CN100472572C - 一种实现低功耗无线监测的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现低功耗无线监测的装置,包括:传感器、数据调理采集处理模块、无线通信模块及电源模块,数据调理采集处理模块根据自身预先设定的周期触发传感器采集信号,完成数据采集和过采样模数转换、数字信号处理、以及数值计算,并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果不大于预先设定的报警值,将数值计算得到的结果存储后将自身置于休眠状态;如果大于预先设定的报警值或输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,数据调理采集处理模块触发无线通信模块,无线通信模块将采集的所有数值传输给中心网关或路由器后继续进入休眠状态。应用本发明能够有效降低装置的功耗,提高传输信号的抗干扰能力和传输可靠性。

Description

一种实现低功耗无线监测的装置
技术领域
本发明涉及无线监测技术,特别涉及一种实现低功耗无线监测的装置。
背景技术
传感器广泛应用于监测领域,通过在机械设备、桥梁、建筑物等的关键部位上在线永久安装传感器或定期巡检的方式,获取监测关键部位或设备运行状况参数,监测关键部位或设备运行状况,进行故障诊断分析或报警。
对于以巡检进行监测的方式,需要监测人员定期携带传感器等监试工具,在现场对多个监测点安装传感器,逐一进行采集,然后把采集的信息记录并带回进行分析和处理。这种方式,需要监测人员具备一定的相关知识;而且,对于具有很多监测点的现场信息采集,完成一次全面的巡检则需要花费较长的时间,因此巡检的周期间隔不可能太短,从而不能获得监测点全面的工作状态数据,不适合进行监测点较多的情形。
对于在线永久安装传感器的方式,传感器固定在关键部位或设备上,采集信号通过线缆传输到监控中心,监控中心再对采集的信号进行监测分析和处理。因此,需要在监测现场与监控中心之间布设线缆,如对工业机械设备进行监测,需要通过在工业现场对线缆进行地沟处理;对于桥梁或建筑物,则在施工阶段需要预埋传输线缆。这种方式,现场布线施工复杂,需要数量众多的线缆,传感器安装极其不方便;而且,一旦传感器和线缆安装完成,很难增加或改变监测点;同时,传感器采集的信号为模拟信号,不适宜长距离传输,容易受到干扰,影响测量精度,产生误报。
为了解决传感器模拟信号传输问题,常用的改进方法是,通过采用光纤,总线等技术增加信号传输距离,但这并不能完全省去传输线缆。
随着无线技术的发展,目前利用蓝牙、WI-FI、数传电台等无线传输技术,通过采用无线网络传输传感器信号,有效地节省了现场布线的线缆以及对线缆复杂的布线施工处理,但与此同时,由于蓝牙、WI-FI、数传电台等无线传输技术自身存在的一些不足,如功耗大、抗干扰能力差、网络容量小、网络扩展性较差、成本高,不适合于包括大规模传感器的无线传感器网络应用。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例的一个主要目的在于提供一种实现低功耗无线监测的装置,降低无线监测中的功耗。
为达到上述目的,本发明实施例提供了一种实现低功耗无线监测的装置,该装置包括:传感器、数据调理采集处理模块、无线通信模块及电源模块,其中,
传感器,根据数据调理采集处理模块输出的触发信号,采集监测点信息,并将采集信号输出至数据调理采集处理模块,并由数据调理采集处理模块在不采集时置于休眠模式,所述传感器为振动加速度传感器;
数据调理采集处理模块,包含调理滤波子模块、主处理子模块及定时子模块,其中,
调理滤波子模块,根据主处理子模块输出的触发信号进行触发,并向传感器输出触发信号,触发传感器采集信号;接收传感器输出的采集信号,对采集信号进行调理滤波、获得监测所需的带宽,将调理滤波后信号输出至主处理子模块;
主处理子模块,根据定时子模块预先设定的周期触发,用于对调理滤波子模块输出的信号进行过采样模数转换、数字信号处理、以及数值计算,并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果不大于设定的报警值,将数值计算得到的结果进行存储后将自身置于休眠状态;如果数值计算得到的结果大于预先设定的报警值,或所述输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,输出触发信号触发无线通信模块并将数值计算得到的结果输出至无线通信模块;
定时子模块,用于存贮系统参数和临时采样数据,按预先设定的周期触发主处理子模块,以及,当数值计算得到的结果大于预先设定的报警值或所述输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,输出触发信号触发无线通信模块;
无线通信模块,采用IEEE802.15.4标准进行传输,根据数据调理采集处理模块输出的触发信号,接收数据调理采集处理模块输出的数值计算得到的结果,发送至外部的中心网关或路由器,接收中心网关或路由器发送的控制参数,输出至数据调理采集处理模块,对所述数据调理采集处理模块预先设定的周期和预先设定值进行更新,当完成接收和发送任务后,转入休眠状态;
电源模块,用于提供传感器、数据调理采集处理模块及无线通信模块的工作电压。
较佳地,所述振动加速度传感器为微机电系统加速度传感器,或压电加速度传感器,或电荷加速度传感器,或内置电路压电加速度传感器。
所述调理滤波子模块包括阻容器,用于接收主处理子模块输出的触发信号进行触发;将传感器输出的采集信号滤波,获得监测所需的带宽,将调理滤波后信号输出至主处理子模块;
所述调理滤波子模块进一步包括电荷放大转换电路,用于将传感器的输出转换为电压信号并进行放大。
所述调理滤波子模块包括阻容器,用于接收主处理子模块输出的触发信号进行触发;将传感器输出的采集信号滤波,获得监测所需的带宽,将调理滤波后信号输出至主处理子模块;
所述调理滤波子模块进一步包括恒流电路,用于向传感器提供恒流源激励。
较佳地,所述调理滤波子模块为一阶阻容滤波器或2到8阶巴特沃兹滤波器。
所述调理滤波子模块包括配桥电阻和桥路激励电压电路,其中,
配桥电阻,用于将传感器输出的采集信号转换为电压信号,根据接收的传感器输出的采集信号变化引起自身电阻的变化,使流过该配桥电阻两臂的电流发生变化,输出与电阻变化成比例的电压信号;
桥路激励电压电路,用于接收主处理子模块输出的触发信号进行触发,为配桥电阻提供恒定的激励电压;
所述调理滤波子模块进一步包括放大器,用于接收配桥电阻输出的电压信号,进行放大,并输出至主处理子模块。
较佳地,所述主处理子模块包含A/D模数转换器和数值计算器,其中,
A/D模数转换器,用于对调理滤波子模块输出的信号进行模数转换,输出至数值计算器;
数值计算器,用于对模数转换后的数字信号进行数值计算,并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较。
较佳地,所述A/D模数转换器的采样速率不小于传感器有效使用频率范围的10倍。
较佳地,所述主处理子模块进一步包含数字滤波器,用于对模数转换后的数字信号进行数字滤波,进一步去除前端调理滤波子模块带入的干扰,输出至数值计算器。
所述数字滤波器为有限长冲激响应滤波器。
较佳地,所述主处理子模块进一步包含一个或多个积分子模块,用于对模数转换或数字滤波后的信号进行一次或多次积分。
所述数据调理采集处理模块进一步包含一个或多个积分子模块,用于对调理滤波子模块输出的信号进行一次或多次积分。
所述无线通信模块网络拓扑结构为星型网络、点对点网络、簇状树或网状网络,采用IEEE802.15.4标准的无线协议进行数据传输。
较佳地,所述无线通信模块进一步包含射频功率放大器和/或低噪声放大器,用于对收发信号功率进行放大。
较佳地,所述无线通信模块的收发天线为印刷电路板天线或贴片天线或鞭状天线。
较佳地,所述电源模块提供的直流电压为3V或3.3V,2.5V,1.8V或5V。
所述电源模块为微型振动发电机,利用压电原理收集结构产生的振动能量,转化为电量并存储在电容内,或为太阳能电池,用于将太阳能转化为电能并存储在电容内。
由上述的技术方案可见,本发明提供的实现低功耗无线监测的装置,数据调理采集处理模块根据预先设定的周期触发传感器采集信号,完成数据采集和过采样模数转换及数字信号处理、以及数值计算,将相应数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果不大于预先设定的报警值,则将数值计算得到的结果进行存储后将自身置于休眠状态;如果数值计算得到的结果大于预先设定的报警值、或输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,数据调理采集处理模块触发无线通信模块,无线通信模块采用IEEE802.15.4标准进行传输,将采集的所有数值传输给中心网关或路由器,同时询问中心网关或路由器有无需要发送的控制参数,若有,接收中心网关或路由器发送的控制参数,输出至数据调理采集处理模块,对数据调理采集处理模块预先设定的周期及预先设定值进行更新,当完成接收和发送任务后继续进入休眠状态,具有如下优点:
(1)完全不需要传输线缆,安装使用方便;
(2)传感器输出模拟信号传输距离短,经过模数转换,无线传输的已经是数字信号,抗干扰能力强;
(3)数据调理采集处理模块采用过采样技术,对数字信号进行有效的数字滤波,进一步增强了抗干扰能力;
(4)各模块采用超低功耗设计,在不工作时置置于休眠状态,具有非常低的电流消耗,使用两节普通干电池可以工作数年之久,维护周期大大延长,降低了维护成本;
(5)无线传输满足IEEE802.15.4标准,传输可靠性高,能组成庞大的无线传感器网络;
(6)可以使用微型振动发电机,利用压电原理收集结构产生的微弱振动能量,转化为电量存储在电容内,也可以使用太阳能电池,为各模块提供电源,做到真正的免维护。
附图说明
图1为本发明实施例实现低功耗无线监测的装置结构示意图。
图2为本发明实施例一实现低功耗无线监测的装置结构示意图。
图3为本发明实施例二实现低功耗无线监测的装置结构示意图。
图4为本发明实施例三实现低功耗无线监测的装置结构示意图。
图5为本发明实施例实现低功耗无线监测的方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明实施例提供的实现低功耗无线监测的装置,主要是通过数据调理采集处理模块按照预先设定的周期触发传感器采集信号,完成数据采集和过采样模数转换及数字信号处理、以及数值计算,将并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果不大于预先设定的报警值,将数值计算得到的结果存储后继续回到休眠状态;如果大于预先设定的报警值或是输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,数据调理采集处理模块触发无线通信模块,无线通信模块将数值计算得到的结果无线传输给中心网关或路由器。由于传输的是数字信号,提高了信号的抗干扰能力;各模块选用超低功耗的元器件,并采用了定时触发机制,使得各模块在不工作时,处于休眠状态,从而降低了各模块的功耗。
参见图1,图1为本发明实施例实现低功耗无线监测的装置结构示意图,该装置包含:传感器10、数据调理采集处理模块11、无线通信模块12和电源模块13;
传感器10,根据数据调理采集处理模块11输出的触发信号,采集监测点的现场信息,并将采集信号输出至数据调理采集处理模块11。
数据调理采集处理模块11,负责按预先设定的周期进行自身的触发,并向传感器10输出触发信号,触发传感器10采集信号;接收传感器10输出的采集信号,对采集信号进行调理滤波、过采样模数转换、数字信号处理、以及数值计算,并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果不大于预先设定的报警值,则将数值计算得到的结果进行存储后将自身置于休眠状态,等待下次的触发;如果数值计算得到的结果大于预先设定的报警值、或输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,则输出触发信号触发无线通信模块12,并将数值计算得到的结果输出至无线通信模块12。
无线通信模块12,采用IEEE802.15.4标准进行传输,根据数据调理采集处理模块11输出的触发信号触发,接收数据调理采集处理模块11输出的数值计算得到的结果,通过无线发送至外部的中心网关或路由器,接收外部的中心网关或路由器发送的控制参数,输出至数据调理采集处理模块11,对数据调理采集处理模块11预先设定的周期及预先设定值进行更新,当完成接收和发送任务后,转入休眠状态。
电源模块13,负责为传感器10、数据调理采集处理模块11及无线通信模块12提供工作电源。
传感器10、数据调理采集处理模块11、无线通信模块12和电源模块13组成一个无线传感器节点,不同的无线传感器节点通过中心网关或路由器形成一个无线传感器网络。
基于图1,下面举三个实施例,对在实现低功耗无线监测的装置中使用本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例一:
图2为本发明实施例一实现低功耗无线监测的装置结构示意图。参见图2,该装置包含:传感器10、数据调理采集处理模块11、无线通信模块12和电源模块13,其中,
传感器10,根据数据调理采集处理模块11输出的触发信号,采集监测点的现场信息,并将采集信息输出至数据调理采集处理模块11进行处理。
实际应用中,传感器10可以是对机械设备或桥梁等建筑物进行振动监测的振动加速度传感器,如微机电系统(MEMS,Micro Electron MechanicalSystem)加速度传感器,或压电加速度传感器,或者是其它类型如电荷或内置电路压电(ICP,Integrated-Circuit Piezoelectric)加速度振动传感器;还可以是进行温度、应变、位移或压力监测的温度传感器、应变传感器、位移传感器及压力传感器。传感器输出和监测物理量成等比例的电压信号。
本实施例中,传感器10选用振动加速度传感器,为了降低功耗,传感器10可进一步选用超低功耗的产品,如AD公司、FREESCALE公司、MSI公司等生产的适合于低频监测的具有零频响应、功耗低、体积小、成本低的MEMS或压电加速度传感器芯片系列产品,由电源模块13提供电源,其输出连接到数据调理采集处理模块11。传感器芯片休眠管脚连接到数据调理采集处理模块11控制端,由数据调理采集处理模块11在不采集的时候置入休眠模式。
传感器10还可以是适合于中高频监测的电荷或内置电路压电加速度传感器系列产品,电荷型传感器是无源元器件,不需要提供工作电源,ICP压电加速度传感器由调理滤波子模块21提供恒流源激励,ICP传感器在不采集的时候通过关断工作电源置于休眠模式。
数据调理采集处理模块11,包含调理滤波子模块21、主处理子模块24及定时子模块25,其中,
调理滤波子模块21,根据主处理子模块24输出的触发信号进行触发,用于将传感器10输出的采集信号进行调理滤波,获得监测所需的带宽,该调理滤波子模块21也可以由阻容滤波器构成,如果传感器10为ICP压电加速度传感器,则进一步向ICP压电加速度传感器提供恒流源激励,由主处理子模块24在不采集的时候关掉电源置于休眠模式。
本实施例中,调理滤波子模块21采用一阶阻容滤波器,通过调节阻容值获得监测所需的带宽;也可以采用2到8阶的巴特沃兹滤波器,对输入滤波器的信号进行抗混叠滤波。
如果传感器10为电荷加速度传感器,则调理滤波子模块21中还包含电荷放大转换电路(图中未示出),将传感器10的输出转换为电压信号并进行放大,也就是将传感器10输出的采集信号中包含的电荷量进行转换。
主处理子模块24,根据定时子模块25的预先设定的周期触发,预先设定的周期可以根据采样周期或实际监测的需要进行设定,如果传感器10有休眠管脚,通过休眠管脚触发传感器。包含A/D模数转换器240,用于对调理滤波子模块21输出的信号进行模数转换;数值计算器243,用于对模数转换后的数字信号进行数值计算,并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果不大于预先设定的报警值,则表明没有异常,将数值计算得到的结果进行存储后由定时子模块25将主处理子模块24触发置于休眠状态;如果数值计算得到的结果大于预先设定的报警值、或是输出给传感器10的触发信号次数达到预先设定值,将数值计算得到的结果输出至无线通信模块12。
A/D模数转换器240,可以使用主处理子模块24自带的12位A/D,如果需要更高的转换精度,也可以使用低功耗的16或24位A/D芯片,在不进行模数转换的时候置于休眠模式。本实施例中,设置A/D模数转换器240进行过采样,即采样速率高于传感器有效使用频率范围10倍以上,以提高A/D有效分辨率和抗干扰能力,降低被测频带内的噪声电压。
实际应用中,在调理滤波子模块21及A/D模数转换器240之间还可以包括积分子模块22(图中用虚线示出),如硬件积分电路,用于将采集和调理滤波后的振动加速度值进行积分,得到振动速度值,将振动速度值再进行积分,得到振动位移值,用于后续的数值比较。
实际应用中,主处理子模块24还可以包含数字滤波器241,用于对模数转换后的数字信号进行数字滤波,进一步去除前端调理滤波子模块21阶数较低而带入的干扰,可以采用有限长冲激响应(FIR,Finite ImpulseResponse)滤波器。
本实施例中,主处理子模块24采用TI公司的MSP430系列单片机。MSP430系列单片机是16位精简指令系统计算机(RISC,Reduced InstructionSet Computer)单片机,工作电流和休眠电流非常低,同时具备了强大的运算能力。调理滤波子模块21输出的信号,或硬件积分电路输出的信号,直接输出至主处理子模块24自带的12位模数转换器240转化为数字信号。
定时子模块25,用于按预先设定的采样周期触发平时处于深度休眠的主处理子模块24,以及,当数值计算得到的结果大于预先设定的报警值、或输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,触发无线通信模块12将采集的所有数值传输给中心网关或路由器,并接收无线通信模块12输出的控制参数,对自身预先设定的周期和预先设定值进行更新。
实际应用中,定时子模块25可以采用具有高精度实时时钟(RTC,RealTime Clock)和事件计数器的铁电存储器(FRAM,Ferroelectric RandomAccess Memory)存贮芯片,用以存贮系统参数和临时采样数据,其RTC调整后的精度可达2.17ppm,触发信号分别接入到主处理子模块24和无线通信模块12的相应管脚,按事件计数器设定的周期触发平时处于深度休眠的主处理子模块24和无线通信模块12,该芯片读写数据期间工作电流仅500微安,空闲时仅1微安。
无线通信模块12,采用基于IEEE802.15.4标准的无线协议进行数据传输,IEEE802.15.4标准主要针对工业、家庭自动化、传感器的无线数据采集和监控、油田、电力、矿山及物流管理等领域,具有功耗低、传输可靠性高、抗干扰能力强、网络容量大、能够自动组网等特点,非常适合于无线传感器网络应用,包括802.15.4物理层协议控制与数据收发芯片和802.15.4MAC层协议解析芯片。
802.15.4物理层协议控制与数据收发芯片,用于收发信机的扩频、编解码、正交移相键控(O-QPSK,Offset-Quadrature Phase Shift Keying)调制/解调、基带信号处理、信号上/下变频、数据射频发送与射频接收等。
802.15.4MAC层协议解析芯片,用于802.15.4MAC层协议解析,包括:建立网络拓扑结构连接;实现MAC层数据打包与解包功能;实现网络中的设备通过Coordinator、Router和End Device点对点数据互传;防止信号碰撞;对传感器节点实现时间同步;实现数据调理器和基站设备间数据链路的无缝接口;对数据实施保密控制等。
本实施例中,802.15.4物理层协议控制与数据收发芯片可以采用MC13192,802.15.4MAC层协议解析芯片采用MC9S08GT60;也可以将802.15.4物理层协议控制与数据收发芯片与802.15.4MAC层协议解析芯片进行集成,如采用TI公司的802.15.4协议集成芯片CC2430。
无线通信模块12的网络拓扑结构可采用星型网络、点对点网络、簇状树或网状网络等连接方式,同一网络可以容纳65000个传感器节点,采用多跳的传输方式,从而覆盖广阔的范围;也可根据用户具体需要,定制适合的网络连接。
实际应用中,无线通信模块12进行无线收发时,在发送通道和接收通道上还可以设置射频功率放大器及低噪声放大器,对收发功率进行放大,以增大节点间的通信距离。其发射接收天线可采用印刷电路板天线,也可以采用贴片天线或鞭状天线。
无线通信模块12在不工作时处于休眠状态,当主处理子模块24出现异常数值或输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,由定时子模块25触发,将主处理子模块24输出的异常信息和数值计算得到的结果传输至中心网关或路由器,同时询问中心网关或路由器有无其它的控制参数,如果接收到中心网关或路由器发送的控制参数,输出至定时子模块25,对定时子模块25内预先设定的周期及预先设定值进行更新,定时子模块25根据更新的周期开始定时;如果没有控制参数接收,由定时子模块25触发置于休眠状态。
电源模块13,用于提供传感器10、数据调理采集处理模块11及无线通信模块12所需的直流电压。
实际应用中,电源模块13可以采用普通干电池或锂电池,也可以采用太阳能电池,用于将太阳能转化为电能并存储在电容内,还可以采用微型振动发电机,利用压电原理收集结构产生的微弱振动能量,转化为电量,存储在电容内。
本实施例中,电源模块13提供的直流电压为3V,实际应用中,也可以根据传感器10、数据调理采集处理模块11及无线通信模块12的工作电压,提供不同的直流电压,如3.3V,2.5V,1.8V或5V。
实施例二:
在实施例一中,调理滤波子模块21包括积分子模块22,对调理滤波后的加速度值进行积分,得到速度值,将速度值再进行积分,得到位移值。实际应用中,如果应用于振动监测领域,也可以在主处理子模块24内设置积分子模块32(图中用虚线示出),如软件积分算法。图3为本发明实施例二实现低功耗无线监测的装置结构示意图。参见图3,与图2不同的是,从传感器10采集的信号,经过调理滤波子模块21进行调理滤波,输出至A/D模数转换器240进行模数转换,转换后的信号经数字滤波器241进行数字滤波,进一步去除前端调理滤波子模块21阶数较低而带入的干扰,滤波后的信号输出至积分子模块32,也就是利用软件积分算法进行一次积分或两次积分,得到振动的相关数值,输出至数值计算器243进行数值计算。
实施例三:
实施例一和实施例二中,传感器10为振动加速度传感器,实际应用中,传感器10也可以是进行温度、应变、位移或压力监测的温度传感器、应变传感器、位移传感器及压力传感器。图4为本发明实施例三实现低功耗无线监测的装置结构示意图。参见图4,与图2、图3不同的是,由于传感器10采用的是温度传感器、应变传感器、位移传感器或压力传感器,不再需要调理滤波子模块41和A/D模数转换器240之间的积分子模块22,或数字滤波器241和数值计算器243之间的积分子模块32;同时,调理滤波子模块41在结构和功能上也稍有不同,用于调理温度、应变、位移等桥路传感器并把测量物理量转换为电压信号。下面对调理滤波子模块41进行说明。
调理滤波子模块41,包含配桥电阻411、桥路激励电压电路412和放大器413,其中,
配桥电阻411,用于将传感器10输出的采集信号转换为电压信号,根据接收的传感器10输出的采集信号变化引起自身电阻的变化,使流过该配桥电阻411两臂的电流发生变化,亦即引起该配桥电阻411两臂电压差变化,输出与电阻变化成比例,也就是与电压差变化成比例的电压信号至放大器413;
桥路激励电压电路412,用于接收主处理子模块24输出的触发信号进行触发,为配桥电阻411提供恒定的激励电压;
放大器413,用于接收配桥电阻411输出的电压信号,进行放大,并输出至主处理子模块412。
由上述实施例可见,本发明实现低功耗无线监测的装置,通过定时子模块控制主处理子模块及无线通信模块的工作状态,主处理子模块控制传感器的工作状态,调理滤波子模块对传感器采集的信号进行调理滤波,或者再进一步利用积分子模块,获得振动加速度值、速度值及位移值,输出至A/D模数转换器,变为数字信号,在数字滤波器中进一步去除干扰后由数值计算器计算出有效数值;或者,采集的信号经调理滤波,输出至A/D模数转换器,变为数字信号,在数字滤波器中进一步去除干扰,再进一步利用积分算法,获得振动加速度值、速度值及位移值后由数值计算器计算出有效数值,并与预先设定的报警值进行比较,如果没有异常,将数值存储后由定时子模块触发将装置置于休眠状态。如果数值异常或定时子模块输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,定时子模块触发无线通信模块,无线通信模块将采集的所有数值传输给中心网关或路由器,同时询问中心网关有无其它的控制或采集命令,如果没有收到中心网关的命令,它将继续进入休眠状态,降低了装置的功耗,无线通信模块传输的为数字信号,抗干扰能力强,传输距离远,传输可靠性高,安装使用方便。
图5为本发明实施例实现低功耗无线监测的方法流程示意图。参见图5,该流程包括:
步骤501,无线监测装置上电,加入无线传感器网络,设置监测参数;
本步骤中,无线监测装置上电后,无线通信模块负责与中心网关或路由器通信,加入到无线传感器网络,中心网关或路由器将控制参数,如采样周期、采样间隔及预先设定值等参数,也就是定时子模块预先设定的周期参数及预先设定值参数传输给无线通信模块,无线通信模块输出至定时子模块。
步骤502,数据调理采集处理模块进入休眠模式;
步骤503,无线通信模块进入休眠模式;
步骤502~503中,定时子模块接收无线通信模块输出的控制参数,开始定时,将数据调理采集处理模块及无线通信模块置于休眠状态,以降低功耗。
步骤504,定时子模块定时判断:如果定时子模块定时到预先设定的周期,执行步骤505,如果定时子模块输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,执行步骤507,否则,返回步骤502;
步骤505,定时子模块触发数据调理采集处理模块,数据调理采集处理模块触发传感器,完成数据采集和数字信号处理计算;
本步骤中,定时子模块输出触发信号触发数据调理采集处理模块中的主处理子模块,主处理子模块触发传感器,传感器根据不同的监测目标和监测参数进行选择,开始信号采集,采集的信号经过调理滤波、积分、A/D模数转换、数字滤波以及数值计算,得到监测的相关数值。
步骤506,将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果没有异常,主处理子模块将数值存储在数值计算器后,返回步骤502,否则,执行步骤507;
本步骤中,根据不同的监测目标和监测参数,预先设定相应的报警值,具体来说,如果用于振动监测,预先设定的报警值可以是振动加速度值,也可以是振动速度值,还可以是振动位移值,如果预先设定的报警值为振动加速度值,则调理滤波后的信号不需要经过积分运算,如果预先设定的报警值为振动速度值或振动位移值,则调理滤波后的信号需要进行一次或两次积分运算;如果用于温度或压力或应变或位移监测,预先设定的报警值则为温度或压力或应变或位移相关参数;将计算得到的数值与预先设定的报警值进行比较,如果数值计算得到的结果不大于预先设定的报警值,则表明没有异常,主处理子模块将数值计算得到的结果存储在数值计算器后,进入休眠模式,以降低功耗。
步骤507,定时子模块触发无线通信模块,发送和接收相应数据;
本步骤中,当步骤506中数值比较出现异常或是定时子模块输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,定时子模块输出触发信号,触发无线通信模块,无线通信模块接收主处理子模块输出的异常信息和数值计算得到的结果,输出至中心网关或路由器,同时询问中心网关或路由器有无其它的控制参数,如果接收到中心网关或路由器发送的控制参数,更新定时子模块中的定时参数,即预先设定的周期和预先设定值,定时子模块根据更新的定时参数控制数据调理采集处理模块及无线通信模块的工作模式;如果没有收到中心网关或路由器的命令,发送完毕后将继续进入休眠状态。
以上举较佳实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1、一种实现低功耗无线监测的装置,其特征在于,该装置包括:传感器、数据调理采集处理模块、无线通信模块及电源模块,其中,
传感器,根据数据调理采集处理模块输出的触发信号,采集监测点信息,并将采集信号输出至数据调理采集处理模块,并由数据调理采集处理模块在不采集时置于休眠模式,所述传感器为振动加速度传感器;
数据调理采集处理模块,包含调理滤波子模块、主处理子模块及定时子模块,其中,
调理滤波子模块,根据主处理子模块输出的触发信号进行触发,并向传感器输出触发信号,触发传感器采集信号;接收传感器输出的采集信号,对采集信号进行调理滤波、获得监测所需的带宽,将调理滤波后信号输出至主处理子模块;
主处理子模块,根据定时子模块预先设定的周期触发,用于对调理滤波子模块输出的信号进行过采样模数转换、数字信号处理、以及数值计算,并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较,如果不大于设定的报警值,将数值计算得到的结果进行存储后将自身置于休眠状态;如果数值计算得到的结果大于预先设定的报警值,或所述输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,输出触发信号触发无线通信模块并将数值计算得到的结果输出至无线通信模块;
定时子模块,用于存贮系统参数和临时采样数据,按预先设定的周期触发主处理子模块,以及,当数值计算得到的结果大于预先设定的报警值或所述输出给传感器的触发信号次数达到预先设定值,输出触发信号触发无线通信模块;
无线通信模块,采用IEEE802.15.4标准进行传输,根据数据调理采集处理模块输出的触发信号,接收数据调理采集处理模块输出的数值计算得到的结果,发送至外部的中心网关或路由器,接收中心网关或路由器发送的控制参数,输出至数据调理采集处理模块,对所述数据调理采集处理模块预先设定的周期和预先设定值进行更新,当完成接收和发送任务后,转入休眠状态;
电源模块,用于提供传感器、数据调理采集处理模块及无线通信模块的工作电压。
2、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述振动加速度传感器为微机电系统加速度传感器,或压电加速度传感器,或电荷加速度传感器,或内置电路压电加速度传感器。
3、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述调理滤波子模块包括阻容器,用于接收主处理子模块输出的触发信号进行触发;将传感器输出的采集信号滤波,获得监测所需的带宽,将调理滤波后信号输出至主处理子模块;
所述调理滤波子模块进一步包括电荷放大转换电路,用于将传感器的输出转换为电压信号并进行放大。
4、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述调理滤波子模块包括阻容器,用于接收主处理子模块输出的触发信号进行触发;将传感器输出的采集信号滤波,获得监测所需的带宽,将调理滤波后信号输出至主处理子模块;
所述调理滤波子模块进一步包括恒流电路,用于向传感器提供恒流源激励。
5、如权利要求1或3或4所述的装置,其特征在于,所述调理滤波子模块为一阶阻容滤波器或2到8阶巴特沃兹滤波器。
6、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述调理滤波子模块包括配桥电阻和桥路激励电压电路,其中,
配桥电阻,用于将传感器输出的采集信号转换为电压信号,根据接收的传感器输出的采集信号变化引起自身电阻的变化,使流过该配桥电阻两臂的电流发生变化,输出与电阻变化成比例的电压信号;
桥路激励电压电路,用于接收主处理子模块输出的触发信号进行触发,为配桥电阻提供恒定的激励电压;
所述调理滤波子模块进一步包括放大器,用于接收配桥电阻输出的电压信号,进行放大,并输出至主处理子模块。
7、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述主处理子模块包含A/D模数转换器和数值计算器,其中,
A/D模数转换器,用于对调理滤波子模块输出的信号进行模数转换,输出至数值计算器;
数值计算器,用于对模数转换后的数字信号进行数值计算,并将数值计算得到的结果与预先设定的报警值进行比较。
8、如权利要求7所述的装置,其特征在于,所述A/D模数转换器的采样速率不小于传感器有效使用频率范围的10倍。
9、如权利要求7所述的装置,其特征在于,所述主处理子模块进一步包含数字滤波器,用于对模数转换后的数字信号进行数字滤波,进一步去除前端调理滤波子模块带入的干扰,输出至数值计算器。
10、如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述数字滤波器为有限长冲激响应滤波器。
11、如权利要求7或9所述的装置,其特征在于,所述主处理子模块进一步包含一个或多个积分子模块,用于对模数转换或数字滤波后的信号进行一次或多次积分。
12、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述数据调理采集处理模块进一步包含一个或多个积分子模块,用于对调理滤波子模块输出的信号进行一次或多次积分。
13、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述无线通信模块网络拓扑结构为星型网络、点对点网络、簇状树或网状网络,采用IEEE802.15.4标准的无线协议进行数据传输。
14、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述无线通信模块进一步包含射频功率放大器和/或低噪声放大器,用于对收发信号功率进行放大。
15、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述无线通信模块的收发天线为印刷电路板天线或贴片天线或鞭状天线。
16、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电源模块提供的直流电压为3V或3.3V,2.5V,1.8V或5V。
17、如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电源模块为微型振动发电机,利用压电原理收集结构产生的振动能量,转化为电量并存储在电容内,或为太阳能电池,用于将太阳能转化为电能并存储在电容内。
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