CN101718971A - 车载无线传感器定点自动投放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载无线传感器定点自动投放装置，可以实现无线传感器的精确定点投放，让无线传感器具有最佳的覆盖范围，更好地获取未知环境里面的各种数据信息，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

车载无线传感器定点自动投放装置

技术领域

本发明涉及自动控制、传感器、电子技术领域，特别是涉及一种车载无线传感器定点自动投放装置。

背景技术

无线传感器网络，作为新一代的传感器网络，由于其具有体积小、计算成本低、可以感知周围复杂环境信息等优点，被广泛应用于包括军事、医疗、环境监测等各种领域。例如在环境监测领域，无线传感器网络可以采集人们所关注的环境数据，以及监测海洋、大气及农作物土壤酸碱度等，还有在高尔夫球场，放置若干无线传感器，可以实时监测球场的草皮状况，更好的保护球场草皮；在医疗应用领域，无线传感器网络可以实时监测居住者的重要生理信息数据，包括血压，呼吸等；在军事应用领域，无线传感器网络可以应用于恶劣环境下，敌情的侦查和兵力探测等，此外，无线传感器网路还可以应用于矿井瓦斯浓度监测，最大限度地降低瓦斯爆炸的可能性。

传感器放置问题是传感器网络研究的核心问题之一，目前已有的无线传感网路，无线传感器节点都是基于一种位置固定的工作模式，即传感器节点都是事先人为设置，位置已知的，但是在许多潜在的应用领域，如军事、勘探等领域，需要在一定的区域内，精确快速的布置若干的无线传感器节点，这就需要进入此环境的自动装置，如机器人，自动车辆等，可以根据实际应用的需要，实现自主的无线传感器精确定点投放。为了实现这一目标，进入此区域的自主装置，需要装载具有实现无线传感器节点的精确定点投放设备。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种车载无线传感器定点自动投放装置，可以实现无线传感器的精确定点投放，让无线传感器具有最佳的覆盖范围，更好地获取未知环境里面的各种数据信息，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种车载无线传感器定点自动投放装置，包括互相连通的储弹仓10和投放仓20，所述储弹仓10位于投放仓20的上方；

所述储弹仓10内存储有多个无线传感器2，所述储弹仓10中插入有第一挡板21和第二挡板22，该第一挡板21和第二挡板22分别位于所述储弹仓10中高度最低的无线传感器2的左右或者上下两侧，所述第一挡板21和第二挡板22分别与第一电机31、第二电机32相连接；

所述投放仓20中插入有第三挡板23，所述第三挡板23顶部放置有一个无线传感器2，所述第三挡板23与一个第三电机33相连接。

优选地，所述第三电机33、第二电机32和第一电机31与一个投放控制器相连接，所述投放控制器用于接收外部输入的投放命令，并根据该投放命令，控制第三电机33、第二电机32和第一电机31的具体运行，让第三电机33、第二电机32和第一电机31分别控制第三挡板23、第二挡板22和第一挡板21进行运动，实现将无线传感器进行投放。

优选地，所述投放控制器包括有：

串口通信模块，用于接收外部输入的投放命令，然后发送给中央处理器模块；

中央处理器模块，与串口通信模块，用于根据外部输入的投放命令，给步进电机驱动控制模块发送用于驱动第三电机33、第二电机32和第一电机31转动的驱动脉冲信号以及控制各个电机转动方向的控制信号，控制步进电机驱动控制模块的运行；

步进电机驱动控制模块，与中央处理器模块相连接，用于根据所接收到的驱动脉冲信号以及控制各个电机转动方向的控制信号，控制第三电机33、第二电机32和第一电机31的运行，让第三电机33、第二电机32和第一电机31分别控制第三挡板23、第二挡板22和第一挡板21进行运动，最终实现将无线传感器进行投放；

电源模块，分别与串口通信模块、中央处理器模块、步进电机驱动控制模块相连接，用于给这些模块分别进行供电。

优选地，所述串口通信模块为采用RS232串行通信接口的模块，所述中央处理器模块为单片机ATmega8L。

优选地，所述第三电机33、第二电机32和第一电机31为步进电机。

优选地，所述第三电机33、第二电机32和第一电机31为混合式四相步进电机，该步进电机具有的步进角度为1.8度。

优选地，所述储弹仓10与水平面之间的夹角为锐角，所述投放仓20与水平面相垂直。

优选地，所述储弹仓10与所述水平面之间的夹角为30度。

优选地，所述储弹仓10和投放仓20之间相连接部位为开口向上的弧形滑道30。

优选地，所述第一挡板21、第二挡板22和第三挡板23分别与第一电机31、第二电机32、第三电机33的驱动轴用一条传送线相连接。

由以上本发明提供的技术方案可见，本发明与现有技术相比，本发明提供了一种车载无线传感器定点自动投放装置，可以实现无线传感器的精确定点投放，让无线传感器具有最佳的覆盖范围，更好地获取未知环境里面的各种数据信息，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种车载无线传感器定点自动投放装置的结构示意图；

图2为本发明提供的一种车载无线传感器定点自动投放装置中投放控制器的结构示意图；

图3为本发明提供的一种车载无线传感器定点自动投放装置中投放控制器具有的串口通信模块的电路图；

图4为本发明提供的一种车载无线传感器定点自动投放装置中投放控制器具有的中央处理器模块的电路图；

图5为本发明提供的一种车载无线传感器定点自动投放装置中投放控制器具有的步进电机驱动控制模块的波形分配和功率放大电路的电路图；

图6为第一步进电机正转的时序图；

图7为第一步进电机反转的时序图；

图8本发明的步进电机驱动控制模块中能量管理电路的电路图；

图9为本发明提供的投放控制器所具有的电源模块的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明提供了一种车载无线传感器定点自动投放装置，安装在车辆以及其他可移动的装置上，该装置包括互相连通的储弹仓10和投放仓20，所述储弹仓10位于投放仓20的上方，所述储弹仓10内存储有三个无线传感器2，所述储弹仓10与水平面之间的夹角为锐角；

需要说明的是，所述储弹仓10内不限于具有上述的三个无线传感器2，还可以是具有任意多个无线传感器2；

所述投放仓20与水平面相垂直，所述投放仓20用于将无线传感器2进行垂直下落投放，从而可以防止发生现有一般的滑动投放器因滑动带来的无线传感器投放位置不确定问题；

参见图1，所述储弹仓10和投放仓20之间相连接部位为开口向上的弧形滑道30，当然，所述弧形滑道30的形状、大小与无线传感器2相对应匹配，从而无线传感器从储弹仓10向投放仓20滑动时，不会出现翻转的情况；

在本发明中，所述储弹仓10为一个纵截面形状为U形的长条形凹槽，所述投放仓20的横截面形状为矩形；具体实现上，所述储弹仓10与所述水平面之间的夹角优选为30度；

在本发明中，所述储弹仓10中储存有多个无线传感器2，所述储弹仓10从底部插入有第一挡板21和第二挡板22，该第一挡板21和第二挡板22分别位于所述储弹仓10中高度最低的无线传感器2的左右两侧，所述第一挡板21和第二挡板22可贯穿储弹仓10底部进行上下运动，即所述第一挡板21和第二挡板22可以控制插入到储弹仓10中的长度

所述储弹仓10的底部还设置有第一电机31和第二电机32，所述第一挡板21和第二挡板22分别与第一电机31、第二电机32相连接，从而所述第二挡板22和第一挡板21分别随着第二电机32、第一电机31的转动而被拉动；

具体实现上，所述第一挡板21和第二挡板22分别与第一电机31、第二电机32的驱动轴用一条传送线(如棉线)相连接，所述两条传送线分别缠绕在第一电机31、第二电机32的驱动轴上，从而当第一电机31、第二电机32旋转运行时，在电机驱动轴的作用下传输线的长度发生变化，从而可以分别带动第一挡板21和第二挡板22进行上下运动；

参见图1，所述投放仓20的左侧壁水平插入有第三挡板23，所述第三挡板23顶部放置有一个无线传感器2，该无线传感器2位于所述投放仓20内，所述投放仓20的左侧壁上还设置有第三电机33，所述第三电机33与第三挡板23相连接，所述第三挡板23也可以随着第三电机33的转动而被拉动；

具体实现上，原理同上所述，所述第三挡板23与第三电机33的驱动轴用一条传送线(如棉线)相连接，该传输线一端固定在第三挡板上，另一端缠绕在第三电机33的驱动轴上，从而当第三电机33旋转运行时，在电机驱动轴的作用下传输线的长度发生变化，从而可以分别带动第三挡板23进行左右运动；

在本发明中，所述第一电机31、第二电机32和第三电机33都与一个投放控制器相连接，所述投放控制器用于接收外部输入的投放命令，并根据该投放命令，控制第一电机31、第二电机32和第三电机33的具体运行，让第一电机31、第二电机32和第三电机33分别控制第一挡板21、第二挡板22和第三挡板23进行运动，实现将无线传感器进行投放。

需要说明的是，在本发明中，所述第一电机31、第二电机32和第三电机33为步进电机。

具体运用上，如果在某一时刻，投放控制器接收到外部输入的投放载体的投放命令，

那么，投放控制器首先让第三电机33运动，由第三电机33拉动第三挡板23往左移动，这样原本位于第三挡板23上方的无线传感器2在重力的作用下将垂直掉落到地面，从而完成一个无线传感器2的定点投放

然后第二电机32拉动第二挡板22向下移动，这样原本位于第二挡板22和第一挡板21中间的无线传感器2在重力的作用下沿着储弹仓10并经过弧形滑道30逐渐自动滑到投放仓20中，然后第二电机32带动第二挡板22上行而恢复到正常插入状态，接着第一电机31运动，带动第一挡板21向下移动，这样原本被第一挡板21阻挡的无线传感器2在重力的作用下，最上面一个无线传感器2会沿着储弹仓10滑动，滑落到第二挡板22和第一挡板21中间，而后第一电机31带动第一挡板21上行，并恢复到正常插入状态，从而把后面依次到来的其他无线传感器2(位于储弹仓10所示的三个无线传感器左边的其他未显示出的无线传感器)挡住。

重复进行上述操作，即可不断进行无线传感器的投放操作，实现自动投放无线传感器，让无线传感器具有最佳的覆盖范围，更好地获取未知环境里面的各种数据信息。

在本发明中，参见图2，本发明的投放控制器包括有：串口通信模块101、中央处理器模块102、步进电机驱动控制模块103以及电源模块104，其中：

串口通信模块101，用于接收外部输入的投放命令，然后发送给中央处理器模块；

中央处理器模块102，与串口通信模块，用于根据外部输入的投放命令，给步进电机驱动控制模块发送用于驱动第三电机33、第二电机32和第一电机31转动的驱动脉冲信号以及控制各个电机转动方向的控制信号，控制步进电机驱动控制模块的运行；

步进电机驱动控制模块103，与中央处理器模块相连接，用于根据所接收到的驱动脉冲信号，控制第三电机33、第二电机32和第一电机31的运行，让第三电机33、第二电机32和第一电机31分别控制第三挡板23、第二挡板22和第一挡板21进行运动，最终实现将无线传感器进行投放；

电源模块104，分别与串口通信模块、中央处理器模块、步进电机驱动控制模块相连接，用于给这些模块分别进行供电；

在本发明中，所述串口通信模块101串口通信主要完成控制器与外界信息交互，如获取投放命令，回馈无线传感器投放与否等。

在本发明中，所述串口通信模块101优选为采用RS232串行通信接口的模块，由于RS232电平，其规定逻辑“1”表示的电平为低于-3V，而逻辑“0”表示电平为高于+3V，与TTL电平不一致，因此需要进行电平转换，参见图3所示的电平转换电路，在本发明中，电平转换电路优选为采用SP3232ECT芯片。在图3中，电容C1、C2、C3、C4、C5为SP3232ECT工作的辅助元件，图3中的RXD和TXD分别连接图4所示中央处理器模块中的通用异步收发传输器(UART)的通信引脚RXD和TXD，其中，RXD为数据接收端，TXD为数据发送端。

在本发明中，参见图4，所述中央处理器模块102优选为选用性价比高的Atmel高性能单片机ATmega8L；

需要说明的是，该单片机ATmega8L支持在线编程，可方便地进行程序测试和软件升级，且Atmel系列的单片机有成熟的开发编译环境，具有开发周期小，效率高等优点。该单片机自带512字节EEPROM，便于实现各种设置数据和适时数据断电保护。

如图4所示，在中央处理器模块102中，由R1和C6构成单片机外部复位电路，Y1、C10、C11构成系统时钟源，Motor_Power为电机能量控制端口。U/DA、CLKA、U/DB、CLKB、U/DC、CLKC作为第一电机、第二电机、第三电机的控制接口。

由于在实际应用中，电子部件不可避免的会受到各种各样的电磁干扰，当这些干扰作用于单片机内部CPU时，就可能导致系统失控，导致程序在地址空间“乱飞”，最终导致程序陷入“死循环”，为了使程序摆脱“死循环”，本发明采用硬件“看门狗”电路，来检视程序的运行状态，当程序陷入死循环，且运行时间超过了看门狗电路规定的延时要求，监视电路便发出复位信号，使单片机的纳入正常运行轨道。具体实现上，在本发明中，所述中央处理器模块102优选为选用自带看门狗电路的单片机ATmega8L，从而具有“看门狗”的功能。

在本发明中，作为负载的驱动，所述第三电机33、第二电机32和第一电机31优选为选用混合式四相步进电机35BYG007，该步进电机具有的步进角度为1.8度。

相应地，本发明具有的步进电机驱动控制模块103中包括有波形分配和功率放大电路，参见图5所示。

图5中的波形分配电路主要完成步进电机四相输入波形分配，如图5所示，U2、U4和U5为三个步进电机(即第三电机33、第二电机32和第一电机31)的波形分配器，本发明的波形分配器优选为PMM8713，如图所示，每个波形分配器有两个控制输入，一个为方向控制，一个为驱动脉冲输入，具体如下：U2为第一步进电机31的波形分配器，U/DA为第一步进电机31的方向控制端子，连接CPU PC0口，CLKA为第一步进电机31的驱动脉冲输入，连接CPU PB1口；U4为第二步进电机32的波形分配器，U/DB为第二步进电机32的方向控制端子，连接CPU PC1，CLKB为第二步进电机32的驱动脉冲输入，连接CPU PB2口，U5为第三步进电机33的波形分配器，U/DC为第三步进电机33的方向控制端子，连接CPU PC2，CLKC为第三步进电机33的驱动脉冲输入，连接CPU PB3口。

由于电机转速与驱动脉冲信号频率成正比，因此，与第三电机33、第二电机32和第一电机31相连接的第三挡板23、第二挡板22和第一挡板21的移动距离和脉冲数成正比，所以通过脉冲频率和个数可以控制第一挡板21和第二挡板22、第三挡板23的移动。

下面以第一步进电机31为例，说明电机控制和电机4相输入波形时序图，以及电机控制驱动脉冲数计算方法。

第一步进电机31的控制，包括第一步进电机31的正传和反转控制，第一步进电机31正转的控制时序，如图6所示；

第一步进电机31反转控制时序，如图7所示，其中A，B，C，D代表第一步进电机31的四相输入波形。

电机控制的驱动脉冲数计算，假设实际中，第一挡板21下行L距离，第一电机31驱动轴半径为R，第一电机31驱动脉冲数为n，则由于第一电机31在运动过程中，第一电机31的驱动轴带动传送线(棉线)进行圆周运动距离等于棉线直线运动的距离，因此可由公式：

可计算第一电机31的驱动脉冲数n，

$n=\frac{100L}{\mathrm{\πR}};$

图5中的功率放大电路主要完成波形分配器分配波形的能量放大，本发明选用ULN2803完成波形功率放大，如图5中U3和U6，其中COM引脚接接电源Power，主要出于抗干扰考虑，减少电机运行对电源的波动；

在本发明中，本发明具有的步进电机驱动控制模块103中还包括有能量管理电路，参见图8。

如图8所示，在能量管理电路中，Motor_Powerl引脚连接图4所示中央处理器模块CPU的PB5端口。

当需要投放无线传感器时，中央处理器模块将Motor_Power电平拉低，大功率三极管Q1和Q2导通，因此接到J2上的12V蓄电池给图5所示波形分配和功率放大电路供电，从而开始给第一步进电机31和第二步进电机32、第三步进电机33进行驱动供电；当不需要投无线传感器时，中央处理器模块将Motor_Power电平拉高，大功率三极管Q1和Q2截止，接到J2接口上的12V蓄电池无法给电机供电。

需要说明的是，在本发明中，通过上述本发明提供的能量管理电路，可以补充投放控制器在运用过程中的能量，并且避免电机长时间的运行，保证电机的使用寿命。

在本发明中，参见图9，所述电源模块104采用12V的蓄电池直接供电，12V的直流电经过滤波供给图5所示的步进电机功率放大电路，再经过三端稳压芯片7805进行稳压后给其它三个模块(即串口通信模块、中央处理器模块、步进电机驱动控制模块)的电路供电，三端稳压芯片7805进行12V电压与5V电压之间的稳压转换，图9中，C8为7805输入滤波电容，C9为7805输出滤波电容。

基于上述投放控制器的结构描述可知，本发明的投放控制器可以实现与投放载体之间的可靠通信，可以对单个步进电机的精确控制，保持两步进电机的精确协调，还可以对无线传感器投放进行确认。

另外，本发明的投放控制器的结构简单、易于实现、可靠性高。综上所述，本发明与现有技术相比，本发明提供了一种车载无线传感器定点自动投放装置，可以实现无线传感器的精确定点投放，让无线传感器具有最佳的覆盖范围，更好地获取未知环境里面的各种数据信息，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，包括互相连通的储弹仓(10)和投放仓(20)，所述储弹仓(10)位于投放仓(20)的上方；

所述储弹仓(10)内存储有多个无线传感器(2)，所述储弹仓(10)中插入有第一挡板(21)和第二挡板(22)，该第一挡板(21)和第二挡板(22)分别位于所述储弹仓(10)中高度最低的无线传感器(2)的左右或者上下两侧，所述第一挡板(21)和第二挡板(22)分别与第一电机(31)、第二电机(32)相连接；

所述投放仓(20)中插入有第三挡板(23)，所述第三挡板(23)顶部放置有一个无线传感器(2)，所述第三挡板(23)与一个第三电机(33)相连接。

2.如权利要求1所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)与一个投放控制器相连接，所述投放控制器用于接收外部输入的投放命令，并根据该投放命令，控制第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)的具体运行，让第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)分别控制第三挡板(23)、第二挡板(22)和第一挡板(21)进行运动，实现将无线传感器进行投放。

3.如权利要求2所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述投放控制器包括有：

串口通信模块，用于接收外部输入的投放命令，然后发送给中央处理器模块；

中央处理器模块，与串口通信模块，用于根据外部输入的投放命令，给步进电机驱动控制模块发送用于驱动第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)转动的驱动脉冲信号以及控制各个电机转动方向的控制信号，控制步进电机驱动控制模块的运行；

步进电机驱动控制模块，与中央处理器模块相连接，用于根据所接收到的驱动脉冲信号以及控制各个电机转动方向的控制信号，控制第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)的运行，让第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)分别控制第三挡板(23)、第二挡板(22)和第一挡板(21)进行运动，最终实现将无线传感器进行投放；

电源模块，分别与串口通信模块、中央处理器模块、步进电机驱动控制模块相连接，用于给这些模块分别进行供电。

4.如权利要求3所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述串口通信模块为采用RS232串行通信接口的模块，所述中央处理器模块为单片机ATmega8L。

5.如权利要求1所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)为步进电机。

6.如权利要求4所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述第三电机(33)、第二电机(32)和第一电机(31)为混合式四相步进电机，该步进电机具有的步进角度为1.8度。

7.如权利要求1所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述储弹仓(10)与水平面之间的夹角为锐角，所述投放仓(20)与水平面相垂直。

8.如权利要求7所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述储弹仓(10)与所述水平面之间的夹角为30度。

9.如权利要求7或8所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述储弹仓(10)和投放仓(20)之间相连接部位为开口向上的弧形滑道(30)。

10.如权利要求1所述的车载无线传感器定点自动投放装置，其特征在于，所述第一挡板(21)、第二挡板(22)和第三挡板(23)分别与第一电机(31)、第二电机(32)、第三电机(33)的驱动轴用一条传送线相连接。

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