CN104065404A - 一种可实现多输入多输出的无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，包括数据处理模块、多个数据采集模块和多个射频收发模块；数据处理模块包括DSP控制器和FPGA；每个射频收发模块均包括一个短距离无线通信模块和一个距离可调式无线通信模块；短距离无线通信模块包括第一无线射频芯片、第一收发天线和第一串行通信接口；距离可调式无线通信模块包括第二无线射频芯片、无线收发距离调整电路、第二串行通信接口和第二收发天线；无线收发距离调整电路包括功率放大电路和与FPGA相接的功率调整电路。本发明电路设计合理、操作简便且数据传输率高、数据传输量大，具有近距离简单射频收发和收发距离可调式射频收发两种模式，收发距离调节方便。

Description

一种可实现多输入多输出的无线传感器节点

技术领域

本发明涉及一种无线传感器节点，尤其是涉及一种可实现多输入多输出的无线传感器节点。

背景技术

Zigbee是IEEE802.15.4协议规定的一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是可近距离传输，实现复杂度低，能够搭建自组织网络，且具有低功耗、低数据速率、低成本等特点，可嵌入各种设备，用于监控、自控和远程控制。Zigbee可搭建类似于CDMA和GSM的具有高可靠性的无线传输网络，其通信模块可实现移动网络基站的功能，传输距离从几十米到几百米甚至几公里，并且支持无限扩展。Zigbee最大支持65000个无线通信模块组成的网络平台，在整个网络范围内，每一个模块之间可以相互通信。实际使用过程中，Zigbee网络节点不仅可以作为监控对象，即利用其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以作为中继节点，自动转发其他网络节点传过来的数据资料。但现有Zigbee无线通信模块只有一个Zigbee芯片，作为网络节点使用时，由于受到自身传输速率低的影响，既不能采集太多的数据，也不能转发过多其他节点的数据，并且所采用Zigbee芯片的数据传输距离确定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其电路设计合理、接线方便、操作简便且数据传输率高、数据传输量大，具有近距离简单射频收发和收发距离可调式的射频收发两种射频收发模式，并且收发距离调节方便，能用于不同场合的大数据量信息的采集和发送以及大规模无线传感网络的数据汇聚和转发。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征在于：包括数据处理模块、多个分别与数据处理模块相接的数据采集模块、多个分别与数据处理模块相接的射频收发模块以及为数据处理模块和多个所述射频收发模块进行供电的电源模块，所述数据处理模块和多个所述射频收发模块均与电源模块相接；所述数据处理模块包括DSP控制器和与DSP控制器相接的现场可编程逻辑器件FPGA，多个数据采集模块均与DSP控制器相接；每个所述射频收发模块均包括一个短距离无线通信模块和一个距离可调式无线通信模块，所述短距离无线通信模块和距离可调式无线通信模块均为Zigbee无线通信模块且二者均与现场可编程逻辑器件FPGA相接；所述短距离无线通信模块包括第一无线射频芯片以及分别与第一无线射频芯片相接的第一收发天线和第一串行通信接口，所述第一无线射频芯片通过第一串行通信接口与现场可编程逻辑器件FPGA相接；所述距离可调式无线通信模块包括第二无线射频芯片、分别与第二无线射频芯片相接的无线收发距离调整电路和第二串行通信接口以及与无线收发距离调整电路相接的第二收发天线，所述第二无线射频芯片通过第二串行通信接口与现场可编程逻辑器件FPGA相接；所述无线收发距离调整电路包括对第二无线射频芯片所收发信号的功率进行放大的功率放大电路和对功率放大电路的功率放大倍数进行调整的功率调整电路，所述功率调整电路与功率放大电路相接，所述功率放大电路连接于第二无线射频芯片与第二收发天线之间，所述功率调整电路与现场可编程逻辑器件FPGA相接；所述第一无线射频芯片和第二无线射频芯片均为芯片CC2430或芯片CC2420；所述电源模块包括供电电源、与所述供电电源相接的电源控制芯片以及分别与供电电源相接的第一电压转换电路、第二电压转换电路和第三电压转换电路，所述第一电压转换电路的电压输出端与DSP控制器相接，所述第二电压转换电路的电压输出端与现场可编程逻辑器件FPGA相接，所述第一无线射频芯片和第二无线射频芯片均与所述第三电压转换电路的电压输出端相接。

上述一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征是：所述数据处理模块还包括与DSP控制器相接的第三串行通信接口，所述DSP控制器通过第三串行通信接口与上位机进行双向通信。

上述一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征是：所述数据采集模块包括供电模块、信号传感器、与信号传感器相接的采样保持电路和与采样保持电路相接的A/D转换模块，所述A/D转换模块与DSP控制器相接；所述信号传感器、采样保持电路和A/D转换模块均与供电模块相接；所述信号传感器为对温度、湿度、压力、拉力或可燃气体浓度进行实时检测的模拟信号传感器。

上述一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征是：所述数据处理模块还包括与DSP控制器相接的数据存储单元和时钟芯片。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、电路设计合理、接线方便且使用操作简便。

2、使用效果好，具有Zigbee网络节点本身所具有的低功耗、低成本、短时延等优点，同时数据传输速率高，能有效解决Zigbee网络节点所存在的因传输速率较低而导致的对网络规模和节点数据采集量的制约问题。

3、所采用的无线射频模块电路简单、设计合理且使用效果好，具有近距离简单射频收发和收发距离可调式的射频收发两种射频收发模式，实际使用时，可以根据具体需要，进行相应调整。并且，距离可调式无线通信模块的收发距离通过功率调整电路进行简便调整，而功率调整电路由现场可编程逻辑器件进行控制，因而能简便实现收发距离的调整，并能实现几十米至几百米的可变距离的通信。

4、利用多个Zigbee芯片搭建出具有多输入和多输出功能的新型无线传感器节点。当用于信息采集时，具有n个ZigBee芯片的模块，最多可发送单芯片节点的n倍的数据；当用于网络中继节点时，通过数据压缩和有效的编码方法，可以大大提高网络的吞吐率。实际使用时，可以根据各网络节点的实际需要，确定模块中Zigbee芯片的数量，可以有效提高网络节点的效率和系统的吞吐率。实际使用时，本发明既可以用于大数据信息的采集和发送，也可以用于大规模无线传感网络的数据汇聚和转发，并且能同步实现数据的压缩和进行信道编码以及网络编码，以提高网络的传输质量和吞吐量。综上，本发明作为数据采集节点时，可以支持多数据采集模块的大数据信息采集和传输；作为汇聚和转发节点时，可可降低网络复杂度，支持大规模无线传感网络，并通过数据压缩和处理，提高网络的传输质量和效率。

综上所述，本发明电路设计合理、接线方便、操作简便且数据传输率高、数据传输量大，具有近距离简单射频收发和收发距离可调式的射频收发两种射频收发模式，并且收发距离调节方便，能用于不同场合的大数据量信息的采集和发送以及大规模无线传感网络的数据汇聚和转发。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

附图标记说明:

1—数据采集模块； 1-1—信号传感器； 1-2—采样保持电路；

1-3—A/D转换模块； 1-4—供电模块； 2—数据处理模块；

2-1—DSP控制器； 2-2—现场可编程逻辑器件FPGA；

2-3—第三串行通信接口； 2-4—数据存储单元； 2-5—时钟芯片；

3—射频收发模块； 3-1—短距离无线通信模块；

3-11—第一无线射频芯片； 3-12—第一收发天线；

3-13—第一串行通信接口；

3-2—可调式无线通信模块；

3-21—第二无线射频芯片； 3-22—第二收发天线；

3-23—第二串行通信接口；

3-24—无线收发距离调整电路； 3-241—功率放大电路；

3-242—功率调整电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括数据处理模块2、多个分别与数据处理模块2相接的数据采集模块1、多个分别与数据处理模块2相接的射频收发模块3以及为数据处理模块2和多个所述射频收发模块3进行供电的电源模块，所述数据处理模块2和多个所述射频收发模块3均与电源模块相接。所述数据处理模块2包括DSP控制器2-1和与DSP控制器2-1相接的现场可编程逻辑器件FPGA2-2，多个数据采集模块1均与DSP控制器2-1相接。每个所述射频收发模块3均包括一个短距离无线通信模块3-1和一个距离可调式无线通信模块3-2，所述短距离无线通信模块3-1和距离可调式无线通信模块3-2均为Zigbee无线通信模块且二者均与现场可编程逻辑器件FPGA2-2相接。所述短距离无线通信模块3-1包括第一无线射频芯片3-11以及分别与第一无线射频芯片3-11相接的第一收发天线3-12和第一串行通信接口3-13，所述第一无线射频芯片3-11通过第一串行通信接口3-13与现场可编程逻辑器件FPGA2-2相接。所述距离可调式无线通信模块3-2包括第二无线射频芯片3-21、分别与第二无线射频芯片3-21相接的无线收发距离调整电路3-24和第二串行通信接口3-23以及与无线收发距离调整电路3-24相接的第二收发天线3-22，所述第二无线射频芯片3-21通过第二串行通信接口3-23与现场可编程逻辑器件FPGA2-2相接。所述无线收发距离调整电路3-24包括对第二无线射频芯片3-21所收发信号的功率进行放大的功率放大电路3-241和对功率放大电路3-241的功率放大倍数进行调整的功率调整电路3-242，所述功率调整电路3-242与功率放大电路3-241相接，所述功率放大电路3-241连接于第二无线射频芯片3-21与第二收发天线3-22之间，所述功率调整电路3-242与现场可编程逻辑器件FPGA2-2相接。所述第一无线射频芯片3-11和第二无线射频芯片3-21均为芯片CC2430或芯片CC2420。所述电源模块包括供电电源、与所述供电电源相接的电源控制芯片以及分别与供电电源相接的第一电压转换电路、第二电压转换电路和第三电压转换电路，所述第一电压转换电路的电压输出端与DSP控制器2-1相接，所述第二电压转换电路的电压输出端与现场可编程逻辑器件FPGA2-2相接，所述第一无线射频芯片3-11和第二无线射频芯片3-21均与所述第三电压转换电路的电压输出端相接。

本实施例中，所述数据处理模块2还包括与DSP控制器2-1相接的第三串行通信接口2-3，所述DSP控制器2-1通过第三串行通信接口2-3与上位机进行双向通信。

同时，所述数据处理模块2还包括与DSP控制器2-1相接的数据存储单元2-4和时钟芯片2-5。

本实施例中，所述数据采集模块1包括供电模块1-4、信号传感器1-1、与信号传感器1-1相接的采样保持电路1-2和与采样保持电路1-2相接的A/D转换模块1-3，所述A/D转换模块1-3与DSP控制器2-1相接；所述信号传感器1-1、采样保持电路1-2和A/D转换模块1-3均与供电模块1-4相接；所述信号传感器1-1为对温度、湿度、压力、拉力或可燃气体浓度进行实时检测的模拟信号传感器。实际使用过程中，可以根据具体检测需要，采用相应类型的传感器，不限于上述传感器类型。

本实施例中，所述射频收发模块3的数量为三个。实际使用时，可以根据需要将射频收发模块3的数量扩展为n个。

实际使用过程中，所述数据处理模块2中的DSP控制器2-1负责各种接口的控制和数据的分配任务，所述数据处理模块2中的现场可编程逻辑器件FPGA2-2用于收发数据的处理以及无线射频模块3-1的控制，可实现多个射频收发模块3的同步或者异步传输功能。由于每个所述射频收发模块3均包括一个短距离无线通信模块3-1和一个距离可调式无线通信模块3-2，因而每个射频收发模块3均具有近距离简单射频收发和收发距离可调式的射频收发两种射频收发模式，实际使用时，可以根据具体需要，进行相应调整。实际使用时，所述距离可调式无线通信模块3-2的收发距离通过功率调整电路3-242进行简便调整，而功率调整电路3-242由现场可编程逻辑器件FPGA2-2进行控制，因而能简便实现收发距离的调整，并能实现几十米至几百米的可变距离的通信。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征在于：包括数据处理模块(2)、多个分别与数据处理模块(2)相接的数据采集模块(1)、多个分别与数据处理模块(2)相接的射频收发模块(3)以及为数据处理模块(2)和多个所述射频收发模块(3)进行供电的电源模块，所述数据处理模块(2)和多个所述射频收发模块(3)均与电源模块相接；所述数据处理模块(2)包括DSP控制器(2-1)和与DSP控制器(2-1)相接的现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)，多个数据采集模块(1)均与DSP控制器(2-1)相接；每个所述射频收发模块(3)均包括一个短距离无线通信模块(3-1)和一个距离可调式无线通信模块(3-2)，所述短距离无线通信模块(3-1)和距离可调式无线通信模块(3-2)均为Zigbee无线通信模块且二者均与现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)相接；所述短距离无线通信模块(3-1)包括第一无线射频芯片(3-11)以及分别与第一无线射频芯片(3-11)相接的第一收发天线(3-12)和第一串行通信接口(3-13)，所述第一无线射频芯片(3-11)通过第一串行通信接口(3-13)与现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)相接；所述距离可调式无线通信模块(3-2)包括第二无线射频芯片(3-21)、分别与第二无线射频芯片(3-21)相接的无线收发距离调整电路(3-24)和第二串行通信接口(3-23)以及与无线收发距离调整电路(3-24)相接的第二收发天线(3-22)，所述第二无线射频芯片(3-21)通过第二串行通信接口(3-23)与现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)相接；所述无线收发距离调整电路(3-24)包括对第二无线射频芯片(3-21)所收发信号的功率进行放大的功率放大电路(3-241)和对功率放大电路(3-241)的功率放大倍数进行调整的功率调整电路(3-242)，所述功率调整电路(3-242)与功率放大电路(3-241)相接，所述功率放大电路(3-241)连接于第二无线射频芯片(3-21)与第二收发天线(3-22)之间，所述功率调整电路(3-242)与现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)相接；所述第一无线射频芯片(3-11)和第二无线射频芯片(3-21)均为芯片CC2430或芯片CC2420；所述电源模块包括供电电源、与所述供电电源相接的电源控制芯片以及分别与供电电源相接的第一电压转换电路、第二电压转换电路和第三电压转换电路，所述第一电压转换电路的电压输出端与DSP控制器(2-1)相接，所述第二电压转换电路的电压输出端与现场可编程逻辑器件FPGA(2-2)相接，所述第一无线射频芯片(3-11)和第二无线射频芯片(3-21)均与所述第三电压转换电路的电压输出端相接。

2.按照权利要求1所述的一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征在于：所述数据处理模块(2)还包括与DSP控制器(2-1)相接的第三串行通信接口(2-3)，所述DSP控制器(2-1)通过第三串行通信接口(2-3)与上位机进行双向通信。

3.按照权利要求1或2所述的一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征在于：所述数据采集模块(1)包括供电模块(1-4)、信号传感器(1-1)、与信号传感器(1-1)相接的采样保持电路(1-2)和与采样保持电路(1-2)相接的A/D转换模块(1-3)，所述A/D转换模块(1-3)与DSP控制器(2-1)相接；所述信号传感器(1-1)、采样保持电路(1-2)和A/D转换模块(1-3)均与供电模块(1-4)相接；所述信号传感器(1-1)为对温度、湿度、压力、拉力或可燃气体浓度进行实时检测的模拟信号传感器。

4.按照权利要求1或2所述的一种可实现多输入多输出的无线传感器节点，其特征在于：所述数据处理模块(2)还包括与DSP控制器(2-1)相接的数据存储单元(2-4)和时钟芯片(2-5)。