专利名称：一种安全监测的传感器节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器节点装置，特别的涉及在铁路冻土路基安全监测中的传感器节点设备。
背景技术：
目前，在世界上已有诸如俄罗斯、美国、加拿大等国在多年冻土区修建了数条铁路。冻土是一种特殊的介质，冻土路基随时都可能出现严重的问题，目前世界上的大多数冻土铁路存在着很高的病害率，如1996年对后贝加尔铁路的调查表明，线路病害率达 40. 5%。因此，对铁路冻土路基的状况如何及时，可靠的检测并将异常信息快速准确的发到监控中心和正在高速行使的列车上显得非常重要。铁路冻土路基的监测内容包括三个方面①对冻土生存环境和路基传热过程有直接影响的气象要素(气温、气压、相对湿度、太阳辐射等)；②冻土载荷要素(列车通过时的压力、振动等)；③冻土自身参数(冻土的温度，形变，厚度等)。在实际监测中往往从三个方面内容中各选择一两个主要因素进行监测，从而在成本不高的情况下也能较全面的反映被测冻土路基的安全状况。冻土是一种对温度特别敏感的特殊介质，冻土的各种变化大都与温度有直接或间接的关系。因此，温度是必不可少的监测量。冻土路基温度监测的方法是在监测断面一定深度的监测孔里布置多个温度传感器，来感测被测点的冻土温度分布。冻土路基表面空气的温湿度与冻土与周围空间的热交换速度有很大关系，通常也需要监测冻土路基表面的空气的温湿度。铁轨的振动强弱反映了冻土所受载荷的大小，通常也监测冻土路基上铁轨的振动。其它要素在需要的情况下也应加入。比如变形的监测在冻土区的桥梁等的安全监测中就必不可少。目前，在实际的铁路冻土路基监测中，主要采用的是基于有线传输介质的监测系统。主要监测量是温度，采用的温度传感器主要是热敏电阻，传输介质主要是光纤。这种监测方案，采用热敏电阻作为测温传感器，每个热敏电阻都需要独立的连线和处理电路，而每个监测孔内要布置多个温度传感器，这就使整个数据采集部分非常的庞大。另外，采用光纤作为传输介质，通讯比较可靠，数据传输率也高，但铺设光纤所需人力物力都很大，而且系统维护也比较困难。文献“基于LPC2114处理器的远程地温及沉降监测系统的设计”(徐飞，雷斌.《电子元器件应用》，2007，iK2)，pp. 53-56,60.)中，针对青藏铁路沿线所处的特殊高原环境， 提出了能采集地温和沉降数据并自动上传的远程地温及沉降监测系统。系统采用ARM7微处理器作为CPU处理单元，采用热敏电阻作为温度传感器，采集的现场监测数据通过基于GPRS的GSM-R网络远程上报给监控中心。这种方案同样存在传感器布线和采集电路复杂的问题，尽管采用GSM-R无线方式进行通讯能避免使用光纤等有线方式所带来的人力物力消耗，但需要支付高额的使用费用。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全监测的传感器节点。本发明所设计的一种安全监测的传感器节点，传感器连线和处理电路简单、数据传输方式先进、监测的冻土参量多而且有代表性，为铁路冻土路基安全监测提供一种新的装备。实现本发明目的的技术方案如下一种安全监测的传感器节点，包括相互电连接的传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块，所述传感器模块包括第一传感器模块和第二传感器模块，所述第一传感器模块、第二传感器模块和所述处理通讯模块直接与所述能量供应模块电连接，且通过所述能量供应模块传递信息。所述第一传感器模块的印制电路板上置有相互电连接的多个数字温度传感器、一个温湿度传感器、第一接口电路和第二接口电路、三脚接口和第一 20脚接口 ；所述多个数字温度传感器并联在三芯线上，通过印制电路板上的三脚接口和第一接口电路与所述能量供应模块电连接，用于冻土温度的分布式测量；所述温湿度传感器直接焊在上述印制电路板上，用于冻土表面空气的温湿度测量；第一传感器模块通过所述第一 20脚接口与所述能量供应模块的第一接口电连接，经能量供应模块向所述处理通讯模块传递信息。相对于现有技术，本发明的有益效果是其一，本发明所设计的传感器节点，包括相互电连接并通信的第一传感器模块、第二传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块。根据实际安装中测振和测温测湿传感器的安装需要，在第一传感器模块中设置温度传感器DS18B20，采用单总线数字式温度传感器 DS18B20在一个监测孔内布置η个，η的值根据实际监测的需要而定，这η个DS18B20通过唯一的一条三芯线和共用的一个简单接口电路与处理通讯模块电连接，来测量被测点冻土的温度。不仅传感器连线和处理电路复杂度大大降低，而且所用温度传感器为数字量输出， 抗干扰能力强，易于处理；第二传感器模块中置有三轴加速度传感器，用以检测铁轨的振动强度，使本传感器接点的监测结果能较全面地反映测点的冻土状态；第一传感器模块和第二传感器模块，通过专用接口及排线和传感器节点相连接， 为传感器在实际测量时的安装带来方便，所设计的传感器节点各模块采用了外部被动隔绝与内部主动温、湿度控制相结合的封装技术，从而使所述的用于冻土铁路路基安全监测的传感器节点能够在冻土区高湿度、大温差、频繁暴风雪、超低温等复杂环境中使用。其二，本发明的处理通讯模块使用的嵌入式微处理器CW430集成有无线收发芯片cc2420，只需添加天线和少量射频元件即能工作于2. 4GHz国际ISM免费频段，降低开发成本。采用工作于2. 4GHz国际ISM免费频段附合IEEE 802. 15. 4协议的无线通讯方式传输信息，即避免了铺设光纤等线路的带来的人力物力消耗，又不用交纳通讯使用费。其三，本发明设计的一种安全监测的传感器节点采用了如下的低功耗措施①选用了低功耗、集成度高的元器件；②采用了单电源、低电压的供电方式；③对传感器和处理电路部分采用了分区、分时供电技术，只有当模块工作时才供电，不工作的模块不供电；④ 传感器节点通常处于睡眠模式，只在有任务时才进入工作模式，任务完成后，立即进入睡眠模式；⑤通信模块采用尽可能高的波特率，发送接收都采用中断模式，通信结束马上进入低功耗状态。
图1是一种安全监测的传感器节点的原理框图。图2是本发明第一传感器模块的原理框图。图3是本发明第二传感器模块的原理框图。图4是本发明处理通讯模块的框图。图5是本发明能量供应模块的框图。
具体实施例方式图1是一种安全监测的传感器节点的组成框图。所设计传感器节点，包括第一传感器模块、第二传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块，第一传感器模块、第二传感器模块、处理通讯模块直接与能量供应模块电连接，第一传感器模块、第二传感器模块通过能量供应模块与处理通讯模块相互通信。图2是一种安全监测的传感器节点的第一传感器模块的原理示意图。在图2中， η个型号为DS18B20的数字温度传感器Sl Sn并联连接在一条三芯线上，通过三脚接口 Jl与印制电路板相连接，再经印制电路板上的第一接口电路与第一 20脚接口 JPl相连接； 型号为SHT71温湿度传感器直接焊接在印制电路板上，通过第二接口电路与第一 20脚接口 JPl相连接；第一 20脚接口 JPl电连接能量供应模块的第一接口 Hl，实现第一传感器模块与能量供应模块的电连接。图3是一种安全监测的传感器节点的第二传感器模块的原理示意图。在图3中， 三轴加速度传感器Ul的型号是MMA7^K)QT，它为模拟电压输出型三轴加速度传感器。三轴加速度传感器Ul的VDD引脚和VSS引脚分别为电源引脚和接地引脚，它们之间跨接滤波电容CO后，直接与第二 20脚接口 JP2相连接；g-selectl和g-Select2为三轴加速度传感器
ui量程选择引脚，它们直接与第二 20脚接口 jp2相连接；sleepmode^ m的工作模式选择引脚，它直接与第二 20脚JP2接口相连接；X0UT、Y0UT和ZOUT分别为三轴加速度传感器Ul的X、Y、Z方向的电压输出引脚，它们分别经过由Rl和Cl、R2和C2、R3和C3组成的三路低通滤波器后与第二 20脚接口 JP2相连接。电阻R1、R2、R3的一端分别与三轴加速度传感器Ul的XOUT、YOUT, ZOUT相连接，另一端分别与Cl、C2、C3相连接；Cl、C2、C3的另一端则均与三轴加速度传感器Ul的VSS相连接。第二 20脚接口 JP2与能量供应模块的第二接口 H2相连接，实现第二传感器模块与能量模块间的电连接。图4是一种安全监测的传感器节点的第二传感器模块的原理示意图。在图3中， cc2430为嵌入式微处理器，外围电路是使CW430能正常工作的的基本元件及其相互连接所组成的电路；第三20脚接口 JP3和第四20脚接口 JP4均为20脚双排接口，第三20脚接口 JP3与ccM30的I/O端口 PO和Pl相连接，第四20脚接口 JP4与ccM30的P2 口、电源引脚、复位引脚及编程引脚相连接；cc2430的内部集成有2. 4GHz无线收发芯片cc2420，其射频引脚通过射频电路与天线相连接，用于无线收发数据。第三20脚接口 JP3和第四20 脚接口 JP4还分别接到能量供应模块的第三接口 H3和第四接口 H4，实现这两个模块的电连接。图5是一种安全监测的传感器节点的能量供应模块的示意图。在图5中，电池盒粘在印制电路板上，电池装在电池合内并通过导线与印制路板相连，为传感器节点供电。焊接在印制电路板上的四个接口 H1、H2、H3、H4中的，接口 Hl与第一传感器模块的接口 JPl相连接，接口 H2与第二传感器模块的接口 JP2相连接，接口 H3和H4分别与处理通讯模块的接口 JP3和JP4相连。从而将各模块连接成一个传感器节点整体。显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种安全监测的传感器节点及工作方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的设计思想和范围。那么，如果这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种安全监测的传感器节点，包括相互连接的传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块，其特征在于所述传感器模块包括第一传感器模块和第二传感器模块，所述第一传感器模块、第二传感器模块和所述处理通讯模块直接与所述能量供应模块电连接，且通过所述能量供应模块传递信息。
2.根据权利要求1所述的一种安全监测的传感器节点，其特征在于所述第一传感器模块的印制电路板上置有相互电连接的多个数字温度传感器、一个温湿度传感器、第一接口电路和第二接口电路、三脚接口和第一 20脚接口 ；所述多个数字温度传感器并联在三芯线上，通过印制电路板上的三脚接口和第一接口电路与所述能量供应模块电连接，用于冻土温度的分布式测量；所述温湿度传感器直接焊在上述印制电路板上，用于冻土表面空气的温湿度测量；第一传感器模块通过所述第一 20脚接口与所述能量供应模块的第一接口电连接，经能量供应模块向所述处理通讯模块传递信息。
全文摘要
本发明涉及传感器节点装置，特别涉及在铁路冻土路基安全监测中的传感器节点设备。目的是提供一种安全监测的传感器节点。一种安全监测的传感器节点，包括相互连接的传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块，所述传感器模块包括第一传感器模块和第二传感器模块，所述第一传感器模块、第二传感器模块和所述处理通讯模块直接与所述能量供应模块电连接，且通过所述能量供应模块传递信息。本发明不仅传感器连线和处理电路复杂度大大降低，而且所用温度传感器为数字量输出，抗干扰能力强，易于处理；而且能够在冻土区高湿度、大温差、频繁暴风雪、超低温等复杂环境中使用。
文档编号G01N33/24GK102455345SQ20101052906
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月30日 优先权日2010年10月30日
发明者杨燕 申请人:杨燕