CN102664652A

CN102664652A - 无线传感器网络节点装置

Info

Publication number: CN102664652A
Application number: CN2012100841949A
Authority: CN
Inventors: 朱晓舒; 齐亮; 时斌; 丁正山
Original assignee: Changshu Nanjing Normal University Development Research Institute Co Ltd
Current assignee: Changshu Nanjing Normal University Development Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明公开了一种高精度高输入阻抗的无线传感器网络节点装置，包括无线射频收发模块、传感器模拟接口模块和电源管理模块。其中，传感器模拟接口模块可外接传感器，对输入的模拟信号进行调理后模数转换，形成数字信号，再通过串行外设接口总线和无线射频收发模块进行通信；无线射频收发模块包括2.4G无线收发器和高增益天线，以实现远距离的无线数据传送；电源管理模块负责给整个无线传感器网络节点提供电源和进行自动充电管理。本发明可与多种有源传感器或无源传感器相连接，提供较高的输入阻抗，具有高精度微弱信号的采集能力。

Description

无线传感器网络节点装置

技术领域

本发明涉及电子技术应用领域，尤其涉及无线传感器网络应用技术领域。

背景技术

无线传感器网络节点一般包括传感器数据采集模块、数据处理模块、数据接收和发送模块以及电源管理模块。目前高度集成的无线传感器网络节点普遍存在数据采集精度低、数据采集误差较大、输入阻抗低、功耗受电池容量限制等缺点。

无线传感器网络节点中的传感器数据采集模块决定了数据采集精度。现有的传感器大多以电压形式输出。现有的无线传感器节点在数据采集精度上存在缺陷，主要表现为电压分辨率过低和采集误差较大。目前无线传感器节点的电压分辨率通常在2.5毫伏左右，采集误差在5%~10%之间，模拟信号的输入阻抗一般小于1 兆欧。造成现有无线传感器节点电压分辨率过低的主要原因是现有的无线传感器网络节点为了节约能耗通常采用MCU（微处理器）内部集成的数模转换器，这种MCU内集成的数模转换器的位数一般不超过12位。这种AD转换器能够满足一般的数据采集要求，但对于一些高精度高输出阻抗的传感器就无能为力了。

造成数据采集误差较大的原因则来自于多方面的因素：来自于传感器本身的热噪声，以及外界的电磁干扰等等，其中最重要的是现有的无线传感器节点通常是通过使用外置射频收发芯片，造成整个无线传感器节点的硬件电路中的高频噪声较多，干扰数模转换器，从而增加采集误差。

通常，现有的无线传感器节点的数模转换器输入阻抗为千欧级。普通的带有输出能力的有源传感器的输出阻抗也是千欧级，将这种传感器的输出连接无线传感器节点是完全可行的。但是有些无源传感器，如PH计的内阻达到250兆欧，如果直接接入无线传感器节点的数模转换器，则输出的微弱电压量将完全被无源传感器的内阻消耗，很难被采集到。

现有无线传感器节点通常使用能量有限的一次性锂亚电池作为电源，虽然使用了很多降低能耗的算法来提高节点的使用寿命，但是如果没有补充，则电源终将耗尽，无线传感器节点将停止工作。因此，能源问题就成了制约整个无线传感器网络使用寿命的关键因素。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种数据采集精度高、输入阻抗高且工作寿命长的无线传感器网络节点装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种无线传感器网络节点装置，包括无线射频收发模块，所述无线射频收发模块包括2.4G无线收发器和高增益天线，以实现远距离的无线数据传送；装置还包括传感器模拟接口模块，对输入的模拟信号进行调节后模数转换以形成数字信号，再通过串行外设接口总线和无线射频收发模块进行通信；所述传感器模拟接口模块具体包括一个用于阻抗转换和模拟信号放大的芯片以及一个用于模数信号转换的芯片，其中前者的输出端与后者的模拟输入口相连接。传感器模拟接口模块可外接传感器。

进一步，所述用于阻抗转换和模拟信号放大的芯片采用仪用放大器INA333芯片，所述用于模数信号转换的芯片采用ADS1234芯片，INA333芯片的输出端和ADS1234芯片的模拟输入口相连接。INA333芯片将外部传感器输入的微弱差分转换成单端电压，并适度放大；ADS1234芯片将输入的模拟信号转换成数字信号通过串行外设接口(SPI)总线输出。

进一步，装置还包括电源管理模块，负责给整个无线传感器网络节点提供电源和进行自动充电管理，该模块具体包括锂电池、为节点系统供电和为锂电池充电的充电管理芯片以及将锂电池的电压转换为输出稳定的3.3V直流电供应至无线传感器网络节点的升降压开关芯片。

进一步，所述充电管理芯片采用CN3063芯片，所述升降压开关芯片采用ADP2503芯片。电源管理模块中的太阳能板把太阳能转化为电能输送到CN3063芯片，经过电压和电流调整后，为节点系统供电的同时为锂电池充电；ADP2503芯片将锂电池的电压转换为输出稳定的3.3V直流电供应至无线传感器网络节点。

进一步，所述无线射频收发模块采用CC2530芯片，该芯片内含一个高性能射频收发器，还集成了8051内核的微处理器，芯片内的能射频收发器与5dbi 室外全向高增益天线相连。本发明还在CC2530芯片的射频输出端装有一个2.4GHz的CC2591功率放大芯片。

采用上述技术方案后，本发明获得了如下有益效果：

本发明加装了一个传感器模拟接口模块后，一方面可以对传感器输出信号进行阻抗变换和信号放大，提供了较高的输入阻抗，另一方面还能精确地将模拟信号转换成数字信号，具有高精度微弱信号的采集能力，因此较传统的无线传感器网络节点数据采集的精度和输入的阻抗更高，且可与多种有源传感器或无源传感器相连接。本发明的最小可采集电压为1纳伏，数据采集误差为1%以内。另外，本发明还具有自动充电功能，可以最大限度延长无线传感器网络节点的工作时间，又由于节点的整套系统采用双层板电路设计，所使用的芯片都是常用大批量生产的通用芯片，单套的成本低至一百元左右，具有广泛应用的价值。

附图说明

图1是无线传感器网络节点结构示意图。

图2是传感器模拟接口模块工作模式示意图。

图3是电源管理模块工作模式示意图。

图4是无线射频收发模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

无线传感器网络节点的硬件结构如图1所示。包括无线射频收发模块、传感器模拟接口模块和电源管理模块。外接的传感器输出的模拟信号通过传感器模拟接口模块转换为数字信号，并输送给无线射频收发模块，无线射频收发模块采用无线的方式发送出去。电源管理模块提供无线传感器网络节点所必须的电能。传感器模拟接口部分和电源管理部分由无线射频收发模块中的微处理器控制。本装置可与多种有源传感器或无源传感器相连接。本实施例中的传感器模拟接口模块和电源管理模块是独立的两个部分，各自起着相应的功能，独立工作，互不影响。

如图2所示，传感器模拟接口模块包括一个用于阻抗转换和模拟信号放大的芯片以及一个用于模数信号转换的芯片，其中前者的输出端与后者的模拟输入口相连接。用于阻抗转换和模拟信号放大芯片优选仪用放大器INA333芯片，用于模数信号转换芯片优选ADS1234芯片。本发明可用于高输出阻抗传感器信号的采集，数据采集的输入阻抗应与传感器的输出阻抗匹配，至少为1G欧以上，所以采用高输入阻抗的仪用放大芯片INA333对传感器输出信号进行阻抗变换和信号放大。该芯片可以放大差分或者单端信号，输入阻抗为100G欧，输入电容只有3pF，可以不失真稳定放大直流电压信号或者100Hz以下的交流电压信号，它的最大增益是1000倍，完全符合高输出阻抗传感器的输出负载要求。此外采用高精度模数转换芯片ADS1234作为系统的模数信号转换芯片，该芯片的分辨率为24位，内部可调增益最大为128倍，最小采样精度为0.3纳伏。将INA333的输出连接到ADS1234的输入端，则传感器输出的最小采样精度高达0.3纳伏。鉴于实际应用中，电源和空间中的杂波干扰，实测的最小采样精度约为1纳伏，并且数据采集的误差在1%以内。

如图3所示，电源管理模块包括锂电池、为节点系统供电和为锂电池充电的充电管理芯片以及将锂电池的电压转换为输出稳定的3.3V直流电供应至无线传感器网络节点的升降压开关芯片。采用CN3063芯片作为充电管理芯片，它能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，适合利用太阳能板等电流输出能力有限的电压源为锂电池充电。可设置的持续恒流充电电流可达600mA，它采用恒流/恒压/恒温模式充电，既可以使充电电流最大化，又可以防止芯片过热。在电压和电流足够的情况下，在使用太阳能电池为节点供电的同时为充电电池充电。同时，CN3063还具有自动再充电和电池温度监测功能。锂电池的充电电压是4.2V，输出电压范围是3~4.2V，为了给传感器节点系统提供稳定的3.3V工作电压，采用升降压开关芯片ADP2503对锂电池的输出电压进行转换。ADP2503的电压输入范围2.3~5.5V，固定3.3V输出，电源转换效率高于90%。

图4示出了本发明中无线射频收发模块的结构，其核心芯片采用Ti公司的CC2530。芯片CC2530集成了业界标准的增强型8051、一个在各种供电方式下具备数据保持能力的8-KB RAM、2.4GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器、一个IEEE 802.5.4 MAC 定时器、一个通用定时器、8通道12位ADC和5 通道DMA。CC2530是专为无线传感器节点设计的低功耗系列产品，除了正常的工作模式外，还具有4种可以单独选择的低功耗休眠模式。功耗最低的一种休眠模式，其休眠电流仅有1μA。同时，芯片支持2~3.6V的工作电压，使其在使用电池供电的设备上具有优秀的低功耗表现。通过软件编程的方式，设置芯片的工作模式寄存器，可以使芯片在各种运行模式间快速切换。也可以通过外部高精度32.768KHz的晶振精确控制其休眠时间。

芯片CC2530内部集成了2.4GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器，具有出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。其可编程输出功率为最高为+4.5 dBm。只需要极少量的外部阻抗匹配元件就可以实现无线收发功能。为了延长通信距离，并配合野外安装的要求，选用5dbi 室外全向高增益天线。同时在PCB板的射频部分，地的覆铜和过孔严格按照50欧姆射频传输线的设计要求，从而使芯片的射频输出能够和天线具有最好的匹配效果，以使得射频输出的实际效率最大化。在稳定通信的情况下，本发明实测的可视距离最大为400米。如果在芯片的射频输出部分再加上2.4 GHz的功率放大芯片，如CC2591芯片，则可以得到最高+22 dBm的输出功率。在稳定通信的情况下，实测的可视距离最大为1.2千米，完全满足远距离无线传感的要求。

Claims

1. 一种无线传感器网络节点装置，包括无线射频收发模块，所述无线射频收发模块包括2.4G无线收发器和高增益天线，其特征在于：所述无线传感器网络节点装置还包括传感器模拟接口模块，对输入的模拟信号进行调节后模数转换以形成数字信号，再通过串行外设接口总线和无线射频收发模块进行通信；所述传感器模拟接口模块具体包括一个用于阻抗转换和模拟信号放大的芯片以及一个用于模数信号转换的芯片，其中前者的输出端与后者的模拟输入口相连接。

2. 根据权利要求1所述的无线传感器网络节点装置，其特征是：所述用于阻抗转换和模拟信号放大的芯片采用仪用放大器INA333芯片，所述用于模数信号转换的芯片采用ADS1234芯片，INA333芯片的输出端和ADS1234芯片的模拟输入口相连接。

3. 根据权利要求1或2所述的无线传感器网络节点装置，其特征是：所述无线传感器网络节点装置还包括电源管理模块，负责给整个无线传感器网络节点提供电源和进行自动充电管理，该模块具体包括锂电池、为节点系统供电和为锂电池充电的充电管理芯片以及将锂电池的电压转换为输出稳定的3.3V直流电供应至无线传感器网络节点的升降压开关芯片。

4. 根据权利要求3所述的无线传感器网络节点装置，其特征是：所述充电管理芯片采用CN3063芯片，所述升降压开关芯片采用ADP2503芯片。

5. 根据权利要求1或2 所述的无线传感器网络节点装置，其特征是：所述无线射频收发模块采用CC2530芯片，在该芯片的射频输出端装有一个2.4GHz的CC2591功率放大芯片。