工业装备及环境监控wsn采集器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种工业装备及环境监控WSN采集装置，包括微处理器单元、无线通信单元、信号调理单元和电源管理单元，所述信号调理单元与外置传感器相连，所述传感器输出二次仪表电信号，电信号经所述信号调理单元放大后输出到所述微处理器单元，所述微处理器单元将所述信号调理单元输出的电信号进行处理，并通过所述无线通信单元将处理所得的数据进行收发，所述微处理器单元和所述无线通信单元由所述电源管理单元供电。本实用新型实现了工业装备和环境监控领域中参数的实时采集和处理，并对处理数据进行无线收发，使用方式灵活，性能稳定可靠。
【专利说明】工业装备及环境监控WSN采集器
【技术领域】
[0001]本实用新型是一种工业装备及环境监控WSN采集装置，适用于工业装备和环境监控领域。
【背景技术】
[0002]目前，对工业装备状态进行监测采集主要是采用人工巡检方法的或预先布线的有线采集方式，人工巡检方法尽管有一定的效果，但缺乏实时性、及时性、准确性、远程化、网络化和低成本，同时工作量较大且漏报率较高，采用有线数据采集的检测系统受地理位置、物理线路和复杂环境因素的影响具有很明显的局限性，存在布线困难、改线工程量大、线路易受损、不可移动的问题。近年来广泛采用的基于ZigBee协议的在线监测系统亦存在系统硬件加工成本高、无线信号绕射性差、通信距离短等缺陷。
实用新型内容
[0003]发明目的:为了解决现有装置的不足，本实用推出一种工业装备及环境监控WSN采集装置，能够准确及时的采集现场数据，并进行处理、收发，具有成本低、科技含量高、适用领域广的特点。
[0004]技术方案:本实用新型所述的工业装备及环境监控WSN采集装置，包括微处理器单元、无线通信单元、信号调理单元和电源管理单元，所述信号调理单元与外置传感器相连；所述信号调理单元包括依此相连的采集输入接口、前置仪表放大器、可编程增益放大器和有源低通滤波器，所述微处理单元包括微处理芯片以及与微处理芯片分别相连的模数转换、JTAG接口、SPI 口、输出口和存储器；所述信号调理单元的采集输入接口与所述传感器相连，所述信号调理单元的有源低通滤波器与所述微处理器单元的模数转换相连，所述微处理器单元的SPI 口与所述无线通信单元的无线收发芯片相连，所述微处理器单元和所述无线通信单元由所述电源管理单元供电；所述传感器输出二次仪表电信号，电信号经所述信号调理单元变换成标准电压信号输出到所述微处理器单元，所述微处理器单元将所述信号调理单元输出的电信号进行处理，并通过所述无线通信单元将处理所得的数据进行收发。
[0005]所述传感器输出的电信号通过所述信号调理单元的采集输入接口、前置仪表放大器进行第一级放大，放大后的信号输出到所述可编程增益放大器变换成电压信号，电压信号通过所述有源低通滤波器滤除高频干扰信号，滤除高频干扰信号的电压信号输出到所述微处理器单元的模数转换进行采样，实现将传感器输出的微弱电流信号(可达nA级)或微弱电压信号变换成标准电压信号输入到微处理器单元中进行后续处理。
[0006]电源管理单元对微处理器单元和无线通信单元供电，有AC220V、干电池和太阳能三种供电方式。对于太阳能供电方式，所述电源管理单元由锂电池充电控制单元和电压等级变换单元组成；锂电池充电控制单元包括锂电池充电管理芯片、晶体管或MOSFET管、充电状态指示灯以及外围电路，锂电池充电管理芯片通过肖特基势垒整流器与太阳能电池板相连，将太阳能电池板输出的直流电压通过自适应可调充电电路给锂电池组充电，并通过监测锂电池组温度来对充电电路进行必要的保护和调节；电压等级变换单元与锂电池充电控制单元的输出端相连并通过升、降压芯片或稳压管及相应外围电路将锂电池充电控制单元输出端电压进行等级变换后提供相应电压。
[0007]所述微处理器单元采用AVR系列微处理器芯片，通过微处理器芯片上模数转换口与所述信号调理单元相连，将其输出的电压信号进行A/D变换、计算、解析、校验和存储。
[0008]所述无线通信单元由无线收发芯片、晶振及相应的外围电路组成，采用低功耗、超高频无线收发通信芯片CC1000或CC1020作为处理芯片，微处理器单元的SPI 口与无线通信单元的数据接口相连，通过控制无线通信单元进行数据的收发。
[0009]所述微处理芯片由低频晶振、高频晶振提供系统时钟电源，通过JATG接口与仿真器和PC相连，通过普通I/O 口与所述信号调理单元的可编程增益放大器之间实现数据传输，通过SPI 口控制所述无线通信单元的无线收发芯片。
[0010]传感器布置于现场监测的移动装备中，工业装备及环境监控WSN采集装置采用规格高、密封性能良好的材料，具有很高的防水、防爆水平，适用于绝大多数工业装备及环境监测场合。
[0011]上述工业装备及环境监控WSN采集装置的运行方法，包括如下步骤:
[0012]1、上电初始化，包括微处理器单元和无线通信单元的初始化；
[0013]2、等待系统预启动分组，执行步骤3 ；
[0014]3、微处理器单元收到系统预启动分组，转发该数据包，休眠标识位置0，即节点装置不休眠，同时广播路由分组，建立动态路由，并等待系统启动分组；
[0015]4、微处理器单元收到系统启动分组，转发该数据包，同时完成网络时间同步，并停止发送路由分组，休眠标识位置1，即数据发送结束后可以休眠；
[0016]5、采集装置根据系统启动分组确定数据采集周期:从系统启动分组中读取数据采集时间参数n，周期S = n+(-l)-cX[(id+c) % N] Xm，其中id为节点号，c为数据发送次数，N为网络节点总数，m为偏移量因子，同时启动数据采集定时器；
[0017]6、采集装置等待数据采集设定时间，若数据采集时间到，则首先启动信号调理单元工作电压，延迟Tl时间后启动通用模拟信号处理接口，同时延迟T3时间以响应传感器；
[0018]7、若传感器响应时间到，则采集传感器参数数据，并在微处理器单元中进行数据加权移动平均滤波处理和数据转换，然后延迟T2时间后关断信号调理单元的工作电压；
[0019]8、参数数据采集完成后，采集装置启动数据发送任务，选择最佳路由发送数据，执行步骤9 ；
[0020]9、若采集装置数据发送收到应答，则数据发送次数加1，更新路由；若采集装置数据发送未收到应答，并且数据重发超过k次，则发送失败，数据发送次数加1，更新路由；
[0021]10、若采集装置数据发送次数小于q，则启动休眠准备定时器，向下执行步骤11 ;若传感主板数据发送次数超过q，则等待系统预启动数据包，转到步骤3 ；
[0022]11、采集装置等待休眠准备设定时间，若休眠准备时间到则设置微处理器单元为休眠状态，关闭信号调理单元的工作电压，关闭无线通信单元，使传感主板处于低功耗状态，转到步骤6。
[0023]本实用新型的工业装备及环境监控WSN采集装置的运行方法，需要对传感器进行相应的标定，采用两点电位法绘制标定曲线，具体过程包括下述几个步骤:
[0024]1.1初始化变量a、b并赋初值；
[0025]1.2输入操作命令Operat1n进行标定。首先，测得所使用的传感器在标准参照量T0下的微处理器的模数转换输入电压为Utl，保存在变量a中；然后，测得所使用的传感器在标准参照量T1的微处理器的模数转换输入电压为U1，保存在变量b中。对于量程为-20°C?120°C的温度传感器，Ttl可以取0°C，T1可以取100°C ;对于量程为0.2atm?1.2atm(atm为标准大气压)的压力传感器，Ttl可以取0.4atm, T1可以取Iatm ；
[0026]1.3由标准参照量Ttl得到微处理器的模数转换输入电压为U。，记标定点AO (T。，U0)，由标准参照量T1得到的微处理器的模数转换输入电压为U1，记标定点Al (T1, U1)，通过两点电位法确定标定曲线，标定完成，执行步骤1.4 ；
[0027]1.4判断标定操作是否完成，若a、b都大于零，则表示标定的各操作已经完成，若标定未完成，回到步骤1.2，再次进行标定操作，直至获得U0J1的值；
[0028]1.5测得使用的传感器在某环境下微处理器的模数转换输入电压为U，并记录；
[0029]1.6运用公式F = T{) + (U计算出被测量的值;
[0030]有益效果:相对于现有技术，本实用新型的优点有:
[0031]1、本装置能实时采集、处理工业装备所处环境以及工业装备运行时的各种参数，并通过无线传感器网络将其数据传输给无线传感器网络网关或无线传感器网络基站和本地终端，其成本低、实时性好、适用性强、功耗低、寿命长、安全可靠，解决了传统的离线的人工巡检方法缺乏实时性、及时性、准确性、漏报率高的弊端，能完全满足工业装备和环境监测领域的推广应用。
[0032]2、本装置具有良好的扩展性，安装无需布线，对比传统的有线方法，其具有如下优点:①能够安装在移动的工业装备上，摆脱了线缆对于设备安装的限制，具有更大的灵活性；②系统的监测范围大，摆脱了线缆驱动能力对于监测区域的限制；③在监测系统已安装好后需要新增监测点的情况下，无需对软件及硬件作较大的改动，只需在增加监测节点后重新编程组网即可。
[0033]3、本装置克服了 ZigBee协议的2.4GHz频段在线监测方法所带来的系统硬件加工成本高、无线信号绕射性差、通信距离短等缺陷，采用433MHz频段传输，抗干扰性强，信号绕射性(穿透性)强，支持点对点，一点对多点等多种无线传感器网络通讯方式，数据收发一体，使用方式灵活，性能稳定可靠。
[0034]4、本装置采用规格高、密封性能良好的材料，具有很高的防水、防爆水平，适用于绝大多数工业装备及环境监测场合。尤其是在不可避免地存在易燃、易爆气体，粉尘和流体的石油、化工企业的恶劣环境中，本装置能有效保证数据的精准实时采集和操作人员的人身安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是本实用新型的电路原理图。
[0036]图2是本实用新型的微处理器单元和无线通信单元电路原理图。
[0037]图3是本实用新型的信号调理单元电路原理图。
[0038]图4是本实用新型电源管理单元电路原理图。
[0039]图5是本实用新型节点装置运行方法中参数数据采集和无线通信工作流程图。
[0040]图6是本实用新型的传感器标定流程图。
[0041]图7是本实用新型的传感器两点电位法标定曲线示意图。
【具体实施方式】
[0042]如图1所示的工业装备及环境监控WSN装置，包括微处理器单元、无线通信单元、信号调理单元和电源管理单元，信号调理单元与外置传感器相连；信号调理单元的采集输入接口与传感器相连，信号调理单元的有源低通滤波器与微处理器单元的模数转换相连，微处理器单元的SPI 口与无线通信单元的无线收发芯片相连，微处理器单元和无线通信单兀由电源管理单兀供电；传感器输出二次仪表电信号，电信号经信号调理单兀放大后输出到微处理器单元，微处理器单元将信号调理单元输出的电信号进行处理，并通过无线通信单元将处理所得的数据进行收发。
[0043]微处理器单元由微处理器芯片及其相应的外围电路组成，微处理器芯片采用ATmegal28、ATmegal28A、ATmegal28L、ATmega64、ATmega64A 或 ATmega64L,主要用于传感器输出量的处理、整个网络的组织和无线数据收发控制。程序烧录接口为标准DIPlO脚JTAG接口，通过AVR仿真器与PC机相连，用于程序的仿真、调试、烧录。无线通信单元由无线收发芯片、晶振及相应的外围电路组成，无线收发芯片选用低功耗、超高频无线收发通信芯片CC1000 和 CC1020 中的一种。
[0044]信号调理单元由采集输入接口 3-1，高阻抗、低漂移的前置仪表放大器3-2，可编程增益放大器3-3和有源低通滤波器3-4依次连接构成，通过信号调理单元将传感器输出的微弱电流或微弱电压信号经过下述步骤处理转换成标准电压信号输入到微处理器单元中，并进行A/D变换、计算、解析、校验和存储，现对该处理过程结合图3加以阐述:
[0045]I)传感器输出的微弱电流或微弱电压信号通过采集输入接口 3-1和高阻抗、低漂移的前置仪表放大器3-2,对传感器输出的信号进行第一级放大。前置仪表放大器3-2的输出电压与传感器输出的微弱电流或电压信号的大小成正比例关系。
[0046]2)前置仪表放大器3-2输出的电压信号经过精密电阻分压后输入可编程增益放大器3-3，进行精确变换后得到标准输入电压信号。可编程增益放大器3-3通过SPI总线与微处理器芯片的普通I/O 口相连，共同完成通道选择和可变增益调节。Dl为稳压二极管，用来避免意外干扰信号超过可编程增益放大器3-3芯片引脚的极限电压造成芯片损坏。
[0047]3)可编程增益放大器3-3输出的电压信号通过有源低通滤波器3-4滤除高频干扰信号，最后输入到微处理器单元中进行A/D采样。有源低通滤波器3-4由运算放大器芯片和外部RC元件组成，该RC滤波电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。
[0048]如图5所示的工业装备及环境监控WSN装置的运行方法，包括下列步骤:
[0049]1.1上电初始化，包括微处理器单元和无线通信单元的初始化；
[0050]1.2等待系统预启动分组，执行步骤1.3 ；
[0051]1.3微处理器单元收到系统预启动分组，转发该数据包，休眠标识位置0，即节点装置不休眠，同时广播路由分组，建立动态路由，并等待系统启动分组；
[0052]1.4微处理器单元收到系统启动分组，转发该数据包，同时完成网络时间同步，并停止发送路由分组，休眠标识位置1，即数据发送结束后可以休眠；
[0053]1.5采集装置根据系统启动分组确定数据采集周期:从系统启动分组中读取数据采集时间参数n，周期S = n+(-l)-cX[(id+c) % N] Xm，其中id为节点号，c为数据发送次数，N为网络节点总数，m(5?10毫秒)为偏移量因子，同时启动数据采集定时器；
[0054]1.6采集装置等待数据采集设定时间，若数据采集时间到，则首先启动信号调理单元工作电压，延迟Tl (10毫秒)时间后启动通用模拟信号处理接口，同时延迟T3 (2分钟)时间以响应传感器；
[0055]1.7若传感器响应时间到，则采集传感器参数数据，并在微处理器单元中进行数据加权移动平均滤波处理和数据转换，然后延迟T2(30秒)时间后关断信号调理单元的工作电压；
[0056]1.8参数数据采集完成后，采集装置启动数据发送任务，选择最佳路由发送数据，执行步骤1.9;
[0057]1.9若采集装置数据发送收到应答，则数据发送次数加1，更新路由；若采集装置数据发送未收到应答，并且数据重发超过k(3)次，则发送失败，数据发送次数加1，更新路由；
[0058]1.10若采集装置数据发送次数小于q (取36次)，则启动休眠准备定时器，向下执行步骤1.11 ;若传感主板数据发送次数超过q(取36次)，则等待系统预启动数据包，转到步骤1.3 ；
[0059]1.11采集装置等待休眠准备设定时间，若休眠准备时间到则设置微处理器单元为休眠状态，关闭信号调理单元的工作电压，关闭无线通信单元，使传感主板处于低功耗状态，转到步骤1.6。
[0060]传感器需要进行相应的标定，采用两点电位法绘制标定曲线，如图6和图7所示，具体过程包括下述几个步骤:
[0061 ] 2.1初始化变量a、b并赋初值；
[0062]2.2输入操作命令Operat1n进行标定。首先，测得所使用的传感器在标准参照量T0下的微处理器的模数转换输入电压为Utl，保存在变量a中；然后，测得所使用的传感器在标准参照量T1的微处理器的模数转换输入电压为U1，保存在变量b中；对于量程为_20°C?120°C的温度传感器，Ttl可以取0°C，T1可以取100°C ;对于量程为0.2atm?1.2atm(atm为标准大气压)的压力传感器，Ttl可以取0.5个标准大气压，T1可以取一个标准大气压；
[0063]2.3由标准参照量Ttl得到微处理器的模数转换输入电压为U。，记标定点AO (T。，U0)，由标准参照量T1得到的微处理器的模数转换输入电压为U1，记标定点Al (T1, U1)，通过两点电位法确定标定曲线，标定完成，执行步骤1.4 ；
[0064]2.4判断标定操作是否完成，若a、b都大于零，则表示标定的各操作已经完成，若标定未完成，回到步骤1.2，再次进行标定操作，直至获得U0J1的值；
[0065]2.5测得使用的传感器在某环境下微处理器的模数转换输入电压为U，并记录；
[0066]2.6运用公式F = T0 +~Τθ)计算出被测量的值;
[0067]实施例1:
[0068]如图2所示的微处理器单元，微处理器芯片采用低功耗、高性能的8位CMOS处理器ATmegal28L。ATmegal28L基于AVR简单指令集结构，数据吞吐率高达lMIPS/MHz，从而有效缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。微处理器单元中的JTAG接口的数据线经过上拉电阻“R12-R15”后与ATmegal28L微处理器芯片的“54?57”引脚相连。LED1-LED3为ATmegal28L微处理器芯片的工作状态指示灯和无线通信单元数据收发指示灯，在系统调试阶段根据其指示灯的状态判断程序的运行情况，状态指示LED1-LED3灯与ATmegal28L的“49、50、51”引脚相连。R4与C6构成复位电路。Yl、Y2为晶体振荡器，Yl为低频晶振，振荡频率为32.768kHz，可以在处理器运行于低功耗模式时使用。Y2为高频晶振，振荡频率为7.3728MHz，为系统时钟源。S0、S1、SCK1、SCK2、CS1、CS2为用普通I/O 口来模拟SPI总线接口，它可以使ATmegal28L微处理器芯片与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，实现可编程增益放大器芯片MCP6S21与ATmegal28L之间的数据传输。无线收发芯片2选用Chipcon公司生产的低功耗、超高频无线数据收发芯片CC1000，采用先进的SmartRF技术，工作于315MHz、433MHz、868MHz或915MHz ISM/SRD频段，可通过SPI总线接口灵活控制。ATmegal28L微处理器芯片通过第“11、12、29、31、32、61”引脚与CClOOO相连接，CClOOO可通过简单的三条串行数据接口(PDATA、PCLK和PALE)进行程序控制。
[0069]信号调理单元中，前置仪表放大器3-2为具有高输入阻抗、低输入失调电流、低漂移和低噪音的仪表放大器AD620。电阻R18为高精度的取样电阻，将传感器输出的电流信号通过电阻R18取样作为仪表放大器AD620的输入电压,仪表放大器AD620的放大倍数可以通过外部电阻R16调节。仪表放大器AD620输出的电压信号经过精密电阻R21和R22分压后，产生标准电压信号输入到可编程增益放大器3-3。可编程增益放大器3-3采用MCP6S21，通过SPI总线与微处理器单元普通I/O 口相连，共同完成通道选择和可变增益调节。MCP6S21的串行时钟输入引脚SCK1、串行数据输入脚引脚S1、芯片选择输入引脚CSl分别与微处理器单元中的第“25”引脚、第“3”引脚和第“35”引脚相连，以此微处理器单元控制可控制编程增益放大器3-3工作。有源低通滤波器3-4由运算放大器和外部RC元件组成，构成RC滤波电路，其输入阻抗高，输出阻抗低。运算放大器采用单电源运放芯片MCP6281,并和外部RC元件组成Sallen-Key或Butterworth低通滤波器,滤波器的设计截止频率为20Hz，运算放大器的输出与微处理器芯片的第“58”引脚A/D相连。
[0070]如图4所示，电源管理单元由锂电池充电控制单元4-1和电压等级变换单元4-2组成，锂电池充电控制单元4-1采用锂电池充电管理芯片BQ2057WSN，其适用于锂电池组(L1-1on)和锂聚合物电池组(L1-Pol)的充电。太阳能电池板BT2通过肖特基势垒二极管D3与锂电池充电管理芯片BQ2057WSN相连，锂电池充电管理芯片BQ2057WSN通过引脚“7”与P沟道场效应管Ql的门极G引脚相连，来控制其导通和关断，以便实施对锂电池组的充电过程，Ql选用P沟道场效应管SI647OTQ。BQ2057WSN内集成的温度传感器通过引脚“4”不停检测锂电池内部温度。当温度超出所设定范围时，立刻关闭对锂电池组的充电。充电状态识别通过BQ2057WSN上的引脚“5”与LED指示灯“D2、D3”相连，D2绿灯表示充满，D3红灯表示正在充电。
[0071]电压等级变换单元4-2输出端与线性稳压器TPS73630相连，将电压降压到+3.3V给微处理器单元和无线通信单元供电。
[0072]如上，尽管参照特定的优选实施例表示和表述了本实用新型，但是不得将其解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【权利要求】
1.一种工业装备及环境监控WSN采集装置，包括微处理器单元、无线通信单元、信号调理单元和电源管理单元，所述信号调理单元与外置传感器相连，其特征在于: 所述信号调理单元包括依次相连的采集输入接口、前置仪表放大器、可编程增益放大器和有源低通滤波器，所述微处理单元包括微处理芯片以及与微处理芯片分别相连的模数转换、JTAG接口、SPI 口、输出口和存储器；所述信号调理单元的采集输入接口与所述传感器相连，所述信号调理单元的有源低通滤波器与所述微处理器单元的模数转换相连，所述微处理器单元的SPI 口与所述无线通信单元的无线收发芯片相连，所述微处理器单元和所述无线通信单元由所述电源管理单元供电；所述传感器输出二次仪表电信号，电信号经所述信号调理单元变换成标准电压信号输出到所述微处理器单元，所述微处理器单元将所述信号调理单元输出的电信号进行处理，并通过所述无线通信单元将处理所得的数据进行收发。
2.根据权利要求1所述的工业装备及环境监控WSN采集装置，其特征在于:所述传感器输出的电信号通过所述信号调理单元的采集输入接口、前置仪表放大器进行第一级放大，放大后的信号输出到所述可编程增益放大器变换成电压信号，电压信号通过所述有源低通滤波器滤除高频干扰信号，滤除高频干扰信号的电压信号输出到所述微处理器单元的模数转换进行采样。
3.根据权利要求1所述的工业装备及环境监控WSN采集装置，其特征在于:所述电源管理单元选择AC220V、干电池或太阳能中任一方式对所述微处理器单元和无线通信单元进行供电。
4.根据权利要求3所述的工业装备及环境监控WSN采集装置，其特征在于:所述电源管理单元采用太阳能对微处理器单元和无线通信单元进行供电，所述电源管理单元包括锂电池充电控制单元和电压等级变换单元，所述锂电池充电控制单元包括锂电池充电管理芯片、晶体管或MOSFET管、充电状态指示灯以及外围电路，所述锂电池充电管理芯片通过肖特基势垒整流器与太阳能电池板相连，将太阳能电池板输出的直流电压通过自适应可调充电电路给锂电池组充电，并通过监测锂电池组温度对充电电路进行保护和调节；所述电压等级变换单元与所述锂电池充电控制单元的输出端相连并通过升、降压芯片或稳压管及相应外围电路将锂电池充电控制单元输出端电压进行等级变换后为所述微处理器单元和所述无线通信单元提供相应电压。
5.根据权利要求1所述的工业装备及环境监控WSN采集装置，其特征在于:所述微处理单元采用AVR系列微处理器芯片，所述无线通信单元采用CC1000或者CC1020为处理芯片。
6.根据权利要求5所述的工业装备及环境监控WSN采集装置，其特征在于:所述无线通信单元由无线收发芯片、晶振及相应的外围电路组成。
7.根据权利要求5所述的工业装备及环境监控WSN采集装置，其特征在于:所述微处理芯片由低频晶振、高频晶振提供系统时钟电源，通过JATG接口与仿真器和PC相连，通过普通I/O 口与所述信号调理单元的可编程增益放大器之间实现数据传输，通过SPI 口控制所述无线通信单元的无线收发芯片。
【文档编号】G05B19/042GK204101943SQ201420589929
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】陈俊杰, 甘立初 申请人:南京拓诺传感网络科技有限公司, 东南大学