CN102118883A - 一种无线传感器网络节点装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线传感器网络节点装置，包括一次仪表信号调理部件、数据处理通信部件和电源部件，一次仪表信号调理部件的模拟输出端口与数据处理通信部件A/D输入端口相连；电源部件对一次仪表信号调理部件和数据处理通信部件供电；一次仪表信号调理部件包括一次仪表信号采集转换单元、信号隔离单元和信号放大单元；数据处理通信部件包括信号处理通信单元和无线信号放大单元。本发明装置能有效解决无线传感器网络系统与一次仪表的结合问题及一次仪表信号的采集、转换、隔离、放大、处理、存储和无线收发问题，便于将无线传感器网络引入装备状态、危险源和污染源网络化检测、诊断、预警及应急响应控制系统，实现数字化、网络化、智能化监控，实时性好、安全可靠。

Description

一种无线传感器网络节点装置

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点装置，适用于工业、农业、军事、电力、交通运输、能源、水利、医疗、环境、公共事业场合装备状态、危险源和污染源网络化检测、诊断、预警及应急响应控制。

背景技术

随着工业、农业、军事、电力、交通运输、能源、水利、医疗、环境、公共事业等各行各业的迅猛发展和需求的剧增，各种先进技术的迅速发展及其在各行业装备中的应用，各种装备的集成度和复杂度越来越高，其故障和事故出现的可能的频度在同等情况下也相应提高，复杂性也相应增加，对其进行状态监测、远程故障诊断、事故预警，其处理的难度、实时性、及时性、准确性、成本等的要求也越来越高。同时，这些行业的危险源和污染源，特别是许多装备本身就是危险源和污染源，例如石油化工企业的液氯、苯胺、盐酸、氢气等有毒、有害和易燃、易爆气体、粉尘和流体等生产装置、储藏罐和输送管道等装备和其它各种各样的危险源和污染源，一旦发生事故，不但将造成重大的人员伤亡、财产损失，还会严重污染环境，甚至造成不良的社会影响。因此，实施对各种装备状态、危险源和污染源网络化实时监控，强化重大事故隐患治理力度，预防和控制重大、特大装备及其危险源和污染源事故的发生，不仅对准确诊断并防范故障、及时排除故障、降低运行成本、提高生产效率有重要意义，而且对及时发现并排除和控制事故隐患都具有重要意义，它也是高效、安全生产和环境保护工作的重中之重。

现有技术对各种装备状态、危险源和污染源进行监测、诊断、预警主要采用以下三种方法：

1、对装备状态、危险源和污染源进行离线的人工巡检。我国许多中小型企业通常采用的办法。

2、一小部分有条件的大中型企事业单位开始试点性采用有线的办法对装备状态、危险源和污染源实施监测、诊断和预警，例如各种现场总线技术，其中，监测设备(包括系统中的上位机、下位机、企业内的局部监控终端)与装备及危险源的连接亦都是采用有线的办法。系统包括数据采集和(有线)传输及处理等的现场监测设备、局部监控终端、数据服务器、Web服务器、二次仪表及执行机构、网络设备及计算机的其他外围设备和政府各级监控预警中心等。

3、采用GSM或2G或3G公共无线网监测和预警。

通过客观、深入地研究以上三种方法，可以发现以下几个方面的问题：

1、对各种装备状态、危险源和污染源进行离线的人工巡检的方法尽管有一定的效果，但缺乏实时性、及时性、准确性、远程化、网络化和低成本，而且漏报率较高。

2、采用有线的办法实施实时监测和预警，其数据传输的可靠性是容易保证的，并且确有一定的成效，但从更广泛的切合应用实际意义、推广价值和未来发展的角度看，主要存在下述几个方面的问题：

(1)系统投资大、成本高、性能价格比低。

(2)系统的电缆复用率低、复杂性高，因而系统的故障率高、不便于维护。

(3)系统的扩展性差，使得监测容量相对较小，特别是在其监测系统已安装好后需要增加监测区域的情况下，不但需要对软件，而且需要对硬件作较大的改动，甚至需要重新设计制作。

3、采用GSM或2G或3G公共无线网监测和预警，对于大范围区域装备状态、危险源和污染源确是一个值得考虑的解决方案，但对于现场和小范围区域内的装备状态、危险源和污染源，它却不尽合理，因为它的运行成本高，普及推广价值不大。更为重要的是，无线收发由于天线等的表面静电电荷、高频辐射等因素在收发功率较大时可能产生高频电火花，特别在环境恶劣时发生的可能性更大。而且，根据GSM或2G或3G系统的蜂窝式无线数据传输的固有机理，无线收发功率常常会由于需要监控的区域范围大而较大。因此，将其用于不可避免地存在易燃、易爆气体、粉尘和流体的石油、化工企业的环境中常常很难达到防爆的安全要求(如极具权威的VDE0848标准对接收型连续高频源的实际功率Pzg的点燃极限值规定：爆炸组别为IIA时，时间超过100μs的平均值为6W；爆炸组别为IIB时，时间超过100μs的平均值为4W；爆炸组别为IIC时，时间超过20μs的平均值为2W)。

综上所述，现有的可用于工业、农业、军事、电力、交通运输、能源、水利、医疗、环境、公共事业场合等场合的装备状态、危险源和污染源监测、诊断和预警的方法具有很大的局限性，既不能适应现状要求，不便于大面积推广应用，更不能满足未来的发展需求。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置，以有效解决无线传感器网络系统与一次仪表的结合问题，以及一次仪表信号的采集、转换、隔离、放大、处理、存储和无线收发等问题，以便于将无线传感器网络用于工业、农业、军事、电力、交通运输、能源、水利、医疗、环境、公共事业场合的装备状态、危险源和污染源网络化检测、诊断、预警及应急响应控制系统，实现数字化、网络化、智能化监控。

技术方案：本发明所述的一种无线传感器网络节点装置，包括一次仪表信号调理部件、数据处理通信部件和电源部件，一次仪表信号调理部件的模拟输出端口与数据处理通信部件A/D输入端口相连；电源部件对所述一次仪表信号调理部件和数据处理通信部件供电；

所述一次仪表信号调理部件包括依次相连的一次仪表信号采集转换单元、信号隔离单元和信号放大单元；所述一次仪表信号采集转换单元用于监测现场传感器采集、调理得到的一次仪表4-20mA输出信号的采集和转换；所述信号隔离单元用于将一次仪表信号采集转换单元输出的信号进行隔离，切断其前段电路与后段电路的电气连接，减小其前段电路对后段电路的影响，并用于采集一次仪表输出0-5V电压；所述信号放大单元用于将信号隔离单元输出的信号进行放大或缩小，并进行阻抗匹配，使其输出的信号满足数据处理通信部件A/D输入端口的要求；

所述数据处理通信部件包括信号处理通信单元和无线信号放大单元；所述信号处理通信单元用于通过程序指令控制A/D转换器对一次仪表信号调理部件的模拟输出信号进行A/D转换、数据处理、算法处理和存储，并采用ZigBee技术通过无线信号放大单元与其它网络节点进行组网和通信；所述无线信号放大单元用于对信号处理通信单元输出的无线通信信号进行放大，扩大无线通信范围。

所述一次仪表信号采集转换单元由精密电流环接受器“U1”及其外围电路组成，它的输出端口与信号隔离单元的输入端口相连；所述信号隔离单元由隔离放大器“U2”及其外围电路组成，它的输出端口与信号放大单元的输入端口相连；若一次仪表输出为0-5V电压，则一次仪表输出信号不经过一次仪表信号采集转换单元而直接与信号隔离单元的输入端相连；所述信号放大单元由运算放大器“U3”及其外围电路组成，它的输出端口与数据处理通信部件的输入端相连。

本发明数据处理通信部件中，所述信号处理通信单元由CC2430或CC2431处理器“U4”及其外围电路构成，其射频信号输出端口与无线信号放大单元的射频输入端口相连；所述无线信号放大单元由CC2590或CC2591放大器“U5”及其外围电路构成，与信号处理通信单元进行双向串行数据通信。

本发明数据处理通信部件中，另一种方案为：所述信号处理通信单元由JN5121或JN5139或JN5148处理器“U4”及其外围电路构成，其射频信号输出端口与无线信号放大单元的射频输入端口相连；所述无线信号放大单元由HHM1521平衡转换芯片“U6”、NC7SZ04反相器“U7”、AS179-92控制开关芯片“U8、U11”、TSX-10A晶振“U9”、PA2423L功率放大器“U10”和MDR774M滤波器“U12”及其外围电路构成，与信号处理通信单元进行双向串行数据通信。

根据在本装置实现的功能，可将数据处理通信部件分为：

1)A/D转换模块，其信号输入端与一次信号调理部件的信号输出端相连，对其进行A/D采样，将模拟量转换成数字量并存储在微处理器“U4”的寄存器中。

2)ZigBee协议栈模块，它保存了ZigBee协议栈，节点工作时运行其中的ZigBee协议，并通过编程接口给程序提供调用，完成节点ZigBee组网与通信的任务。

3)定时器模块，程序通过设置微处理器“U4”定时器/计数器的寄存器，完成定时的任务，并通过微处理器“U4”的定时器控制节点周期性的完成数据采集的工作。

4)存储器模块，将节点采集到的数据通过存储器模块保存在节点的存储器中。

5)无线通信接口，节点的微处理器“U4”通过无线通信接口进行数据的无线收发，是完成ZigBee组网与通信物理设备。

6)处理器内核模块，它能够访问存储器、执行运算、开启定时器以及通过射频接口进行双向通信并对接受到的数据进行处理。在此实现的功能包括：

①用于判断和处理接收到的数据包，根据接收到的数据包头特征位，判断是时间同步帧、命令帧还是数据帧：若是时间同步帧，则重置同步计数器；若是命令帧，则完成相应的节点控制指令；若是数据帧，则对接收到的数据进行计算和处理。

②用于访问存储器：对于节点采集到的数据，通过程序指令将数据及时保存到存储器中。

③用于进行各种算法计算，包括数据融合算法、定位算法、数据查询算法、Qos算法和网络安全算法，等等。数据融合算法主要提高信息的完整性和数据精度；定位算法用于计算出节点装置的位置；数据查询算法是对数据进行索引处理、查询处理和数据操作算法运算；Qos算法是提高指令和数据传送质量；网络安全算法是通过加密、解密算法分别对发送和接受的数据进行加密和解密，提高数据通信的安全性。

所述电源部件包括第一电源单元和第二电源单元；所述第一电源单元用于对一次仪表信号采集转换单元和信号隔离单元的输入部分供电；所述第二电源单元用于对信号隔离单元的输出部分、信号放大单元、数据处理通信部件的供电。

在数据处理通信部件中，信号处理通信单元按照在本装置的功能为：所述数据处理通信部件中信号处理通信单元根据所实现的无线传感器网络协议完成对无线传感器网络节点的配置和管理；所述信号处理通信单元可用于接收数据，如果收到来自无线传感器网络的报文，则首先对报文进行判别，如果通过收到的是无线传感器网络控制报文，则根据指令改变无线传感器网络节点工作状态，如果收到的是无线传感器网络数据报文，则对相应数据进行处理和存储；所述信号处理通信单元还可用于发送数据，根据无线传感器网络节点的自身设定或者接收到的无线传感器网络控制报文要求，所述信号处理通信单元可以通过报文将采集到的数据发送到目标无线传感器网络设备。

所述数据处理通信部件中信号处理通信单元创建多线程实现多任务的并发执行，分别为无线传感器网络协议栈、数据采样、数据融合、定位计算、数据管理以及网络安全管理线程。无线传感器网络协议栈线程用于发送报文给目标无线传感器网络设备或从无线传感器网络中接收报文；数据采样线程完成对一次仪表信号定时的采样；数据融合线程可以对需要发送或者接收到的数据进行融合，提高数据精度；定位计算线程通过定位算法可以实时计算出所述无线传感器网络节点在网络中的位置；数据管理线程用于对数据库进行管理，所述无线传感器网络节点可以对处理完成的数据进行存储，也可以通过数据管理线程完成历史数据的查询；网络安全管理线程用于对无线传感器网络协议栈线程接收到和将要发送的数据进行过滤，防止发送或者接收有损无线传感器网络安全的数据。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1)本发明的一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置具有宽广的应用范围，可以用于工业、农业、军事、电力、交通运输、能源、水利、医疗、环境、公共事业场合装备状态、危险源和污染源网络化检测、诊断、预警及应急响应控制。

2)本发明在系统地研究并设计了无线传感器网络用于工业、农业、军事、电力、交通运输、能源、水利、医疗、环境、公共事业场合装备状态、危险源和污染源网络化检测、诊断、预警及应急响应控制的基础上，设计并研制了一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置，以有效解决无线传感器网络系统与一次仪表的结合问题，以及一次仪表信号的采集、转换、隔离、放大、处理、存储和无线收发等问题，以便于将无线传感器网络引入上述应用场合的装备状态、危险源和污染源网络化检测、诊断、预警及应急响应控制系统，实现数字化、网络化、智能化监控，并使其实时性好、安全可靠。

3)本发明中一次仪表信号调理部件接收一次仪表的输出信号，并将其隔离转换成数据处理通信部件中A/D转换器输入口所需量程的模拟电压信号。数据处理通信部件对其模拟电压输出信号进行A/D转换、数据处理、算法处理和存储，并采用ZigBee技术通过数据处理通信部件中的无线信号放大单元与其它网络节点进行组网和通信。这样通过网络节点的组网就将上述应用场合的装备状态、危险源和污染源网络化检测、诊断、预警及应急响应控制信息汇集到网络基站处理后送给系统监控终端。这样做，与传统的方法相比，大大降低了投资成本和运行成本，也方便了使用和维护。

4)本发明在电源部件中，采用交流电转直流稳压电路方案，并按照应用需要使用多个直流稳压单元由信号隔离单元分隔整个节点装置成两部分，以避免一次仪表信号对信号放大单元和数据处理通信部件的干扰。并且，用一个电源单元提供多级直流电源电压，以满足应用要求。

5)本发明采用工程实用性设计和制作，在充分考虑到其装置在实际应用中适用性的同时，尽量减小其装置本身的成本。考虑到抗干扰和数据处理通信部件制作加工成本相对较高等因素，将一次仪表信号调理部件与数据处理通信部件分开制作。同时，各部分的连接部分充分注意到其牢固性，部署前焊牢，并且其整个节点在洁净和干燥后用三防漆密封，使得其装置在一般强度的潮湿、撞击、腐蚀和电磁干扰等环境中都能正常工作。

6)本发明在设计制作上将AC-DC供电电源单元采用金属壳封装，且其装置的主体部分(一次仪表信号调理部件和数据处理通信部件)与AC-DC供电电源单元，其中第一电源单元和第二电源单元分开安装，并且保证两者之间有足够的物理距离。而数据处理通信部件除其中的无线收发天线外采用了金属壳封装，这样做减少了供电电源单元对数据处理通信部件的干扰，增强了无线收发的抗干扰能力，提高了无线收发的性能。

7)本发明由于采用的各元器件的工作温度范围大，使其装置可以在-40C°到+85C°正常工作，这样可使本发明适合于世界的绝大多数国家和地区的温度环境。

8)本发明由于具有上面4)、5)、6)、7)中所述的特点，能够抵抗一般强度的高湿、高低温、风沙、撞击、腐蚀和电磁干扰等，极大地增强了其装置在恶劣环境下的适应能力。

9)本发明采用计算机串口可以使终端对其装置进行调试和编程以及烧写程序，并且计算机终端可以通过串口借助该装置查看无线传感器网络的工作状态或者向无线传感器网络发送命令。

10)本发明采用信号处理通信单元配置和管理无线传感器网络，完成无线传感器网络数据发送，数据接收、判别和处理等操作，并创建多线程，使无线传感器网络数据管理、存储、加权融合、定位算法以及网络安全监测等多任务并发地执行。

11)本发明无线传感器网络包含大量的传感器节点和至少一个通信基站，其应用于上述各领域时，能够即时、准确地监测环境数据。当传感器节点监测到一次仪表输出的反应温度、压力、振动、各类气体浓度等等物理参数信号时，能够自动采集各种一次仪表信号，通过数据转换、隔离、放大、处理和存储，并运用ZigBee技术通过无线信号与其它网络节点进行组网和通信。本发明针对上述应用，研究并发明了其中的关键模块产品——一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置，其意义重大、应用价值巨大，市场前景广阔。

附图说明

图1是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置总体框图。

图2是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置一次仪表信号调理部件原理图(其电源部分未给出)。

图3是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置数据通信处理部件信号处理通信单元中微处理器芯片“U4”(包括CC2430或CC2431或JN5121或JN5139或JN5148)结构框图。

图4是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置数据处理通信部件原理图，其中处理器采用CC2430或CC2431，无线信号放大单元采用CC2590或CC2591芯片及其外围电路，其电源部分未给出。

图5是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置数据处理通信部件原理图，其中处理器采用JN5121或JN5139或JN5148，无线信号由放大单元由HHM1521平衡转换芯片“U6”、NC7SZ04反相器“U7”、AS179-92控制开关芯片“U8、U11”、TSX-10A晶振“U9”、PA2423L功率放大器“U10”和MDR774M滤波器“U12”及其外围电路构成，其电源部分未给出。

图6是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置数据处理通信部件的无线网络通信软件工作流程图。

图7是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置数据处理通信部件的多线程软件工作流程图。

图8是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置一次仪表信号采集转换单元和信号隔离单元的输入部分的供电电源部分原理图。

图9是本发明一种具有一次仪表信号调理功能的无线传感器网络节点装置信号隔离单元的输出部分、信号放大单元和数据处理通信部件的供电电源部分原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1

如图1所示，一种无线传感器网络节点装置，包括一次仪表信号调理部件、数据处理通信部件和电源部件，一次仪表信号调理部件的模拟输出端口与数据处理通信部件A/D输入端口相连；电源部件对所述一次仪表信号调理部件和数据处理通信部件供电；

所述一次仪表信号调理部件包括依次相连的一次仪表信号采集转换单元1、信号隔离单元2和信号放大单元3；所述一次仪表信号采集转换单元1用于监测现场传感器采集、调理得到的一次仪表4-20mA输出信号的采集和转换；所述信号隔离单元2用于将一次仪表信号采集转换单元1输出的信号进行隔离，切断其前段电路与后段电路的电气连接，减小其前段电路对后段电路的影响，并用于采集一次仪表输出0-5V电压；所述信号放大单元3用于将信号隔离单元2输出的信号进行放大或缩小，并进行阻抗匹配，使其输出的信号满足数据处理通信部件A/D输入端口的要求；

所述数据处理通信部件包括信号处理通信单元4和无线信号放大单元5；所述信号处理通信单元4用于通过程序指令控制A/D转换器对一次仪表信号调理部件的模拟输出信号进行A/D转换、数据处理、算法处理和存储，并采用ZigBee技术通过无线信号放大单元5与其它网络节点进行组网和通信；所述无线信号放大单元5用于对信号处理通信单元4输出的无线通信信号进行放大，扩大无线通信范围；

所述电源部件包括第一电源单元6和第二电源单元7；所述第一电源单元6用于对一次仪表信号采集转换单元1和信号隔离单元2的输入部分供电；所述第二电源单元7用于对信号隔离单元2的输出部分、信号放大单元3、数据处理通信部件的供电。

实施例2

如图2所示，一次仪表信号调理部件主要由一次仪表信号采集转换单元1、信号隔离单元2和信号放大单元3组成。

一次仪表信号采集转换单元1用于监测现场传感器采集、调理得到的一次仪表4-20mA输出信号的采集和转换。信号隔离单元2用于将一次仪表信号采集转换单元1输出的信号进行隔离，切断其前段电路与后段电路的电气连接，减小其前段电路对后段电路的影响，并用于采集一次仪表输出0-5V电压。信号放大单元3用于将信号隔离单元2输出的信号进行放大或缩小，并进行阻抗匹配，使其输出的信号满足数据处理通信部件A/D输入端口的要求。

一次仪表信号采集转换单元1采用TI的精密电流环接受器RCV420及其外围电路构成，RCV420输入端“+In”和“Ct”通过接口“J1”引入4-20mA电流信号，RefIn、RefOut和Reffb三个引脚相连，RCV420输出端“Rcv Out”接信号隔离单元2的输入端口“Vin”。

信号隔离单元2采用隔离放大器ISO122，其输入输出两端采用各自正负15V电源供电，内部通过电磁耦合，切断内部电路与外部电路的电气连接，减小外部干扰对电路板内部数字电路的影响。

信号放大单元3采用运算放大器LM158及其外围电路构成，将信号隔离单元2中ISO122的输出端“Vout”与运算放大器前端的电阻R1相连，通过由电阻“R1”、可变电阻器“W1”和电阻“R2”组成的电压衰减电路对2的输出电压进行衰减，衰减后的电压输入由运放LM158构成的跟随器，运放的输出端“lo”将跟随器输出的信号与数据处理通信部件的A/D采样端口相连。

一次仪表信号调理部件上所选芯片的温度范围如下：精密电流环接受器RCV420为-25C°到+85C°；隔离放大器ISO122为-25C°到+85C°；运算放大器LM158为-55C°到+125C°。

实施例3

如图4所示，数据处理通信部件(不包括电源部件)包括信号处理通信单元4和无线信号放大单元5。信号处理通信单元4用于通过程序控制A/D转换器对一次仪表信号调理部件的模拟输出信号进行A/D转换、数据处理、算法处理和存储，并采用ZigBee技术经过无线信号放大单元5与其它网络节点进行组网和通信。无线信号放大单元5用于将信号处理通信单元4输出的无线通信信号进行放大，扩大无线通信范围。

信号处理通信单元4选用处理器CC2430或CC2431，它能够满足以ZigBee为基础的无线通信应用，低功耗、低成本。CC2430或CC2431在单个芯片上整合了ZigBee射频电路、内存和微控制器，包括1个8051微控制器，128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含ADC、定时器、看门狗定时器、晶振以及21个可编程I/O端口。

无线信号放大单元5选用TI公司的CC2590或CC2591。CC2590或CC2591是高性能的2.4GHz射频前端。工作电压2.0V到3.6V，可用于所有的2.4GHz频段的无线传感器网络和工业系统，ZigBee和IEEE 802.15.4系统。

信号处理通信单元4中处理器CC2430或CC2431的引脚“RF_P”、“RF_N”、“TXRX_SWITCH”分别与无线信号放大单元5中CC2590或CC2591的引脚“RF_P”、“RF_N”、“RXTX”相连，用以进行数据通信，CC2430或CC2431的引脚“P1_1”与CC2590或CC2591的引脚“HGM”相连，控制无线信号放大单元5的工作状态。信号处理通信单元4将需要发送的数据传输给无线信号放大单元5，由无线信号放大单元5将信号放大后通过天线发送出去；无线信号放大单元5接收到无线电信号后，将数据传输给信号处理通信单元4，由信号处理通信单元4进行处理。天线与CC2590或CC2591的“ANT”引脚引出的电路相连。一次仪表信号调理部件的输出信号与信号处理通信单元4的A/D端口相连。

实施例4

如图5所示，数据处理通信部件(不包括电源部件)的又一个实施案例，包括信号处理通信单元4和无线信号放大单元5。信号处理通信单元4用于通过程序控制A/D转换器对一次仪表信号调理部件的模拟输出信号进行A/D转换、数据处理、算法处理和存储，并采用ZigBee技术经过无线信号放大单元5与其它网络节点进行组网和通信。无线信号放大单元5用于将信号处理通信单元4输出的无线通信信号进行放大，扩大无线通信范围。

信号处理通信单元4的处理器由JN5121或JN5139或JN5148及其外围电路构成，其射频信号输出端口与无线信号放大单元5的射频输入端口相连，无线信号放大单元5由HHM1521平衡转换芯片“U6”、NC7SZ04反相器“U7”、AS179-92控制开关芯片“U8、U11”、TSX-10A晶振“U9”、PA2423L功率放大器“U10”和MDR774M滤波器“U12”及其外围电路构成，与信号处理通信单元4进行双向串行数据通信。

处理器选用Jennic公司的JN5121或JN5139或JN5148。JN51XX系列是16MHz的32位处理器，具有丰富的数字和模拟外围接口，包括UART、SPI、21个IO口、AD、DA以及定时器。处理器工作于2.4GHz无线频段，兼容IEEE802.15.4，具有发送距离远、功耗低等特点，内部自带ZigBee协议栈，特别适合健壮的，安全的，低功耗无线网络应用。

信号处理通信单元4中处理器JN5121或JN5139或JN5148的无线收发端口“RF+”、“RF-”与平衡转换芯片HHM1521的两个“BP”端口相连，完成阻抗匹配。通过处理器的“DIO3”端口与控制开关芯片AS179-92“U2”，完成对外部无线放大电路的发送、接收进行通道选择。

无线放大电路的发送通道与功率放大器PA2423L“U10”相连，它是一款高性能、高稳定性的功率放大器，其端口“IN”与“U8”的端口“OUT2”相连，信号处理通信单元4发出的信号经过放大后从“U10”引脚“OUT”输出，输出引脚“OUT”与天线相连，从而将信号发射出去。

射频接收通道需要用高频低噪声放大电路对接收到的信号进行增强，该部分电路中由BFP405高频三极管及其外围电路组成，对输入的微弱信号进行放大，提高接收的成功率。

一次仪表信号调理部件的信号输出端口与信号处理通信单元4的A/D端口相连。

实施例5

根据实施例2、3所选用的芯片，上述的数据处理通信部件的微处理器“U4”所实现无线网络通信软件工作的流程如图6所示，它包括：

步骤1：处理器初始化，包括内部存储器和寄存器的初始化、I/O端口初始化、ZigBee协议栈初始化和应用程序初始化。

步骤2：若节点为协调器，则节点对无线传感器网络进行配置，建立无线网络；若节点为路由器或汇聚节点，则节点向ZigBee网络发出申请加入ZigBee网络的请求，并等待网络回应。若网络中协调器或路由器或汇聚节点同意了其加入请求，回发同意响应，节点在其ZigBee协议栈事件响应中接收到JOINED的事件后，成功加入网络；若节点在ZigBee协议栈事件响应中接收到FAILED_TO_JOIN，则说明请求没有通过，则检查网络号和信道选择是否正确，然后再次提出请求，直至加入网络。

步骤3：处理网络通信数据，若节点有数据需要通过网络发送，则创建数据帧，并利用网络接口函数进行发送；若无数据需要发送，则查询是否接收到数据，若接收到网络报文，首先判断报文是控制报文还是数据报文，如果是控制报文，则完成相应控制操作，如果是数据报文，则提取数据并对数据进行处理、融合、存储；若收到的报文有错误，则丢弃。

实施例6

根据实施例2、3所选用的芯片，上述的数据处理通信部件的微处理器“U4”所实现多线程软件工作流程如图7所示，它包括：

步骤1：加电初始化。包括内部存储器和寄存器的初始化、I/O端口初始化、ZigBee协议栈初始化和应用程序初始化，为后续软件的执行创造良好的系统环境。

步骤2：配置无线电射频芯片和处理器网络参数。如果节点是协调器，则创建网络；若节点是路由器或者汇聚节点，则申请加入网络。

步骤3：利用操作系统的线程创建接口函数，创建无线传感器网络协议栈线程、数据采集线程、定位计算线程、数据融合线程、数据管理线程和网络安全管理线程，使系统多线程并发执行，提高软件性能。

1)无线传感器网络协议栈线程。该线程负责处理与无线传感器网络数据收发相关的事务。若节点有数据需要通过网络发送，则创建数据帧，并利用网络接口函数进行发送；若无数据需要发送，则查询是否接收到数据，若接收到网络报文，首先判断报文是控制报文还是数据报文，如果是控制报文，则完成相应控制操作，如果是数据报文，则提取数据并对数据进行处理、融合、存储；若收到的报文有错误，则丢弃。

2)数据采集线程。线程循环启动定时器并等待定时器，若定时器定时结束，则通过AD转换器采集数据，并将采集到的数据封装成数据报，通过线程间通信将数据报传输给无线传感器网络协议栈线程，利用网络协议栈线程提供的网络通信功能将数据发送到汇聚节点。

3)定位计算线程。线程循环启动定时器并等待定时器，若定时器定时结束，则计算节点的位置信息，并将计算得到的结果封装成数据报，通过线程间通信将数据报传输给无线传感器网络协议栈线程，利用网络协议栈线程提供的网络通信功能将数据发送到汇聚节点。

4)数据融合线程。数据融合线程循环等待数据输入，当有数据通过线程间通信接口输入数据，则将数据进行加权融合。

5)数据管理线程。数据管理线程等待其他线程通过线程通信接口输入数据库查询命令，根据命令要求，完成数据库查询、插入等操作。

6)网络安全管理线程。网络安全管理线程接收其他线程通过线程间通信接口输入的网络数据报，对数据报进行扫描，判断数据报安全性。若数据报符合网络安全要求，则将该数据报返回；否则丢弃该数据报，返回错误报告。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络节点装置，其特征在于：包括一次仪表信号调理部件、数据处理通信部件和电源部件，一次仪表信号调理部件的模拟输出端口与数据处理通信部件A/D输入端口相连；电源部件对所述一次仪表信号调理部件和数据处理通信部件供电；

所述一次仪表信号调理部件包括依次相连的一次仪表信号采集转换单元(1)、信号隔离单元(2)和信号放大单元(3)；所述一次仪表信号采集转换单元(1)用于对现场传感器采集、调理得到的一次仪表4-20mA输出信号进行采集和转换；所述信号隔离单元(2)用于将一次仪表信号采集转换单元(1)输出的信号进行隔离，切断其前段电路与后段电路的电气连接，减小其前段电路对后段电路的影响，并用于采集一次仪表输出0-5V电压；所述信号放大单元(3)用于将信号隔离单元(2)输出的信号进行放大或缩小，并进行阻抗匹配，使其输出的信号满足数据处理通信部件A/D输入端口的要求；

所述数据处理通信部件包括信号处理通信单元(4)和无线信号放大单元(5)；所述信号处理通信单元(4)用于通过程序指令控制A/D转换器对一次仪表信号调理部件的模拟输出信号进行A/D转换、数据处理、算法处理和存储，并采用ZigBee技术通过无线信号放大单元(5)与其它网络节点进行组网和通信；所述无线信号放大单元(5)用于对信号处理通信单元(4)输出的无线通信信号进行放大，扩大无线通信范围。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述一次仪表信号采集转换单元(1)由精密电流环接受器“U1”及其外围电路组成，它的输出端口与信号隔离单元(2)的输入端口相连；所述信号隔离单元(2)由隔离放大器“U2”及其外围电路组成，它的输出端口与信号放大单元(3)的输入端口相连；若一次仪表输出为0-5V电压，则一次仪表输出信号不经过一次仪表信号采集转换单元(1)而直接与信号隔离单元(2)的输入端相连；所述信号放大单元(3)由运算放大器“U3”及其外围电路组成，它的输出端口与数据处理通信部件的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述信号处理通信单元(4)由CC2430或CC2431处理器“U4”及其外围电路构成，其射频信号输出端口与无线信号放大单元(5)的射频输入端口相连；所述无线信号放大单元(5)由CC2590或CC2591放大器“U5”及其外围电路构成，与信号处理通信单元(4)进行双向串行数据通信。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述信号处理通信单元(4)由JN5121或JN5139或JN5148处理器“U4”及其外围电路构成，其射频信号输出端口与无线信号放大单元(5)的射频输入端口相连；所述无线信号放大单元(5)由HHM1521平衡转换芯片“U6”、NC7SZ04反相器“U7”、AS179-92控制开关芯片“U8、U11”、TSX-10A晶振“U9”、PA2423L功率放大器“U10”和MDR774M滤波器“U12”及其外围电路构成，与信号处理通信单元(4)进行双向串行数据通信。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述信号处理通信单元(4)分为：A/D转换模块，其信号输入端与一次信号调理部件的信号输出端相连，对其进行A/D采样，将模拟量转换成数字量并存储在微处理器“U4”的寄存器中；ZigBee协议栈模块，它保存了ZigBee协议栈，节点工作时运行其中的ZigBee协议，并通过编程接口给程序提供调用，完成节点ZigBee组网与通信的任务；定时器模块，程序通过设置微处理器“U4”定时器/计数器的寄存器，完成定时的任务，并通过微处理器“U4”的定时器控制节点周期性的完成数据采集的工作；存储器模块，将节点采集到的数据通过存储器模块保存在节点的存储器中；无线通信接口，节点的微处理器“U4”通过无线通信接口进行数据的无线收发，是完成ZigBee组网与通信物理设备；处理器内核模块，它能够访问存储器、执行运算、开启定时器以及通过射频接口进行双向通信并对接受到的数据进行处理。

6.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述电源部件包括第一电源单元(6)和第二电源单元(7)；所述第一电源单元(6)用于对一次仪表信号采集转换单元(1)和信号隔离单元(2)的输入部分供电；所述第二电源单元(7)用于对信号隔离单元(2)的输出部分、信号放大单元(3)、数据处理通信部件的供电。

7.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述信号处理通信单元(4)包括：

无线传感器网络协议模块，用于根据所实现的无线传感器网络协议完成对无线传感器网络节点的配置和管理；

数据接收模块，用于接收数据，如果收到来自无线传感器网络的报文，则首先对报文进行判别；如果通过收到的是无线传感器网络控制报文，则根据指令改变无线传感器网络节点工作状态；如果收到的是无线传感器网络数据报文，则对相应数据进行处理和存储；

数据发送模块，用于发送数据，根据无线传感器网络节点的自身设定或者接收到的无线传感器网络控制报文要求，所述信号处理通信单元(4)通过报文将采集到的数据发送到目标无线传感器网络设备。

8.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述信号处理通信单元(4)用于创建多线程实现多任务的并发执行，所创建的多线程包括：

无线传感器网络协议栈线程，用于发送报文给目标无线传感器网络设备或从无线传感器网络中接收报文；

数据采样线程，完成对一次仪表信号定时的采样；

数据融合线程，对需要发送或者接收到的数据进行融合，提高数据精度；

定位计算线程，通过定位算法实时计算出所述无线传感器网络节点在网络中的位置；

数据管理线程，用于对数据库进行管理，可以对处理完成的数据进行存储，也可以通过数据管理线程完成历史数据的查询；

网络安全管理线程，用于对无线传感器网络协议栈线程接收到和将要发送的数据进行过滤，防止发送或者接收有损无线传感器网络安全的数据。

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