一种无线低功耗多中继透传装置的制作方法

本实用新型涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种无线低功耗多中继透传装置。

背景技术：

无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。其中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传输系统具有成本低廉、扩展性强、通信可靠、安装维护便捷等优点。

Zigbee等无线低功耗中继传输技术在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点。但其价格相对昂贵，其次协议占带宽的开销量对信道带宽要求较高，而这反过来会影响通讯距离和环境适应性，在实际应用中只好提高发射功率。在技术实现方面，协议开发难度很大，大多数协议还没开源，各家厂商通信协议互不兼容，极大的阻碍了设备的统一性。目前Zigbee抗干扰性差，信号衰减快，通信会出现不稳定的现象。

针对无线低功耗传输技术中存在的同频干扰问题、低功耗传输问题、中继透明传输问题还没有统一的解决方案，这些技术问题限制了已有无线低功耗传输技术在各类现场中的推广和应用。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种无线低功耗多中继透传装置，用于解决传统透传系统供电困难和同频干扰问题，有效提高网络可靠性，功耗低，使用太阳能锂电池即可保障供电。

具体技术方案如下：

一种无线低功耗多中继透传装置，包括无线主机、无线分机、无线中继透传模块、MCU控制电路、第一无线模块、第二无线模块、供电电路、外部存储器、上行无线模块、拨码开关、3.7V聚合物锂电池太阳能供电模块、下行无线模块，所述无线主机、所述无线分机和所述无线中继透传模块之间通过不同的频率子信道，采用两级唤醒机制，实现了低功耗中继透传机制，所述无线主机内设置有所述MCU控制电路、所述第一无线模块、所述第二无线模块、所述供电电路和所述外部存储器，用于定时发送巡检指令，接收、存储、转发所述无线分机和所述无线中继透传模块返回的数据，其中所述MCU控制电路分别连接所述第一无线模块、所述第二无线模块和所述外部存储器；所述无线分机内设置有所述MCU控制电路、所述上行无线模块、所述拨码开关和所述3.7V聚合物锂电池太阳能供电模块，用于接收所述无线主机、所述无线中继透传模块发来的指令，将采集的各类传感器数据回传给所述无线主机，其中所述MCU控制电路分别连接所述上行无线模块、所述拨码开关和所述3.7V聚合物锂电池太阳能供电模块；所述无线中继透传模块内设置有所述MCU控制电路、所述上行无线模块、所述下行无线模块和所述3.7V聚合物锂电池太阳能供电模块，位于无线主机和无线分机的有效通信范围内，用于实现无线主机到无线分机之间透明的数据转发，其中所述MCU控制电路分别连接所述上行无线模块、所述下行无线模块和所述3.7V聚合物锂电池太阳能供电模块；

优选的，所述MCU控制电路中的MCU型号为STM32F103RB；

优选的，所述第一无线模块和所述第二无线模块均采用射频发射器SI4432芯片，其中所述第一无线模块通过SPI总线1与MCU通信连接，所述第二无线模块通过模拟SPI总线与MCU通信连接；

优选的，所述无线主机的所述外部存储器采用TF卡，通过SPI总线2与MCU通信连接；

优选的，所述第一无线模块线射频芯片的引脚SDN、NIRQ、NSEL、SCLK、MOSI、MISO分别和STM32F103RB的引脚PA3、PA0、PA4、PA5、PA6、PA7通信连接，所述第二无线模块射频芯片的引脚SDN、NIRQ、NSEL、SCLK、MOSI、MISO分别和STM32F103RB的引脚PC8、PC9、PC10、PA11、PA12、PA13通信连接；

优选的，所述外部存储器的引脚CS、DI、DO、SCLK分别通过上拉之后和STM32F103RB的引脚PB12、PB15、PB14、PB13通信连接；

优选的，所述无线分机的无线模块可以通过所述拨码开关配置在不同的频率，使其处在不同的子信道；

优选的，所述无线中继透传模块和所述无线分机均采用所述3.7V聚合物锂电池太阳能供电模块，由3.7V聚合物锂电池、电池充放电保护模块、太阳能电池板电压转换模块构成。

有益效果：

本实用新型主机不巡检时，分机MCU处于停机模式，上线无线模块处于低功耗状态，下行无线模块处于关闭状态，只有收到主机第一无线模块的唤醒包，被唤醒之后MCU才处于正常工作模式，下行无线模块处于一个短暂接受状态，则实现了低功耗，更为省电。一个分机处在两个以上中继的通信范围，此时两个中继会相互协作，都会向其转发主机的唤醒包，采集到分机的指令后两个中继也都会向主机回传数据，这样使用多个中继，保证了通信的稳定。分机通过拨码开关频率可调，处于不同的子信道，在现场有同频干扰的情况下，可以有效避开干扰频率。中继会根据网络拓扑结构，进行选择性转发，提高主机巡检速度，从而实现高效率的工作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：无线低功耗多中继透传装置现场网络拓扑结构图；

图2：无线低功耗多中继透传装置通信框架实施例；

图3：无线低功耗多中继透传装置数据转发模型实施例；

图4：无线低功耗多中继透传装置MCU控制电路及时钟电路原理图；

图5：无线低功耗多中继透传装置手动下载电路原理图；

图6：无线低功耗多中继透传装置双片射频电路的电路原理图；

图7：无线低功耗多中继透传装置主机外部存储器电路原理图；

图8：无线低功耗多中继透传装置无线分机拨码开关电路原理图；

图9：无线低功耗多中继透传装置无线中继透传装置和无线分机锂电池充放电保护电路原理图；

图10：无线低功耗多中继透传装置无线主机、无线中继透传模块供电电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参看图1：无线低功耗中继透传模块，按照120度夹角分布在主机的三个方向，分机随机布置。根据通信距离和使用天线增益的不同，无线分机1既能与无线主机双向通信也能与无线中继透传模块1双向通信，无线分机2只能与无线中继透传模块1双向通信不能与无线主机直接通信，无线分机3只能与无线主机单向通信，但此时由于所处的位置，其既能与无线中继透传模块1双向通信也能与无线中继透传模块2双向通信。图中的其他无线分机与无线主机的通信类型为上述之一，不同之处在于能否与多个无线中继透传模块通信。

参看图2：无线主机巡检时无线主机第一无线模块与无线中继透传模块的上行无线模块在一个固定信道通信，利用时分复用技术，在不同的时隙下无线主机第二无线模块和无线分机下行无线模块使用不同的频率在不同的子信道下完成不同频率分机数据的采集和转发工作。该装置不工作时，中继MCU处于停机模式，中继上行无线模块处于低功耗模式，下行无线模块处于关闭状态，分机MCU处于停机模式，无线模块处于低功耗状态。当主机巡检各分机时，分机按时隙返回数据。当主机与各无线分机处于有效通信范围内时，中继不工作继续保持低功耗状态。在复杂的现场条件下针对传统的单天线或者双天线中继传输装置供电困难，并且无法保证数据传输效率，中继过多带来的额外开销问题，提出的无线低功耗多中继透传传输系统。本实用新型的无线低功耗多中继透传系统可以有效、便捷地排除同频干扰，使用3.7V聚合物锂电池太阳能供电模块即可保证无线中继透传模块和无线分机供电，安装方便，并且会根据现场的网络拓扑结构选择性转发实现高效率的工作。

参看图3：双向箭头表示两个模块之间会相互发送数据，单向箭头表示在该网络拓扑结构下只有起点向终点发送数据。无线主机开始巡检时，第一无线模块发送唤醒包1，第二无线模块切换到需要巡检无线分机的子信道发送唤醒包2，其中唤醒包1有一个字节表示需要巡检的无线分机号，唤醒包2中包含采集指令。3个无线中继透传模块上行模块收到唤醒包1后，提取出需要巡检的无线分机号，并配置下行无线模块到该无线分机号所对应的子信道，并短暂保持接收状态。无线主机巡检1号无线分机时，1号无线分机与无线主机互在通信范围之内，此时无线主机第二无线模块和无线中继透传模块1下行模块都会收到1号无线分机回传的数据包，无线主机第二无线模块收到无线分机数据包后通过第一无线模块发送确认信息到3个无线中继透传模块的上行模块，此时无线中继透传模块1虽然收到了无线分机1的数据但不转发，之后3个无线中继透传模块直接回到低功耗模式以提高通信效率。无线主机巡检2号无线分机时，无线主机与无线分机2互在通信范围之外，在第一个时隙内无线中继透传模块下行无线模块没有收到来自无线分机2回传的数据包，此时无线中继传输装置下行无线模块根据上行无线模块收到的唤醒包1生成唤醒包2并转发给无线分机2，在第二个时隙无线中继透传模块1上行无线模块再转发下行无线模块收到的来自无线分机2的数据包到无线主机第一无线模块，无线主机收到来自无线中继传输装置1的数据包后，通过下行无线模块发送确认信息到所有无线中继透传模块，接着3个无线中继透传模块都回到低功耗模式。无线主机巡检3号无线分机时，由于无线分机是低增益天线，无线主机在无线分机的有效通信范围之外，因此无线主机第一无线模块没有确认信息给无线中继透传模块上行模块，且无线中继透传模块1和无线中继透传模块2上行无线模块都会收到来自无线分机3的数据包，此时，两个无线中继透传模块相互协作，向无线主机转发无线分机3的数据，回到低功耗模式。为保证供电，无线主机巡检完成后无线低功多中继透传系统的无线中继透传模块MCU回到停机模式，上行无线模块切换到低功耗状态，下行无线模块直接关闭，无线分机MCU回到省电模式，无线模块处于低功耗状态。

结合图5，图6，参看图4：无线低功耗多中继透传系统无线主机和无线中继透传模块MCU控制电路、手动下载电路和无线射频电路，该MCU控制电路包括STM32F103RB和其外围电路。上行和下行无线通信模块均使用射频发射器SI4432芯片，其中上行无线模块通过MCU的SPI接口1通信连接，下行无线模块通过MCU模拟通信连接。优选实施例中，上行无线通信模块SI4432的引脚SDN、NIRQ、NSEL、SCLK、MOSI、MISO分别和STM32F103RB的引脚PA3、PA0、PA4、PA5、PA6、PA7通信连接，下行无线通信模块SI4432的引脚SDN、NIRQ、NSEL、SCLK、MOSI、MISO分别和STM32F103RB的引脚PC8、PC9、PC10、PA11、PA12、PA13通信连接，中继和主机的电路设计相同。

参看图7：无线低功耗中继透传装置无线主机外部存储器电路，使用TF卡通过SPI接口2与无线主机MCU通信连接。

参看图8：无线低功耗中继透传装置无线分机拨码开关电路，可以通过该拨码开关灵活配置无线分机所处的频率，使其处于不同的信道。

结合图10，参看图9：无线低功耗多中继透传系统无线中继透传装置锂电池充放电电路、MCU和无线模块供电电路，以及无线主机MCU和无线模块供电电路。

本实用新型可以多中继协作通信，解决传统透传系统供电困难和无法解决同频干扰问题，有效提高网络可靠性，根据网络拓扑结构高效率的转发，功耗低，使用太阳能锂电池即可保障供电，具有很强的实用性。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。