CN103278841A - 低功耗β射线无线传感监测装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗β射线无线传感监测系统，其包括低功耗β射线无线传感监测装置(1)、β射线无线传感网络(2)和β射线无线传感监测中心(3)；低功耗β射线无线传感监测装置(1)为一个以上；低功耗β射线无线传感监测装置(1)通过β射线无线传感网络(2)与β射线无线传感监测中心(3)实现无线通信；低功耗β射线无线传感监测装置(1)包括β射线探测装置、信号调节器和无线传感单元；无线传感单元包括微控制器、信息存储器、外设时钟、无线通信装置和电源系统；无线通信装置包括无线收发器、R/T切换装置、收发天线。其体积少、成本低、功耗低、自动灵活组网、鲁棒性好，维护方便，还特别适应野外没有市电使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种β射线监测装置及系统，特别是一种低功耗β射线无线传感监测装置及系统；该系统可以对具有辐射的β射线进行探测、无线传输和管理(存储、统计、分析、显示等)，以实现对具有辐射的β射线进行远程监测。
背景技术
随着核工业的不断发展，放射性材料的使用越来越广泛，β辐射对环境的影响引起了社会的广泛关注和高度重视，人们急切需要能够对周边生活环境的β射线进行有效监测的方法。目前的β射线监测主要采用有线技术，覆盖范围小，传输距离有限，维护困难，现场操作危险性较大。目前社会上采用的β射线监测设备大多数为便携式现场检测仪器，如上海纳优仪器仪表有限公司的RKS-01型β射线检测仪、北京北信未来电子科技公司的HJ07-FD-800A型β射线污染检测仪，虽然这些监测设备能够对β射线进行监测，但它们不能实现监测数据无线传输和自组织网络，而且监测区域受限，监测数据不够及时、全面；且通信电缆有线传输距离一般只有15米左右。
现在少数企业也生产了β射线无线监测设备，如北京同德创业科技公司生产的PB-DH80-CP型β射线检测仪，内置大容量锂电池，并且实时显示电池容量，内置可扩展的GPS/GPRS无线传输模块，直接与PC机对接，实现远程监测及远程控制，具有剂量率过载报警与保护功能；南京环安智能科技有限公司的PRM-3020射线快速检测仪支持蓝牙无线通讯，支持实时数据显示、报警传输和历史记录下载，能耗低、两节5号民用碱性电池可连续使用600小时。目前这些产品虽然都支持无线传输功能，但是仍然存在以下几个问题：
1、不支持自组织网络，不能大规模组网，不支持智能休眠模式，需要现场操作，不能实现自动连续监测，功耗比较大；
2、监测地域受到限制，在复杂环境或者是山区信号易受到干扰，传输不稳定，延时较长；在掉电情况下不具备数据保护功能；
3、采用GPS/GPRS等实时信息无线传输时，要租用公共网络，费用较高，并且数据传输安全性受到影响；而蓝牙技术虽然是免费的，但是由于其自身的缺陷，目前并没有在监测领域中得到真正推广应用；
4、产品兼容性不足，只能实现本系列的产品升级，造成系统的更新升级困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种低功耗β射线无线传感监测装置，以及利用该装置实现的低功耗β射线无线传感监测系统，体积少，成本低；功耗低，使用时间长，特别适应野外没有市电使用；自动灵活组网，可以无限扩展，广泛布设，运行费用低；去掉一个节点(或者是坏了一个节点)，还可以自组织传输，健壮性(鲁棒性)好，还方便维护(不需要关闭全部系统进行维护)。
本发明的技术方案是：一种低功耗β射线无线传感监测装置，其包括β射线探测装置、信号调节器和无线传感单元；β射线探测装置包括G-M计数管和定标器，G-M计数管就是采集β射线的装置，定标器是一种模数转换装置，定标器与G-M计数管相连接；无线传感单元为β射线探测装置通过无线方式向外传送信号的接口；定标器与信号调节器相连接；无线传感单元包括微控制器、信息存储器、外设时钟、无线通信装置和电源系统；信息存储器、外设时钟、无线通信装置、电源系统和信号调节器均与微控制器相连接，微控制器负责β射线探测装置、信号调节器和无线传感单元的运行，外设时钟给微控制器提供精准时间准基；无线通信装置包括无线收发器、R/T切换装置、收发天线，R/T切换装置连接在无线收发器和收发天线之间，其为无线收发器与收发天线之间发送和接收信号提供两条不同的通路。
本发明进一步的技术方案是：所述的G-M计数管为FJ365计数管，定标器为FH463B智能定标器，G-M计数管FJ365采集到模拟信号的β射线，传输给智能定标器FH463B进行数字信号转换；信号调节器为MAX3232芯片；微控制器为MSP430F1611芯片；智能定标器FH463B的3脚TXD端与信号调节器MAX3232的13脚P1_TXD端相连接，智能定标器FH463B的通信串口P1的4脚、5脚接地；信号调节器MAX3232的11脚T1IN端、12脚R1OUT端分别与微控制器MSP430F1611的35脚P3.7/URXD1端、34脚P3.6/UTXD1端相连接，信号调节器MAX3232将接收到的β射线信号进行标准的TTL电平转换，变成适合微控制器MSP430F1611识别的电信号，实现智能定标器FH463B与微控制器(MCU)MSP430F1611之间的电平匹配。
本发明更进一步的技术方案是：所述的无线收发器为CC2420芯片；无线收发器CC2420的27脚SFD端、28脚CCA端、29脚FIFOP端、30脚FIFO端、31脚CSn端、32脚SCLK端、33脚SI端、34脚SO端、21脚RESETn端和41脚VREG_EN端分别与微控制器MSP430F1611的14脚P1.2/TA1端、13脚P1.1/TA0端、18脚P1.6/TA1端、17脚P1.5/TA0端、44脚P5.0/STE1端、47脚P5.3/UCLK1端、45脚P5.1/SIMO1端、46脚P5.2/SOMI1端、42脚P4.6/TB6端和12脚P1.0/TACLK端相连接，其中无线收发器CC2420的33脚SI端、34脚SO、32脚SCLK端和31脚CSn端分别与微控制器MSP430F1611的45脚P5.1/SIMO1端、46脚P5.2/SOMI1端、47脚P5.3/UCLK1端、44脚P5.0/STE1端相连接实现无线收发器CC2420与微控制器MSP430F1611之间的数据读写，无线收发器CC2420的27脚SFD端、28脚CCA端、29脚FIFOP端和30脚FIFO端分别与微控制器MSP430F1611的14脚P1.2/TA1端、13脚P1.1/TA0端、18脚P1.6/TA1端、17脚P1.5/TA0端相连接从而控制无线收发器CC2420与微控制器MSP430F1611之间的数据读写；微控制器MSP430F1611还可以控制无线收发器CC2420芯片的开启、关断；无线收发器CC2420的38脚XDSC16_Q2端、39脚XDSC16_Q1端连接有16M的晶振时钟电路(XTAL、C11、C12)；R/T切换装置通过高阻抗差分电路与无线收发器CC2420的无线收发端口(6脚RF_P端、7脚TXRX_SWITCH端、8脚RF_N端)相连接；高阻抗差分电路包括电感(L1、L2)和电容(C13、C14、C15、C16)；R/T切换装置包括两个异或门，两个异或门均采用AS169芯片，两个异或门AS169芯片的1脚J3端、3脚J2端交叉相连接，第一个AS169芯片的5脚J1端与高阻抗差分电路的电容C16相连接；第二个AS169芯片的5脚J12端通过匹配电路(电容C29、C30)与收发天线PCB相连接；两个异或门AS169芯片的4脚V1端、6脚V2端均与无线收发器CC2420的7脚TXRX_SWITCH端相连接，实现CC2420对R/T切换装置的实时控制。
本发明再进一步的技术方案是：所述的信息存储器为AT45DB041B存储芯片，AT45DB041B芯片的1脚SI端、2脚SCK端、3脚RST端、4脚CS端、5脚WP端和8脚SO端分别与微控制器MSP430F1611的I/O接口2脚P6.3/A3端、60脚P6.1/A1端、5脚P6.6/A6端、59脚P6.0/A0端、3脚P6.4/A4端和4脚P6.5/A5端相连接，微控制器MSP430F1611通过USART0/UART方式的I/O接口的2脚P6.3/A3端、60脚P6.1/A1端和4脚P6.5/A5端对信息存储器AT45DB041B进行信息存取操作。
本发明还进一步的技术方案是：所述的电源系统包括电压转换模块、电池、直流稳压装置和电压调控模块；电压转换模块为LB05-10B05转换器，实现将220V交流电源转换为直流电源；电池为备用电源；直流稳压装置包括电源管理器和辅助电路，电源管理器为TPS79533芯片；辅助电路包括接口J7、接口J8、电容C32、电容C33、电阻R12、电阻R14、红色LED、绿色LED和二极管D2；电源管理器TPS79533的EN端为使能引脚端，接电源输入；电源管理器TPS79533的EN端与电压转换模块和/或电池相连接，电压转换模块与IN端之间连接二极管D2，电池通过J8接口与IN端相连接；接口J7可以连接外设的变压整流的3V电源；电源管理器TPS79533的OUT端输出3.3V稳定电压；电源管理器TPS79533的EN端与地线之间连接极性电容C32；电源管理器TPS79533的OUT端与地之间连接电容C33；电源管理器TPS79533的RES端接上拉电阻R12；电源管理器TPS79533的RES端连接有红色LED；电源管理器TPS79533的OUT端与地之间还连接有绿色LED和电阻R14；电压调控模块为ADG823芯片，电压调控模块ADG823的5脚VDD端与电源管理器TPS79533的OUT端相连接；电压调控模块ADG823的VOUT接口(S1端、S2端)与无线收发器CC2420和微控制器MSP430F1611的电源输入端相连；电压调控模块ADG823的3脚IN2端、6脚IN1端分别与微控制器MSP430F1611的22脚P2.2/CAOUT/TA0端、23脚P2.3、CAO/TA1端连接，以检测控制器MSP430F1611需要工作电源情况。
本发明进一步的技术方案是：无线传感单元还包括外设时钟，外设时钟为DS1307芯片，DS1307的1脚X1端与2脚X1端之间连接一个32.768KHz的晶振J2，DS1307的6脚SDA端、5脚SCL端分别与微控制器MSP430F1611的51脚P5.7/TBOUTH端、50脚P5.6/ACLK端相连接，给微控制器MSP430F1611提供精准的时间准基，保证整个低功耗β射线无线传感监测系统的准确运行。
一种低功耗β射线无线传感监测系统，其包括低功耗β射线无线传感监测装置和β射线无线传感监测中心；低功耗β射线无线传感监测装置为一个以上；β射线无线传感监测中心包括无线传感单元和计算机系统；β射线无线传感监测中心的无线传感单元为与低功耗β射线无线传感监测装置的无线传感单元具有相同的结构；计算机系统包括数字处理装置和β射线信息处理模块，数字处理装置包括输入输出接口、存贮器和处理器，β射线信息处理模块置于数字处理装置中，β射线无线传感监测中心的无线传感单元的接口与数字处理装置的输入输出接口相连接，实现与数字处理装置的信息交换，数字处理装置的β射线信息处理模块可对接收来的β射线信息进行操作，实现对β射线进行监测的目的；β射线无线传感监测中心通过其β射线信息处理模块还可以控制低功耗β射线无线传感监测装置的开启、关断；低功耗β射线无线传感监测装置的β射线探测装置通过低功耗β射线无线传感监测装置的无线传感单元与β射线无线传感监测中心实现无线通信。
低功耗β射线无线传感监测系统还包括β射线无线传感网络，β射线无线传感网络包括一个以上的无线传感单元，β射线无线传感网络的无线传感单元可以自组织成无线传感网络，每个β射线无线传感网络的无线传感单元为无线传感网络的一个节点，并可以与低功耗β射线无线传感监测装置和β射线无线传感监测中心通信，即其为低功耗β射线无线传感监测装置和β射线无线传感监测中心之间的无线通信网络，实现低功耗β射线无线传感监测装置与β射线无线传感监测中心的信息交换；β射线无线传感网络的无线传感单元为与低功耗β射线无线传感监测装置的无线传感单元具有相同的结构。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、支持智能休眠模式，可以满足自动、连续监测需求，并且节约能量，延长网络生存时间；实现无线多跳传输方式发送信息，摆脱传输距离的限制，减少单个节点的能量消耗，有利于延长整个网络的生存期；可以实现自组织网络，网络拓扑控制灵活，能适合大规模组网；
2、低功耗设计，具有实时采集并存储β射线信息功能，能缓解微控制器内存压力，减低功耗；采用多功能外设时钟，提供精准的时间准基，减少传输延迟，具有掉电保护特性的静态RAM可存储一些关键性数据；具有R/T切换装置，使CC2420与收发天线之间的信号传输抗干扰能力更强，信号传输损耗低，减低无线收发的功耗，保证了信号稳定传输；电源系统中连接了电压调控模块ADG823，使得整个系统在不工作时可以自动将电源断开，大大节约了能量；
3、通信信道免费，网络具有鲁棒性和容错性，安全性强，采用标准的无线传输协议，信号传输稳定，网络覆盖广；
4、安装配置简单，网络搭建方便，扩展能力强，能够采集嵌入式、单片机等系统的数字信号，适合大部分的β射线采集设备；具备电压管理功能，保证电压以3.3v稳定输出，可以根据监测装置的电压需求调整电压的大小，减低能耗，同时设计备用电源和直流转换模块，多途径提供电源供应。
为了更清楚地说明本发明，列举以下实施例，但其对发明的范围无任何限制。
附图说明
图1为本发明的低功耗β射线无线传感监测系统的结构框图；
图2为本发明的低功耗β射线无线传感监测装置的结构框图；
图3为本发明的无线传感单元的微控制器电原理图；
图4为本发明的无线传感单元的信息存储器AT45DB041B芯片的引脚电原理图；
图5为本发明的无线传感单元的外设时钟DS1307芯片的引脚及外围电原理图；
图6为本发明的无线传感单元的无线收发器CC2420芯片的引脚及外围电原理图；
图7为本发明的无线传感单元的R/T切换装置的电原理图；
图8为本发明的无线传感单元的R/T切换装置的工作状态切换原理图；
图9为本发明的无线传感单元的直流稳压装置原理图；
图10为本发明的无线传感单元的电压调控模块ADG823芯片的引脚电原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种低功耗β射线无线传感监测系统，其包括低功耗β射线无线传感监测装置1、β射线无线传感网络2和β射线无线传感监测中心3；如图2所示，低功耗β射线无线传感监测装置1包括β射线探测装置11、无线传感单元12和信号调节器13；低功耗β射线无线传感监测装置1可以为一个以上(如图1所示)，以便监测多个点的β射线情况，甚至可以位于不同的地点；β射线探测装置11将采集的β射线信号传送给信号调节器13进行标准TTL电平转换后，通过无线传感单元12、β射线无线传感网络2与β射线无线传感监测中心3实现通信，如果实地距离较短，β射线探测装置11通过信号调节器13实现无线传感单元12直接与β射线无线传感监测中心3进行无线通信；无线传感单元12通过信号调节器13与β射线探测装置11相连接，其为β射线探测装置11通过无线方式向外传送信号的接口；β射线无线传感网络2包括一个以上的无线传感单元21，无线传感单元21可以自组织成无线传感网络，每个无线传感单元21为无线传感网络的一个节点，并可以与低功耗β射线无线传感监测装置1和β射线无线传感监测中心3通信，即其为低功耗β射线无线传感监测装置1和β射线无线传感监测中心3之间的无线通信网络，实现低功耗β射线无线传感监测装置1与β射线无线传感监测中心3的信息交换(即起到中间网络的作用)；β射线无线传感网络2的无线传感单元21可以为与低功耗低功耗β射线无线传感监测装置1的无线传感单元12具有基本相同的结构。
β射线无线传感监测中心3包括无线传感单元31和计算机系统32；β射线无线传感监测中心3的无线传感单元31可以为与低功耗β射线无线传感监测装置1的无线传感单元12具有基本相同的结构，即低功耗β射线无线传感监测装置1的无线传感单元12、β射线无线传感网络2的无线传感单元21和β射线无线传感监测中心3的无线传感单元31可以为同一结构的装置，设计为一种通用的无线传感单元，以免分别设计，节约成本；计算机系统32包括数字处理装置和β射线信息处理模块，数字处理装置包括输入输出接口、存贮器和处理器，数字处理装置可以为一台能进行数字信号处理的普通计算机，β射线信息处理模块置于数字处理装置中；β射线信息处理模块在表现形式上可以为软件，也可以为硬件；无线传感单元31的接口(其微控制器的输入输出接口)与数字处理装置的输入输出接口相连接，实现将接收的无线信号传送给数字处理装置，并实现与数字处理装置的双向通信(例如，数字处理装置向无线传感单元31发送控制信号)，数字处理装置的β射线信息处理模块可对接收来的β射线信息进行收集、汇总、管理等操作，实现对β射线进行监测的目的；β射线无线传感监测中心3通过其β射线信息处理模块还可以控制低功耗β射线无线传感监测装置1、β射线无线传感网络2的开启、关断，即实现整个系统的开启和关断，即低功耗β射线无线传感监测装置1、β射线无线传感网络2和β射线无线传感监测中心3的各无线传感单元除了传输β射线信息外，还传输控制信号，以实现β射线无线传感监测中心3对整个系统的控制。
如图2所示，低功耗β射线无线传感监测装置1的β射线探测装置11用来测定β射线强度，即单位时间的粒子数目，其主要包括G-M计数管和智能定标器，智能定标器采用FH463B，G-M计数管采用FJ365计数管；FH463B与FJ365均为北京核仪器厂生产，G-M计数管FJ365是一种核辐射产生的β射线探测器，即G-M计数管FJ365就是采集β射线的装置；G-M计数管FJ365采集到模拟信号的β射线，传输给智能定标器FH463B进行数字信号转换；智能定标器是一种模数转换装置；智能定标器FH463B与G-M计数管FJ365相连接。
无线传感单元12主要包括微控制器(MCU)、信息存储器、无线通信装置、外设时钟和电源系统。
β射线探测装置11通过信号调节器13与无线传感单元12的微控制器(MCU)相连接，信号调节器采用TI公司生产的MAX3232芯片，智能定标器与信号调节器13相连接，信号调节器13与无线传感单元12的微控制器(MCU)相连接，其功能是将接收到的β射线信号进行标准的TTL电平转换，变成适合微控制器MSP430F1611识别的电信号，实现智能定标器FH463B与微控制器(MCU)MSP430F1611之间的电平匹配。
如图3所示，无线传感单元12的微控制器(MCU)采用TI公司超低功耗的16位MSP430F1611芯片，MSP430F1611具有多功能的64个引脚，超低功耗运行，性能非常稳定，MSP430F1611采用TinyOS2.x操作系统，TinyOS2.x是专用于无线传感网络的开源嵌入式操作系统，功耗低、通信性能强、CPU执行效率高；智能定标器FH463B的通信串口P1(即DB9串口)的3脚TXD端与信号调节器MAX3232(TI公司生产)的13脚P1_TXD端相连接，智能定标器的通信串口P1的4脚、5脚接地；信号调节器MAX3232可将从智能定标器收到的信号进行TTL电平转换，实现智能定标器与微控制器(MCU)MSP430F1611之间的电平匹配；信号调节器MAX3232的11脚T1IN端、12脚R1OUT端分别与微控制器(MCU)MSP430F1611的35脚P3.7/URXD1端、34脚P3.6/UTXD1端相连接，信号调节器MAX3232将转换后能识别的信号与微控制器(MCU)MSP430F1611通信，完成采集β射线信息；因为智能定标器的串行通信的低电平为负3V至负15V，高电平为3V至15V，而微控制器(MCU)MSP430F1611输出的高电平只有3V，低电平是0V，要实现智能定标器与微控制器(MCU)MSP430F1611的通信，必须要进行电平转换，而信号调节器MAX3232可以很好地完成TTL电平与标准RS232电平之间的电平转换，即信号调节器MAX3232能实现智能定标器与微控制器(MCU)MSP430F1611之间的通信(包括接收智能定标器传送来的β射线信息)。
如图3、4所示，信息存储器采用4.1MB的串行Flash存储芯片AT45DB041B(ATMEL公司生产)，AT45DB041B芯片同时支持读写操作，功耗低，对数据具有硬件保护功能，AT45DB041B芯片的1脚SI端、2脚SCK端、3脚RST端、4脚CS端、5脚WP端和8脚SO端分别与微控制器(MCU)MSP430F1611的I/O接口2脚P6.3/A3端、60脚P6.1/A1端、5脚P6.6/A6端、59脚P6.0/A0端、3脚P6.4/A4端和4脚P6.5/A5端相连接，微控制器(MCU)MSP430F1611通过USART0/UART方式的I/O接口的2脚P6.3/A3端、60脚P6.1/A1端和4脚P6.5/A5端对信息存储器AT45DB041B进行信息存取操作(主要为β射线信息)。
如图3、5所示，外设时钟为多功能外设时钟，其采用DALLAS公司低功耗、高性能的实时时钟DS1307芯片，其具有总线接口，带有闰年补偿功能和自动的掉电保护数据功能，DS1307的1脚X1端与2脚X1端之间连接一个32.768KHz的晶振J2，提供精准的时间准基，保证微控制器(MCU)MSP430F1611的准确运行，DS1307的7脚SQW/OUT端输出检测方波，保证时钟运行的稳定，DS1307的6脚SDA端、5脚SCL端分别与微控制器(MCU)MSP430F1611的51脚P5.7/TBOUTH端、50脚P5.6/ACLK端相连接，由于微控制器(MCU)MSP430F1611内部时钟没有闰年补偿功能、自动的掉电保护数据功能，外设时钟DS1307芯片除了可以为微控制器(MCU)提供准确的时钟外，正好可以弥补微控制器(MCU)MSP430F1611内部时钟没有闰年补偿功能、自动的掉电保护数据功能的缺陷。
无线通信装置包括无线收发器、R/T切换装置、收发天线。
如图6所示，无线收发器采用TI公司的CC2420芯片，其为一种无线收发芯片，其是2.4GHz(IEEE802.15.4标准)的射频收发器，数据传输速率高达250Kbps，具有硬件加密、安全可靠、功耗低、组网快速等特点，方便建立大规模无线多跳网络；CC2420芯片通过4线SPI总线(SI端、SO端、SCLK端、CSn端)设置本身的工作模式实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等操作；CC2420芯片通过控制本身的30脚FIFO端和29脚FIFOP端的数据缓存区状态设置发射/接收缓存器；无线收发器CC2420的27脚SFD端、28脚CCA端、29脚FIFOP端、30脚FIFO端、31脚CSn端、32脚SCLK端、33脚SI端、34脚SO端、21脚RESETn端和41脚VREG_EN端分别与微控制器(MCU)MSP430F1611的14脚P1.2/TA1端、13脚P1.1/TA0端、18脚P1.6/TA1端、17脚P1.5/TA0端、44脚P5.0/STE1端、47脚P5.3/UCLK1端、45脚P5.1/SIMO1端、46脚P5.2/SOMI1端、42脚P4.6/TB6端和12脚P1.0/TACLK端相连接，其中无线收发器CC2420的33脚SI端、34脚SO端、32脚SCLK端和31脚CSn端分别与微控制器MSP430F1611的45脚P5.1/SIMO1端、46脚P5.2/SOMI1端、47脚P5.3/UCLK1端、44脚P5.0/STE1端相连接实现无线收发器CC2420与微控制器MSP430F1611之间的数据读写，无线收发器CC2420的27脚SFD端、28脚CCA端、29脚FIFOP端和30脚FIFO端分别与微控制器MSP430F1611的14脚P1.2/TA1端、13脚P1.1/TA0端、18脚P1.6/TA1端、17脚P1.5/TA0端相连接从而控制无线收发器CC2420与微控制器MSP430F1611之间的数据读写，CC2420的SFD端(27引脚)一旦接受到能识别的物理地址数据，则输出高电平直到数据接收完毕，而CC2420的CCA端(28引脚)只在接收信号状态下才有效，并输出高电平，并且当接收状态至少经过8个符号周期，CCA端(28引脚)才可能输出有效的信道状态。当CC2420的FIFO端(30引脚)缓存区的数据不为空，FIFO端(30引脚)立即输出高电平；当接收FIFO缓存区数据为空，FIFO端(30引脚)立即输出低电平；而CC2420的FIFOP端(29引脚)在接收FIFO缓存区的数据超过寄存器设置的阀值或在CC2420成功接收完一个完整的帧则输出高电平；微控制器(MCU)MSP430F1611可以控制无线收发器CC2420芯片的开启、关断。
无线收发器CC2420通过R/T切换装置与收发天线相连接，实现无线信号的收发；无线收发器CC2420的38脚XDSC16_Q2端、39脚XDSC16_Q1端连接有16M的晶振时钟电路(XTAL、C11、C12)，保证时钟准确，运行稳定可靠。
R/T切换装置通过高阻抗差分电路与无线收发器CC2420的无线收发端口(6脚RF_P端、7脚TXRX_SWITCH端、8脚RF_N端)相连接；高阻抗差分电路包括电感(L1、L2)和电容(C13、C14、C15、C16)。
由于无线收发器CC2420的无线收发端口(6脚RF_P端、7脚TXRX_SWITCH端、8脚RF_N端)在进行收发信号转换时，分别是6脚RF_P端与8脚RF_N端与高阻抗差分电路相连通，会形成电压交替变化，这种交替变化作用在高阻抗差分电路与收发天线之间的连接线路中，会造成大量的能量消耗；R/T切换装置可以解决这种交替变化的电压公用同一通路造成电量消耗的问题。
如图7所示，R/T切换装置包括两个异或门，两个异或门均采用AS169芯片(Skyworks公司生产)，两个异或门AS169芯片的1脚J3端、3脚J2端交叉相连接，第一个AS169芯片(即图7左侧的AS169芯片)的5脚J1端与高阻抗差分电路的电容C16相连接；第二个AS169芯片(即图7右侧的AS169芯片)的5脚J12端通过匹配电路(电容C29、C30)与收发天线PCB相连接；两个异或门AS169芯片的4脚V1端、6脚V2端均与无线收发器CC2420的7脚TXRX_SWITCH端相连接，实现CC2420对R/T切换装置的实时控制；AS169芯片是一款专用的载波功率开关器件，基于高电子迁移率晶体管(PHEMT)，可工作在超高频电路中，功耗极低；R/T切换装置工作原理：CC2420的6脚RF_P端和8脚RF_N端之间经过内部不平衡变压器，CC2420的6脚RF_P和8脚RF_N对外与高阻抗差分电路相连接，CC2420芯片需要在接收与发射两个工作状态间切换，当CC2420的内部切换到发送或接收模式时，会改变TXRX_SWITCH引脚上的高低电平，该电平经过异或门和非门电路(CC2420芯片内部)后，产生互补的切换控制信号RX_ON和TX_ON，这两种信号作用在R/T切换电路的AS169芯片的控制端(AS169芯片的4脚V1端、6脚V2端)上，便连通了发射或接收电路(即从CC2420发送的信号通过第一个AS169的5脚、3脚至第二个AS169的1脚、5脚后传送至收发天线，接收信号通过第二个AS169的5脚、3脚至第一个AS169的1脚、5脚传送至CC2420，使得发送与接收信号分别经过不同的通路，消除了发送与接收信号公用同一通路因电平变化造成的耗电量大的问题)；若没有R/T切换装置，直接将收发天线与高阻抗差分电路相连接，就会因发送和接收信号公用一条通路而造成电压交替改变(因为发送与接收信号的工作电平不一样)，进而形成能量消耗，即R/T切换装置对发送和接收信号采用不同的通路，即使发送与接收信号的工作电平不一样，也不受影响，不会形成这种电压交替改变而造成的能量消耗(甚至烧坏电路元器件)，再加上AS169芯片的高频工作特性以及低损耗，同时也解决了发送与接收信号公用一条线路造成相互干扰的问题，信号会稳定地在收发天线和CC2420之间传递。无线通信装置的基本工作流程如图8所示。
电源系统包括电压转换模块、电池、直流稳压装置和电压调控模块；电压转换模块采用LB05-10B05转换器(MORNSUN公司生产)，其可以将220V交流电源转换为3V直流电源给本发明提供工作电源；电池可采用3V干电池(一般为两节1.5V的干电池串联)，作为备用电源，以备在电压转换模块掉电或者是损坏情况下给本发明提供工作电源，也可以适应没有市电的地方使用。
如图9所示，直流稳压装置包括电源管理器和辅助电路，电源管理器直接采用TI公司的高效电源管理器TPS79533芯片，支持1.2V-5.5V的电压输入，提供3.3V/1.5A的稳定输出，损耗典型值是16mV和75μA，低损耗是这款芯片的最大优点；辅助电路包括如图7所示的连接TPS79533芯片上的辅助电路；TPS79533芯片的EN端为使能引脚端，常接5V电源输入，保持芯片正常工作状态；IN端接入5V直流电源(可以连接1.2V-5.5V)，即IN端与电压转换模块和/或电池相连接，电压转换模块与IN端之间还设有截止二极管D2，电池通过J8接口与IN端相连接，辅助电路还包括备用电源接口J7，其可以连接其它变压整流电路将市电转换成的3V电源，OUT端输出3.3V稳定电压；IN端与地线之间连接有1μF极性电容C32，其作用是减少电源发生瞬变时浪涌电流对IN端的影响，从而稳定整个TPS79533芯片的运行状态，在PCB设计中，电容C32紧临IN端；OUT端与地之间连接有电容C33，电容C33值越大，提供的暂时电压就越稳定，但是过大的C33会引起过大的ESR(等效阻抗)，会降低输出电压值，经调试C33选取47μF，采用钽电解电容；RES端为复位引脚端，当OUT端电压为正常值的95％以上时，表示器件正常，RES为高，由于是OD门(漏极开路的门电路)输出，需外接上拉电阻R12；当OUT电压值低于95％时，RES为低，此电平可引至微控制器(MCU)MSP430F1611复位端，由于CC2420允许器件低电压工作，RES端连接有红色LED(图9中的RLED)，当OUT电压值低于正常值的95％且RES为低时RLED指示亮红光；OUT端与地之间还连接有绿色LED(图9中的GLED)和电阻R14，当TPS79533正常工作时，绿色LED会点亮。
如图10所示，电压调控模块采用ANALOG公司的ADG823芯片，其低功耗、高精度，可由1.8V-5.5V供应电源，内部具有高速控制开关，切换时间为33ns，OUT端输出3.3V稳定电压，其5脚VDD端与电源管理器TPS79533芯片的OUT端相连接(如图9所示)，得到电源；电压调控模块ADG823的VOUT接口(S1端、S2端)与信息存储器AT45DB041、外设时钟DS1307、无线收发器CC2420和微控制器MSP430F1611的电源输入端相连，分别为这些部件提供工作电源；电压调控模块ADG823的3脚IN2端、6脚IN1端分别与微控制器(MCU)MSP430F1611的22脚P2.2/CAOUT/TA0端、23脚P2.3、CAO/TA1端连接，当检测到系统(根据微控制器MSP430F1611的22脚、23脚的信息进行判断)高电平需要能源之时，电压调控模块ADG823调整电压输出值大小，由VOUT接口(S1端、S2端)输出稳定的3.3V电压，如果系统不需要高电压，则VOUT接口(S1端、S2端)输出低电压(即切断了电压供应)，这样既可以防止系统不工作时电压过高造成系统各部件严重损耗，又可以节约电能，特别是没有市电供应只能采用电池供电时(例如在长途传送的无线传感网中，往往位于野外)，节约电能就显得特别重要。
低功耗β射线无线传感监测装置1的使用方法及工作原理：
1、低功耗β射线无线传感监测装置1：安设在有β射线辐射的环境中的G-M计数管将采集的β射线脉冲信号传递给智能定标器，智能定标器将接收的β射线脉冲信号转换成数字信号，传输给微控制器(MCU)MSP430F1611；本发明以β射线采集设备G-M计数管FJ365和信号转换设备智能定标器FH463B为例。G-M计数管FJ365采集到脉冲信号的β射线后传输给智能定标器FH463B进行数字信号转换，并将转换好的数字信号通过通信串口传输给信号调节器MAX3232；信号调节器MAX3232将接收到β射线信号转化成微控制器(MCU)MSP430F1611识别的电信号，微控制器(MCU)MSP430F1611将与无线收发器CC2420的SPI接口进行β射线信息的双向传输，再通过无线收发器CC2420实现β射线信息无线收发；在无线收发器CC2420与收发天线之间连接有R/T切换装置，可以大大减少无线收发器CC2420的电量消耗；本发明通过β射线探测装置与无线传感单元相连接，实现了β射线探测装置探测的β射线信息无线传输功能，解决了有线传输的局限性，由于无线传感单元具有很好的扩展性，使得β射线探测装置得到的探测数据实现远程传送，所以β射线探测装置与无线传感单元的对接是信息传送进入无线传感网络的基础；
2、β射线无线传感网络2：无线传感单元的无线收发器CC2420是高集成度的射频收发器件，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于免授权的2.4GHz频段；无线收发器CC2420的通信协议具有很大的开放性，可以自主设计，能以多跳方式进行数据传输，达到远距离传输目的，使得无线传感单元可以自组织网络，形成拓扑网络，进行大规模部署，实现β射线监测信息远程传送；
3、低功耗原理：首先，选用的微控制器(MCU)MSP430F1611、无线收发器CC2420、直流稳压装置TPS79533和电压调控模块ADG823，这些硬件芯片均是低功耗；还有就是在电源系统中连接了电压调控模块ADG823，使得整个系统在不工作时可以自动将电源断开，大大节约了能量；特别是在无线通信装置中，在无线收发器与收发天线之间连接有R/T切换装置，使得发送与接收通路分开，不会因为发送与接收时差异电压在一条通路上形成内耗，可以大大节省无线通信装置的电量损耗，对于部分没有市电只能采用电池供电的无线传感网络中的无线传感单元非常重要。
Claims (10)
1.一种低功耗β射线无线传感监测装置，其包括β射线探测装置(11)；β射线探测装置(11)包括G-M计数管和定标器，G-M计数管是采集β射线的装置，定标器是一种模数转换装置，定标器与G-M计数管相连接；其特征是：其还包括信号调节器(13)和无线传感单元(12)；无线传感单元(12)为β射线探测装置(11)通过无线方式向外传送信号的接口；定标器与信号调节器(13)相连接；无线传感单元(12)包括微控制器、信息存储器、外设时钟、无线通信装置和电源系统；信息存储器、外设时钟、无线通信装置、电源系统和信号调节器(13)均与微控制器相连接，微控制器负责β射线探测装置(11)、信号调节器(13)和无线传感单元(12)的运行；外设时钟给微控制器提供精准时间准基；无线通信装置包括无线收发器、R/T切换装置、收发天线，R/T切换装置连接在无线收发器和收发天线之间，其为无线收发器与收发天线之间发送和接收信号提供两条不同的通路。
2.根据权利要求1所述的低功耗β射线无线传感监测装置，其特征是：所述的定标器为FH463B智能定标器；信号调节器(13)为MAX3232芯片；微控制器为MSP430F1611芯片；智能定标器FH463B的3脚TXD端与信号调节器MAX3232的13脚P1_TXD端相连接，智能定标器FH463B的通信串口P1的4脚、5脚接地；信号调节器MAX3232的11脚T1IN端、12脚R1OUT端分别与微控制器MSP430F1611的35脚P3.7/URXD1端、34脚P3.6/UTXD1端相连接，信号调节器(13)将接收到的β射线信号进行标准的TTL电平转换，变成适合微控制器MSP430F1611识别的电信号，实现智能定标器FH463B与微控制器(MCU)MSP430F1611之间的电平匹配。
3.根据权利要求2所述的低功耗β射线无线传感监测装置，其特征是：所述的无线收发器为CC2420芯片；无线收发器CC2420的27脚SFD端、28脚CCA端、29脚FIFOP端、30脚FIFO端、31脚CSn端、32脚SCLK端、33脚SI端、34脚SO端、21脚RESETn端和41脚VREG_EN端分别与微控制器MSP430F1611的14脚P1.2/TA1端、13脚P1.1/TA0端、18脚P1.6/TA1端、17脚P1.5/TA0端、44脚P5.0/STE1端、47脚P5.3/UCLK1端、45脚P5.1/SIMO1端、46脚P5.2/SOMI1端、42脚P4.6/TB6端和12脚P1.0/TACLK端相连接；无线收发器CC2420的33脚SI端、34脚SO、32脚SCLK端和31脚CSn端分别与微控制器MSP430F1611的45脚P5.1/SIMO1端、46脚P5.2/SOMI1端、47脚P5.3/UCLK1端、44脚P5.0/STE1端相连接实现无线收发器CC2420与微控制器MSP430F1611之间的数据读写，无线收发器CC2420的27脚SFD端、28脚CCA端、29脚FIFOP端和30脚FIFO端分别与微控制器MSP430F1611的14脚P1.2/TA1端、13脚P1.1/TA0端、18脚P1.6/TA1端、17脚P1.5/TA0端相连接从而控制无线收发器CC2420与微控制器MSP430F1611之间的数据读写；微控制器MSP430F1611还可以控制无线收发器CC2420芯片的开启、关断；无线收发器CC2420的38脚XDSC16_Q2端、39脚XDSC16_Q1端连接有16M的晶振时钟电路(XTAL、C11、C12)；R/T切换装置通过高阻抗差分电路与无线收发器CC2420的无线收发端口相连接；高阻抗差分电路包括电感(L1、L2)和电容(C13、C14、C15、C16)；R/T切换装置包括两个异或门，两个异或门均采用AS169芯片，两个异或门AS169芯片的1脚J3端、3脚J2端交叉相连接，第一个AS169芯片的5脚J1端与高阻抗差分电路的电容C16相连接；第二个AS169芯片的5脚J12端通过匹配电路(电容C29、C30)与收发天线相连接；两个异或门AS169芯片的4脚V1端、6脚V2端均与无线收发器CC2420的7脚TXRX_SWITCH端相连接，实现CC2420对R/T切换装置的实时控制。
4.根据权利要求2或3所述的低功耗β射线无线传感监测装置，其特征是：所述的信息存储器为AT45DB041B存储芯片，AT45DB041B芯片的1脚SI端、2脚SCK端、3脚RST端、4脚CS端、5脚WP端和8脚SO端分别与微控制器MSP430F1611的I/O接口2脚P6.3/A3端、60脚P6.1/A1端、5脚P6.6/A6端、59脚P6.0/A0端、3脚P6.4/A4端和4脚P6.5/A5端相连接，微控制器MSP430F1611通过USART0/UART方式的I/O接口的2脚P6.3/A3端、60脚P6.1/A1端和4脚P6.5/A5端对信息存储器AT45DB041B进行信息存取操作。
5.根据权利要求2或3所述的低功耗β射线无线传感监测装置，其特征是：所述的电源系统包括电压转换模块、电池、直流稳压装置和电压调控模块；电压转换模块为LB05-10B05转换器，实现将220V交流电源转换为直流电源；电池为备用电源；直流稳压装置包括电源管理器和辅助电路，电源管理器为TPS79533芯片；辅助电路包括接口J7、接口J8、电容C32、电容C33、电阻R12、电阻R14、红色LED、绿色LED和二极管D2；电源管理器TPS79533的EN端为使能引脚端，接电源输入；电源管理器TPS79533的IN端与电压转换模块或电池相连接，电压转换模块与IN端之间连接二极管D2，电池通过J8接口与IN端相连接；接口J7可以连接外设的变压整流的3V电源；电源管理器TPS79533的OUT端输出3.3V稳定电压；电源管理器TPS79533的EN端与地线之间连接极性电容C32；电源管理器TPS79533的OUT端与地之间连接电容C33；电源管理器TPS79533的RES端接上拉电阻R12；电源管理器TPS79533的RES端连接有红色LED；电源管理器TPS79533的OUT端与地之间还连接有绿色LED和电阻R14；电压调控模块为ADG823芯片，电压调控模块ADG823的5脚VDD端与电源管理器TPS79533的OUT端相连接；电压调控模块ADG823的VOUT接口(S1端、S2端)与无线收发器CC2420和微控制器MSP430F1611的电源输入端相连；电压调控模块ADG823的3脚IN2端、6脚IN1端分别与微控制器MSP430F1611的22脚P2.2/CAOUT/TA0端、23脚P2.3、CAO/TA1端连接，以检测微控制器MSP430F1611需要工作电源情况。
6.根据权利要求4所述的低功耗β射线无线传感监测装置，其特征是：所述的电源系统包括电压转换模块、电池、直流稳压装置和电压调控模块；电压转换模块为LB05-10B05转换器，实现将220V交流电源转换为直流电源；电池为备用电源；直流稳压装置包括电源管理器和辅助电路，电源管理器为TPS79533芯片；辅助电路包括接口J7、接口J8、电容C32、电容C33、电阻R12、电阻R14、红色LED、绿色LED和二极管D2；电源管理器TPS79533的EN端为使能引脚端，接电源输入；电源管理器TPS79533的IN端与电压转换模块和/或电池相连接，电压转换模块与IN端之间连接二极管D2，电池通过J8接口与IN端相连接；接口J7可以连接外设的变压整流的3V电源；电源管理器TPS79533的OUT端输出3.3V稳定电压；电源管理器TPS79533的EN端与地线之间连接极性电容C32；电源管理器TPS79533的OUT端与地之间连接电容C33；电源管理器TPS79533的RES端接上拉电阻R12；电源管理器TPS79533的RES端连接有红色LED；电源管理器TPS79533的OUT端与地之间还连接有绿色LED和电阻R14；电压调控模块为ADG823芯片，电压调控模块ADG823的5脚VDD端与电源管理器TPS79533的OUT端相连接；电压调控模块ADG823的VOUT接口(S1端、S2端)与无线收发器CC2420和微控制器MSP430F1611的电源输入端相连；电压调控模块ADG823的3脚IN2端、6脚IN1端分别与微控制器MSP430F1611的22脚P2.2/CAOUT/TA0端、23脚P2.3、CAO/TA1端连接，以检测控制器MSP430F1611需要工作电源情况。
7.根据权利要求2或3所述的低功耗β射线无线传感监测装置，其特征是：无线传感单元(12)还包括外设时钟，外设时钟为DS1307芯片，DS1307的1脚X1端与2脚X1端之间连接一个32.768KHz的晶振J2，DS1307芯片的6脚SDA端、5脚SCL端分别与微控制器MSP430F1611的51脚P5.7/TBOUTH端、50脚P5.6/ACLK端相连接，给微控制器MSP430F1611提供精准的时间准基。
8.根据权利要求4所述的低功耗β射线无线传感监测装置，其特征是：无线传感单元(12)还包括外设时钟，外设时钟为DS1307芯片，DS1307的1脚X1端与2脚X1端之间连接一个32.768KHz的晶振J2，DS1307芯片的6脚SDA端、5脚SCL端分别与微控制器MSP430F1611的51脚P5.7/TBOUTH端、50脚P5.6/ACLK端相连接，给微控制器MSP430F1611提供精准的时间准基。
9.一种低功耗β射线无线传感监测系统，其特征是：其包括低功耗β射线无线传感监测装置(1)和β射线无线传感监测中心(3)；低功耗β射线无线传感监测装置(1)为一个以上，其为权利要求1或2或3所述的低功耗β射线无线传感监测装置；β射线无线传感监测中心(3)包括无线传感单元(31)和计算机系统(32)；β射线无线传感监测中心(3)的无线传感单元(31)为与低功耗β射线无线传感监测装置(1)的无线传感单元(12)具有相同的结构；计算机系统(32)包括数字处理装置和β射线信息处理模块，数字处理装置包括输入输出接口、存贮器和处理器，β射线信息处理模块置于数字处理装置中，β射线无线传感监测中心(3)的无线传感单元(31)的接口与数字处理装置的输入输出接口相连接，实现与数字处理装置的信息交换，数字处理装置的β射线信息处理模块可对接收来的β射线信息进行操作，实现对β射线进行监测的目的；β射线无线传感监测中心(3)通过其β射线信息处理模块还可以控制低功耗β射线无线传感监测装置(1)的开启、关断；低功耗β射线无线传感监测装置(1)的β射线探测装置(11)通过低功耗β射线无线传感监测装置(1)的无线传感单元(12)与β射线无线传感监测中心(3)实现无线通信。
10.根据权利要求9所述的低功耗β射线无线传感监测系统，其特征是：其还包括β射线无线传感网络(2)，β射线无线传感网络(2)包括一个以上的无线传感单元(21)，β射线无线传感网络(2)的无线传感单元(21)可以自组织成无线传感网络，每个β射线无线传感网络(2)的无线传感单元(21)为无线传感网络的一个节点，并可以与低功耗β射线无线传感监测装置(1)和β射线无线传感监测中心(3)通信，即其为低功耗β射线无线传感监测装置(1)和β射线无线传感监测中心(3)之间的无线通信网络，实现低功耗β射线无线传感监测装置(1)与β射线无线传感监测中心(3)的信息交换；β射线无线传感网络(2)的无线传感单元(21)为与低功耗β射线无线传感监测装置(1)的无线传感单元(12)具有相同的结构。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130904 |