器单元、微控制单元和无线收发单元，其中，

所述新能源供电单元与电源管理单元电连接，将外部能源转换为电能输出至电源管理单元。本实施例采用太阳能电池板将太阳能转化为电能。如图6所示，图6为本发明实施例1提供的太阳能发电原理图，所述太阳能电池板可以直接产生直流电流，不同的光照强度产生的电流大小不同，光线越强电流越强，光线较弱时电流极小，产生的直流电经过二极管限制电流方向后输出至电源管理单元。

需要说明的是，所述新能源供电单元还可以采用风能发电机或水能发电机。如图5所示，图5为本发明实施例1提供的风能发电机或水能发电原理图，风能或水能发电分别利用风力或者水能带动风车叶片旋转，产生交流电，产生的交流电经过桥式整流后输出至电源管理单元。风能发电机、水能发电机、太阳能电池板和空间无线电能作为供电设备，还可以选用其中的一种或同时多种作为获取外部能源的方式，按照无源无线传感器网络节点所处环境或者具体的应用场景进行优化选择。

如图2所示，图2为本发明实施例1提供的充电管理单元电路原理图。

所述电源管理单元与稳压单元和电池电连接，管理新能源供电单元输出的电能，给稳压单元供电，同时给电池充电，具体包括充电管理芯片A21、第一电容C21、第二电容C22、第一电阻R21、第二电阻R22、第三电阻R23、第一LED指示灯LED21和第二LED指示灯LED22，其中，新能源供电单元输出电压正端经第一电容C21接地，充电管理芯片A21的CHRG管脚连接第二LED指示灯LED22的阴极，充电管理芯片A21的DONE管脚连接第一LED指示灯LED21的阴极，第一LED指示灯LED21和第二LED指示灯LED22的阳极并联后经第一电阻R21连接新能源供电单元输出电压正端，新能源供电单元输出电压正端同时连接充电管理芯片A21的VIN管脚,充电管理芯片A21的GND管脚接地，充电管理芯片A21的FB管脚经第二电阻R22连接电池的正端，充电管理芯片A21的BAT管脚连接电池正端和稳压单元正端，充电管理芯片A21的TEMP管脚连接电池负端和稳压单元负端，充电管理芯片A21的ISET管脚经第三电阻R23接地，电池的负端接地，第二电容C22设置于电池的正端和负端之间。

作为本实施例的优选实施方式，所述充电管理芯片A21采用CN3063芯片，CN3063是专门针对利用太阳能电池等输出电流能力有限的输入电压源对单节锂电池进行充电管理的芯片，芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达500mA，不需要另加阻流二极管和电流监测电阻。CN3063内部集成有8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3063包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端和充电结束指示端芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115℃时自动降低充电电流，这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力，不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。

当CN3063的输入电压高于芯片自身设置的低电压监测阈值和电池电压时，CN3063开始对电池充电，管脚输出低电平，第二LED指示灯LED22通电点亮，表示正在对电池充电。电池具有多种充电模式，通过CN3063的监测输入端FB管脚对电池电压进行监测，根据监测电压的高低决定具体的充电模式。若FB管脚输入电压低于3V，则CN3063采用小电流对电池进行预充电，直至FB管脚输入电压高于3V，则采用恒流模式充电，充电电流的大小由ISET管脚和GND之间的第三电阻R23决定，直至FB管脚输入电压接近电池电压时，充电电流逐渐减小，进入恒压充电模式，直至FB管脚输入电压大于4.45V，并且充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，端输出高阻态，端输出低电平，第一LED指示灯LED21通电点亮，第二LED指示灯LED22断电熄灭，充电周期结束。所述充电结束阈值是恒流充电电流的10％。如果要开始新的充电周期，只要将FB管脚断电后再上电即可，或当FB管脚电压降至再充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。CN3063芯片内部集成有高精度的电压基准源、误差放大器和电阻分压网络，确保电池端调制电压的误差在±1％以内，满足了电池的要求。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3uA，从而增加了待机时间。

本实施例所述电源管理单元具有过电流保护、防倒充和低功耗待机的功能，采用电源管理单元对电池进行充电，一方面可以对电池提供保护，提高网络节点的安全性，另一方面通过低功耗、高效率的设计降低网络节点对新能源供电单元提供的电源的要求，使得网络节点更加安全环保。

所述电池与稳压单元电连接，存储电能给稳压单元提供电源，可以采用镍镉、镍氢、锂离子、铅蓄、铁锂等电池，本实施例具体采用锂离子电池。

所述稳压单元输入端连接电源管理单元和电池，输出端连接传感器单元和微控制单元，白天光照充足时，太阳能电池板输出的电能经电源管理单元，一路直接给稳压电源供电，一路给电池充电；晚上太阳能电池板不再输出电能时，由电池给稳压电源供电。同理，所述新能源单元采用风能、水能等新能源时，当新能源输出电能时给稳压电源供电，同时给电池充电；当新能源不再输出电能时，由电池给稳压电源供电。本实施例中，稳压电源将输入电压转化为温度传感器工作电压给温度传感器供电，以及转化为微控制单元工作电压给微控制单元供电。本实施例中，新能源供电单元采用太阳能电池板，太阳能电池板的输出电压在4.35V-6V之间，经电源管理单元给电池充电后，电池电压在3V-4.2V之间，传感器采用工作电压为3V-5.5V的DS18B20温度传感器，微控制单元采用工作电压为2V-3.6V的CC2530无线电芯片，稳压单元采用小体积的XC6206P332MR芯片，将电池电压分别转化为与温度传感器和微控制单元的工作电压相匹配的稳定电压输出，给温度传感器和微控制单元供电。需要说明的是，根据现场实际情况，温度传感器也可以不经过稳压单元，由电源管理单元或电池直接供电。

所述传感器单元与微控制单元电连接，采用温度传感器，采集现场工作环境温度数值发送到微控制单元，具体型号为DS18B20。DS18B20是常用的数字温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。需要说明的是所述传感器单元还可以包括湿度传感器、压力传感器等其他对现场环境进行监测的传感器。

所述微控制单元与无线收发单元电连接，接收来自传感器网络的外部指令，控制传感器单元对现场环境各项参数进行监测，并将监测结果进行运算和处理后输出至传感器网络，远程分析控制中心通过传感器网络接收各个节点发布的信息，进行相应的处理和显示，就可以知道整个监测区域内的各项参数分布情况。本实施例中所述微控制单元具体采用CC2530芯片，CC2530是TI公司最新推出的ZigBee新一代SOC芯片，CC253x是真正的片上系统解决方案，支持IEEE802.15.4/ZigBee/ZigBee RF4CE标准。拥有较大的闪存空间，最多达256K字节；支持最新RemoTI的ZigBee RF4CE(这是业界首款ZigBee RF4CE兼容的协议栈)；更大RAM空间；允许芯片无线下载/空中升级；支持系统编程。此外，CC253x结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个增强型8051微处理器以及其他强大的支持功能和外设。CC253x提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模式，以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO。CC253x可以用于包括远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。所述的CC253x是一款低功耗无线射频芯片，接收模式：24mA；发送模式1dBm：29mA；功耗模式1(4us唤醒)：0.2mA；功率模式2(睡眠计时器运行)：1uA；功耗模式3(外部中断)：0.4uA。

所述无线收发单元与微控制单元电连接，用于微控制单元与无线传感器网络的数据传输。本实施例中所述微控制单元采用CC2530无线射频芯片，故所述无线收发单元采用天线即可，若微控制单元采用未集成RF收发器的芯片，则无线收发单元需选用具有RF收发器的芯片。

本实施例的优选实施方式为，所述传感器网络节点还包括电池电量监测单元。所述电池电量监测单元输入端连接电池，输出端连接微控制单元，用于监测电池电量，并将监测结果发送到微控制单元，进而通过微控制单元发送到远程分析控制中心，以便远程分析控制中心能够及时对各个节点进行电量自检，在电量不足时采取休眠等手段，并根据自检情况及时更换节点电源，从而提高节点工作的稳定性和可靠性。所述对电池电量监测根据不同要求可以采用精确监测，也可以采用模糊监测。

如图3所示，图3为本发明实施例1提供的电池电量监测单元精确监测电路原理图。

所述电池电量监测单元具体包括电量监测芯片A31、第一场效应管P31、第二场效应管P32、第三电容C31、第四电容C32、第五电容C33、第六电容C34、第七电容C35、第四电阻R31、第五电阻R32、第六电阻R33、第七电阻R34、第八电阻R35和第九电阻R36，其中，第一场效应管P31的栅极经第四电阻R31连接电量监测芯片A31的管脚，第一场效应管P31的源极经第六电阻R33连接电量监测芯片A31的PLS管脚，第一场效应管P31的漏极连接第二场效应管P32的漏极，第二场效应管P32的栅极经第五电阻R32连接电量监测芯片A31的管脚，第二场效应管P32的源极连接电池的正端，第三电容C31和第四电容C32串联后设置于第一场效应管P31的源极和第二场效应管P32的源极之间，电量监测芯片A31的DQ管脚经第七电阻R34连接微控制单元，电量监测芯片A31的SNS管脚均连接电池负端,电量监测芯片A31的VIN管脚经第八电阻R35连接电池正端，电量监测芯片A31的VDD管脚一路经第九电阻R36连接电池正端，另一路经第七电容C35连接电池负端，电量监测芯片A31的VSS管脚均连接电池负端,第五电容C33设置于第一场效应管P31的源极和电池负端之间，第六电容C34设置于电量监测芯片A31的IS1和IS2管脚之间，第一场效应管P31的源极连接稳压单元正输入端和电源管理单元，电池负端连接稳压单元负输入端和电源管理单元。

所述电量监测芯片采用DS2762芯片，DS2762是MAXIM公司为满足当前移动性和轻便型要求推出的新一代便携式智能锂电池监测芯片,该芯片集数据采集、信息存储、安全保护于一身，功能强大，硬件接线简单。DS2762芯片实时监测电池的电压、电流、温度、充放电状况及剩余电量等参数,同时自动采集这些数据，并把这些数据储存起来,发送至微控制单元，微控制单元可进一步通过无线收发单元经无线传感器网络将该数据发送至控制中心，从而控制中心可准确获知现场电池电量状态，以便在电池电量过低时采取相应的措施保证现场传感器的正常工作，避免因传感器失电不能反映现场情况而导致不必要的损失。

DS2762芯片获取电池充放电状况的工作原理如下：微控制单元每88ms监测一次电压，将DS2762芯片的IS1和IS2两端的压差(Vis＝Vis1-Vis2)转换成电流后存入电流寄存器。若Vis为正值，说明电池正在充电；若Vis为负值，说明电池正在放电，即节点正由电池供电。之后微控制单元对DS2762芯片发出采集电压、温度的控制命令。由于DS2762芯片内部设有A/D转换器和数字温度传感器，DS2762芯片实时获取电池电压、温度测量值存入DS2762芯片相对应的寄存器，微控制单元在采样完毕后，读取寄存器的内容即可。

DS2762芯片获取电池剩余电量的工作原理如下：DS2762芯片内部设有累加寄存器，DS2762芯片实时获取电池电流测量值存入对应的电流累加寄存器，微控制单元读取电流累加寄存器的内容，将其转换为对应的电量数值即可获得电池的精确剩余电量，实现精确监测。

DS2762芯片的和管脚连接第一场效应管P31和第二场效应管P32，构成DS2762芯片的充、放电保护回路，进一步实现了对电池过压、欠压、充电过流及短路保护的功能。其中，当电池电压Vin超出过压门限电压Vov,延时Tovd后，DS2762芯片将关闭第一场效应管P31，停止对电池进行充电，从而实现对电池的过压保护；当电池电压Vin低于欠压门限电压Vuv，延时Tuvd后，DS2762芯片将关闭第一场效应管P31和第二场效应管P32，进入睡眠方式，等待充电指令，从而实现对电池的欠压保护；当Vis(Vis＝Vis1-Vis2)超出过流门限Voc，延时Tocd后，DS2762芯片将关闭第一场效应管P31和第二场效应管P32，从而实现对电池的充电过流保护；当Vis低于-Voc,延时Tocd后，DS2762芯片将关闭第二场效应管P32，从而实现对电池的放电过流保护；当DS2762芯片的SNS管脚的电压超过短路门限电压，延时Tscd后，DS2762芯片将关闭第二场效应管P32，从而实现对电池的短路保护。

当仅需要对电池电量进行模糊监测，不需要精确数值时，电池电量监测单元还可以采用如图4所述电路，图4为本发明实施例1提供的电池电量监测单元模糊监测电路原理图。

所述电池电量监测单元具体包括第十一电阻R41和第十二电阻R42，第十一电阻R41和第十二电阻R42串联设置于电池输出电压正端和地之间，第十一电阻R41和第十二电阻R42的公共端连接微控制单元的ADC管脚。

锂电池在放电的时候，电池电压随电量的流逝会逐渐降低，并且有相当大的斜率，但是电池电量与电压仍然有粗略的对应关系，结合电池电量与电压对应关系，就可以通过判断电池电压获得当前电池电量。微控制单元集成有ADC模数转换电路，将电池输出电压正端连接微控制单元的ADC管脚，通过ADC采样计算电池的电压，从而根据电压与电量曲线即可获得电池电量。但由于电池电压可能高于ADC允许最大电压，故不能直接用于测量电池电压，在电池和微控制单元之间设置如图4所示的电池电量监测单元对电池进行分压后进行监测。

本发明的技术方案，通过新能源供电单元将外部能源转化为电能，转化的电能进一步通过电源电量管理单元为节点供电，从而实现无线无源传感器网络节点，节能环保，大大延长传感器网络节点寿命，提高网络节点的稳定性和可靠性，减少因更换或者维护传感器网络节点而造成的节点数据问题和人力资源问题。同时，所述网络节点还具有结构简单、体型小巧、实用性强、维护方便的特点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。