专利名称：可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络、混杂现场总线、嵌入式系统技术领域，具体涉及一种可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点。
背景技术：
随着无线通信技术的发展，无线通信设备不断成熟，成本也进一步的降低，为了解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象、旋转对象以及危险环境对象的监测与控制问题，出现了一种混杂的有线/无线现场总线(hybrid wired/wireless field bus)的新技术。在工作环境较为恶劣、安全生产风险较高的化工企业，混杂现场总线技术可以随作业现场进行部署，迅速地覆盖所有工段。当现场工作人员携带无线传感器节点时，还可以利用无线传感器网络的定位技术对工作人员进行实时定位，万一发生事故可以对作业现场的工作人员在事故发生时刻的位置进行跟踪，便于设计高效的应急救援方案。基于混杂现场总线技术的现代化化工安全监控系统包括ZigBee与CAN总线之间的有线/无线网关、基于ZigBee的无线传感器节点、基于CAN总线的传感器节点等。其中，无线传感器节点可分为两类，一类是随身无线传感器节点，是工作人员随身携带的无线传感器节点，用于监测现场工作人员的位置、生命特征、周围环境参数等，这些信息既可以在救援过程中及时判断工作人员所在位置及生命活动情况，又可以通过工作人员在工艺现场的移动，实现较大范围内环境参数的监测。另一类是便携无线传感器节点，用于在暂时不便铺设CAN总线的地方监测环境参数和设备参数，并且还负责中继周围工作人员的随身无线传感器节点数据。
发明内容
本发明提供了一种基于ZigBee无线技术，可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点。该节点可用于暂时不便铺设CAN总线的地方监测环境参数和设备参数，并且还可以负责中继周围无线传感器节点数据。本发明采取的具体技术方案为本发明包括电源管理模块，环境参数采集模块， ZigBee无线通信模块和处理器模块。所述电源管理模块包括7. 4V锂电池、5V电压转换电路、3. 3V电压转换电路、1. 8V 电压转换电路。锂电池JS-7. 4V-2. 2AH为5V电压转换电路提供电源；5V电压转换电路的核心为SPX1117M3-5. 0低压差线性稳压电源芯片，其输出供给3. 3V电压转换电路、1. 8V电压转换电路；3. 3V电压转换电路的核心为SPX1117M3-3. 3低压差线性稳压电源芯片，其输出供给处理器模块、环境参数采集模块和ZigBee无线通信模块；1. 8V电压转换电路的核心是SPX1117M3-1. 8低压差线性稳压电源芯片，其输出供给处理器模块。所述环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。温湿度采集单元 SHT21数字式温湿度传感器和处理器模块的Inter — Integrated Circuit(I2C)总线相连，电源端和3. 3V电压转换电路相连；气压采集单元MS5607数字式气压计和处理器模块的串行外设接口 Gerial Peripheral hterface，SPI)相连，电源端和3. 3V电压转换电路相连。所述ZigBee无线通信模块的型号为HZ2012，该模块和处理器模块的通用异步串行接收 / 发送器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)接口相连，电源端和3. 3V电压转换电路相连。所述处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心，在其外围分别搭建了复位电路、晶振电路、JTAG电路以及ISP电路。并且处理器的各电源引脚均接有退藕电容，复位电路采用专用的复位芯片MAX811S。处理器的电源端和3. 3V电压转换电路、1. 8V电压转换电路相连；处理器模块SPI接口和气压采集单元相连；处理器模块的1 接口和温湿度采集单元相连；处理器模块的UART接口和ZigBee无线通信模块相连。本发明相比与现有技术，具有以下优势
1、设备使用方便，监测范围广。该设备可布置于暂时不便于铺设CAN总线的地方，能监测周围环境参数和中继周围无线传感器节点的数据。2、设备运行功耗低。节点设备的软硬件都采用低功耗设计，可在工艺现场长时间工作。3、设备数据处理速度快，升级潜力大。本发明采用了 ARM7内核的高性能处理器， 数据处理能力强，并且处理器的片上外设丰富，升级潜力大。4、设备成本低。相对于在复杂环境中铺设CAN总线的方法，本发明的成本更加低廉
MTv ο5、设备适应性强。节点设备各部件均采用符合工业级标准的器件，在恶劣环境下具有较强的适应性；充分考虑防潮、防腐、防爆、及本质安全等因素，采用防护等级IP66、防爆等级Ex ia IICT6的设计，使得事故发生后的设备生存能力强。
图1为本发明的电源管理模块电路原理图； 图2为本发明的环境参数采集模块电路原理图3为本发明的ZigBee无线通信模块电路原理图； 图4为本发明的处理器模块电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步描述
如图ι所示，电源管理模块包括7. 4V锂电池、5V电压转换电路、3. 3V电压转换电路、 1.8V电压转换电路。7. 4V锂电池的负极接地，正极和单刀双掷开关Sl的2引脚相连，单刀双掷开关Sl的3引脚悬空，1引脚和二极管Dl阳极相连，Dl的阴极和电源芯片U2的3引脚相连。5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DSl的阳极相连；钽电容 C24的负极、电源指示灯DSl的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3 引脚、电源芯片U4的3引脚相连。3. 3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯 DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地。1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片的U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2 引脚和钽电容ClO的正极、电源指示灯DS3的阳极相连；钽电容ClO的负极、电源指示灯DS3 的阴极均接地。如图2所示，环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U8的1引脚和处理器的沈引脚相连，6引脚和处理器的 22引脚相连；数字式温湿度传感器U8的5引脚和3. 3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U8的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器 U8的3、4引脚均悬空。气压采集单元核心数字式气压传感器U7的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的四引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器 U7的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U7的1引脚和3. 3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U7的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U7的2引脚相连。如图3所示，ZigBee无线通信模块U12的13引脚、15引脚、17引脚均和3. 3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地； ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的19引脚相连，20引脚和处理器的21引脚相连，其余引脚均悬空。如图4所示，处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容。处理器模块的核心处理器Ul的57引脚和复位芯片U5的2弓丨脚相连。复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3. 3V电压转换电路相连，电容Cll的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2 的一端相连，复位开关S2另一端接地。处理器Ul的61弓丨脚、62引脚分别和晶振电路相连。 晶振电路中晶振Yl的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容Cl、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地。处理器的JTAG接口和接插件JPl相连，其中处理器的20引脚和接插件JPl的3引脚相连，24引脚和接插件JPl的11引脚相连，52引脚和接插件JPl的7引脚相连，56引脚和接插件JPl的9引脚相连，57引脚和接插件JPl的15引脚相连，60引脚和接插件JPl的5引脚相连，64引脚和接插件JPl的13引脚相连；接插件 JPl的1引脚、2引脚均和3. 3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JPl的11引脚相连，另一端接地。处理器ISP接口 41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻Rl的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻Rl的另外一端和3. 3V电压转换电路相连。退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17弓丨脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7弓丨脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。 本发明的工作过程为合上单刀双掷开关Sl，锂电池输出的7. 4V电源电压通过5V 电压转换电路转换为5V电压，为3. 3V电压转换电路、1. 8V电压转换电路提供电源；3. 3V电压转换电路为处理器模块、温湿度采集单元、气压采集单元提供电源；1.8V电压转换电路为处理器提供电源。将设备布置于工艺现场后，设备可由温湿度采集单元和气压采集单元自动采集工艺现场的环境参数，然后通过ZigBee无线通信模块将上述采集到的信息发送至邻近的无线传感器节点或CAN总线传感器节点，同时该节点自身也能中继附近无线传感器节点的数据。 本发明提供了一种可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点，该节点可用于监测暂时不便铺设CAN总线地方的环境参数和设备参数，并能中继周围无线传感器节点数据。
权利要求
1.可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点，包括电源管理模块，环境参数采集模块，ZigBee无线通信模块和处理器模块，其特征在于所述的电源管理模块包括7. 4V锂电池、5V电压转换电路、3. 3V电压转换电路、1. 8V电压转换电路；锂电池的负极接地，正极和单刀双掷开关Sl的2引脚相连，单刀双掷开关Sl 的3引脚悬空，1引脚和二极管Dl阳极相连，Dl的阴极和电源芯片U2的3引脚相连；5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，负极接地；电源芯片U2的1 引脚接地，2引脚和钽电容CM的正极、电源指示灯DSl的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DSl的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片 U4的3引脚相连；3. 3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地；1. 8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片的U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容 ClO的正极、电源指示灯DS3的阳极相连；钽电容ClO的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地；所述的环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元；温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U8的1引脚和处理器的沈引脚相连，6引脚和处理器的22引脚相连；数字式温湿度传感器U8的5引脚和3. 3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U8的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U8的3、 4引脚均悬空；气压采集单元核心数字式气压传感器U7的6引脚和处理器的30引脚相连、 7引脚和处理器的四引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U7的4 引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U7的1引脚和3. 3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U7的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U7的2引脚相连；所述的ZigBee无线通信模块U12的13引脚、15引脚、17引脚均和3. 3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的19引脚相连，20引脚和处理器的21引脚相连，其余引脚均悬空；所述的处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容；处理器模块的核心处理器Ul的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连；复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3. 3V电压转换电路相连，电容Cll的一端和复位芯片的1 引脚连接，另外一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的一端相连，复位开关S2另一端接地；处理器Ul的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连；晶振电路中晶振Yl的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地；处理器的JTAG接口和接插件JPl相连，其中处理器的20引脚和接插件JPl的3引脚相连，24引脚和接插件JPl的11引脚相连，52引脚和接插件JPl的 7引脚相连，56引脚和接插件JPl的9引脚相连，57引脚和接插件JPl的15引脚相连，60 引脚和接插件JPl的5引脚相连，64引脚和接插件JPl的13引脚相连；接插件JPl的1引脚、2引脚均和3. 3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2 的一端和接插件JPl的11引脚相连，另一端接地；处理器ISP接口 41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻Rl的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻Rl 的另外一端和3. 3V电压转换电路相连；退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43 引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。
全文摘要
本发明涉及一种可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点。本发明包括电源管理模块，环境参数采集模块，ZigBee无线通信模块和处理器模块。电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心，在其外围分别搭建了复位电路、晶振电路、JTAG电路以及ISP电路。本发明使用方便，监测范围广。
文档编号H04W84/18GK102305641SQ201110136469
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者吴斌, 蒋鹏 申请人:杭州电子科技大学