CN101271616A - 一种基于ieee1451标准的无线智能传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEEE1451标准的无线智能传感器节点，包括普通传感器(实现原始物理参数采集)、与传感器电连接的信号转换模块(实现模拟信号到数字信号转换)、智能传感器接口模块(STIM：实现普通传感器的智能化)、与信号转换模块和智能传感器接口模块电连接的无线收发模块(实现传感器信号无线传输)。本发明具有以下特点：一是通过设置电子数据表格(TEDS)，可以实现普通传感器的即插即用；二是通过读取TEDS，可以实现普通传感器数据的远程校正；三是可以实现传感器数据的无线传输。

Description

一种基于IEEE1451标准的无线智能传感器节点

技术领域

本发明涉及一种基于IEEE1451.1与IEEE1451.2标准的无线智能传感器节点，重点在于实现普通传感器的即插即用和远程校正，以及数据的无线传输。

背景技术

多年来，工业设备的维修一直沿用“事后维修”或“计划维修”模式。这种传统维修模式造成增加设备总体故障率、浪费人力/物力以及降低设备的使用寿命等问题，已经越来越不能满足现代工业设备的维修需求。而基于状态的维修(CBM：Condition-based Maintenance)作为一种主动维修方式，正受到国内外的高度关注。

CBM通过获取实时的状态信息来判断和预测设备的健康状况，从而指导维修活动的实施，实现精确维修。因此，各种状态信号的准确测试和可靠传输是实现CBM的基础。当前，为了对设备状态信号进行采集和处理，一般通过线缆将普通传感器数据传输到中心处理单元。在这种方式下：一方面，大量线缆占据了使用空间、增加了成本；另一方面，由于设备工作环境的恶劣性，这些普通传感器需要经常校准以保持其精度，所带来的维护工作量十分巨大。因此，如何在无线缆条件下对传感器数据进行有效传输，同时保证其高精度是CBM系统需要解决的关键技术之一。

智能传感器标准IEEE1451为上述问题提供了一种有效的解决途径，其中IEEE1451.1和IEEE1451.2标准分别定义了智能传感器的软、硬件结构，特别是IEEE1451.2标准定义了电子数据表格(TEDS)。通过设置和读取TEDS，可以实现普通传感器的即插即用和测量数据的自我校正。本发明所涉及的无线智能传感器节点就是基于这两个标准设计的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于IEEE1451.1和IEEE1451.2标准的无线智能传感器节点，实现传感器的即插即用和远程校正，以及数据的无线传输。

本发明的无线智能传感器节点，包括普通传感器(实现原始物理参数采集)、与传感器电连接的信号转换模块(实现模拟信号到数字信号转换)、智能传感器接口模块(STIM：实现普通传感器的智能化)、与信号转换模块和智能传感器接口模块电连接的无线收发模块(实现传感器信号无线传输)。信号转换模块和STIM模块通过选用合适的微处理器来实现，TEDS数据的设置和读取通过微处理器的程序存储器和数据存储器来实现，无线收发模块通过选用射频芯片来实现。普通传感器连接到微处理器的通用I/O接口，进行传感器数据的读取与转换，微处理器与射频芯片之间通过SPI接口相连。远程终端收发模块通过射频方式与无线智能传感器节点进行通信，采集传感器的数据、设置和读取TEDS数据，实现传感器的即插即用和远程校正。

本发明具有如下特点：一是通过设置TEDS数据，可以实现普通传感器的即插即用；二是通过读取TEDS数据，可以实现普通传感器数据的远程校正；三是可以实现传感器数据的无线传输。

附图说明

图1是本发明无线智能传感器节点原理框图。

图2是STIM模块与无线收发模块连接示意图。

图3是nRF24E1与AT25320连接示意图。

图4是无线智能传感器节点软件流程图。

图5是无线收发模块软件流程图。

图6是无线智能传感器节点测试界面。

具体实施方式

如图1所示，本发明的无线智能传感器节点，包括若干普通传感器、信号转换模块、智能传感器接口模块(STIM)以及无线收发模块。信号转换模块和STIM模块选用ADI公司的单片机ADμC812，具有A/D转换接口并兼容SPI接口；无线收发模块选用Nordic公司的射频芯片nRF24E1及其外接数据存储器AT25320构成，nRF24E1兼容SPI接口。普通传感器与ADμC812芯片通过A/D接口或其它通用I/O口相连，ADμC812拥有32位的通用I/O口，可连接多个普通传感器。

TEDS数据存储在ADμC812芯片非易失性的数据存储器中。IEEE1451.2把TEDS分为8种，本发明实现了其中3种，分别为META_TEDS(总体TEDS)、CHANNEL_TEDS(通道TEDS)以及CALIBRATION_TEDS(校正TEDS)。

如图2所示，本发明针对IEEE1451.2标准规定的TII接口，在ADμC812与nRF24E1之间采用两者都兼容的SPI接口进行连接，包括主输入从输出线(MISO)、主输出从输入线(MOSI)、时钟线(SCLCK)、片选线(SS)以及地线(GND)，其中：MISO由ADμC812的INT1口与nRF24E1的DIN0口相连；MOSI由ADμC812的SDATA接口与nRF24E1的DIO1口相连SCLCK由ADμC812的SCLCK接口与nRF24E1的DIO0口相连；SS由ADUC812的ADC5口和nRF24E1的DIO3口相连。

无线收发模块由nRF24E1芯片与外部数据存储器AT25320构成，外部数据存储器AT25320用来存储nRF24E1中执行的程序，它与nRF24E1通过SPI接口连接。SPI接口使用时，AT25320的SO脚与nRF24E1的P1.2/DIN0脚连接，SCK脚与P1.0/DIO0脚连接，SI脚与P1.1/DIO1脚连接，CS脚与P0.0/DIO2脚连接，如图3所示。nRF24E1的天线设计参考Nodic公司设计方案，通过在电路板上敷铜来实现。

基于IEEE1451标准的无线智能传感器节点软件流程如图4所示，该程序存储在ADμC812的程序存储器中。节点上电复位后，首先进行初始化，并自动加载TEDS数据至片内数据存储器中；然后进入无限循环，查询无线收发模块是否接收到寻址命令，如果有则接收命令中的通道地址和功能地址，执行相应的子程序，如果没有则继续等待；最后返回，继续下一次循环。

无线收发模块的软件流程如图5所示，该程序存储在nRF24E1芯片的片外数据存储器AT25320中。上电后，该程序会自动加载到nRF24E1芯片的RAM中执行，主要包括两个功能：接收命令与发送数据。程序首先初始化nRF24E1，设置相关SFR寄存器；然后接收远程终端发送过来的命令，并将命令通过SPI接口传输到ADμC812中；同时，通过SPI接口接收ADμC812传输过来的数据，再将数据打包后，无线传输到远程终端。

远程终端的主要功能包括：向无线智能传感器节点中的无线收发模块发送命令；接收从无线收发模块传输过来的数据，如传感器数据、TEDS数据等；根据总体TEDS、通道TEDS数据确定传感器类型、采样频率、采样速率等；根据校正TEDS数据，确定数据校正类型、数据校正多项式的系数，并根据IEEE1451.2标准规定的方法和算法来校正采集的数据；设置传感器的TEDS数据，实现传感器的即插即用；图形化显示采集数据和TEDS数据，并保存采集的数据。

本发明的应用以采集温度和振动信号为例，温度传感器选择DALLAS公司的DS18B20，振动传感器选择ADI公司的ADXL210。DS18B20和ADXL210均为数字传感器，输出的是数字信号，不需经过A/D转换，直接连接到ADμC812芯片的通用I/O口上。ADXL210的X、Y轴两个方向输出分别作为传感器通道一和通道二，DS18B20的输出作为传感器通道三。本发明将DS18B20连接到ADμC812的P0.6口，将ADXL210的两路输出信号连接到ADμC812的P1.1和P1.2口。

图6为在远程终端上开发的无线智能传感器节点测试软件界面，测试时节点与远程终端之间的距离为5米，分别对三个通道的振动和温度传感器数据进行了采样，同时还读取了通道三的TEDS，对三个通道的传感器数据进行了远程校正。

综上所述，利用本发明的无线智能传感器节点，用户只需要启用相关命令，就可以实现振动、温度等信号的无线传输，同时可以实现传感器的即插即用和远程校正。

Claims (3)

1. 一种基于IEEE1451标准的无线智能传感器节点，包括普通传感器，其特征是还包括与普通传感器电连接的信号转换模块、智能传感器接口模块、与信号转换模块和智能传感器接口模块电连接的无线收发模块。

2. 根据权利要求1所述的无线智能传感器节点，其特征是信号转换模块、智能传感器接口模块采用单片机。

3. 根据权利要求1或2所述的无线智能传感器节点，其特征是无线收发模块由射频芯片及其外接数据存储器构成。

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