CN103796344A - 一种煤田火区监测无线传感器网关 - Google Patents

一种煤田火区监测无线传感器网关 Download PDF

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曹清华
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闻萍
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Abstract

本发明公开了一种煤田火区监测无线传感器网关，包括汇聚节点、GPRS模块、电源模块和控制开关。电源模块与汇聚节点直接相连；汇聚节点与GPRS模块相连，双向传递数据；控制开关的输入端与电源模块相连，输出端与GPRS模块相连，控制端与汇聚节点相连；汇聚节点能够通过控制开关对GPRS模块的供电进行开关控制。汇聚节点以无线微处理器芯片为核心，配以外围电路集成在一块电路板上；控制开关为数字开关，由三极管、MOS管、光电耦合器和电阻构成。本发明可应用于煤田火区低频度数据采集无线远程监测中，自身带有数据采集功能，可进行远程传输，能够实现整体休眠、降低能耗、缓解网络能量瓶颈问题。

Description

一种煤田火区监测无线传感器网关
技术领域
本发明属于无线传感器技术领域，具体涉及无线传感器网关的设计。
背景技术
在煤田灭火和火区治理、管理中，需要有对煤层温度实时、实地、直接测量的远程、长期的监测手段，无线传感器网络技术为此提供了可能。部署在现场的网络节点采集火区温度汇集到网关，经由GPRS模块穿越移动网络和Internet网络连接到远端服务器。远离基础设施的无线传感器网络无持续性供电，能耗问题是网络设计的重点，网关又是网络能耗的瓶颈，需要开发一个低功耗的网关。
现有能进行远程通信的无线传感器网关一般由单片机或嵌入式板作为主控芯片，连接汇聚节点和GPRS模块或以太网卡组成[1～4]，收集无线传感器一般节点数据并转发给服务器，自身不具备数据采集功能，以无休眠方式工作。持续工作时网关能耗在100mA以上，待机时功耗有n×10mA，采用一个45Ah的大容量电池能维持供电一个月左右。在煤田火区监测的低频度信息采集中，网关绝大部分能量都在待机中消耗。如果让网关在信息采集间隙休眠（不单指汇聚节点，网关其余组件也要能休眠），会降低能耗。新近出产的无线传感器芯片[5～6]集成了微处理器，选用此类芯片为核心形成的节点可以兼有收集数据和控制功能，能够替代网关中的主控芯片，减少组成部件。核心芯片休眠电流都在μA级，节点能耗主要集中在外围电路；GPRS模块自身不具备休眠功能，需要外加控制手段。
对比文件
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发明内容
本发明的目的在于提供一种能够整体休眠的煤田火区监测无线传感器网关，以实现低功耗工作模式下的无线数据的采集、收集、转发及远程传输。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种煤田火区监测无线传感器网关，包括汇聚节点(1)、GPRS模块(2)、电源模块(3)和控制开关(4)，其特征在于：汇聚节点(1)与GPRS模块(2)相连，以进行双向数据通信；电源模块(3)与汇聚节点(1)直接相连、通过控制开关(4)与GPRS模块(2)相连，控制开关(4)与汇聚节点(1)相连；汇聚节点(1)以无线微处理器芯片(101)为核心，配以外围电路集成在一块电路板上；网关能够整体休眠。
所述控制开关(4)与汇聚节点(1)集成在同一块电路板中；控制开关(4)的输入端(401)连接电源模块(3)，输出端(402)连接GPRS模块(2)，控制端(403)连接汇聚节点(1)；当汇聚节点(1)休眠时控制开关(4)关闭，关断GPRS模块(2)电源；当汇聚节点(1)苏醒时控制开关(4)打开，给GPRS模块(2)供电。
所述控制开关(4)为数字开关，由MOS管VT1、三极管VT2、光电耦合器OC和电阻R所述外围电路包括电源电路(102)、外部时钟(103)、晶振电路(104)、LED电路(105)、高温采集电路(106)、天线匹配电路(107)、电压测量(108)、MiniUSB口(109)和RS232串口(110)，分别与无线微处理器芯片(101)相连。
本发明具有有益效果。
（1）本发明的煤田火区监测无线传感器网关由汇聚节点直接与GPRS模块相连构成，无需另加控制芯片，优化了组成部件；可进行数据采集、收集、转发以及远程双向传输。汇聚节点控制GPRS模块电源开关，使网关能够整体休眠，在低频度数据采集应用中减少能耗。
（2）本发明通过在汇聚节点上添加高温采集模块，使其兼有普通节点的采集火区煤层高温数据的功能，增加网络空间监测密度。
（3）本发明的最小化汇聚节点在满足监测需求下包含最少外围电路，功耗低。
附图说明
图1是本发明无线传感器网关结构示意图；
图2是本发明汇聚节点电路原理图；
图3是本发明GPRS模块电源控制开关电路原理图。
图中：1、汇聚节点2、GPRS模块3、电源模块4、控制开关
101、无线微处理器芯片102、电源电路103、外部时钟104、晶振电路105、LED电路106、高温采集电路107、天线匹配电路108、电压测量109、MiniUSB口110、RS232串口
401、输入端402、输出端403、控制端
具体实施方式
为进一步解释本发明的目的、技术方案和有益效果，以TI公司CC2530芯片作为汇聚节点核心、上海毅加EP221P无线数传终端作为GPRS模块为例，从无线传感器网关的结构、电路原理以及控制开关的电路原理三部分进行详细说明。
1.本发明所述的无线传感器网关由汇聚节点1、GPRS模块2、电源模块3和控制开关4组成，结构如图1所示。
（1）汇聚节点1与GPRS模块2通过串口相连进行双向通信，电源模块3与汇聚节点1直接相连、与GPRS模块2通过控制开关4相连；控制开关4与汇聚节点1相连。
（2）选用TI公司CC2530芯片作为核心，加外围电路形成汇聚节点1。CC2530芯片是用于2.4GHz，IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个片上系统，结合了RF收发器、增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8-KBRAM和其它功能。
（3）GPRS模块2选用上海毅加EP221P无线数传终端，即插即用，实现RS232与GPRS网络透明转换，支持900/1800GSM/GPRS系统，供电为5～12V直流电。
（4）电源模块3选用6V12Ah蓄电池，给GPRS模块2和汇聚节点1统一供电。
（5）网关可以整体休眠。在煤田火区高温监测应用中，数据采集间隔可为几小时或几天，每个周期中工作时间仅需几分钟，剩余时间采用休眠方式可节省能量。汇聚节点1休眠时给控制开关4指示信号关断GPRS模块2的电源供给，使GPRS模块2无需耗电；汇聚节点1苏醒后给控制开关4指示信号打开GPRS模块2的电源，使GPRS模块2上电工作。
2.如图2所示，汇聚节点1的无线微处理器芯片101采用CC2530芯片，外围电路由电源电路102、外部时钟103、晶振电路104、LED电路105、高温采集电路106、天线匹配电路107、电压测量108、MiniUSB口109、RS232串口110组成。
（1）CC2530芯片有40个引脚，39引脚、31引脚、29引脚、28引脚、27引脚连接电源VCC，1～4引脚接地。6引脚、9引脚、12引脚、13引脚、15引脚未用，40引脚通过15pF电容接地，30引脚通过56K电阻接地。
（2）电源电路102中，蓄电池BAT提供的6V电压，经下压式开关SW1、保险丝F1连入稳压芯片HT7330的1引脚，转换后由HT7330的2引脚输出3V稳定电压VCC。
（3）外部时钟103采用PCF8563芯片，与CC2530芯片相连提供精确时钟。PCF8563芯片的1引脚和2引脚连接的晶振Y5的2引脚和4引脚；晶振Y5的1引脚和3引脚与地之间分别连接一个15pF的负载电容；晶振Y5的1引脚和3引脚之间并联一个10M的大电阻。PCF8563芯片的8引脚连接双重电源，7引脚悬空，4引脚接地。PCF8563芯片的5引脚和6引脚分别连接CC2530芯片的19引脚和18引脚，组成I2C接口；I2C接口的两根连线上分别接上拉电阻R13和上拉电阻R14。CC2530芯片通过I2C接口将时间写入时钟芯片，计时到PCF8563芯片在3引脚产生中断信号，送入CC2530芯片的37引脚，唤醒节点。
（4）晶振电路104包括32MHz的晶振Y1和32.768KHz的晶振Y2。CC2530芯片的22引脚、23引脚之间连接晶振Y1，晶振Y1的两个引脚分别通过一个27pF电容接地；CC2530芯片的32引脚、33引脚之间连接晶振Y2，晶振Y2的两个引脚分别通过一个15pF电容接地。
（5）LED电路105用来显示节点工作状态。三盏LED灯通过跳线开关SW2分别与电源电路102的VCC、CC2530芯片的7、8两个输出引脚相连。LED灯D1是电源指示灯，只要VCC上电就会亮起；LED灯D2和LED灯D3是状态指示灯，根据用户需求自行定义。
（6）高温采集电路106将K型热电偶通过MAX31855温度调理芯片与CC2530芯片相连。K型热电偶正、负极分别与MAX31855芯片的3、2引脚相连。MAX31855芯片的4引脚接VCC，1引脚接地，4引脚和1引脚之间接一个0.1μF的电容。MAX31855芯片的8脚悬空，5引脚、6引脚、7引脚分别于CC2530芯片的5引脚、11引脚、38引脚相连组成SPI接口。当MAX31855芯片的CS引脚电平由高到低跳变时，在时钟SCK的作用下，由SO引脚向CC2530芯片输出已转换的二进制数据。
（7）天线匹配电路107的一个支路由CC2530芯片的26引脚连接一个18pF和一个1pF的电容，两个电容间引出2nH电感接地；第二个支路由CC2530芯片的25引脚连接一个18pF电容和一个2nH的电感，电容与电感间引出1pF电容接地；两个支路同时通过2.2pF电容接50欧姆天线。
（8）电压测量108电路将VIN分压后送入CC2530芯片的14引脚，用来监测蓄电池电压。
（9）MiniUSB口109JP1有5个引脚，1引脚、2引脚、3引脚分别连接CC2530芯片的20引脚、35引脚、34引脚，4引脚悬空，5引脚接地。
（10）RS232串口110。CC2530芯片采用高电平为逻辑1、低电平为逻辑0的TTL电平模式，而串口采用正高电平为逻辑0、负高电平为逻辑1的232电平模式，TTL电平与232电平需通过电平转换才能通信。本例采用SP3232芯片将TTL电平转换成232电平，串口接口为DB9型。CC2530芯片的16引脚、17引脚分别与SP232芯片的12引脚、10引脚相连，用作输入和输出；SP232的7引脚、13引脚分别与DB9插座的2引脚、3引脚相连用作输入和输出。
3.本发明GPRS模块2电源端的控制开关4电路图如图3所示。
控制开关4的作用是当汇聚节点1休眠时关断GPRS模块2的供电，当汇聚节点1苏醒时开启GPRS模块2的供电。控制开关4的输入端401连接图1的电源模块3，输出端402连接图1的GPRS模块2的电源输入，控制端403连接图2所示CC2530芯片的P2_0引脚。
电阻R22和电阻R21串联后，一端接入三极管VT2的集电极，另一端接入MOS管VT1的S极，中间引出线连接MOS管VT1的G极；MOS管VT1的D极引出线作为控制开关4的输入端401，S极引出线作为控制开关4的输入端402。三极管VT2的基极连接光电耦合器OC的5引脚，同时接上拉电阻R23；三极管VT2的发射极接地。光电耦合器OC的2、4引脚接地，1引脚经限流电阻R20引出作为控制开关4的控制端403。
汇聚节点1休眠时，从CC2530芯片的P2_0引脚输出高电平，点亮光电耦合器OC的1引脚、2引脚间的发光二极管，使光电耦合器OC的4引脚、5引脚之间呈低阻态；三极管VT2基极相当于接地，集电极电位拉低；MOS管VT1的G极电压降低至阈值以下，D、S极之间相当于断开；控制开关4的输出端402电压接近于0，控制开关4相当于关闭。
汇聚节点1苏醒时，从CC2530芯片的P2_0引脚输出低电平，光电耦合器OC的发光二极管不亮，4引脚、5引脚之间呈高阻态；三极管VT2的基极高电平，集电极电位拉高；MOS管VT1的G极高电平，D、S极之间导通，控制开关4的输出端402有近6V电压，控制开关4相当于开启。
以上实施例表明本发明的具体实现方法，根据实施例说明即可制作出用于煤田火区带有高温监测和远程传输功能、能够整体休眠的网关。

Claims (4)

1.一种煤田火区监测无线传感器网关，包括汇聚节点(1)、GPRS模块(2)、电源模块(3)和控制开关(4)，其特征在于：汇聚节点(1)与GPRS模块(2)相连，以进行双向数据通信；电源模块(3)与汇聚节点(1)直接相连、通过控制开关(4)与GPRS模块(2)相连，控制开关(4)与汇聚节点(1)相连；汇聚节点(1)以无线微处理器芯片(101)为核心，配以外围电路集成在一块电路板上；网关能够整体休眠。
2.根据权利要求1所述的一种煤田火区监测无线传感器网关，其特征在于：所述控制开关(4)与汇聚节点(1)集成在同一块电路板中；控制开关(4)的输入端(401)连接电源模块(3)，输出端(402)连接GPRS模块(2)，控制端(403)连接汇聚节点(1)；当汇聚节点(1)休眠时控制开关(4)关闭，关断GPRS模块(2)电源；当汇聚节点(1)苏醒时控制开关(4)打开，给GPRS模块(2)供电。
3.根据权利要求1所述的一种煤田火区监测无线传感器网关，其特征在于：所述控制开关(4)为数字开关，由MOS管VT1、三极管VT2、光电耦合器OC和电阻R20~R23构成。
4.根据权利要求1所述的一种煤田火区监测无线传感器网关，其特征在于：所述外围电路包括电源电路(102)、外部时钟(103)、晶振电路(104)、LED电路(105)、高温采集电路(106)、天线匹配电路(107)、电压测量(108)、MiniUSB口(109)和RS232串口(110)，分别与无线微处理器芯片(101)相连。
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