CN104318735B - 一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，该装置安装在物流车辆不同位置组成无线网络，包括传感器接口电路、Zigbee RF模块、通信接口电路、用于控制Zigbee RF模块开始和结束配置的按键电路、用于指示Zigbee RF模块开始和结束配置的指示灯电路、电源模块、用于控制电源模块供电的开关控制电路。本发明基于Zigbee无线传感网络，设计通用的传感器接口，适用于大多数物流车辆监测用传感器，通过设计开关电路和软件实现产品的低功耗，通过上位机软件无线或有线地配置装置可使得完成监测任务的情况下，灵活重构产品功能，以适应不同场合下的物流车辆，操作变得更加方便，维护成本下降。

Description

一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置

技术领域

本发明涉及车辆状态监测领域，更具体地，涉及一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置。

背景技术

随着我国国民经济的持续快速发展，物流车辆在途安全一直是困扰业界和政府的重大问题。物流车辆在运输过程中一旦出现安全事故，将会对社会公众的生命、财产安全造成重大危害，如果运输的是危化品，还会对生态环境造成重大污染和破坏。近年来，我国已发生多起物流车辆重特大安全事故，若能实现对物流车辆在途安全的全面监测、跟踪与预警报警，就能极大地减少和避免事故，控制事态发展，避免灾难发生，确保物流运输，尤其是危化品运输与环境安全。

采集不同物流车辆的状态信号量需要各种传感器，模拟量输出传感器的输出信号一般有：4-20MA、0-5V、0-3.3V；数字量传感器的输出信号一般有高电平5V、3.3V、1.8V，低电平0V。针对各种不同的信号，如果采用单一信号的采集模块，成本较高、通用性不强、不容易维护。

另外信号采集传感器一般需要安装在车辆上的各个采集点，供电和布线是个难题，传统的有线数据采集及传输系统，存在成本高、布线困难、维护费用高等缺点，而一般的无线数据采集及传输系统，也存在能耗大、数据传输不稳定、干扰严重或不能组网等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，来实现利用Zigbee RF模块发送、接收和处理数据，让物流车辆上状态监测用传感器接口统一并使整个装置功耗低。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，该装置安装在物流车辆不同位置组成无线网络，包括：传感器接口电路、Zigbee RF模块、通信接口电路、用于控制Zigbee RF模块开始和结束配置的按键电路、用于指示Zigbee RF模块开始和结束配置的指示灯电路、电源模块、用于控制电源模块供电的开关控制电路；所述传感器接口电路与Zigbee RF模块连接，Zigbee RF模块通过通信接口电路与上位机连接；Zigbee RF模块分别与按键电路、指示灯电路、电源模块、开关控制电路电连接；开关控制电路分别与传感器接口电路、电源模块电连接；所述Zigbee RF模块利用上位机来设置参数；所述Zigbee RF模块具有休眠模式，在Zigbee RF模块配置为休眠模式时，开关控制电路切断电源模块对外接设备的电源供应。

通过整合物流车辆用的常用传感器接口为统一的传感器接口，通过配置参数可以让Zigbee RF模块处于可休眠模式，通过Zigbee RF模块的IO口来控制CMOS元件通断在Zigbee RF休眠期间切断一些外设电源消耗来达到低功耗目的，通过编写上位机配套软件可灵活重构此装置的功能。此装置通过车载无线传感网络采集和传输数据，方便维护、实现了无人为干扰下的稳定组网数传和功耗控制，在物流领域适用性强。

优选地，所述传感器接口包括若干个可调节引脚功能的接口和与每个接口对应的调节其引脚功能的旋转档位调节开关。本发明中通过旋转档位调节开关来选择接口引脚的功能，避免了因物流车不同而要换传感器时同时要更换与其配套的接口而带来的麻烦，采用该统一的传感器接口能满足常用的传感器接口的配套，只需拔走旧的传感器，选择相应引脚，插上新的传感器就能工作，节约成本、方便快捷。

优选地，所述Zigbee RF模块采用CC2530F256作为主控芯片，集成有射频模块，具有无线发送接收功能，完成上位机指令或数据接收、模拟量传感器AD转换、数字量传感器通信协调、对开关控制电路进行控制。CC2530F256是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，它可配置Zigbee RF模块为终端设备、路由设备、协调器设备和点对点串口透传设备，实现相应的功能。

优选地，所述通信接口电路采用通用的RS485/232串口通信电路，所述电源模块具有了内部电池供电和外接直流电源供电两种供电模式。

所述开关控制电路采用低功耗的CMOS元件、滤波电阻电容电路，控制传感器的电源通断和接口使能。

优选地，所述配置软件由QtCreator开发，完成对Zigbee RF模块设备类型的配置，完成入网参数的配置。利用该配置软件可以配置Zigbee RF模块类型为Zigbee终端设备、路由设备、协调器设备和点对点透传设备，还可以配置入网参数，比如PANID值、信道、网络模型、网络层次等，同时可以配置传感器发送周期，使各传感器通道数据可以同一周期发送，也可以不相同周期发送等。

优选地，所述配置软件发送的配置参数可通过通信接口经串口线传输到ZigbeeRF模块模块；所述配置软件发送的配置参数还可以通过与上位机连接的Zigbee RF模块无线发送到待配置的Zigbee RF模块里来完成对该待配置Zigbee RF模块的配置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：基于Zigbee无线传感网络，设计支持多信号通用性好的传感器接口，适用于大多数物流车辆监测用传感器，通过设计开关电路和软件实现产品的低功耗，通过上位机软件无线或有线地配置装置可使得完成监测任务的情况下，灵活重构产品功能，以适应不同场合下的物流车辆，操作变得更加方便，所选多为常见电路，元件价格较低，成本不高。

附图说明

图1为本发明的硬件总体结构图；

图2为本发明的电源模块示意图；

图3为本发明的有线配置操作方法示意图；

图4为为本发明的无线配置操作方法示意图；

图5为本发明的传感器接口示意图；

图6为本发明应用于物流车辆无线传感网络模拟图，其中10-14表示无线传感网络装置终端，15表示路由设备，16表示协调器设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明是一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，包括：传感器接口电路2、Zigbee RF模块3、通信接口电路4、用于控制Zigbee RF模块3开始和结束配置的按键电路5、用于指示Zigbee RF模块3开始和结束配置的指示灯电路6、电源模块7、用于控制电源模块7供电的开关控制电路8；所述传感器接口电路2与Zigbee RF模块3连接，Zigbee RF模块3通过通信接口电路4与上位机连接；Zigbee RF模块3分别与按键电路5、指示灯电路6、电源模块7、开关控制电路8电连接；开关控制电路8分别与传感器接口电路2、电源模块7电连接；Zigbee RF模块3利用上位机来设置参数；Zigbee RF模块3具有休眠模式，在Zigbee RF模块3配置为休眠模式时，开关控制电路8切断电源模块7对外接设备的电源供应。

本实施例所用Zigbee RF 模块3采用CC2530作为主控芯片，集成有射频模块，具有无线发送接收功能，本实施例中，Zigbee RF 模块3完成数据的处理、控制工作，包括上位机指令或数据接收、模拟量传感器AD转换、数字量传感器通信协调、开关电路控制、指示、按键响应等工作。

如图2所示，电源模块7具有了内部电池供电和外接直流电源供电两种供电模式。本实施例中，电源模块7包括内部提供多规格电压18V、15V、12V、9V、5V、3.3V和外部18V-24V输入供电，内部各种数值电压由1个9V和6个1.5V电池组成，可提供B5-B6端3V(可用于3.3V传感器供电)、B4-B6端4.5V(可用于5V传感器供电)、B0端9V、B0-B2端12V、B0-B4端15V、B0-B6端18V。由于设备采用了开关电路进行功耗控制，只有在采集数据的0.01-10ms时间内才打开电池电源，每次采集时间极短，采集消耗电流也为mA级，采集完立即进入休眠状态，经实例检测，每次休眠过程整板可降至uA级别，所以电池组能支持很长一段时间；当使用外部电源输入时，此时由AMS1117和LM78系列芯片将输入18-24V电压降为所需各个电压值，并通过继电器回路切断电池供电，还对外部电源进行过压检测，避免过压引起设备损坏，继电器切断电路和过压检测电路均为一般常见电路，这里不再作详细说明。电源模块7负责给内部芯片、外部传感器供电和接入外部电源。内部集成了电池组，提供常用规格的各种电压，使用外部电源时，切断电池供电，并采用降压芯片将输入降为各种规格的电压。另外，为外部电源的接入加入了过压保护元件，保护内部电路不被烧坏。

开关控制电路8采用低功耗的CMOS元件，通过Zigbee RF模块3的IO口来控制CMOS元件通断，间接地控制传感器供电通断，每一路传感器对应一个通断控制，CMOS元件不导通情况下，对应传感器功耗为零。

如图4所示，传感器接口2包括若干个可调节引脚功能的接口和与每个接口对应的调节其引脚功能的旋转档位调节开关。本实施例中传感器接口共有四个引脚功能相同的接口，每个接口可进行一些调节，可分别调节为AD电压/电流采集、开关量、数据量IO通信功能接口，其中所述AD电压/电流采集采用功放隔离、滤波电路，每个接口均包括 ①电压输出引脚(3.3 5 9 12 15 18V可选择档，给传感器供电)、②电压/电流信号AD输入引脚(0-24V/0-20mA可调，可接液位、压力、真空度、气体等传感器)；③两个普通IO引脚(可接DS18B20、DHT11、光电、红外、车门开关、接近开关、倾斜等传感器)；④接地引脚。电压/电流信号AD引脚还当做普通IO引脚，与原本的两个IO引脚一起接其他多引脚传感器，比如三轴加速度、三轴磁场传感器模块。两个接口也可形成级联，构成更多IO引脚的接口。这些引脚的功能调节均通过调节开关设置，具体调节方法见附图4说明。只要将传感器按需物理连接相关的引脚，就可通过上位机软件配置该接口对应的采集逻辑。

通信接口电路4采用RS232/485接口电路，与PC机相连，完成PC机上的数据和指令接收、发送。方便用户使用软件监测设备运行情况。

按键电路5和指示灯6主要是用来配置参数时进行使用，不考虑功耗情况下也可以用作正常工作时的设置、指示作用。

如图3所示，上位机中配置Zigbee RF模块3的软件S1采用QtCreator 编写，QtCreator 是一款新的轻量级集成开发环境（IDE）。此 IDE 能够跨平台运行，支持的系统包括 Linux（32 位及 64 位）、Mac OS X 以及 Windows。

如附图3、4所示，本发明通过上位机配置软件S1可方便地对配套Zigbee装置S2进行参数配置，配置方式可以采用通信接口和串口线有线配置方式，也可以通过近距离的无线直连配置方式。对于待配置设备，终端设备配置前需要先按下按键，指示灯亮后，装置即进入配置模式，而路由设备或协调器设备则无需此步骤。有线配置如附图3所示：上位机通过串口线连接待配置设备，然后配置软件上收到待配置Zigbee装置S2发送过来的设备信息，并显示在界面上，点击配置按钮，即发送配置帧到Zigbee装置S2，点击读取配置按钮，则将Zigbee装置S2各项参数显示在界面上，如果Zigbee装置S2是数据透传模块，则可以直接接收数据或填写目标地址进行发送数据。配置完后再按一下按键，指示灯不亮，表示配置完成。可以配置设备类型为Zigbee终端设备、路由设备、协调器设备和点对点透传设备；可以配置入网参数，比如PANID值、信道、网络模型、网络层次等；可以配置传感器发送周期，使各传感器通道数据可以同一周期发送，也可以不相同周期发送等。无线配置如附图4所示，则采用一个设备作为数据中转与上位机有线连接，通过这个设备无线发送指令到待配置设备进行配置，配置过程中的操作步骤与有线时类似。

如图5所示，传感器接口2总共有四个接口，接口1-4。每个接口有5个引脚，分别是1电压输出引脚(3.3 5 9 12 15 18V可选择不同档给传感器供电)、2接地引脚、3电压/电流信号AD输入引脚(0-24V/0-20mA可调，可接液位、压力、真空度、气体等传感器)；4、5普通IO引脚(可接DS18B20、DHT11、光电、红外、车门开关、接近开关、倾斜等传感器)； 6、7、8为引脚功能旋转档位调节开关；其中6可使1电压输出引脚有不同电压输出；7调节3电压/电流信号AD输入引脚功能，可选择电流AD、电压AD、普通IO功能；8调节3电压/电流信号AD输入引脚的输入电压/电流量程，输入电压信号量程可以为0-1V、3.3V、5V、9V、12V、15V、18V、24V，输入电流信号可以为0-4mA、10mA、20mA。所选择输入电压量程越接近实际输入电压，采集精度将会越高。电压/电流信号AD引脚还可当做普通IO引脚，与原本的两个IO引脚一起接其他多引脚传感器，比如三轴加速度、三轴磁场传感器模块。几个接口也可形成级联，构成更多IO引脚的接口，比如将接口1，接口2，接口3 视为级联，可以有9个IO引脚，就可以物理连接陀螺仪模块，然后在程序中提供对此连接方式的支持，就可以进行信号采集。总之，只要将传感器按需物理连接相关的引脚，就可通过上位机软件配置该接口对应的采集逻辑。设备提供多种信号传感器的程序接口支持，由上位机配置软件决定调用哪个接口。

如图6所示，本实施例中包括5个无线传感网络装置终端10-14，一个路由设备15，一个协调器设备16，终端设备10-14负责采集车辆温度、门开关、胎压信息，发送到协调器，也可通过路由设备15转发到协调器16。物流车辆形成一个无线传感网络，终端设备10-14、路由设备15、协调器设备16的功能均可通过本发明装置进行配置后实现。对于不同的传感器需求，也可以通过配置即可满足要求，方便维护管理，而低功耗特点使正常情况下终端设备10-14可以使用1-2年的时间。

上述仅为本发明的较佳的可行实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，该装置安装在物流车辆不同位置组成无线网络，其特征在于，包括：传感器接口电路（2）、Zigbee RF模块（3）、通信接口电路（4）、用于控制Zigbee RF模块（3）开始和结束配置的按键电路（5）、用于指示Zigbee RF模块（3）开始和结束配置的指示灯电路（6）、电源模块（7）、用于控制电源模块（7）供电的开关控制电路（8）；所述传感器接口电路（2）与Zigbee RF模块（3）连接，Zigbee RF模块（3）通过通信接口电路（4）与上位机连接；Zigbee RF模块（3）分别与按键电路（5）、指示灯电路（6）、电源模块（7）、开关控制电路（8）电连接；开关控制电路（8）分别与传感器接口电路（2）、电源模块（7）电连接；所述Zigbee RF模块（3）利用上位机来设置参数；所述Zigbee RF模块（3）具有休眠模式，在Zigbee RF模块（3）配置为休眠模式时，开关控制电路（8）切断电源模块（7）对外接设备的电源供应；整合物流车辆用的常用传感器接口电路（2）为统一的传感器接口电路（2），所述传感器接口电路（2）包括若干个可调节引脚功能的接口和与每个接口对应的调节其引脚功能的旋转档位调节开关，通过旋转档位调节开关来选择接口引脚的功能。

2.根据权利要求1所述的物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，其特征在于，所述Zigbee RF模块（3）采用CC2530F256作为主控芯片，集成有射频模块，具有无线发送接收功能，完成上位机指令或数据接收、模拟量传感器AD转换、信号调理、开关控制电路（8）的控制。

3.根据权利要求1所述的物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，其特征在于，所述通信接口电路（4）采用通用的RS485/232串口通信电路。

4.根据权利要求1所述的物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，其特征在于，所述电源模块（7）具有内部电池供电和外接直流电源供电两种供电模式。

5.根据权利要求1所述的物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，其特征在于，所述开关控制电路（8）采用低功耗的CMOS元件、滤波电阻电容电路，控制传感器（1）的电源通断和接口使能。

6.根据权利要求1所述的物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，其特征在于，上位机中对Zigbee RF模块（3）的配置软件由Qt Creator开发，完成对Zigbee RF模块（3）设置网络类型、接口采集逻辑、入网参数的配置。

7.根据权利要求6所述的物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，其特征在于，所述配置软件发送的配置参数通过通信接口电路（4）经串口线传输到Zigbee RF模块（3）。

8.根据权利要求6所述的物流车辆状态监测的低功耗无线传感网络装置，其特征在于，所述配置软件发送的配置参数通过与上位机连接的Zigbee RF模块（3）无线发送到待配置的Zigbee RF模块里来完成对该待配置Zigbee RF模块的配置。