专利名称：一种智能供能式光电一体化无线传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种智能供能式光电一体化无线 传感器，及该设备在无线传感网络数据交互和分析以及安全预警系统的应用。
背景技术：
电子设备走向智能化、无线化的发展趋势已是不争的事实。具备自我供能 方式的无线传感器更代表了未来安全监测的方向，在军事、民用等多方面具有 广发应用前景，是关系到能源供应、公共安全、经济发展与社会稳定的重大科 技，是国家重点发展的科技项目。随着各种传感网络建设的不断投入，数据量 日趋庞大，无线传感器供电、数据采集和无线传输能力亟待提高，尤其数据传 输和供电已经成为制约无线传感网络发展的重要因素。实际工作要求越来越及 时捕捉监测数据分析并对危险源进行及时预警。因此，迫切需要一种设备能够
便于无线传输数据并且24小时随时提供实时监测。
另一方面，随着科技的进步，无线硬件平台方案和制造工艺日趋完善，同 时成本也不断下降，因此利用现有的硬件设备，结合微型发电设备、无线网络 和计算机程序语言以及先进的光电传感制造技术，开发一套能够实现无线安全 监测的智能供能式光电一体化无线传感器，为人们提供24小时的不间断安全监 测，是人们期待解决的重要课题，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有传感监测面临的复杂供电和无线传感传输的问 题，提供一种高集成度、高稳定性与具备无线通信和自我供能发电功能于一体 的智能供能式光电一体化无线传感器。为了实现发明目的，采用的技术方案如下-
一种智能供能式光电一体化无线传感器，由智能化能源自我采集发电模块 和无线传输模块、光电传感模块组成，所述设备采用基于无线网络进行实时数 据交互方式工作。
上述技术方案中，所述无线传感器采用光电传感技术和嵌入式系统平台设
计开发，采用2.4G无线技术开发出的全天候无线模块。
结合分析接收系统进行自动化、智能化数据采集分析全部工作，通过传感 器依靠无线网络进行交互。由于2.4G网络信号安全性，抗千扰能力强，因此可 以保证数据时效和准确性，实现随时随地接收，实时获取现场情报。
所述嵌入式釆用C语言开发，因此可以很好支持多种MCU单元。
上述技术方案中，所述工作过程如下
智能供能式光电一体化无线传感器是一个工作在双工状态下的收发机。包 括无线接收机(Receiver)、发射机(Transmitter)、中央控制模块(CPU)及传感模 块(Sensor)和电源(Power Supply)。
从印刷电路板的结构分为传感系统、无线系统、主板控制系统、电源系 统，共四个部分。在传感器中，这四个部分相互配合，在逻辑控制系统统一指 挥下，完成数据通信的各项功能。
所述传感器各电路系统原理如下
无线部分
无线模块采用2.4G网络组成的无线模块，总体上都可以看作由无线接收和 无线发射两部分组成。
先介绍2. 4G模块工作原理:射频接收电路完成接收无线传感网络信号的滤 波、信号放大、解调等功能；射频发射电路主要完成无线信号的调制、变频、功率放大等功能。
其中包含从天线到接收机的解调输出，与发射的I/Q调制到功率放大器输 出的电路;逻辑音频包含从接收解调到，接收数据输出、发射数据拾取(数据输 出电路)到发射I/Q调制器及逻辑电路部分的中央处理单元、数字处理及各种存 储器电路等。具体过程如下示意 发射端
数字信号一〉DAC (数模转换) 一〉混频器(与振荡器混合) 一〉发射功放一〉发射 接收端
数字信号〈一ADC (模数转换)〈一滤波器〈一接收功放〈一接收
Zigbee无线模块属于2.4G无线网络，实现了 54M/秒的传输速度。具有较
高的数据安全性，对外界电磁干扰等也具有较好的屏蔽性能，因此受到广泛的
应用，该发明无线功能主要采用Zigbee模块实现。 主板控制部分
它主要由核心控制模块CPU、 EEPROM、 FLASH EPROM、 SRAM以及硬 盘等部分组成，逻辑系统主要完成传感器中的各项设定功能、控制收发信号的 正确处理功能等,而且在逻辑系统中，FLASH EPROM内部存储的数据必须完全 正确，才能发挥其强大快捷的逻辑控制功能。 主要由下列几部分组成
① CPU(中央处理器)这是微控制器的核心，本发明使用ATMEL公司研发出 的增强型内置Flash的RISC (Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速 8位单片机，因此不需要额外处理器。
② 存储器单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP 和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用， 同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可扩展外部RAM。
③ 输人/输出(I/0)接口 1/0线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输 入/输出、可设定(初始)高阻输入、驱动能力强(可省去功率驱动器件)等特 性，使的得I/0口资源灵活、功能强大、可充分利用。
④ 定时器/计数器:微控制器的许多应用中，往往需要进行精确的定时并产生 方波信号，这要由定时器/计数器电路来完成。
中央处理器的上述五个基本部件电路之间通过地址总线(AB)、数据总线 (DB)和控制总线(CB)连接在一起，再通过输出/输人接口与中央处理器的外部 电路联系起。
本发明具有以下优点
1、 智能供能式光电一体化无线传感器利用先进的具有高速、高带宽、高 安全性的2.4G无线网络组成无线工作组，成熟的工业级芯片硬件，将实时数据 接收和传感系统内置传感器，同时增加自我采集能源并发电功能，从而实现了 24小时不间断工作，使得危险预警工作不会因为工作条件限制而延误。
2、 传感器与远程数据接收分析系统软件组成Client/Server系统，启动传感 器之后会自动进入无线网络，寻找远程分析系统服务地址，保并进行连接，系 统采用Message-Digest Algorithm 5 (信息-摘要算法5)，能够保证数据传输的安 全性。
3、 采用无线传感网络特有的路由技术，快速实现定位和导航，便于迅速 确定使用者和危险源的地理位置，同时具有智能自组网功能，。
4、 支持数据多格式和编码的数据实时收发，可以有效获取直观情报。5、采用常用的12V直流供电，自带微型发电系统，可根据增加需要使用 大容量蓄电池，保证传感器的长期正常工作。
图l是本发明的组成结构示意框图； 图2是本发明的具体实施方式
示意框图。 图3是本发明的应用流程图。
具体实施例方式
如图l所示，本发明的智能供能式一体化光电传感器主要包括无线接收模 块(Receiver Unit)、发射模块(Transmitter Unit)、控制模块(Controller Uint)及传 感模块(Sensor)和电源(Power Supply)。传感器工作时，无线接收和发射是在一 定的范围内，可自动切换和寻找无线网络信号，以一定的波特率和调制方式完 成数据的传输。
本发明的无线接收模块和发射模块以及控制模块都集成在主板上。.
本发明采用AVR单片机，是增强型内置Flash的RISC (Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机，已经广泛应用于计算机外部设备、工业 实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
本发明的具体实施方式
如图2所示，可以看出完整的无线传感监测系统总 体有三部分组中，主要是Platform,而对于监测端由sensor和wireless以及 power构建；系统还有无线接收分析仪和客户端作为另一部分。此外，无线传 感器还可以提供用户采用手持设备直接连接该设备进行现场数据读取的方式。 如图4所示，为利用wireless进行工作的流程。首先启动传感器电源，等传感 器开始工作，自动进入网络搜索，并进入网络连接，自动进入无线系统，连接 通信网关成功后自动进行用户身份验证，无线传感网络数据传输过程采用md5加密算法，确保数据安全。经过验证进入系统后，开始进行实时数据收发，同 时由干佑咸恶太身古持教抿存储.所W掊祭的教抿可以诜柽保存在内置存储芯
片上，便于日后査阅和携带。
本发明的运行过程如图3所示，首先启动智能供能式光电一体化无线传感器， 自动接入无线传感网络，开始向无线分析接收设备进行数据传输；然后在无线 分析接受设备上，启动操作系统的应用选项；选择启动分析系统，系统自动询 问是否链接无线网络；选择是则系统自动无线网络进行链接；之后进入用户身 份验证；验证是系统用户，则启动分析系统主程序，并实时无线接受无线传感 网络数据；自动进行数据分析；根据分析结果，进行预警工作。
借助无线传感网络定位系统可以帮助用户实现快速危险源定位的同时，智 能供能式光电一体化无线传感器具有自我路由修复功能。多个此种传感器同时 工作时，会自动选择一个传感器为路由节点，其他传感器数据从该传感器统一 发回系统，当该传感器无线模块损坏后，其他传感器则再次自动选择一个新的 传感器为路由节点。
权利要求
1、一种智能供能式光电一体化无线传感器，其特征在于由具有自我智能供能以及无线网络通信和传感数据采集等功能设备组成，是一种随时透过无线网络进行传感数据采集的设备。
2、 根据权利要求1所述的智能供能式光电一体化无线传感器，其特征在 于所述硬件设备基于2.4G的zigbee无线技术和光电传感器原理以及微型发电 设备研发。
3、 根据权利要求1或2所述的智能供能式光电一体化无线传感器，其特 征在于所述设备具有自我智能供电和功能设备、支持2.4G的zigbee无线通信 和无线数据传输、支持多种光电传感器等运行环境，此外根据现场情况也可以 利用千兆网络接入等功能。
4、 根据权利要求3所述的智能供能式光电一体化无线传感器，其特征在 于所述智能供能式光电一体化无线传感器主要包括采集供能设备(Power)、传感 装置(Sensor)、无线模块(Wireless)及线路接口(Interface)和备用电池(Power Supply)组成。
5、 根据权利要求4所述的智能供能式光电一体化无线传感器，其特征在 于所述采用数模转换电路，实现传感数据由机械变化到电压电阻变量最终实现 数字输出。
6、 一种智能供能式光电一体化无线传感器在远程智能无线监测和数模转 换以及无线传感网络收发的应用，其特征在于所述智能供能式光电一体化无线 传感器采用2.4G无线网络和并具有无线路由和智能自动组网功能。
7、 根据权利要求6所述的一种智能供能式光电一体化无线传感器在无线 传感网络的应用，其特征在于所述工作过程如下智能供能式光电一体化无线传感器通过微型能源采集模块利用周围环境 中微弱能量发电对传感器和无线模块供电，利用光电传感器进行数据采集，利 用无线模块进行组网和通信，同时与远程无线传感网络传感器进行无线数据传 输。
8、 根据权利要求7所述的智能供能式光电一体化无线传感器在无线办公 平台的应用，其特征在于所述操作过程还包括远程服务器应答相应机制，并实 时提供监测数据，接收预警报告等步骤。
9、 根据权利要求7或8所述的智能供能式光电一体化无线传感器在无线 办公平台的应用，其特征在于所述运行工作过程如下通过智能供能模块实现不间断供电以及进行无线通信和数据传输模块自 动完成工作，并能够在判断周围环境后智能化选择适当供能模式对传感器和无 线模块进行供电
10、 根据权利要求9所述的智能供能式光电一体化无线传感器在无线办公 平台的应用，其特征在于所述工作中通过与数据传感器交互，为整个系统提供 数据基础。
全文摘要
本发明提供了一种智能供能式光电一体化无线传感器及其在无线传感网络数据采集传输中的应用，其特征在于由依据MEMS研发的微型发电供能设备和具有2.4G无线通信功能的设备和优秀的光电传感设备组成，具有支持无线数据传输、基于无线传感网络路由和智能自组网技术的快速定位、支持自我供电、支持多种监测模式并具有支持多接口扩展等功能。本发明为高集成度、低成本、高可靠性、能够24小时随时提供分析的无线传感监测设备。
文档编号H04W84/18GK101420772SQ20081021925
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者镇 刘, 周翠英, 孙志强 申请人:中山大学