CN105092103A - 基于wifi节点型压力传感器及其工作状态管控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于WIFI节点型压力传感器包括供电模块、MSP430控制模块、触发器模块、FPGA控制模块、高速缓存单元、FLASH存储单元、WIFI射频模块、USB模块、高频动态压力传感器、采集模块、信号调理模块，数据接收服务器和WIFI无线路由器，WIFI射频模块与数据接收服务器通过WIFI无线路由器连接，该节点型压力传感器工作状态管控方法为执行三种工作模式：一是最低功耗休眠模式；二是定时中断模式，由定时器自动唤醒，并判断是否为可执行数据控制指令，是否发送数据；三是外部中断模式，判断是否可执行采集数据，本发明采用该传感器及其方法，数据采集精度高，数据存储安全可靠，传输速度快，而且功耗低。

Description

基于WIFI节点型压力传感器及其工作状态管控制方法

技术领域

本发明涉及一种物联网用节点型压力传感器领域，特别涉及一种基于WIFI的用于地下危险废弃物周边环境的土应力测量、化学爆炸冲击波以及地震波造成的土应力测量用节点型压力传感器。

背景技术

高频超压信号具有频率高，上升时间快，瞬间发生、各种干扰等特点，一般采用土应力传感器进行测量，但是传统的土应力传感器器件直径大，频响低，上升时间较长，传感器精度和长期稳定性较差影响了优良而可靠的信号获得，而且这类信号通常测试环境比较恶劣，测试点与采集站点距离比较远，传统有线方式结构复杂、难维护且易受干扰，采用无线方式可以解决这些问题，由于对使用时间有要求，所以现阶段在高频超压场合一般采用Zigbee无线方式发送，但是其速度慢、数据采集精度不高、设备存储容量小、系统集成度不高。所以研发一种更有效的无线传感器是快速准确的获取高频信号的关键。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供一种基于WIFI节点型压力传感器及其工作状态管控方法，采用该传感器及其方法，数据采集精度高，数据存储安全可靠，传输速度快，而且功耗低。

针对本发明的目的之一：提供一种基于WIFI节点型压力传感器，其技术方案是这样实现的：

一种基于WIFI节点型压力传感器，包括供电模块、MSP430控制模块、触发器模块、FPGA控制模块、高速缓存单元、FLASH存储单元、WIFI射频模块、USB模块、高频动态压力传感器、采集模块、信号调理模块，数据接收服务器和WIFI无线路由器，WIFI射频模块与数据接收服务器通过WIFI无线路由器连接，其中：

(1)MSP430控制模块连接FPGA控制模块、采集模块、高频动态压力传感器、信号调理模块、触发器模块、WIFI射频模块和USB模块，并通过该供电模块提供电源管理和信号控制；

(2)该FPGA控制模块能控制该采集模块采集数据，并将数据存入该高速缓存单元和FLASH存储单元，同时该FPGA控制模块也能控制将该FLASH存储单元中的数据通过该WIFI射频模块(104)或USB模块(105)发送；

(3)该高频动态压力传感器输出信号经该信号调理模块输出，该采集模块的输入端连接该信号调理模块的输出端。

针对本发明的目的之一：提供一种基于该节点型压力传感器工作状态管控制方法，其技术方案是这样实现的：

一种基于WIFI节点型压力传感器工作状态管控方法，该节点型压力传感器可执行三种工作模式：一是最低功耗休眠模式，也就是初始状态；二是定时中断模式，就是只要定时器定时时间到就自动唤醒，并判断是否为可执行数据控制指令，是否发送数据；三是外部中断模式，判断是否可执行采集数据，其具体操作步骤如下：

(1)最低功耗休眠模式：MSP430控制模块、高频动态压力传感器以及触发器模块供电，其他模块断电；

(2)定时中断模式：

第一步、通过定时器中断，唤醒MSP430控制模块，高频动态压力传感器和触发器模块供电，并为WIFI射频模块和USB模块供电，其他模块全部断电；

第二步、MSP430控制模块控制WIFI射频模块接收数据控制指令，判断是否为可执行数据控制指令，如果是就执行下一步，否则回到最低功耗休眠模式；

第三步，启动FPGA控制模块供电，FPGA控制模块获取FLASH存储单元中数据，并通过WIFI射频模块或USB模块发送，发送完毕后进入最低功耗休眠模式，与此同时MSP430模块进入休眠状态，采集模块、高频动态压力传感器、信号调理模块和触发器模块断电；

(3)外部中断模式：

第一步、当高频动态压力传感器信号与触发器信号实时比较产生外部中断时，唤醒MSP430控制模块；

第二步、启动采集模块供电，MSP430控制模块控制采集模块执行有限采样，判断是否满足正常采集条件，如果不满足，返回最低功耗休眠模式，否则执行下一步；

第三步、启动FPGA控制模块供电，FPGA控制模块控制采集模块采集数据，并存储于高速缓存单元，采集完毕后将数据同时存入FLASH存储单元。

本发明的有益技术效果在于：采用高频动态压力传感器，解决了超压高频信号测量中传统压电式压力传感器性能不足的问题，所述WIFI射频模块与数据接收服务器通过WIFI无线路由器连接，解决了超压高频信号测量中传统有线传感器信号易受干扰和安装不便的问题，超压高频信号测量中无线模式传输速率慢的问题，所述节点型压力传感器采用三种工作模式，更有效降低功耗提高续航，采用高速缓存单元和FLASH存储单元提高存储的可靠性。

附图说明

图1是本发明中所述基于WIFI节点型压力传感器的结构原理框图；

图2是本发明中所述节点型压力传感器工作状态管控方法的控制流程图。

具体实施方式

结合图1和图2，以下作详细描述：

一种基于WIFI节点型压力传感器，包括供电模块106、MSP430控制模块101、触发器模块、FPGA控制模块100、高速缓存单元111、FLASH存储单元、WIFI射频模块104、USB模块105、高频动态压力传感器102、采集模块103、信号调理模块114，数据接收服务器110和WIFI无线路由器，WIFI射频模块104与数据接收服务器110通过WIFI无线路由器连接，其中：

(1)MSP430控制模块101连接FPGA控制模块100、采集模块103、高频动态压力传感器102、信号调理模块114、触发器模块、WIFI射频模块104和USB模块105，并通过该供电模块106提供电源管理和信号控制；

(2)该FPGA控制模块100能控制该采集模块103采集数据，并将数据存入该高速缓存单元111和FLASH存储单元，同时该FPGA控制模块100也能控制将该FLASH存储单元中的数据通过该WIFI射频模块104或USB模块105发送；

(3)该高频动态压力传感器102输出信号经该信号调理模块114输出，该采集模块103的输入端连接该信号调理模块114的输出端。

该触发器模块为三种可选触发电平(107、108、109)，为了提供大容量存储，该FLASH存储单元为两片NANDFLASH，该高频动态压力传感器102为直径Φ2mm的硅压阻力敏芯片，具有300KHz-1MHz的固有频率，因而可使用频带高达100-300KHz，上升时间0.2-0.5μs。

所述MSP430控制模块为美国德州仪器推出的系列单片机，也称混合信号处理器，主要是由于针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。对于本领域技术人员，属于已知技术，再此不再详述。

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。对于本领域技术人员，属于已知技术，再此不再详述。

一种基于WIFI节点型压力传感器的工作状态管控方法，该节点型压力传感器可执行三种工作模式：一是最低功耗休眠模式，也就是初始状态；二是定时中断模式，就是只要定时器定时时间到就自动唤醒，并判断是否为可执行数据控制指令，是否发送数据；三是外部中断模式，判断是否可执行采集数据，其具体操作步骤如下：

(1)最低功耗休眠模式：MSP430控制模块101、高频动态压力传感器102以及触发器模块供电，其他模块断电；

(2)定时中断模式：

第一步、通过定时器中断，唤醒MSP430控制模块101，高频动态压力传感器102和触发器模块供电，并为WIFI射频模块104和USB模块105供电，其他模块全部断电；

第二步、MSP430控制模块101控制WIFI射频模块104接收数据控制指令，判断是否为可执行数据控制指令，如果是就执行下一步，否则回到最低功耗休眠模式；

第三步，启动FPGA控制模块100供电，FPGA控制模块100获取FLASH存储单元中数据，并通过WIFI射频模块104或USB模块105发送，发送完毕后进入最低功耗休眠模式，与此同时MSP430模块进入休眠状态，采集模块103、高频动态压力传感器102、信号调理模块114和触发器模块断电；

(3)外部中断模式：

第一步、当高频动态压力传感器102信号与触发器信号实时比较产生外部中断时，唤醒MSP430控制模块101；

第二步、启动采集模块103供电，MSP430控制模块101控制采集模块103执行有限采样，判断是否满足正常采集条件，如果不满足，返回最低功耗休眠模式，否则执行下一步；

第三步、启动FPGA控制模块100供电，FPGA控制模块100控制采集模块103采集数据，并存储于高速缓存单元111，采集完毕后将数据同时存入FLASH存储单元。

所述基于WIFI节点型压力传感器工作原理如下：

一、通过定时中断执行数据发送

所述节点型压力传感器在初始状态下，MSP430控制模块101处于休眠状态，为传感器和触发器供电，其他模块断电，这样可以保证在待机下只需要极低电流。在休眠状态下，通过定时器中断，唤醒MSP430控制模块，传感器和触发器供电，为WIFI射频模块和USB模块上电，其他模块全部处于断电状态。MSP430模块控制WIFI射频模块和USB模块扫描寻找服务器和检测是否有设备连接，如果找到服务器或检测到设备，等待接收服务器或设备的数据控制指令，服务器指令为定向发送，通过匹配IP地址将信息发送到对应IP地址的节点上，设备通过模块USB的ID号，判断节点并发送命令。如果接收到启动回传数据的命令，就启动FPGA控制模块供电，FPGA控制模块启动完毕后切换WIFI射频模块、USB模块控制端为FPGA控制模块，MSP430控制模块进入休眠状态，采集模块、传感器模块、信号调理模块，触发器模块断电，FPGA控制模块获取两片FLASH芯片中的数据，进行数据处理后发送，发送完成后进入初始状态。数据发送采用WIFI无线方式或USB2.0接口的方式发送。在使用中两种发送方式自动切换，切换方式采用扫描加中断的方式，但是USB2.0方式优先级高，即在任何情况下，发现USB2.0接入就断开WIFI连接，USB2.0发送方式直接通过有线连接。WIFI模块间隔扫描是否有可用连接，有就连接并尝试通信。USB2.0模块在信号线上加入下拉电阻，当无外部设备插入时，为低电平。当有外部设备插入时为高电平，触发中断，FPGA控制模块识别并关闭WIFI射频模块的功能以及供电。

二、通过外部中断执行数据采集

在初始状态下，传感器信号与触发器信号实时比较，当满足条件时产生外部中断，唤醒MSP430控制模块，然后启动采集模块，启动有限采样，处理后判断是否满足正常采集的条件，如果不满足，返回初始状态。如果满足，切换采集模块的控制端，开始采集并存储到高速缓存单元中，采集完成后，将数据同时存入两片FLASH中。外部中断信号由触发器产生，触发方式采用阀值比较方式的预触发，根据爆炸冲击的前期信号特点设定阀值，通过传感器信号与触发器中设定的阀值进行比较，产生中断，执行预采样以及其后续操作。比较采用硬件操作，可以更好的保证不会错过采样。

所述基于WIFI的物联网用低功耗节点型压力传感器采用高频动态的高精度传感器，并配合信号调理电路一起保证前段信号的高精度和高准确性，选用高速高精度采集模块，采集到高精度且高准确性的信号，随后将采集到的信号同步存储于两片FLASH芯片中，保证了在恶劣环境下，极大降低硬件损坏造成的影响。

采用USB2.0接口和WIFI无线两种模式作为上传数据的模式，USB2.0接口数据传输速率可达16Mbps，WIFI射频模式下可达5Mbps，这两种模式相比于以前的两种模式，速度极大的提高，而且采用两种接口可以更好适应恶劣环境，利于数据的获取。

在整个过程中，都只开启部分模块，并且用低功耗芯片MSP430用作前级判断和电源管理。在启动采集的状态下模块在绝大部分时间处于休眠状态，并且休眠状态下只是MSP430处于休眠，为了保证系统的实施响应，只为传感器和触发器供电，其他模块全部断电，尽可能减小了待机电流。MSP430控制各个模块的供电与断电，通过不同的工作状态控制各个模块的断电与通电，最大化的利用电源，并充分降低不必要的电量损耗。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于WIFI节点型压力传感器，其特征在于，包括供电模块(106)、MSP430控制模块(101)、触发器模块、FPGA控制模块(100)、高速缓存单元(111)、FLASH存储单元、WIFI射频模块(104)、USB模块(105)、高频动态压力传感器(102)、采集模块(103)、信号调理模块(114)，数据接收服务器(110)和WIFI无线路由器，WIFI射频模块(104)与数据接收服务器(110)通过WIFI无线路由器连接，其中：

(1)MSP430控制模块(101)连接FPGA控制模块(100)、采集模块(103)、高频动态压力传感器(102)、信号调理模块(114)、触发器模块、WIFI射频模块(104)和USB模块(105)，并通过供电模块(106)提供电源管理和信号控制；

(2)该FPGA控制模块(100)能控制该采集模块(103)采集数据，并将数据存入该高速缓存单元(111)和FLASH存储单元，同时该FPGA控制模块(100)也能控制将该FLASH存储单元中的数据通过该WIFI射频模块(104)或USB模块(105)发送；

(3)该高频动态压力传感器(102)输出信号经该信号调理模块(114)输出，该采集模块(103)的输入端连接该信号调理模块(114)的输出端。

2.一种如权利要求1所述基于WIFI的物联网用低功耗节点型压力传感器的工作状态管控方法，其特征在于，该节点型压力传感器可执行三种工作模式：一是最低功耗休眠模式，也就是初始状态；二是定时中断模式，就是只要定时器定时时间到就自动唤醒，并判断是否为可执行数据控制指令，是否发送数据；三是外部中断模式，判断是否可执行采集数据，其具体操作步骤如下：

(1)最低功耗休眠模式：MSP430控制模块(101)、高频动态压力传感器(102)以及触发器模块供电，其他模块断电；

(2)定时中断模式：

第一步、通过定时器中断，唤醒MSP430控制模块(101)，高频动态压力传感器(102)和触发器模块供电，并为WIFI射频模块(104)和USB模块(105)供电，其他模块全部断电；

第二步、MSP430控制模块(101)控制WIFI射频模块(104)接收数据控制指令，判断是否为可执行数据控制指令，如果是就执行下一步，否则回到最低功耗休眠模式；

第三步，启动FPGA控制模块(100)供电，FPGA控制模块(100)获取FLASH存储单元中数据，并通过WIFI射频模块(104)或USB模块(105)发送，发送完毕后进入最低功耗休眠模式，与此同时MSP430模块进入休眠状态，采集模块(103)、高频动态压力传感器(102)、信号调理模块(114)和触发器模块断电；

(3)外部中断模式：

第一步、当高频动态压力传感器(102)信号与触发器信号实时比较产生外部中断时，唤醒MSP430控制模块(101)；

第二步、启动采集模块(103)供电，MSP430控制模块(101)控制采集模块(103)执行有限采样，判断是否满足正常采集条件，如果不满足，返回最低功耗休眠模式，否则执行下一步；

第三步、启动FPGA控制模块(100)供电，FPGA控制模块(100)控制采集模块(103)采集数据，并存储于高速缓存单元(111)，采集完毕后将数据同时存入FLASH存储单元。