CN102184627A

CN102184627A - 一种用于恶劣环境的传感器数据采集装置

Info

Publication number: CN102184627A
Application number: CN 201110100561
Authority: CN
Inventors: 袁家斌; 李孝嗣; 孙乐乐
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了一种用于恶劣环境的传感器数据采集装置。该装置包括信号采集模块、微处理器模块、无线收发模块，以及为整个装置提供电能的电源模块；信号采集模块用于采集外部传感器传输的信号，并将信号传输给所述微处理器模块，微处理器模块对信号进行处理后通过无线收发模块发送；信号采集模块包括多个信号发送端和一个信号接收端，信号发送端包括信号调理电路和被动式RFID标签，信号接收端包括一RFID读卡器，RFID读卡器的输出端与微处理器模块连接；RFID读卡器与微处理器模块、无线收发模块、电源模块一起封装于一密闭容器内。进一步地，该装置的电源模块为一无线供电装置的受电端，通过外部无线供电。本发明具有安全可靠、使用寿命长的优点。

Description

一种用于恶劣环境的传感器数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种数据采集装置，尤其涉及一种用于恶劣环境条件下的数据采集装置，采集外部传感器检测到的数据。

背景技术

为了适应经济全球化的需求，人们设想如果从信息流通的角度将RFID技术、WSN技术、GPS技术、数字地球技术与互联网结合起来，就能够将互联网的覆盖范围从“人”扩大到“物”，就能够通过RFID技术、WSN技术与GPS技术采集和获取有关物流的信息，通过互联网实现对世界范围内的物流信息的快速、准确识别与全程跟踪，这种技术就是物联网技术。物联网技术已经应用在许多领域。物联网之所以会有如此广泛的市场，主要是由于它可以对“物”进行有效地监测和控制，从而使人们的生活真正的达到智能化，提高人们的生活质量。

传感器数据采集装置是物联网技术中的一个十分重要的部分，它是将传感器检测到的数据采集，然后进行储存或者发送给上位机进行处理。例如大型建筑工程的监控系统中的传感器数据采集装置。通常的传感器数据采集装置包括用于采集外部传感器传输的信号的传感器信号采集单元，用于对采集到的信号进行处理、储存的微处理器单元，以及用于将数据发送给上位机的数据收发单元。为了保护传感器数据采集装置中各种电子部件，通常将整个装置封装在一个容器内（例如箱或盒）。随着无线技术的发展，部分传感器数据采集装置中的数据收发单元已经采用了无线通信方式。采用无线收发模块来进行数据采集装置与上位机之间的数据通信，可以较有效地解决数据采集装置的便携性问题，也可以在一定程度上提高封装数据采集装置的容器的密闭性，使整个装置的安全和使用寿命得以提高。目前的传感器数据采集装置的传感器信号采集单元与外部传感器之间的连接还是采用常规的有线方式，这种有线连接的方式影响了封装容器的密闭性。在一些恶劣环境条件下，例如水下、沙漠、腐蚀性气体等，不能完全密封的容器会使其中的电子元件容易损坏，整个传感器数据采集装置的安全性、可靠性及使用寿命均会大大降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有传感器数据采集装置由于无法完全密封而导致的安全性、可靠性差的问题，提供一种用于恶劣环境的传感器数据采集装置。

本发明的思路是通过RFID（Radio Frequency Identification；即射频识别）技术使传感器信号采集模块与外部传感器之间实现无线供能及无线信号传输，从而解决上述技术问题。

RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID是一种简单的无线系统，由一个询问器（或阅读器、读卡器）和很多应答器（或标签）组成。 RF技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向传输数据，以达到目标识别和数据交换的目的。RFID标签俗称电子标签，也称应答器（tag, transponder, responder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类，有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池。对于有源电子标签来说，根据标签内装电池供电情况不同又可细分为有源电子标签(Active tag)和半无源电子标签(Semi—passive tag)。被动式RFID标签由标签芯片和耦合元件（天线或线圈）组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码，通常为64bits、96bits甚至更高，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活RFID标签芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作，微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。读卡器也称阅读器、询问器、（reader, interrogator），是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读卡器是RFID系统中最重要的基础设施，一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读卡器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作。读卡器和RFID标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时读卡器通过耦合给无源RFID标签提供能量和时序。

具体而言，本发明采用以下技术方案：

一种用于恶劣环境的传感器数据采集装置，包括信号采集模块、微处理器模块、无线收发模块，以及为整个装置提供电能的电源模块；所述信号采集模块用于采集外部传感器传输的信号，并将信号传输给所述微处理器模块，微处理器模块对信号进行处理后通过所述无线收发模块发送；所述信号采集模块包括多个信号发送端和一个信号接收端，所述信号发送端包括信号调理电路和被动式RFID标签，所述信号接收端包括一RFID读卡器，RFID读卡器的输出端与所述微处理器模块连接；RFID读卡器与所述微处理器模块、无线收发模块、电源模块一起封装于一密闭容器内。

进一步地，所述电源模块为一无线供电装置的受电端，包括依次连接的耦合元件、整流电路及DC-DC转换电路。

本发明通过将信号采集模块分为信号发送端和信号接收端两部分，信号发送端与外部传感器连接采集传感器信号，信号接收端与微处理器模块连接并一起封装于密闭容器内，信号发送端与信号接收端之间通过RFID系统实现无线的数据交换及供能。进一步通过将无线供电装置的受电端作为整个传感器数据采集装置，而由外部的无线供电装置的供电端对其进行无线供电，使整个装置不需要更换电池，进一步提高了装置的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明传感器数据采集装置的结构示意图；

图2为本发明电源模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的用于恶劣环境的传感器数据采集装置，如附图1所示，包括信号采集模块、微处理器模块、无线收发模块，以及为整个装置提供电能的电源模块；所述信号采集模块用于采集外部传感器传输的信号，并将信号传输给所述微处理器模块，微处理器模块对信号进行处理后通过所述无线收发模块发送；所述信号采集模块包括多个信号发送端和一个信号接收端，所述信号发送端包括信号调理电路和被动式RFID标签，所述信号接收端包括一RFID读卡器，RF读卡器的输出端与所述微处理器模块连接；RFID读卡器与所述微处理器模块、无线收发模块、电源模块一起封装于一密闭容器内。

如图1所示，本发明的信号采集模块包括独立的两部分，即信号发送端和信号接收端，每一个信号发送端均包括信号调理电路及与信号调理电路连接的被动式RFID标签（即无源射频卡），信号调理电路与传感器有线连接，将传感器的信号转换为数字信号，然后通过RFID标签存储并无线发送。为了便于安装，信号调理电路的输入端设有数据接口，以供连接传感器。信号接收端包括一RFID读卡器，读卡器的输出端与微处理器模块连接。传感器的数据传送到射频卡上，通过射频的方式进行数据和能量的传输。射频卡与读卡器之间根据电磁感应原理，传递能量；利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现非接触信息、能量传递，以达到目标识别和数据交换目的。由于射频卡与读卡器之间无需有线连接，因此信号接收端可与微处理器模块、无线收发模块、电源模块一起封装于一密闭容器内。由于无源射频卡的能量传输距离相对较近，为了保证信号发送端与信号接收端之间的信号和能量传输稳定，密闭容器的外壁上设置有多个用于固定所述信号发送端的固定机构，本发明采用与信号发送端的尺寸相适应的插槽，信号发送端可固定于插槽内，并通过数据线接口与传感器连接。由于每一个RFID标签均有一个唯一的编码，因此可通过该编码来识别与该RFID标签连接的传感器，从而实现在需要的时刻随时选择接收任意传感器的数据。

所述电源模块为整个装置供电，现有的数据采集装置通常采用干电池或充电电池，当电池电量耗光时，需要打开密封容器进行电池更换或对电池充电，从而影响整个装置的密闭性。本发明采用无线供电的方式来解决这个问题，电源模块为一无线供电装置的受电端，包括依次连接的耦合元件、整流电路及DC-DC转换电路。所述无线供电装置可以是基于射频的无线供电装置、基于超声波的无线供电装置或者其它现有的各种无线供电装置。本发明所采用的无线供电装置如附图2所示，包括受电端和供电端。其中供电端包括依次连接的直流电源、桥式逆变器及主线圈；受电端包括依次连接的副线圈、整流器及DC-DC转换器。逆变器将直流电源提供的直流电流转换为特定频率的交变电流并传输至主线圈，并通过主线圈产生该特定频率的交变磁场；副线圈在主线圈的交变磁场中产生交变的感应电流，并通过整流器将感应电流转换为直流电流，并经DC-DC转换器转换为符合负载（即本发明装置中的其它部件）要求的直流电流。该电源模块与微处理器模块、无线收发模块、信号采集的接收端相连，为其提供电能。同样被封装在所述密闭容器的内部。

所述微处理器模块采用ARM 9微处理器，综合处理数据以及控制系统的流程。连接信号采集模块、无线收发模块，控制信号的接收和发送。其工作流程是：处理器在一定的时间间隔内需要采集数据，通过信号采集模块向传感器发送数据请求信号，传感器反馈数据，经信号调理电路转换为数字信号后存储在射频卡内，然后由读卡器读取数据并传输给微处理器。微处理对采集到的数据进行处理，并且可以通过与之相连的无线收发模块将数据传输给监控平台，以便监控人员进行分析、判断。

无线传输模块可以采用现有的各种无线收发模块。本发明采用能耗较低的Zigbee无线收发模块。经过微处理器处理之后的数据通过Zigbee无线收发模块发送到相应的外部节点，同时可以接收其他该装置发送过来的数据，实现远程无线控制。

本发明的用于恶劣环境的传感器数据采集装置可以分为两部分，一部分完全封装在密闭容器内部，这部分包括Zigbee无线收发模块、微处理器模块、一无线供电装置的受电端（即电源模块），以及信号采集模块中的信号接收端；另一部分则是暴露在外部的信号采集模块中的信号接收端。

由于采用了无线方式的信号和能量传输，密闭容器的密封性得到了充分保证，不会和外界有接触，因此可在恶劣环境条件下保证容器内各部件的安全性和使用寿命。同时多个信号发送端在正常工作时均固定在密闭容器外壁的插槽内，可实现信号、能量的稳定传递，而在必要的时候，可以很方便地取下，从而保证了整个装置的移动便携性。

Claims

1. 一种用于恶劣环境的传感器数据采集装置，包括信号采集模块、微处理器模块、无线收发模块，以及为整个装置提供电能的电源模块；所述信号采集模块用于采集外部传感器传输的信号，并将信号传输给所述微处理器模块，微处理器模块对信号进行处理后通过所述无线收发模块发送；其特征在于，

所述信号采集模块包括多个信号发送端和一个信号接收端，所述信号发送端包括信号调理电路和被动式RFID标签，所述信号接收端包括一RFID读卡器，RFID读卡器的输出端与所述微处理器模块连接；RFID读卡器与所述微处理器模块、无线收发模块、电源模块一起封装于一密闭容器内。

2.如权利要求1所述传感器数据采集装置，其特征在于，所述电源模块为一无线供电装置的受电端，包括依次连接的耦合元件、整流电路及DC-DC转换电路。

3.如权利要求1所述传感器数据采集装置，其特征在于，所述密闭容器外壁上设置有多个用于固定所述信号发送端的固定机构。

4.如权利要求3所述传感器数据采集装置，其特征在于，所述固定机构为与所述信号发送端的尺寸相适应的插槽。

5.如权利要求1所述传感器数据采集装置，其特征在于，所述无线收发模块为Zigbee无线收发模块。

6.如权利要求1所述传感器数据采集装置，其特征在于，所述信号调理电路的输入端设置有用于连接传感器的数据接口。