一种无线传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种无线传感器。

背景技术：

与传统的传感器相比，无线传感器不需要电缆，具有灵活、低功耗、低成本、自组网等特点，在实际中应用越来越广泛。在一些结构件的模态试验以及一些旋转结构试验中，急需使用无线传感器，可以极大地提高试验效率。现有的无线传感器体积和重量均较大，在某些试验件上安装这些无线传感器，可能会影响试验件自身的力学特性。另外，传统传感器体积较大，内部可以安装较大容量电池，减小传感器体积之后，必然影响内部电池体积，从而影响到电池的功耗。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有无线传感器存在体积大，影响试验件自身的力学特性的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传感器，包括自下而上依次叠放设置的数据采集模块、数据处理模块、射频模块和电源模块，所述数据处理模块分别与所述数据采集模块和所述射频模块连接，以接收所述数据采集模块获得的数据并将数据存储，同时通过所述射频模块发送至无线基站，所述电源模块分别与所述数据采集模块、所述数据处理模块和所述射频模块连接并供电。

其中，所述数据采集模块包括一个三轴MEMS加速度传感器和三条采集通路，每条所述采集通路均包括依次连接的信号调理电路、滤波电路和AD采集芯片，每个所述信号调理电路均与所述三轴MEMS加速度传感器连接，各所述AD采集芯片以菊花链方式依次连接后再与所述数据处理模块连接。

其中，每个所述AD采集芯片上均设有SPI接口，所述AD采集芯片通过所述SPI接口进行菊花链方式连接。

其中，所述AD采集芯片为16位低功耗AD芯片。

其中，所述滤波电路为二阶有源低通滤波器。

其中，所述电源模块包括锂电池、充电电路、电源调理电路和控制电路组成，所述锂电池通过外部接口充电，所述锂电池通过所述电源调理电路将电源调理成数字电源和模拟电源。

其中，所述数据处理模块包括CPU和FLASH，所述CPU分别与所述数据采集模块、所述射频模块和所述FLASH连接。

其中，所述射频模块工作在2.4GHz的ISM频段。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明无线传感器将数据采集模块、数据处理模块、射频模块和电源模块采用自下而上的方式安装在传感器底板上，通过这种安装方式可以极大地减小传感器的体积。数据处理模块将数据采集模块采集的数据通过射频模块发送至无线基站，同时将数据存储，以防止在恶劣的电磁环境下无线数据丢包导致的数据丢失，实现数据双保险。本发明的模块化设计可以通过更换不同的数据采集模块实现不同的参数测量功能，更换射频模块实现其他频段的无线数据收发，具有非常大的灵活性。在非常小的体积内集成了数据存储、无线收发、充电供电等功能模块，达到了通用传感器要求的同时，也使传感器体积小巧、重量轻，适合模态试验等对体积重量敏感的应用场合。与现有加速度传感器相比，本发明不需要电缆，具有体积小、重量轻、功耗低、存储容量大、工作时间长等特点，可应用于模态试验、加速度测量、桥梁状态监测、风电叶片监测等领域，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例无线传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例无线传感器的数据处理模块的工作原理图；

图3是本发明实施例无线传感器的数据采集模块的构成示意图；

图4是本发明实施例无线传感器的电源模块的构成示意图。

图中：1：数据采集模块；2：数据处理模块；3：射频模块；4：电源模块；11：三轴MEMS加速度传感器；12：信号调理电路；13：滤波电路；14：AD采集芯片；21：CPU；22：FLASH；41：锂电池；42：充电电路；43：电源调理电路；44：控制电路；45：外部接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的无线传感器，包括自下而上依次叠放设置的数据采集模块1、数据处理模块2、射频模块3和电源模块4，数据处理模块2分别与数据采集模块1和射频模块3连接，以接收数据采集模块1获得的数据并将数据存储，同时通过射频模块3发送至无线基站，电源模块4分别与数据采集模块1、数据处理模块2和射频模块3连接并供电。

本发明无线传感器将数据采集模块、数据处理模块、射频模块和电源模块采用自下而上的方式安装在传感器底板上，通过这种安装方式可以极大地减小传感器的体积。数据处理模块将数据采集模块采集的数据通过射频模块发送至无线基站，同时将数据存储，以防止在恶劣的电磁环境下无线数据丢包导致的数据丢失，实现数据双保险。本发明的模块化设计可以通过更换不同的数据采集模块实现不同的参数测量功能，更换射频模块实现其他频段的无线数据收发，具有非常大的灵活性。在非常小的体积内集成了数据存储、无线收发、充电供电等功能模块，达到了通用传感器要求的同时，也使传感器体积小巧、重量轻，适合模态试验等对体积重量敏感的应用场合。与现有加速度传感器相比，本发明不需要电缆，具有体积小、重量轻、功耗低、存储容量大、工作时间长等特点，可应用于模态试验、加速度测量、桥梁状态监测、风电叶片监测等领域，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

其中，如图3所示，数据采集模块1包括一个三轴MEMS(微机电系统)加速度传感器11和三条采集通路，每条采集通路均包括依次连接的信号调理电路12、滤波电路13和AD采集芯片14，每个信号调理电路12均与三轴MEMS加速度传感器11连接，各AD采集芯片14以菊花链方式依次连接后再与数据处理模块2连接。其中，每个AD采集芯片14上均设有SPI(串行外设接口)接口，AD采集芯片14通过SPI接口进行菊花链方式连接。三轴MEMS加速度传感器X轴、Y轴和Z轴的三通道数据分别进行独立信号调理和AD采集，采用模拟信号输出三轴MEMS加速度传感器，三轴加速度信号同步进行滤波与AD采集，每一路信号首先进行信号调理，将三轴MEMS加速度传感器输出的信号调理成0V-2.5V电压信号，使其满足AD采集芯片的输入范围。采用SPI接口的AD采集芯片，三个AD采集芯片通过菊花链方式连接，以减少IO管脚，最终通过其中一个AD采集芯片的SPI接口输出与数据处理模块连接，数据采集模块还可采用三个单轴MEMS加速度传感器分别连接三个采集通路。

其中，AD采集芯片14为16位低功耗AD芯片。其中，滤波电路13为二阶有源低通滤波器。AD采集芯片采用SPI接口的16位低功耗AD芯片，AD采集位数为16位，与数字式MEMS传感器相比，保证了采样的准确性与数据同步性，精度更高、可靠性更高。滤波电路采用二阶有源低通滤波器，滤波频率根据实际需要设置。

其中，如图4所示，电源模块4包括锂电池41、充电电路42、电源调理电路43和控制电路44组成，锂电池41通过外部接口45充电，锂电池41通过电源调理电路43将电源调理成数字电源和模拟电源。电源模块由锂电池、充电电路、电源调理电路以及低功耗控制电路组成，可通过外部接口为锂电池充电，通过电源调理电路将锂电池电源调理成数字电源和模拟电源，分别为数据采集模块、数据处理模块和射频模块供电。本实施例采用3.7V锂电池供电，使用专用充电芯片通过外部充电接口进行充电，并采用电池管理芯片将3.7V稳压成3.0V电源为系统供电。在休眠模式下，电源模块仅仅为数据处理模块的CPU供电，其它设备均处于关闭状态，可以极大降低系统的功耗。

其中，如图2所示，数据处理模块2包括CPU21和FLASH22，CPU21分别与数据采集模块1、射频模块3和FLASH22连接。数据处理模块的核心器件为超低功耗CPU，CPU读取SPI接口的三通道AD采集数据，并将其按照指定的数据帧格式通过射频模块发送至远程无线基站，同时将数据存储至大容量FLASH中，以防止在恶劣的电磁环境下无线数据丢包导致的数据丢失，实现数据“双保险”，这种双备份的方式保证了数据的可靠性，采用大容量FLASH存储芯片，在无线传输的同时，传感器节点可以实时存储数据，保证了数据的可靠性。由此配合数据采集模块实现了三轴加速度信号的调理、采集、存储以及无线发射。采用超低功耗CPU，功耗很低，并且能够以微安级的功耗进入休眠状态，延长了传感器的工作时间和待机时间。

其中，射频模块3工作在2.4GHz的ISM频段。优选的，射频模块工作在2.4GHz的ISM频段，该频段为全球免费的无线通信频段，可以降低设计和使用成本。

使用时，本发明因为实现无线传感器的模块化，所以通过简单更换数据采集模块的类型，可以实现其它物理参数的测量，如温度、压力、应变等，无需大幅更改设计，也可以通过更换射频模块，实现其它频段的无线数据收发功能。本模块化设计权利不仅限于无线加速度传感器，也包含应变、电压、电流、温度、电荷、压力、角速率等其它无线测量的领域。通过选用低功耗的电子元器件和低功耗控制策略，系统的工作电流很低，并且休眠电流达到了微安级，可以延长无线传感器的续航时间，采用时间同步算法，采样同步精度达到微秒级。

综上所述，本发明无线传感器将数据采集模块、数据处理模块、射频模块和电源模块采用自下而上的方式安装在传感器底板上，通过这种安装方式可以极大地减小传感器的体积。数据处理模块将数据采集模块采集的数据通过射频模块发送至无线基站，同时将数据存储，以防止在恶劣的电磁环境下无线数据丢包导致的数据丢失，实现数据双保险。本发明的模块化设计可以通过更换不同的数据采集模块实现不同的参数测量功能，更换射频模块实现其他频段的无线数据收发，具有非常大的灵活性。在非常小的体积内集成了数据存储、无线收发、充电供电等功能模块，达到了通用传感器要求的同时，也使传感器体积小巧、重量轻，适合模态试验等对体积重量敏感的应用场合。与现有加速度传感器相比，本发明不需要电缆，具有体积小、重量轻、功耗低、存储容量大、工作时间长等特点，可应用于模态试验、加速度测量、桥梁状态监测、风电叶片监测等领域，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。