专利名称：一种适应多种类型传感器的感知节点电路的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其是涉及一种适应多种类型传感器的感 知节点(NPUmote)电路。
背景技术：
无线传感器网络是将大量的微型化感知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。微型化感知节点作为传感器网络的基本组成元素，通常包 括环境参数检测单元、数据处理、无线通信等部件，其中，传感器是环境参数检测单元的核 心。现有的微型感知节点所采用的传感器大多都为数字信号输出，其数字信号输出端通常 通过串行异步通信方式(例如TWI、I2C)直接连接到处理器的相应管脚，而且现有微型感知 节点通常功能单一，每个节点为特定传感器而设计。综上所述，现有感知节点的硬件和软件(例如单收发器、单传感器)设计功能单 一，基本上都是一个节点带一种类型的传感器，没有实现多种传感器的集成与融合。
发明内容
为了克服现有技术功能单一的不足，本发明提供一种适应多种类型传感器的感知 节点电路，能有效解决现有感知节点只能带一种类型传感器且不能实现多种传感器集成与 融合的实际问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括环境参数检测单元、中央处理 器、无线射频收发单元、数据存储器和电源模块。环境参数检测单元包括多种类型传感器， 对环境参数进行实时检测，所检测信号由中央处理器进行采集和处理，并存储在与中央处 理器相接的数据存储器中，处理后的数据通过无线射频收发单元以及与无线射频收发单元 相配合使用的SMA天线、接在无线射频收发单元和SMA天线间的阻抗匹配电路发送出去，电 源模块为各用电单元进行供电。所述环境参数检测单元中的多种类型传感器包括数字量传感器和模拟量传感器， 所述数字量传感器包括CO2传感器、温湿度传感器和光照传感器，所述模拟量传感器包括 4 20MA和0 5V模拟量输出的传感器。所述中央处理器为8位高性能AVR单片机Atmegal281V。所述无线射频收发单元为芯片AT86RF230。所述数据存储器为芯片AT45DB041。所述CO2传感器为6004红外CO2模块，通过USART连接到中央处理器。所述温湿度传感器为SHTxx系列单芯片传感器，通过两线制的串行接口连接到中 央处理器。所述光照传感器为光数字传感器ISL29001，通过I2C总线连接到中央处理器。所述电源模块由供电模块以及分别与供电模块相接的低压差线性稳压器和DC/DC 转换器组成，用于中央处理器、无线射频收发单元、数据存储器、C02传感器等模块的供电。
所述DC/DC转换器为单独可关断电源芯片MIC2288。本发明的有益效果是1、电路设计合理，接线简单、安装方便且电路板体积小、重量轻。2、使用效果好且实用价值高，不仅支持多种数字信号传感器，还增加了对模拟信 号传感器的支持。在实际使用过程中，集成了 C02、温湿度、光照等数据信号传感器和土壤温 度、土壤水份模拟量传感器，并将多种传感器集成布设在一个电路板上，实现了多种传感器 的集成与融合。3、所用的无线射频收发单元即芯片AT86RF230是与ZigBee/IEEE802. 15. 4兼容 的无线射频收发芯片，其工作在2. 4GHz ISM频段，拥有104dB链路预算、-IOldB的接收灵 敏度和3dB的传输功率，从而能够减少网络中所需节点设备的总数，从而大大降低了 IEEE 802. 15. 4系统的组网成本。4、所用的电源模块设计合理且性能可靠，采用开关电源进行供电，由于开关电源 内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开关电源效率可达80% 90%，比普通线性稳压电源提高近一倍；并且采用电池和适配器供电方式，安全可靠且使用 效果好；另外，针对C02传感器专门配置有单独可关断电源芯片进行供电，以满足传感器功 耗比较大的使用需求。综上所述，本发明电路设计合理、接线简单、体积小、重量轻、安装方便且各部件性 能优良、使用效果好、实用价值高，能有效解决现有感知节点只能带一种类型传感器且不能 实现多种传感器集成与融合的实际问题。l、NPUmote不仅支持多种数字信号传感器，还增加了对模拟信号传感器的支持，传 感器输出的模拟信号被引入单片机ATMEL128的特定模数转化模块进行模数转换后，再进 行相应处理。2、NPUmote采用多种传感器集成布设在一个电路板上的设计模式。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的电路框图。图2为本发明电源模块的电路框图。图中1-环境参数检测单元； 2-中央处理器；4-SMA天线；5-阻抗匹配电路7-电源模块；7-1-供电模块；7-3-DC/DC 转换器。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括由对多种环境参数进行实时检测的多种类型传感器组成 的环境参数检测单元1、对环境参数检测单元1所检测信号进行采集和处理的中央处理器 2、分别与中央处理器2相接的数据存储器6和无线射频收发单元3、与无线射频收发单元3 相配合使用的SMA天线4、接在无线射频收发单元3和SMA天线4间的阻抗匹配电路5以及 为各用电单元供电的电源模块7，所述环境参数检测单元1中的多种类型传感器均接中央
3-无线射频收发单元； ；6-数据存储器；
7-2-低压差线性稳压器；
4处理器2。所述中央处理器2为8位高性能AVR单片机Atmegal281V。所述多种类型传感 器包括数字量传感器和模拟量传感器，所述数字量传感器包括CO2传感器、温湿度传感器和 光照传感器。本实施例中，所述CO2传感器为6004红外CO2模块即芯片U104A，温湿度传感 器为SHTxx系列单芯片传感器，光照传感器为光数字传感器ISL29001即芯片U103。所述8位高性能AVR单片机Atmegal281V(以下简称单片机Atmegal281V)的供电 电源为+3. 3V电源且其VCC管脚均接+3. 3V电源端，单片机Atmegal281V的AVCC管脚经电 感LlOl后接+3. 3V电源端且其AREF管脚直接接+3. 3V电源端，所述单片机Atmegal281V 的AVCC管脚经电感LlOl后以及其VCC和AREF管脚均经电容C108后接地。所述单片机 Atmegal281V的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源 等方式，工作时钟源的选择具体通过其内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP 编程等方式进行设置，单片机Atmegal281V上对应设置有ISP应用编程接口和JTAG调试接本实施例中，单片机Atmegal281V采用两个外部晶振7. 3728MHz晶振即晶振XlOl 作为单片机Atmegal281V的工作时钟；32. 768kHz晶振即晶振XlOO作为实时时钟源传感 器，其中，晶振XlOO的两个引脚分别与单片机Atmegal281V的T0SC2/PG3和T0SC1/PG4管 脚相接且其两个引脚分别经电容ClOO和ClOl后接地，晶振XlOl的两个引脚分别与单片机 Atmegal281V的XTAL2和XTALl管脚相接且其两个引脚分别经电容C107和C109后接地。 所述单片机Atmegal281V的^IT管脚经电阻R113后接+3. 3V电源端，且该管脚经电容 C112后接地。其中，所述6004红外CO2模块与单片机Atmegal281V之间采用UART方式进行通 讯，即单片机Atmegal281V的一路TTL电平UART接口接6004红外CO2模块，所述6004红 外CO2模块的RXD管脚经电阻R123后接单片机Atmegal281V的PEl (TXD0/PD0)管脚，所述 6004红外CO2模块的TXD管脚经电阻Rlll和R123后接单片机Atmegal281V的PE0(RXD0/ PCINT0/PDI)管脚，所述6004红外CO2模块的GND管脚经电阻RllO和R123后接单片机 Atmegal281V 的 PEO (RXD0/PCINT0/PDI)管脚，所述 6004 红外 CO2 模块的 SER_CLK、GND 和 SER_IN管脚均接地且其+5V管脚接+5V电源端。另外，由于6004红外CO2模块在工作时需 要预热，通常为2分钟，最大时间为10分钟。因而必须在6004红外CO2模块工作稳定时进 行采样，并且根据6004红外CO2模块的节点机械结构，其布设时选用扩散型。因为6004红 外CO2模块为5V电源系统，因而与供电电源为+3. 3V的单片机Atmegal281V进行通讯时， 要考虑电平转换问题。本实施例中，采用5V电压信号分压，3. 3V电压信号直接相连的接线 方式。所述SHTxx系列单芯片传感器的供电电压为2. 4 5. 5V。当传感器上电后，要等 待Ilms以越过“休眠”状态，在此期间无需中央处理器1发送任何指令。另外，SHTxx系列 单芯片传感器的电源引脚VCC和GND之间可增加一个电容，用以去耦滤波。SHTxx的串行 接口(两线双向)，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；但与I2C接口 不兼容，需使用GPIO 口来模拟I2C接口通信。所述SHTxx系列单芯片传感器的串行时钟 输入SCK用于中央处理器1即微处理器与SHTxx系列单芯片传感器之间的通讯同步。所 述SHTxx系列单芯片传感器的串行数据接口 SDA即三态门用于数据的读取，SDA在SCK时 钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。因而数据传输期间，在SCK时钟高电平时，SDA必须保持稳定。为避免信号冲突，所述微处理器应驱动DATA在低电平需要一个 外部的上拉电阻，将信号提拉至高电平。本实施例中，所述SHTxx系列单芯片传感器具体为 SHT75单芯片传感器即芯片U102。所述SHT75单芯片传感器的SDA和SCK管脚分别接单 片机Atmegal281V的PDO (SCL/INT0)和PDl (SDA/INT1)管脚，所述SHT75单芯片传感器的 SDA和SCK管脚分别经电阻RlOO和R104后接+3. 3V电源端，SHT75单芯片传感器的VCC接 +3. 3V电源端且其GND管脚接地。所述光数字传感器ISL29001的PD(P0WERD0WN模式选择控制端)、SCL(即串行 时钟输入端)和SDA(即串行数据输入端)管脚分别接单片机Atmegal281V的PA3(AD3)、 PA4(AD4)和PA5(AD5)管脚，所述光数字传感器ISL29001的的REXT(即光照强度控制端) 管脚经电阻R109后接地。考虑到光照传感器的安装位置不是十分明确。因此设计中，光 数字传感器ISL29001独立成板且其通过软排线与本发明的电路主板进行连接，以方便安 装合适的位置。所述+3. 3V电源端分别经电阻RlOl和发光二极管D100、电阻R102和发 光二极管DlOl以及电阻R103和发光二极管D102后与单片机Atmegal281V的PAO (ADO)、 PAl (ADl)和PA2(AD2)管脚相接，同时所述+3. 3V电源端分别经电阻R108和R107后与单片 机 Atmegal281V 的 PA4 (AD4)和 PA5 (AD5)管脚相接，单片机 Atmegal281V 的 PA3 (AD3)管脚 经电阻R106后接地。综上，单片机Atmegal281V的IIC接口接光照传感器和温湿度传感器。所述单片机Atmegal281V的ADCO ADC2管脚为预留的以作扩展用的三路AD 口， 上述ADCO ADC2管脚与模拟量传感器相接，即作为所述模拟量传感器的数据输入接口。本实施例中，所述无线射频收发单元3为zigbee无线通信模块，具体为芯片 AT86RF230即芯片U201，所述芯片AT86RF230与单片机Atmegal281V间通过SPI接口(即 串行外围设备接口)进行通讯，具体而言单片机Atmegal28IV的PBO ( SS /PCINTO )、 PBl (SCK/PCINT1)、PB2 (M0SI/PCINT2)、PB3 (MIS0/PCINT3)、PB7 (0C0A/0C1C/PCINT7)和 PD4 (ICPl)六个管脚分别接芯片 AT86RF230 的、SCLK、K0SI、MIS0、SLP_TR 和 IRQ 六个 管脚，所述单片机Atmegal281V的PD6 (Tl)和XTALl管脚分别经电阻R112和R114且均经 电阻R203后接芯片AT86RF230的CLKM管脚；所述芯片AT86RF230的@管脚接单片机 Atmegal281V的PA6 (AD6)管脚。由于单片机Atmegal281V工作于内部为7. 3782MHz的振荡 频率下，因而若单片机Atmegal281V要采用与芯片AT86RF230同步的外部时钟信号，则芯片 AT86RF230的CLKM管脚要与单片机Atmegal281V的XTALl管脚相接，并且芯片AT86RF230 的熔丝位要设置为外部时钟。另外，由于芯片AT86RF230的各种工作状态中断信号由其 IRQ管脚来控制，因而本发明中将芯片AT86RF230的IRQ管脚接到单片机Atmegal281V的 PD4(ICPl)管脚上以产生捕获中断，因为捕获中断可通过设置噪声消除方式来减少外界的 干扰，从而提高中断的可靠性。另外，所述芯片AT86RF230的XTAL2和XTALl管脚分别接晶 振X200的两个引脚且晶振X200的两个引脚分别经电容C201和C203后接地。需注意的是 芯片AT86RF230的所接外部晶振Xl的长期工作频率稳定度要小于等于40ppm，并根据晶振 X200和芯片AT86RF230的驱动能力选择合适的负载电容。所述芯片AT86RF230的VDEC2、 VDECl和VDD管脚分别经电容C202、C205和C206后接地且其VDD管脚接+3. 3V电源端，芯 片AT86RF230的CLKM管脚经电阻R203和电容C207后接地。所述芯片AT86RF230的RFP和RFN管脚分别接电容C200和C204后接芯片
6HHM1711D1的BAL2和BALl管脚，芯片AT86RF230的UNBl管脚接芯片CIRDIN_5_P的第5引 脚且芯片CIRDIN_5-P的其余4个引脚均接地。对于芯片AT86RF230的模拟电路来说，为了降低其它部分的干扰程度，提高RF性 能，需要采取抗干扰措施。例如，模拟电源输入端增加磁珠或电感；AT86RF230模拟地和数 字地要分开布线，并在一点接地；为了减小分布参数的影响，铺地要尽可能大，并且要适当 打上过孔；滤波用的电容也要尽量靠近芯片。另外，对于芯片AT86RF230而言，要注意阻抗匹配即需设计阻抗匹配电路5，芯片 AT86RF230的天线端口为2路100 Ω的差分输出，可直接接差分馈电的天线，但缺点是阻抗 匹配和测试都比较困难，一般可以用巴伦把2路100 Ω的差分输出变换成一路50Ω输出， 然后接各类单端馈电的天线，馈线设计保证50欧的阻抗。所述数据存储器6为芯片AT45DB041即芯片U105，该芯片具有容量大、读写速度 快、外围电路少等诸多优点，并且该芯片可最低工作在2. 5ν，工作电流仅为4mA，因此在移 动通信、便携等场合得到了广泛的应用。所述芯片AT45DB041的VCC和■管脚均接+3. 3V 电源端且其西管脚接单片机Atmegal281V的PE3 (0C3A/A1N1)管脚，所述芯片AT45DB041 的SCK管脚接单片机Atmegal281V的PE4 (0C3B/INT4)管脚且其SI和SO管脚接单片机 Atmegal281V 的 PE5 (0C3C/INT5)和 PE6(T3/INT6)管脚，所述芯片 AT45DB041 的RESET管 脚接单片机Atmegal281V的^ff管脚，结合图2，所述电源模块7由供电模块7-1以及分别与供电模块7-1相接的低压 差线性稳压器7-2和DC/DC转换器7-3组成。本实施例中，所述电源模块7包括供电模块 7-1、与供电模块7-1相接且用于提供+3. 3V电源的低压差线性稳压器7-2即LDO和与供电 模块7-1相接且用于提供+5V电源的DC/DC转换器7-3。本实施例中，所述低压差线性稳压 器7-2分别为单片机Atmegal281V、芯片AT45DB041、芯片AT86RF230、SHTxx系列单芯片传 感器和光数字传感器ISL29001提供+3. 3V电源，所述DC/DC转换器7_3为所述6004红外 CO2模块提供+5V电源。所述供电模块7-1中包括两种并行的供电方式一是使用锂电池 即JlOO进行持续供电，所用锂电池的电压为4. 2V，容量> 2000mAH ；二是外部5V适配器即 J106供电，所述JlOO和J106的电源输出端均经一个串联的磁珠LlOO后输出稳定的+5V或 者+4. 2V电源。所述JlOO的电源输出端上接有经两个串接的分压电阻R117和R119后接 地，即电阻R117和R119为锂电池电压检测分压电阻且二者的相接点接单片机Atmegal281V 的PF3 (ADC3)管脚，也就是说，将电阻Rl 17和Rl 19间电压的中间值单片机Atmegal281V的 A/D转换接口中进行分析比较得出锂电池的电压数值。所述低压差线性稳压器7-2为降压LDO即芯片U110，本实施例中，所述芯片UllO 为XC6221系列低压差线性稳压器，经过芯片UllO进行稳压后输出稳定的+3. 3V电源。所 述DC/DC转换器7-3为单独可关断电源芯片MIC2288即芯片U111，经过芯片Ulll升压之后 稳定输出+5V电源。实际使用过程中，采用5V适配器供电时，省略DC/DC转换器7_3，只需在磁珠LlOO 的电源输出端上接一电阻R120用于输出+5V电压即可；相应地，在采用锂电池供电时，则需 使用DC/DC转换器7-3，而与LlOO的电源输出端相接的电阻R120则应省去。实际接线时， 芯片UllO的VIN和EN管脚均接磁珠LlOO的电源输出端，芯片UllO的VSS管脚接地且其 VO和NC管脚分别经电容C123和C124后接地，芯片UllO的VO管脚为+3. 3V电源输出端。
7所述芯片Ulll的VIN管脚接磁珠LlOO的电源输出端且其EN管脚接+3. 3V电源输出端，芯 片Ulll的SW管脚经肖特基二极管D103后输出+5V电源，所述肖特基二极管D103的输出 端分别经两个串联的电阻Rl 16和Rl 18后接地且电阻Rl 16和Rl 18的连接点接芯片Ulll 的FB管脚且肖特基二极管D103的输出端经电容C115后接地。对电源模块7进行实际布线时，根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽 度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗 噪声能力。同时，应注意将数字地与模拟地分开，若线路板上既有逻辑电路又有线性电路， 应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串 联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格 状大面积地箔。接地线应尽量加粗，若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变 化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有 可能，接地线的长度应在2 3mm以上。接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板， 其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。本实施例中，无线射频收发单元3中除SMA天线、晶振和电源模块7中的去耦电容 外的所有关键器件都集成在一块芯片中，封装形式采用32引脚、5mmX5mmX0. 9mm大小的 QFN封装，因而由该芯片所构成的设备仅需6个外部组件。所述芯片AT86RF230内部集成有 35个可以通过SPI控制时序访问的8位寄存器，工作时有8个基本状态(可以根据需要扩 展为14个)，片内发送数据和接收数据的缓冲分别为129字节和130字节，正好可以满足 IEEE802. 15. 4协议规定的最大帧长度127字节的要求，发送时需要加2字节的CRC16校验 码，接收时还要多加1字节的链路质量指示。
权利要求
一种适应多种类型传感器的感知节点电路，包括环境参数检测单元、中央处理器、无线射频收发单元、数据存储器和电源模块，其特征在于所述环境参数检测单元包括多种类型传感器，对环境参数进行实时检测，所检测信号由中央处理器进行采集和处理，并存储在与中央处理器相接的数据存储器中，处理后的数据通过无线射频收发单元以及与无线射频收发单元相配合使用的SMA天线、接在无线射频收发单元和SMA天线间的阻抗匹配电路发送出去，电源模块为各用电单元进行供电。
2.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 环境参数检测单元中的多种类型传感器包括数字量传感器和模拟量传感器，所述数字量传 感器包括CO2传感器、温湿度传感器和光照传感器，所述模拟量传感器包括4 20MA和0 5V模拟量输出的传感器。
3.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 中央处理器为8位高性能AVR单片机Atmegal281V。
4.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 无线射频收发单元为芯片AT86RF230。
5.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 数据存储器为芯片AT45DB041。
6 根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 CO2传感器为6004红外CO2模块，通过USART连接到中央处理器。
7.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 温湿度传感器为SHTxx系列单芯片传感器，通过两线制的串行接口连接到中央处理器。
8.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 光照传感器为光数字传感器ISL29001，通过I2C总线连接到中央处理器。
9.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 电源模块由供电模块以及分别与供电模块相接的低压差线性稳压器和DC/DC转换器组成。
10.根据权利要求1所述的适应多种类型传感器的感知节点电路，其特征在于所述的 DC/DC转换器为单独可关断电源芯片MIC2288。
全文摘要
本发明公开了一种适应多种类型传感器的感知节点电路，环境参数检测单元包括多种类型传感器，对环境参数进行实时检测，所检测信号由中央处理器进行采集和处理，并存储在与中央处理器相接的数据存储器中，处理后的数据通过无线射频收发单元以及与无线射频收发单元相配合使用的SMA天线、接在无线射频收发单元和SMA天线间的阻抗匹配电路发送出去，电源模块为各用电单元进行供电。本发明设计合理，接线简单、安装方便且电路板体积小、重量轻，使用效果好且实用价值高，能够减少网络中所需节点设备的总数，所用的电源模块设计合理且性能可靠。
文档编号H04W84/18GK101917207SQ20101025825
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者李士宁, 李志刚, 蒙海军, 马峻岩 申请人:西北工业大学