CN109922507A - 一种基于低功耗传感器的无线传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低功耗传感器的无线传输系统及方法，涉及无线传输技术领域，方法包括：无线节点通过多个信道轮番发送搜索命令；多个工作在对应信道的无线基站接收到搜索命令并向无线节点发送应答命令；无线节点接收多个应答命令并判断多个应答命令的信号强弱，选择信号最强的应答命令对应的无线基站并与其建立通信连接；无线节点将第一数据发送至对应的无线基站，并通过无线基站将第一数据发送至无线中心；本发明的无线节点可通过多信道自适应寻找信号最好的无线基站建立通信连接，并在通信连接中断后自动切换至信号最好的无线基站并建立通信连接，有效降低了干扰带来的影响，提高了数据传输的稳定性。

Description

一种基于低功耗传感器的无线传输系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传输技术领域，尤其是涉及一种基于低功耗传感器的无线传输系统及方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，人工智能、大数据、智能制造等技术不断成熟，物联网时代正逐渐到来。据统计，目前，国内物联网连接数已达16亿个，预计2020年将超过70亿个，市场规模达到2.5万亿元，物联网发展潜力巨大。

现有的物联网无线传输中，各节点与接收端的无线通信往往采用固定频段进行通信，若当前频段受到干扰或信号强度低，则无法保证数据传输的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于低功耗传感器的无线传输系统，以改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

具体的，一种基于低功耗传感器的无线传输系统，包括无线节点、无线基站及无线中心，所述无线节点可选择的通过多个信道中的任意一个与所述无线基站通信连接，无线基站通过无线网络与无线中心通信连接；

所述无线节点用于采集第一数据并将所述第一数据通过选择的信道发送至所述无线基站；

所述无线基站用于接收所谓无线中心的轮训命令并将所述第一数据发送至无线中心；

所述无线中心用于向所述无线基站发送轮训命令并接收所述第一数据。

进一步的，所述无线节点及所述无线基站均为多个，所述无线基站工作在多个信道中的其中一个信道，所述无线节点通过多个信道搜索工作在对应信道且当前信号最强的无线基站，并与其建立通信连接。

进一步的，所述无线节点包括第一中央控制模块、第一无线通信模块、第一显示模块、第一接口模块及第一电源模块，所述第一无线通信模块、第一显示模块、第一接口模块及第一电源模块分别与所述第一中央控制模块连接；所述第一无线通信模块用于发射和接收无线射频信号，所述第一中央控制模块通过第一无线通信模块选择对应信道与所述无线基站通信连接，第一中央控制模块通过所述第一接口模块与外接传感器连接，所述第一显示模块用于显示外接传感器采集到的数据，所述第一电源模块用于为所述无线节点供电。

进一步的，所述第一无线通信模块包括数据处理单元、射频收发单元、变压单元、滤波单元、射频增距单元及天线，所述数据处理单元与所述射频收发单元、射频增距单元及第一中央控制模块分别连接，所述射频收发单元、变压单元、滤波单元、射频增距单元及天线依次连接。

进一步的，所射频增距单元包括射频芯片、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及第六电容，所述射频芯片为CC1190，所述第一电感的第一端与所述天线的信号端及所述第一电容的第一端连接，第一电感的第二端与所述第二电感的第一端及所述第二电容的第一端连接，第二电感的第二端与所述第三电容的第一端及所述第三电感的第一端连接，第一电容的第二端、第二电容的第二端、第三电容的第二端及天线接地端互连并接地；所述第三电感的第一端与所述第四电容的第一端连接，第四电容的第二端与第四电感的第二端及所述射频芯片的PA_OUT端连接，第四电感的第一端接3.3V，第三电感的第二端与所述第五电容的第一端连接，第五电容的第二端与所述第六电容的第一端及射频芯片的TR_SW端连接，第六电容的第二端与射频芯片的LAN_IN端连接。

进一步的，所述外接传感器在接收到所述第一中央控制模块的指令时唤醒并进行数据采集，获取所述第一数据，外接传感器将采集到的数据发送给第一中央控制模块后进入休眠；所述第一中央控制模块向所述数据处理单元发送指令，通过数据处理单元唤醒射频收发单元，并按设定的信道依次发送搜索命令，确定信号最强的信道，与对应的所述无线基站建立通信并将所述第一数据发送至对应的无线基站；所述第一中央控制模块及所述射频收发单元进入休眠，第一中央控制模块在预设间隔时间自动唤醒，重复上述过程。

进一步的，所述无线基站包括第二中央控制模块、第二无线通信模块、时钟模块、第二显示模块、拨码开关及第二电源模块，所述第二无线通信模块、时钟模块、第二显示模块及拨码开关分别与所述第二中央控制模块连接，所述第二电源模块分别与第二中央控制模块及第二无线通信模块连接；所述第二无线通信模块用于发射和接收无线射频信号，所述第二中央控制模块通过第二无线通信模块与所述无线节点通信连接，所述时钟模块用于为所述无线基站提供基准时钟，所述拨码开关用于选择无线基站当前工作信道，所述第二显示模块用于显示当前信道信号强度。

具体的，所述方法包括如下步骤：

所述无线节点通过多个信道轮番发送搜索命令；

多个工作在对应信道的所述无线基站接收到所述搜索命令并向所述无线节点发送应答命令；

所述无线节点接收多个所述应答命令并判断多个所述应答命令的信号强弱，选择信号最强的应答命令对应的无线基站并与其建立通信连接；

所述无线节点将所述第一数据发送至对应的所述无线基站，并通过无线基站将第一数据发送至所述无线中心。

进一步的，若所述无线节点在预设时间内未接收到当前信道的所述应答命令，则无线节点重新在当前信道发送所述搜索命令，若在预设重发次数后仍未接收到应答命令，无线节点停止向该信道发送所述搜索命令。

进一步的，所述无线节点与所述无线基站通过私有协议通信连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

无线节点可通过多信道自适应寻找信号最好的无线基站建立通信连接，并在通信连接中断后自动切换至信号最好的无线基站并建立通信连接，有效降低了干扰带来的影响，提高了数据传输的稳定性。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输系统的无线节点与无线基站通信结构示意图；

图2为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输系统的无线基站与无线中心通信结构示意图；

图3为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输系统的无线节点结构示意图；

图4为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输系统的无线节点接口模块电路图；

图5为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输系统的第一通信模块结构示意图；

图6为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输系统的第一通信模块电路图；

图7为为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输系统的无线基站结构示意图；

图8为为本发明较佳实施例提供的一种基于低功耗传感器的无线传输方法的方法流程图。

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、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，一种基于低功耗传感器的无线传输系统，包括无线节点、无线基站及无线中心，无线节点可选择的通过多个信道中的任意一个与无线基站通信连接，无线基站通过无线网络与无线中心通信连接，无线节点用于采集第一数据并将第一数据通过选择的信道发送至无线基站，无线基站用于接收所谓无线中心的轮训命令并将第一数据发送至无线中心，无线中心用于向无线基站发送轮训命令、接收第一数据及将第一数据发送至云端；具体的，在本实施例中，无线节点及无线基站均为多个，无线节点及无线基站在779MHZ至787MHZ范围内的频段进行通信，其中，多个无线基站分别工作在779MHZ、780MHz、781MHz、782MHz、783MHz、784MHz、785MHz及786MHz8个信道中的其中一个信道，每个无线节点通过在该8个信道轮番搜索工作在对应信道的所有无线基站，找到与当前无线节点通信信号最强的无线基站并与其建立通信连接。

如图3所示，无线节点包括第一中央控制模块、第一无线通信模块、第一显示模块、第一接口模块及第一电源模块，第一无线通信模块、第一显示模块、第一接口模块及第一电源模块分别与第一中央控制模块连接；第一无线通信模块用于发射和接收无线射频信号，第一中央控制模块通过第一无线通信模块选择对应信道与无线基站通信连接，第一中央控制模块通过第一接口模块与外接传感器连接，第一显示模块用于显示外接传感器采集到的数据，第一电源模块为电池，用于为无线节点供电，其中第一中央控制模块为单片机，具体为ATMEGA640V，第一显示模块包括两块4位数码管，两块数码管通过驱动电路与ATMEGA640V连接，用于在ATMEGA640V的控制下进行相关信息的显示，第一接口模块包括16路模拟量输入电路，用于外接传感器，每个无线节点的16路模拟量输入可满足多路不同监测数据的采集。

如图4所示，16路模拟量输入电路包括第一～第十六二极管、第一～第十六MOS管、第五～第七电感、第七～第八电容、第一电阻R76及A/D转换芯片ADS1110，第一二极管D2、第二二极管D3、第三二极管D4、第四二极管D5、第五二极管D6、第六二极管D7、第七二极管D8、第九二极管D10、第十二极管D11、第十一二极管D12、第十二二极管D13、第十三二极管D14、第十四二极管D15、第十五二极管D16及第十六二极管D17的负极分别与第一MOS管Q3、第二MOS管Q4、第三MOS管Q5、第四MOS管Q6、第五MOS管Q7、第六MOS管Q8、第七MOS管Q9、第八MOS管Q10、第九MOS管Q11、第十一MOS管Q13、第十二MOS管Q14、第十三MOS管Q15、第十四MOS管Q16、第十五MOS管Q17及第十六MOS管Q18的漏极连接，第一二极管D2～第十六二极管D17的正极互连并接地，第一MOS管Q3～第十六MOS管Q18的源极互连并与第一电阻R76的第二端连接，第一MOS管Q3～第八MOS管Q10的栅极分别与ATMEGA640V的PK0～PK7端连接，第九MOS管Q11～第十六MOS管Q18的栅极分别与ATMEGA640V的PA0～PA7端连接。

第一电阻R76的第一端与第五电感L4的第二端连接，第五电感L4的第一端接地，A/D转换芯片ADS1110的AGND端与第七电容C3的第二端及第七电感L2的第二端连接，第七电感L2的第一端接地，第六电感L1的第一端接电源，其第二端与第七电容C3的第一端及ADS1110的AVCC端连接，ADS1110的VIN-端与第八电容C5的第一端及第一电阻R76的第一端连接，ADS1110的VIN+端与第八电容C5的第二端及第一电阻R76的第二端连接，ADS1110的SCL端及SDA端分别与ATMEGA640V的PD0及PD1端连接，本发明的16路模拟量输入电路能有效防止静电，提高了数据传输的稳定性，结构简单，成本低。

如图5所示，第一无线通信模块包括数据处理单元、射频收发单元、变压单元、滤波单元、射频增距单元及天线，数据处理单元与射频收发单元、射频增距单元及第一中央控制模块分别连接，第一中央控制模块通过向数据处理单元发送指令实现跳频控制，射频收发单元、变压单元、滤波单元、射频增距单元及天线依次连接，其中，数据处理单元为ATMEGA1284P单片机，射频收发单元为AT86RF230射频收发芯片，变压单元为TRANS4变压器，滤波单元为B3721滤波芯片，天线为IPEX天线。

如图6所示，所射频增距单元包括射频芯片、第一电感L5、第二电感L4、第三电感L3、第四电感L2、第一电容C26、第二电容C25、第三电容C24、第四电容C23、第五电容C22及第六电容C21，射频芯片为CC1190，第一电感L5的第一端与天线的信号端及第一电容C26的第一端连接，第一电感L5的第二端与第二电感L4的第一端及第二电容C25的第一端连接，第二电感L4的第二端与第三电容C24的第一端及第三电感L3的第一端连接，第一电容C26的第二端、第二电容C25的第二端、第三电容C24的第二端及天线的3个接地端互连并接地；第三电感L3的第一端与第四电容C23的第一端连接，第四电容C23的第二端与第四电感L2的第二端及射频芯片CC1190的PA_OUT端连接，第四电感L2的第一端接3.3V，第三电感L3的第二端与第五电容C22的第一端连接，第五电容C22的第二端与第六电容C21的第一端及射频芯片CC1190的TR_SW端连接，第六电容C21的第二端与射频芯片CC1190的LAN_IN端连接。

CC1190的VDD_PA1端及VDD_PA2端连接并接3.3V，CC1190的VDD_LNA端接3.3V，CC1190的BIAS端与第二电阻R7串联后接地，CC1190的HGM端与第三电阻R8串联后接3.3V，CC1190的LNA_EN端与第四电阻R9串联后与ATMEGA1284P的PB3端连接，CC1190的PA_EN端与第五电阻R10串联后与ATMEGA1284P的PB0端连接，CC1190的PA_IN端及LNA_OUT端分别与第九电容C9及第十电容C20的第一端连接，九电容C19及第十电容C20的第二端互连并与B3721的output端连接，B3721的input端与第十一电容C18的第一端连接，第十一电容C18的第二端与TRANS4的次级绕组两端连接，TRANS4的初级绕组两端分别与第十二电容C16及第十三电容C17的第一端连接，第十二电容C16及第十三电容C17的第二端分别与AT86RF230的RFP端及RFN端连接，AT86RF230的SLP_TR端与ATMEGA1284P的PB1端连接，AT86RF230的IRQ端、SEL端、MOSI端、MISO端及SCLK端分别与ATMEGA1284P的PB2端、PB4端、PB5端、PB6端及PB7端连接。本发明的第一无线通信模块结构简单，能有效降低噪声及提高信号的传输距离。

第一中央控制模块平时处于休眠状态，并设定在预设间隔时间唤醒，工作时，外接传感器在接收到第一中央控制模块的指令时唤醒并进行数据采集，获取温湿度等监测数据，外接传感器将采集到的监测数据发送给第一中央控制模块后进入休眠；第一中央控制模块向数据处理单元发送指令将数据处理单元唤醒，并通过数据处理单元唤醒射频收发单元，第一中央控制单元通过射频收发单元按设定的信道依次发送搜索命令并接收来自各无线基站的应答命令并解析，确定信号最强的信道，与对应的无线基站建立通信并将监测数据发送至对应的无线基站；监测数据发送成功后，第一中央控制模块及射频收发单元进入休眠，直至在下一个预设间隔时间后第一中央控制模块唤醒，重复上述过程，有效降低了无线节点及整个无线传输系统的功耗，节约了电能，并有效降低了系统成本。

如图7所示，无线基站包括第二中央控制模块、第二无线通信模块、时钟模块、第二显示模块、拨码开关及第二电源模块，第二无线通信模块、时钟模块、第二显示模块及拨码开关分别与第二中央控制模块连接，第二电源模块分别与第二中央控制模块及第二无线通信模块连接；第二无线通信模块用于发射和接收无线射频信号，第二中央控制模块通过第二无线通信模块与无线节点通信连接，时钟模块用于为无线基站提供基准时钟，拨码开关用于选择无线基站当前工作信道，第二显示模块用于显示当前信道信号强度，其中，第二无线通信模块与第一无线通信模块相同，时钟模块为SD2405ALPI时钟芯片，第二中央控制模块同样为ATMEGA640V单片机，第二显示模块包括8个分别用于显示8个信道信号强度的发光二极管，8个发光二极管分别与第二中央控制模块连接，本实施例还包括2个型号为HEADER.8X2的拨码开关，2个拨码开关分别与第二中央控制模块连接，分别用于选择无线基站的工作信道及无线基站ID编号。

如图8所示，一种基于低功耗传感器的无线传输方法，应用于一种基于低功耗传感器的无线传输系统，也可以独立实施，方法包括如下步骤：

无线节点通过多个信道轮番发送搜索命令，本实施例中，无线节点在8个信道轮番发送搜索无线基站的命令；

多个工作在对应信道的无线基站接收到搜索命令并向无线节点发送应答命令；

无线节点接收多个应答命令并解析，获取每个应答命令的信号强度值，判断多个应答命令的信号强弱，选择信号最强的应答命令所在的信道，与发送该应答命令的无线基站建立通信连接；

若无线节点在预设时间内未接收到当前信道的应答命令，则无线节点重新在当前信道发送搜索命令，若在预设重发次数后仍未接收到应答命令，无线节点停止向该信道发送搜索命令；

与无线基站建立连接后，无线节点将采集到的第一数据发送至对应的无线基站，并通过无线基站将第一数据发送至无线中心。

进一步的，无线节点与无线基站通过私有协议通信连接，数据传输采用AES加密传输，通过DSSS秩序扩频调制方式进行射频调制，并通过采用双向应答机制及超时重传的方式，有效提高了数据传输过程中的抗干扰能力，降低了丢包率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，包括无线节点、无线基站及无线中心，所述无线节点可选择的通过多个信道中的任意一个与所述无线基站通信连接，无线基站通过无线网络与无线中心通信连接；

所述无线节点用于采集第一数据并将所述第一数据通过选择的信道发送至所述无线基站；

所述无线基站用于接收所谓无线中心的轮训命令并将所述第一数据发送至无线中心；

所述无线中心用于向所述无线基站发送轮训命令并接收所述第一数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，所述无线节点及所述无线基站均为多个，所述无线基站工作在多个信道中的其中一个信道，所述无线节点通过多个信道搜索工作在对应信道且当前信号最强的无线基站，并与其建立通信连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，所述无线节点包括第一中央控制模块、第一无线通信模块、第一显示模块、第一接口模块及第一电源模块，所述第一无线通信模块、第一显示模块、第一接口模块及第一电源模块分别与所述第一中央控制模块连接；所述第一无线通信模块用于发射和接收无线射频信号，所述第一中央控制模块通过第一无线通信模块选择对应信道与所述无线基站通信连接，第一中央控制模块通过所述第一接口模块与外接传感器连接，所述第一显示模块用于显示外接传感器采集到的数据，所述第一电源模块用于为所述无线节点供电。

4.根据权利要求3所述的一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，所述第一无线通信模块包括数据处理单元、射频收发单元、变压单元、滤波单元、射频增距单元及天线，所述数据处理单元与所述射频收发单元、射频增距单元及第一中央控制模块分别连接，所述射频收发单元、变压单元、滤波单元、射频增距单元及天线依次连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，所射频增距单元包括射频芯片、第一电感(L5)、第二电感(L4)、第三电感(L3)、第四电感(L2)、第一电容(C26)、第二电容(C25)、第三电容(C24)、第四电容(C23)、第五电容(C22)及第六电容(C21)，所述射频芯片为CC1190，所述第一电感(L5)的第一端与所述天线的信号端及所述第一电容(C26)的第一端连接，第一电感(L5)的第二端与所述第二电感(L4)的第一端及所述第二电容(C25)的第一端连接，第二电感(L4)的第二端与所述第三电容(C24)的第一端及所述第三电感(L3)的第一端连接，第一电容(C26)的第二端、第二电容(C25)的第二端、第三电容(C24)的第二端及天线接地端互连并接地；所述第三电感(L3)的第一端与所述第四电容(C23)的第一端连接，第四电容(C23)的第二端与第四电感(L2)的第二端及所述射频芯片(CC1190)的PA_OUT端连接，第四电感(L2)的第一端接3.3V，第三电感(L3)的第二端与所述第五电容(C22)的第一端连接，第五电容(C22)的第二端与所述第六电容(C21)的第一端及射频芯片(CC1190)的TR_SW端连接，第六电容(C21)的第二端与射频芯片(CC1190)的LAN_IN端连接。

6.根据权利要求4所述的一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，所述外接传感器在接收到所述第一中央控制模块的指令时唤醒并进行数据采集，获取所述第一数据，外接传感器将采集到的数据发送给第一中央控制模块后进入休眠；所述第一中央控制模块向所述数据处理单元发送指令，通过数据处理单元唤醒射频收发单元，并按设定的信道依次发送搜索命令，确定信号最强的信道，与对应的所述无线基站建立通信并将所述第一数据发送至对应的无线基站；所述第一中央控制模块及所述射频收发单元进入休眠，第一中央控制模块在预设间隔时间自动唤醒，重复上述过程。

7.根据权利要求1所述的一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，所述无线基站包括第二中央控制模块、第二无线通信模块、时钟模块、第二显示模块、拨码开关及第二电源模块，所述第二无线通信模块、时钟模块、第二显示模块及拨码开关分别与所述第二中央控制模块连接，所述第二电源模块分别与第二中央控制模块及第二无线通信模块连接；所述第二无线通信模块用于发射和接收无线射频信号，所述第二中央控制模块通过第二无线通信模块与所述无线节点通信连接，所述时钟模块用于为所述无线基站提供基准时钟，所述拨码开关用于选择无线基站当前工作信道，所述第二显示模块用于显示当前信道信号强度。

8.一种基于低功耗传感器的无线传输方法，应用于如权利要求1～7任意一项所述的一种基于低功耗传感器的无线传输系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

所述无线节点通过多个信道轮番发送搜索命令；

多个工作在对应信道的所述无线基站接收到所述搜索命令并向所述无线节点发送应答命令；

所述无线节点接收多个所述应答命令并判断多个所述应答命令的信号强弱，选择信号最强的应答命令对应的无线基站并与其建立通信连接；

所述无线节点将所述第一数据发送至对应的所述无线基站，并通过无线基站将第一数据发送至所述无线中心。

9.根据权利要求8所述的一种基于低功耗传感器的无线传输方法，其特征在于，若所述无线节点在预设时间内未接收到当前信道的所述应答命令，则无线节点重新在当前信道发送所述搜索命令，若在预设重发次数后仍未接收到应答命令，无线节点停止向该信道发送所述搜索命令。

10.根据权利要求8所述的一种基于低功耗传感器的无线传输方法，其特征在于，所述无线节点与所述无线基站通过私有协议通信连接。