CN104717729A - 一种高精度无线传感器节点及无线传感器网络节点系统 - Google Patents

一种高精度无线传感器节点及无线传感器网络节点系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高精度无线传感器节点及无线传感器网络节点系统，所述无线传感器节点包括依次连接的传感器、A/D转换器和主控制器，所述无线传感器节点还包括电源系统，为所述无线传感器节点供电；所述主控制器中设置有无线收发模块；所述A/D转换器为24位的数模转换芯片；所述传感器和所述A/D转换器之间设置有低通滤波器，所述低通滤波器用于滤掉所述传感器采集的数据中的电源串扰信号；所述A/D转换器和所述主控制器之间设置有具有预设阻抗值的磁珠，所述磁珠用于将无线收发模块的电源和地与A/D转换器的电源和地进行隔离，为A/D转换器提供一个纯净的电源和地。本发明能够完成数据的高精度采集。

Description

一种高精度无线传感器节点及无线传感器网络节点系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种高精度无线传感器节点及无线传感器网络节点系统。
背景技术
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2.5mV左右，采集误差在5％～10％之间。
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节点为了节约能耗通常采用MCU内部集成的AD转换器。因为适用于无线传感器节点的MCU通常集成度都非常高，而系统对能耗的要求也非常高，所以MCU内集成的AD转换器一般不超过14位，有效位一般不超过12位。这种AD转换器能够满足一般的数据采集要求，但对于一些高精度低输出的传感器就无能为力了。
造成数据采集误差较大的原因来自于多方面因素：来自射频模块的高频串扰、来自传感器本身的电源串扰等。除了传感器本身的电源串扰外，其他串扰都是通过电源和地传入ADC采样通道。
基于上述描述，需要提供一种无线传感器节点，能够克服上述问题，完成数据的高精度采集。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种高精度无线传感器节点及无线传感器网络节点系统，能够完成数据的高精度采集。
第一方面，本发明提供一种高精度无线传感器节点，包括依次连接的：传感器、A/D转换器和主控制器，所述无线传感器节点还包括电源系统，为所述无线传感器节点供电；
其中，所述主控制器中设置有无线收发模块；
其中，所述A/D转换器为24位的数模转换芯片；
其中，所述传感器和所述A/D转换器之间设置有低通滤波器，所述低通滤波器用于滤掉所述传感器采集的数据中的电源串扰信号；
其中，所述A/D转换器和所述主控制器之间设置有具有预设阻抗值的磁珠，所述磁珠用于将无线收发模块的电源和地与A/D转换器的电源和地进行隔离，为A/D转换器提供一个纯净的电源和地。
优选地，所述电源系统为不间断电源系统，所述不间断电源系统包括锂电池和太阳能电池板；
在所述太阳能电池板输出电压低于第一预设阈值时，所述锂电池为所述无线传感器节点供电；
在所述太阳能电池板输出电压大于等于第一预设阈值时，所述太阳能电池板为所述无线传感器节点供电。
优选地，在所述太阳能电池板输出电压大于等于第二预设阈值时，所述太阳能电池板不但为所述无线传感器节点供电，还为所述锂电池充电。
优选地，所述无线传感器节点还包括控制开关，所述控制开关用于在第一预设时间点打开所述传感器，且在与所述第一预设时间点对应的第二预设时间点关闭所述传感器。
优选地，所述第一预设时间点和第二预设时间点的个数为一个以上。
优选地，所述主控制器为MC13226芯片。
优选地，所述A/D转换器为AD7799数模转换芯片。
优选地，所述预设阻抗值为300欧。
第二方面，本发明提供一种无线传感器网络节点系统，包括数据中心、汇聚节点和多个无线传感器节点；
每个所述无线传感器节点将采集的数据通过短距离无线方式发送给所述汇集节点；
所述汇聚节点通过长距离无线通信方式将所述多个无线传感器节点采集的数据发送给数据中心。
优选地，所述长距离无线通信方式包括GPRS和短信息SMS通信。
由上述技术方案可知，本发明无线传感器节点通过利用24位的A/D转换器，提高无线传感器节点电压分辨率，并通过在传感器和所述A/D转换器之间设置低通滤波器以及在A/D转换器和主控制器之间设置具有预设阻抗值的磁珠来消除传感器本身的电源干扰和来自射频模块的高频串扰，从而提高无线传感器节点的数据采集精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的高精度无线传感器节点的结构示意图；
图2是本发明实施例一的一个优选实施例提供的高精度无线传感器节点的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的无线传感器网络节点系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例一提供的高精度无线传感器节点的结构示意图，所述高精度无线传感器节点包括依次连接的传感器11、A/D转换器12和主控制器13，所述无线传感器节点还包括电源系统14，为所述无线传感器节点供电；
其中，所述主控制器13中设置有无线收发模块；
其中，所述A/D转换器12为24位的数模转换芯片；
其中，所述传感器11和所述A/D转换器12之间设置有低通滤波器15，所述低通滤波器15用于滤掉所述传感器采集的数据中的电源串扰信号；
其中，所述A/D转换器12和所述主控制器13之间设置有具有预设阻抗值的磁珠16，所述磁珠16用于将无线收发模块的电源和地与A/D转换器的电源和地进行隔离，为A/D转换器12提供一个纯净的电源和地。
本发明实施例所述的无线传感器节点通过利用24位的A/D转换器，提高无线传感器节点电压分辨率，并通过在传感器和所述A/D转换器之间设置低通滤波器以及在A/D转换器和主控制器之间设置具有预设阻抗值的磁珠来消除传感器本身的电源干扰和来自射频模块的高频串扰，从而提高无线传感器节点的数据采集精度。
在本发明实施例一的一个优选实施例中，参见图2，所述电源系统为不间断电源系统，所述不间断电源系统包括锂电池和太阳能电池板；
在所述太阳能电池板输出电压低于第一预设阈值时，所述锂电池为所述无线传感器节点供电；
在所述太阳能电池板输出电压大于等于第一预设阈值时，所述太阳能电池板为所述无线传感器节点供电。
优选地，在所述太阳能电池板输出电压大于等于第二预设阈值时，所述太阳能电池板不但为所述无线传感器节点供电，还为所述锂电池充电。
优选地，所述第一预设阈值为2.6V。
优选地，所述第二预设阈值为3.0V。
无线传感器节点所接的传感器主要采用2.5V供电电压，虽然对电流要求普遍较小，但如果传感器长时间不间断的使用依然会造成电能的快速流失，使锂电池长期处在充电状态。由于锂电池充放电次数有限，长期充电会使锂电池失效。为此，为了进一步提高节点工作寿命，减少电池能量消耗，只在传感器节点需要感知时再打开电源，在其他时间关闭电源。
因此，在本发明实施例一的一个优选实施例中，参见图2，所述高精度无线传感器节点还包括控制开关17，所述控制开关17用于在第一预设时间点打开所述不间断电源系统，且在与所述第一预设时间点对应的第二预设时间点关闭所述不间断电源系统。
由于所述传感器节点需要感知数据的时间可能为多个间隔的时间段，因此所述第一预设时间点和第二预设时间点的个数为一个以上。
例如，传感器节点需要感知数据的时间段为9:00～11:00、14:00～16:00和19:00～20:00，那么所述控制开关15在第一预设时间点9:00打开所述不间断电源系统，且在与所述第一预设时间点9:00对应的第二预设时间点11:00关闭所述不间断电源系统；
且所述控制开关15在第一预设时间点14:00打开所述不间断电源系统，且在与所述第一预设时间点14:00对应的第二预设时间点16:00关闭所述不间断电源系统；
且所述控制开关15在第一预设时间点19:00打开所述不间断电源系统，且在与所述第一预设时间点19:00对应的第二预设时间点20:00关闭所述不间断电源系统。
优选地，所述主控制器为MC13226芯片。
优选地，所述A/D转换器为AD7799数模转换芯片。
优选地，所述预设阻抗值为300欧。
虽然MC13226芯片内置了12位ADC，但芯片内部的数模隔离和外部2.5V的参考电压，使得该ADC无法实现40微伏信号的高精度采集。为此，本发明实施例采用ADI公司的AD7799数模转换芯片作为系统的信号转换芯片。该芯片为24位ADC，有效位为22位。根据外部设置的2.5V参考电压，本发明可得到单端1.19微伏，差分2.38微伏的电压分辨率，完全符合该精度采集的要求。
影响传感器数据采集误差的主要因素有来自射频模块的高频串扰和来自传感器本身的电源串扰。除了传感器本身的电源串扰外，其他串扰都是通过电源和地传入ADC采样通道。为了降低来自电源和地的串扰，本实施例将射频模块的电源和地采用阻抗为300欧的磁珠与ADC的电源和地相隔离，从而为ADC设置了一个相对纯净的电源和地。为了降低来自传感器本身的电源串扰，本实施例在传感器和ADC通道之间添加了低通滤波器，滤掉高于50Hz的串扰信号。
通过上述设计，实现了单端1.19微伏，差分2.38微伏电压分辨率，并且数据采集误差被控制在2％以内。
图3示出了本发明实施例二提供的无线传感器网络节点系统的结构示意图，所述无线传感器网络节点系统包括数据中心21、汇聚节点22和多个无线传感器节点23；
每个所述无线传感器节点23将采集的数据通过短距离无线方式发送给所述汇集节点22；
所述汇聚节点22通过长距离无线通信方式将所述多个无线传感器节点23采集的数据发送给数据中心21。
所述数据中心21用于存储所述多个无线传感器节点23采集的数据。
其中，所述短距离无线通信方式为ZigBee通信。
其中，所述长距离无线通信方式包括GPRS和短信息SMS通信。
汇聚节点是无线传感器节点和数据中心进行数据交换的中间部件。其功能主要是通过无线传感器网络接收来自于传感器节点的数据和向数据中心发送数据。本发明实现了汇聚节点和数据中心的GPRS和短信SMS远程通信功能，克服了传统有线通信对传感器网络所造成的应用局限性。
本发明实施例所述的无线传感器网络节点系统，其有益效果和实施例一所述的无线传感器节点类似，在此不再赘述。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高精度无线传感器节点，其特征在于，所述无线传感器节点包括依次连接的：传感器、A/D转换器和主控制器，所述无线传感器节点还包括电源系统，为所述无线传感器节点供电；
其中，所述主控制器中设置有无线收发模块；
其中，所述A/D转换器为24位的数模转换芯片；
其中，所述传感器和所述A/D转换器之间设置有低通滤波器，所述低通滤波器用于滤掉所述传感器采集的数据中的电源串扰信号；
其中，所述A/D转换器和所述主控制器之间设置有具有预设阻抗值的磁珠，所述磁珠用于将无线收发模块的电源和地与A/D转换器的电源和地进行隔离，为A/D转换器提供一个纯净的电源和地。
2.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述电源系统为不间断电源系统，所述不间断电源系统包括锂电池和太阳能电池板；
在所述太阳能电池板输出电压低于第一预设阈值时，所述锂电池为所述无线传感器节点供电；
在所述太阳能电池板输出电压大于等于第一预设阈值时，所述太阳能电池板为所述无线传感器节点供电。
3.根据权利要求2所述的无线传感器节点，其特征在于，在所述太阳能电池板输出电压大于等于第二预设阈值时，所述太阳能电池板不但为所述无线传感器节点供电，还为所述锂电池充电。
4.根据权利要求1～3任一所述的无线传感器节点，其特征在于，所述无线传感器节点还包括控制开关，所述控制开关用于在第一预设时间点打开所述传感器，且在与所述第一预设时间点对应的第二预设时间点关闭所述传感器。
5.根据权利要求4所述的无线传感器节点，其特征在于，所述第一预设时间点和第二预设时间点的个数为一个以上。
6.根据权利要求1、2、3、5任一所述的无线传感器节点，其特征在于，所述主控制器为MC13226芯片。
7.根据权利要求1、2、3、5任一所述的无线传感器节点，其特征在于，所述A/D转换器为AD7799数模转换芯片。
8.根据权利要求1、2、3、5任一所述的无线传感器节点，其特征在于，所述预设阻抗值为300欧。
9.一种无线传感器网络节点系统，其特征在于，所述系统包括数据中心、汇聚节点和多个如权利要求1、2、3、5任一所述的无线传感器节点；
每个所述无线传感器节点将采集的数据通过短距离无线方式发送给所述汇集节点；
所述汇聚节点通过长距离无线通信方式将所述多个无线传感器节点采集的数据发送给数据中心。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述长距离无线通信方式包括GPRS和短信息SMS通信。
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