一种无线传感器硬件系统的制作方法

本实用新型涉及无线传感器技术领域，尤其是涉及一种无线传感器硬件系统。

背景技术：

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微传感器节点通过无线电通信形成一个多跳的、自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域内的监测对象的信息，并发送给观测者。无线传感器网络是将大量的传感器节点布置在监测区域内，节点间通过无线通讯自组织而构成的一种网络。在现代化工业生产中，需采集大量的环境特征参数和用户特征参数，其采集系统要求操作方便，数据传输实时性和准确性好。然而，现有的数据采集系统人机交互差，设置参数复杂，导致数据采集系统的效率较低、实时性差，不能满足现代化高效率生产的要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述技术不足，提出一种无线传感器硬件系统，解决上述背景技术中提及的问题。

本实用新型采用的技术方案提供一种无线传感器硬件系统，包括：数据采集模块、与所述数据采集模块连接的数据接收模块、数据处理模块、以及电源模块；所述数据采集模块包括第一控制器、以及分别与所述第一控制器电性连接的若干个传感器节点、模数转换器和无线发送模块，若干个所述传感器节点设置在所述无线传感器硬件系统的监测区域，所述传感器节点采集到的数据通过Zigbee无线网络与所述模数转换器连接，所述Zigbee无线网络与所述数据采集模块之间设置有MAC定位装置；所述数据接收模块包括第二控制器、以及分别与所述第二控制器电性连接的无线接收模块和USB接口芯片，所述无线接收模块与所述无线发送模块通过无线网络通讯；所述数据处理单元为虚拟示波器，所述数据处理单元上设置有USB接口，所述USB接口与所述USB接口芯片相适配；所述电源模块分别与所述数据采集模块、所述数据接收模块和所述数据处理模块电性连接。

本实用新型的有益效果包括：1、无线传感器硬件系统使用方便，易于实现，适用于通信距离要求不高的领域，对普通的环境数据进行检测，能取得较高的性价比；2、采集到的数据在虚拟示波器上处理，操作简单，能实时监测传感器节点区域的数据。

附图说明

图1为本实用新型的系统模块示意图；

图2为本实用新型中数据采集模块和数据接收模块的部分结构示意图；

附图中：1、数据采集模块，2、数据接收模块，3、数据处理模块，4、电源模块，11、第一控制器，12、传感器节点，13、模数转换器，14、无线发送模块，21、第二控制器，22、无线接收模块，23、USB接口芯片，31、USB接口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型采用的技术方案提供一种无线传感器硬件系统，包括数据采集模块1、与数据采集模块1连接的数据接收模块2、数据处理模块3、以及电源模块4。

数据采集模块1包括第一控制器11、以及分别与第一控制器11电性连接的若干个传感器节点12、模数转换器13和无线发送模块14。

请同时参阅图2，第一控制器11采用8位单片机P89C58X2FN，该单片机P89C58X2FN的芯片具有低功耗，高性能等的优点，适用于嵌入式产品的开发。第一控制器11上设置有多个引脚，其中P1.0、P1.1、P1.2和P1.3引脚均与模数转换器12连接，P0.0、P0.1、P0.2和P0.3引脚均与无线发送模块13连接。

若干个传感器节点12设置在该无线传感器硬件系统的监测区域，在监测区域的范围内，采集多个静态或动态的节点的信号，每个传感器节点12节点能够采集其周围环境的数据，如温度、湿度、光强、震动、磁场等，各个传感器节点12之间使用无线多跳方式通信，监测数据通过Zigbee技术进行无线通信形成一个网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域内的监测对象的信息，用户通过管理传感器节点12可以对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。于本实施例中，Zigbee网络与数据采集模块1之间设置有MAC定位装置，且MAC定位装置分别与ZigBee无线网络和数据采集模块1连接，该MAC定位装置用于定位ZigBee无线网络设置，方便数据采集模块1对用户需求位置的数据采集。

模数转换器13采用MAX1247，其精度为12位，传感器节点12上采集到的数据通过Zigbee无线网络与模数转换器13连接，该模数转换器13的芯片能同时输入四路模拟信号，且其芯片上设置有集成SPI从机模块，转换数据为同步串行输出，该SPI从机模块上设置有多个引脚，其中CH0、CH1、CH2和CH3引脚为模拟信号输入接口，VREF为参考电压接口，SCLK为串行时钟输入端，在外部时钟模式，串行时钟输入端SCLK输入的时钟频率可决定数模转换的速度，CS为片选输入端，DIN为串行数据输入端，DOUT为模数转换后的串行数据输出端，且每一串行数据位在SCLK上升沿被输入锁定，CS片选输入端在低电平时有效，否则数据将不会被锁定输入DIN，当CS片选输入端被置为高电平时，DOUT为高阻态，串行时钟输入端SCLK、片选输入端CS、串行数据输入端DIN、串行数据输出端DOUT分别连接第一控制器11的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3引脚。第一控制器11上的单片机P89C58X2FN采用软件编程SPI时序与模数转换器13通信，该软件编程SPI时序的时钟由SCLK端输入，实现模数转换器13中的芯片的控制字写入和数据读出。MAX1247通过从DIN端写入的控制字来实现不同模拟通道及模拟量极性等相关信息的选择，然后12位精度的数字量由高到低依次按位从DOUT端输出。

无线发送模块14采用NRF24L01，NRF24L01的芯片工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段，具有无线接收和发送数据的功能，数据传输速率高达2Mbps，有多个数据通道，满足多点通信的需要。无线发送模块14的芯片上设置有集成SPI接口，该SPI接口上设置有多个引脚，其中CSN为片选输入端，SCK为时钟输入端，MOSI为串行数据输入端，MISO为串行数据输出端，且CSN、SCK、MOSI和MISO引脚分别与第一控制器11上的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3连接。第一控制器11上的单片机P89C58X2FN采用软件编程SPI时序与无线发送模块14通信。该无线发送模块14的数据包每次可传输32字节数据，适合与各种MCU连接，软件编程简单，无线发送模块14上的NRF24L01用于发送数据。

数据接收模块2包括第二控制器21、以及分别与第二控制器21电性连接的无线接收模块22和USB接口芯片23。

第二控制器21采用8位单片机P89C58X2FN，第二控制器21上的单片机P89C58X2FN采用软件编程SPI时序与无线发送模块12中的NRF24L01通信。第二控制器11上设置有多个引脚，其中P1.0、P1.1、P1.2和P1.3引脚均与无线接收模块22连接，PO、WR、RD和INTO引脚均与USB接口芯片23连接,且PO为数据传输端口，WR为写控制端口，RD为读写控制端口，INTO为外部中断端口。

无线接收模块22采用NRF24L01，NRF24L01的芯片工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段，无线接收模块22与无线发送模块14通过无线网络通讯，接收无线发送模块14发送的数据。无线接收模块22中的NRF24L01的工作模式为接收数据，无线接收模块22上的CSN、SCK、MOSI和MISO引脚分别与第二控制器21上的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3连接。

USB接口芯片23采用PDIUSBD12，该芯片具有双向3端点数据缓冲区，其中的一个端点的数据缓冲区为64字节，适用于数据传输量大的通信应用。PDIUSBD12上设置有DO、WR-N、RD-N和INT、N引脚，其中DO与第二控制器21上的PO引脚连接，用于实现并行数据传输，WR-N与WR连接，为写控制端口，RD-N与RD连接，为读写控制端口，INT、N与INTO连接，为中断输出端口。

数据处理模块3为虚拟示波器，该虚拟示波器为基于Lab Windows CVI开发的简易虚拟示波器系统，该系统的主要功能是发送采集数据的命令和显示采集到的节点数据波形。该虚拟示波器可以在PC主机上使用，且PC主机上设置有USB接口31，该USB接口31与USB接口芯片23相适配。

虚拟示波器用于显示采集到的数据，虚拟示波器上设置有数据缓冲区，用户通过数据采集模块1获取的数据存放在数据缓冲区中，该缓冲区为动态刷新式数据缓冲区，每次将读取的数据存放到数据缓冲区的首部，尾部数据将被移出数据缓冲区。虚拟示波器上设置刷屏时间，常用刷屏时间为0.05s，也就是每间隔0.05秒数据缓冲区中的数据将被显示一次。通过中断式采集数据，无线传感器硬件系统的最高采样频率为13kHz，USB接口31的传输速度为2Mbps，本系统可同时接入多个传感器节点12，对普通的环境数据，如温度、湿度、光强、磁场等进行检测，完全满足近距离监测的应用要求。

电源模块4分别与数据采集模块1、数据接收模块2和数据处理模块3电性连接，用于提供该无线传感器硬件系统的供电电源。

上述技术方案中，本实用新型的工作原理：数据采集模块1每次采集30字节数据，然后进行数据打包，打包就是给数据包加上2字节的包头，该2字节包头的首字节表示节点地址，次字节表示数据包的序号，形成32字节的数据包后，将数据包写入无线数据发送给无线发送模块13，进行无线数据的上传，数据接收模块2中的无线接收模块22接收到32字节数据包后，继续等待接收下一个32字节数据包，当接收到2个数据包共64字节后，将两个数据包通过并口传输给USB接口芯片PDIUSBD12，这样能够有效的使用PDIUSBD12的64字节缓冲区，USB接口将数据包再传输给虚拟示波器，数据在虚拟示波器中显示和处理。本系统可同时接入多个传感器节点12，对普通的环境数据，如温度、湿度、光强、磁场等进行检测，完全满足近距离监测的应用要求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：1、无线传感器硬件系统使用方便，易于实现，适用于通信距离要求不高的领域，对普通的环境数据进行检测，能取得较高的性价比；2、采集到的数据在虚拟示波器上处理，操作简单，能实时监测传感器节点区域的数据。

以上所述本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。