CN1770214A - 微型超低功耗智能无线传感器 - Google Patents

Abstract

微型超低功耗智能无线传感器。在无线传感器网络中，传感器一般由电池供电，而且传感器数量大、分布范围广，需要分布在各种各样不同的环境中，如敌对区域、危险区域或无人区域，在这些环境中，传感器维护十分困难甚至不可维护。因此能够长期在不同环境下工作的微型传感器是实现传感器网络的关键问题。本发明的微型超低功耗智能无线传感器，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳内的主控模块1，所述的主控模块1通过数据总线与无线传输模块2、存储模块3、传感器模块4和5、数据接口模块6相连接，所述的数据接口模块6与电源管理模块3相连接。本产品用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。

Description

微型超低功耗智能无线传感器

技术领域：本发明涉及一种微型超低功耗智能无线传感器。

背景技术：随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注，这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，因此这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资34000000美元，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。传感器、感知对象和观察者是传感器网络的3个基本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点(传感器)可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。节点间以Ad Hoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。无线传感器网络的一个关键问题是传感器的实现问题。在无线传感器网络中，传感器一般由电池供电，而且传感器数量大、分布范围广，需要分布在各种各样不同的环境中，如敌对区域、危险区域、人迹罕至或无人区域，在这些环境中，传感器维护十分困难甚至不可维护。因此能够长期在不同环境下(尤其是恶劣环境)工作的微型传感器是实现传感器网络的关键问题。

发明内容：本发明的目的是提供一种可以实现在不同环境下长期、稳定、可靠地工作，并提供较强的通信、处理和具有大数据量存储能力的微型超低功耗智能无线传感器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

微型超低功耗智能无线传感器，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳内的主控模块，所述的主控模块通过数据总线与无线传输模块、存储模块、传感器模块、数据接口模块相连接，所述的数据接口模块与电源管理模块相连接。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的主控模块包括单片微控制器U1和LED状态指示单元，所述的状态指示单元的三个LED分别和所述的单片微控制器U1相连接。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的无线传输模块包括单片无线收发器U2和环形PCB天线F1，所述的无线收发模块通过数据总线与所述的主控模块的单片微控制器U1相连接。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的传感器模块包括噪声采集单元、温度采集单元、光强采集单元、磁力采集单元、加速度采集单元、放大电路和电子开关，所述的可采集外界噪声的麦克M0的噪声采集单元与放大器U6连接，所述的放大器U6与接口J6相连接；所述的采集外界温度的温度采集单元中的集成温度传感器U7与所述的接口J6相连接；所述的可采集光强信号的光强采集单元中的光敏电阻RT1与所述的接口J6相连接；所述的可采集平面上X轴和Y轴的磁场强弱信号的磁力采集单元中的双轴磁力传感器U9与放大器U10相连接，所述的放大器U10与接口J6相连接；所述的采集平面上X轴和Y轴两个方向上的加速度变化情况的加速度采集单元中的加速度传感器U8与所述的接口J6相连接，所述的接口J6与所述的单片微处理器U1相连接，所述的主控模块中的接口J1与接口J5相连接，所述的单片微处理器U1和所述的接口J1相连接，所述的接口J6与接口J2相连接，所述的单片微处理器U1通过所述的接口J1控制所述的传感器板上的各个信号采集单元，所述的接口J6与所述的传感器板J2相连接，所述的接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分别与所述的微控制器板及所述的传感器板相连接，所述的传感器板上的电子开关U5分别与接口J11、接口J5相连接。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的数据接口模块中的JTAG接口J3与所述的单片微控制器U1相连接，所述的单片微控制器U1通过接口J4和上位机的UART串行数据接口连接。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的存储模块中的数据存储器U3通过SPI接口与所述的单片微处理器U1相连接。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的电源管理模块中的电源管理芯片U4与所述的单片微处理器U1相连接。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的主控模块、无线传输模块、传感器模块均可通过编程单独控制，所述的主控模块在活动状态下通过频率选择，使所述的单片微处理器U1在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四个频率下进行工作；所述的无线传输模块通过选择使所述的单片无线收发器U2在-10db、-2db、6db、10db四种发射功率及活动、低功耗和断电状态下工作；所述的传感器模块中的各个传感器通过编程单独控制采样频率和工作状态。

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的传感器模块采用物理上独立、分离、多层结构设计，所述的一组传感器模块支持32个传感器。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本发明的微型超低功耗智能无线传感器，摆脱了时间、地点、条件和供电能力的限制，可在任何时间、任何地点、任何条件下协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息。

2.独特的超低功耗设计，能够支持传感器的长期工作，使用2节AA电池供电，最长可工作2～3年。为了实现传感器的低功耗，不但所有器件均采用低功耗器件，而且主控模块、无线传输模块、传感器模块均可通过编程单独控制它们的工作状态。其中主控模块主要由一个单片超低功耗微控制器U1和LED状态指示单元组成，单片超低功耗微控制器U1用来控制无线传输模块、传感器模块、外部数据存储器模块、电源管理模块、数据接口模块，使各个模块按照预定的模式进行工作，LED状态指示单元由三个LED和单片微控制器U1相连接，作为系统工作状态的外部指示，主控模块可工作于活动和低功耗状态，在活动状态下，可以通过频率选择，使微处理器在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四个频率进行工作；无线传输模块主要由一个单片无线收发器U2和环形PCB天线F1组成，其主要功能是按照主控模块的要求控制数据的无线传输，并且无线传输模块可以工作活动、低功耗和断电三个状态，在活动状态下，可以通过选择使单片无线收发器工作在-10db、-2db、6db、10db四种发射功率；传感器模块主要由噪声采集单元、温度采集单元、光强采集单元、磁力采集单元、加速度采集单元、放大电路和电子开关等构成，噪声采集单元应用麦克M0采集外界噪声，经过放大器U6放大后，传输给接口J6；温度采集单元应用集成温度传感器U7采集外界温度，然后直接传输给接口J6；光强采集单元应用光敏电阻RT1采集光强信号，然后直接传输给接口J6；磁力强弱采集单元应用双轴磁力传感器U9采集平面上X轴和Y轴的磁场强弱信号，经过放大器U10处理后，然后直接传输给接口J6；加速度采集单元应用加速度传感器U8采集平面上X轴和Y轴的两个方向上的加速度的变化情况。所有汇集到J6的信号，都需要通过J6传输给单片微处理器U1进行下一部处理，接口J1和J5相连接，作为单片微处理器U1和传感器板之间的信号传输的通道，单片微处理器U1通过J1控制传感器板上的各个信号采集单元，接口J6和J2相连接，作为传感器板向单片微型处理器U1传输它所采集信号的通道，这些信号在单片微处理器内部进行A/D转换、处理，然后进行存储或转发。接口J1、接口J2、接口J5、接口J6把分离的微处理器板和传感器板连接起来，由于接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分别位于微处理器板和传感器板的两侧，使得微处理器板和传感器板形成稳定的多层结构，传感器板上的电子开关U5根据单片微处理器的信号决定是否给各个传感器单元模块进行供电，传感器模块可工作于活动和断电二个状态，传感器模块上的各个传感器也可以通过编程单独控制其采样频率和工作状态。通过编程控制传感器的工作状态，可以使其工作在最低功耗状态，从而实现整个系统的低功耗。

3.传感器同时具有无线通信、计算、存储和传感器功能，可以超低电压、超低功耗工作，其最低工作电压为0.87V，在待机状态下，工作电流＜8μA，在低功耗工作状态下，工作电流＜500μA。

4.微处理器和无线传输模块都采用极少的外围元件设计、传感器模块采用物理上独立、分离、多层结构设计，这不但有利于节点的微型化，而且使传感器模块具有良好的稳定性和可扩展性，可以根据需要单独更换或增加传感器，目前的传感器模块最多可支持32个传感器。

5.无线传输模块采用环形pcb天线设计，增加了系统通信的稳定性、可靠性和对外界噪声的抗干扰能力，所有器件均采用工业级的芯片，提高了系统的抗干扰性、可靠性和温度适应范围，使其能够适应各种复杂的工作环境。

6.无线传输模块具有独特的载波监测输出、地址匹配输出、就绪输出功能，不但能有效地避免无线通信碰撞，而且还可通过软件设定地址，使节点只有在收到本机地址时才接收数据，非常适合点对点、点对多点无线通信。无线模块内置完整的通信协议和CRC，通过SPI即可实现数据的无线传输。

7.外部数据存储器模块主要由数据存储器U3构成，它通过SPI接口与单片微处理器U1相连接，实现数据的大容量存储。

8.电源管理模块主要由电源管理芯片U4构成，负责管理整个装置的供电，电源管理芯片U4通过和单片微处理器U1相连的信号线，检测电源的健康状况，并且根据需要对电源进行智能控制，实现稳定的供电。

9.数据接口模块主要由JTAG编成器接口J3和UART串行数据接口J4构成，单片微控制器U1通过JTAG编成器和接口J3实现U1的在线编程。单片微控制器U1通过接口J4和上位机的UART串行数据接口连接，实现传感器节点和上位机之间的数据通信。

10.本发明的所有器件均采用低功耗器件，而且主控模块、无线传输模块、传感器模块均可通过编程单独控制它们的工作状态。其中主控模块可工作于活动和低功耗状态，在活动状态下，可以通过频率选择，使单片微控制器U1在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四个频率进行工作；无线传输模块可以工作于活动、低功耗和断电三个状态，在活动状态下，可以通过选择使单片无线收发器U2工作在-10db、-2db、6db、10db四种发射功率；传感器模块可工作于活动和断电二个状态，传感器模块上的各个传感器也可以通过编程单独控制其采样频率和工作状态。

11.本发明通过编程控制节点的工作状态，可以使节点在不同情况下工作在最低功耗状态，从而实现整个节点的低功耗。

12.本发明的传感器具有无线通信、计算、存储和传感器功能，其无线通信距离大于150米，存储能力大于8M字节。

13.单片超低功耗微控制器U1是该装置的核心控制部分，主要用于感知数据的处理和存储，以及感知数据的采集、无线收发、能量管理和电源管理等的控制。为了降低功耗，本发明采用美国TI公司的超低功耗处理器芯片MSP430F149芯片，它具有16位RISC结构，CPU中的16位寄存器和常数发生器使MSP430微处理器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗，数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。两个内置的16位定时器，一个快速12位A/D转换器，单片微处理器U1采用双晶振设计，在通常工作状态下，使用外部8M高速晶振，通过分频也可以在1MHz、4MHz状态下工作，而低功耗时则启用低速32.768k晶振，使系统进入低功耗运行状态。系统可应用自身的12位A/D转换器，对外接信号进行采集。

14.无线传输模块中的低功耗单片射频收发器U2包括频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器，不需外加声表滤波器，能够自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微处理器通信。此外，低功耗单片射频收发器U2的功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射数据时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，便于实现低功耗控制。低功耗单片射频收发器U2片内集成了电源管理，晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。无线传输模块采用环形PCB天线，使无线传输模块工作更加稳定，抗干扰性更强。

15.数据存储器U3为8M的Flash，实现了大数据量的存储，它采用三线串行读写方式，读写方便快捷，易于编程实现。

16.电源模块中的电源管理芯片U4为DC/DC转换芯片，可以使传感器节点在较低的电压下工作，对于普通的两节AA电池，只要电压大于0.9V，电源管理芯片U4就能通过DC/DC转换稳定输出3.3V电压。在外部电源提供的电压不低于2.0V时，或系统处于低功耗状态时，可以使电源模块处于关闭模式，即使其工作在低功耗状态，在关闭模式下，外部电源不经过电源管理芯片U4的DC/DC转换，直接给系统供电，电源管理芯片U4的工作电流为37μA，而在关闭模式下，只有2μA的控制电流。

17.状态指示单元的LED1、LED2、LED3采用红、黄、绿三个颜色连接到微处理器，可以通过程序控制LED，工作在不同的工作状态，可以根据LED的状态，判断系统的工作状态。

18.在传感器模块中，接口5和接口6为主控模块、无线传输模块、存储模块、传感器模块和电源管理模块的接口J1和J2连接的接口，接口5和接口6分别设置在传感器模块的两侧，使得主控模块、无线传输模块、电源管理模块、存储模块与传感器模块稳定的连接，电子开关U5为控制整个传感器模块能量的电源开关，可以根据单片微处理器U1的命令，使能整个传感器模块上的各个传感器模块。

19.在传感器模块中的噪声、光和温度采集部分中，对外界的光强的采集是通过光敏电阻RT1实现的，由于采集的电压信号适合于单片微处理器的A/D转换，所以直接对采集的电压进行采集，通过集成温度传感器U7进行温度信号的采集，采用集成元件降低系统的功耗，提高信号采集的精度和灵敏度。

20.加速度传感器单元采用双轴加速度采集芯片ADXL202采集水平面上X、Y轴的加速度变化。磁力传感器HMC1052用来采集节点附近磁场的变化，可以同时检测两个方向上磁场的变化。采集的信号经过放大器放大后，进行A/D转换。

21.数据接口模块，它采用3V工作电压的MAX3224进行电平转换。

附图说明：附图1是本发明的微型超低功耗智能无线传感器各模块连接结构框图。

附图2是本发明的微型超低功耗智能无线传感器的电路图。

附图3是主控模块的电路图。

附图4是无线传输模块电路图。

附图5是电源管理模块和存储器模块电路图。

附图6是传感器模块中的噪声、光和温度采集部分的电路图。

附图7是传感器模块中的磁力和加速度采集的电路图。

附图8是数据接口模块的电路图。

具体实施方式：

实施例1：

微型超低功耗智能无线传感器，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳内的主控模块1，所述的主控模块1通过数据总线与无线传输模块2、存储模块3、传感器模块4和5、数据接口模块6相连接，所述的数据接口模块6与电源管理模块3相连接。

实施例2：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的主控模块1包括：单片微控制器U1和LED状态指示单元，所述的状态指示单元的LED1、LED2、LED3采用红、黄、绿三个颜色并分别和所述的单片微控制器U1引脚50、引脚49、引脚48和接口J9引脚9、引脚8及引脚7相连接，所述的单片微控制器U 1引脚2至引脚6通过ADC3～ADC7与接口J2的引脚3至7相连接，所述的接口J2的引脚1、引脚2通过ADC1和ADC2与单片微控制器U1引脚60、引脚61相连接，ADC0采集3V电池的健康状况；ADC1采集温度信号；ADC2采集光强信号；ADC3采集X轴的振动强弱；ADC4采集Y轴的振动情况；ADC5采集外接噪声大小；ADC6采集X轴磁力强弱的变化；ADC7采集Y轴磁场变化情况；所述的单片微控制器U1引脚17至引脚23通过INT7至INT1与接口J1引脚8至引脚2相连接，INT1、INT2为光敏传感器和温度传感器提供工作电压；INT3、INT4为磁力传感器的使能信号；INT5、INT6、INT7分别控制噪声、磁力加速度、磁力的电源信号。所述的单片微控制器U1引脚52、引脚53的连线上连接有电容C32和电容C33，所述的电容C32和电容C33为A/D转化通道提供外部参考电压。单片微控制器U1引脚28至引脚31(P3.0，P3.1，P3.2，P3.3)通过SPI与接口J10引脚8至11相连接，SPI为连接外部数据存储器的通道，所述的单片微控制器U1引脚32、引脚33(P3.4，P3.5)通过UART与接口J4引脚1、引脚2相连接，P3.4，P3.5为上位机通信的串行口，所述的单片微控制器U1上的P4.0～P5.3为单片无线收发器U2的控制信号线，其中，所述的单片微控制器U1引脚36至38、引脚40、引脚41与接口J10相连接，所述的单片微控制器U1引脚44～47分别与接口J9的引脚3至6相连接，所述的单片微控制器U1上的P5.4～P5.6分别控制外部连接的LED用来观察节点的工作状态。所述的单片微控制器U1上的P5.4～P5.6所对应的引脚48至50与接口J9引脚7至9相连接，所述的单片微控制器U1引脚58至55(RST，TDI，TDK，TMS)与接口J3引脚3至6相连接，所述的RST，TDI，TDK，TMS为单片微处理器的JTAG编程口，所述的接口J1、J2为控制板和传感器板的接口部分，分别与所述的接口J5、J6相连接，J3为单片微处理器U1和上位机串行通信的接口。所述的U1的8脚、9脚与X1的两端连接，为系统提供辅助时钟；所述的U1的52脚、53脚与Y2连接，提供系统工作主时钟，所述的U1的52脚、53脚与C33和C24连接，为晶振Y2提供所需的电容，C23与所述的U1的58脚和地连接，同R21构成上电复位电路，所述的R21连接在所述的U1的58脚和电源之间，同所述的C23构成系统上电复位电路，所述的C32连接在电源和地之间，为系统去偶电容，所述的J4和U1的32脚、33脚连接，为主控模块和数据接口模块之间提供接口。

实施例3：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的无线传输模块2包括：低功耗单片射频收发器U2和环形PCB天线F1，所述的无线收发模块通过数据总线与所述的主控模块的单片微控制器U1相连接，所述的低功耗单片射频收发器U2的工作电压为1.9～3.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us，C7连接于所述的U2的31脚和地之间，是所述的U2的低电压正数字输出的滤波电容，C5、C6连接在电源和地之间为无线传输模块电路滤波，所述的C8连接在所述的U2的4脚和地之间，对从4脚流进所述的U2的电流就行滤波，Y1连接在U2的14脚、15脚之间，为无线模块提供工作时钟，电容C1连接在U2的14脚和地之间，为晶振Y1提供匹配电容，电容C2连接在U2的15脚和地之间，为晶振Y1提供匹配电容，电阻R1连接在U2的14脚、15脚之间，和所述的C1、C2一同确保晶振Y1的稳定工作，电阻R2连接在U2的23脚和地之间，为无线模块提供模拟的参考输入电流，所述的C3、C4连接在U2的19脚和地之间，一同为功率放大器的电流进行滤波，电容C9、C10、C11及电阻R3连接在U2的20脚和21脚之间，为无线传输模块天线提供匹配的电容和电阻。

实施例4：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的传感器模块4和5包括噪声采集单元、温度采集单元、光强采集单元、磁力采集单元、加速度采集单元、放大电路和电子开关，所述的可采集外界噪声的小麦克风M0的噪声采集单元与语音放大芯片U6连接，将M0传递过来的模拟信号放大后，通过传感器模块上的接口连接到单片微处理器U1进行A/D转换，所述的语音放大芯片U6与接口J6相连接；所述的采集外界温度的温度采集单元中的集成温度传感器U7与所述的接口J6相连接；所述的可采集光强信号的光强采集单元中的光敏电阻RT1与所述的接口J6相连接；所述的可采集平面上X轴和Y轴的磁场强弱信号的磁力采集单元中的双轴磁力传感器U9与放大器U10相连接，所述的放大器U10与接口J6相连接；所述的采集平面上X轴和Y轴两个方向上的加速度变化情况的加速度采集单元中的加速度传感器U8与所述的接口J6相连接，所述的接口J6与所述的单片微处理器U1相连接，所述的主控模块中的接口J1与接口J5相连接，所述的单片微处理器U1和所述的接口J1相连接，所述的接口J6与接口J2相连接，所述的单片微处理器U1通过所述的接口J1控制所述的传感器板上的各个信号采集单元，所述的接口J6与所述的传感器板J2相连接，所述的接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分别与所述的微控制器板及所述的传感器板相连接，所述的传感器板上的电子开关U5分别与接口J11、接口J5相连接，电阻R32、R33连接于U6的5脚和M0的1脚之间，同电容C34一同为麦克提供稳定的工作电压，电容C35和电阻R34连接在M0的1脚和放大器U6的3脚之间，对M0输出的信号进行滤波，为反馈电路提供匹配阻抗，电阻R35连接在所述的放大器U6的3脚和4脚之间，构成反馈电路，电容C36连接在所述的放大器U6的5脚和地之间，为所述的放大器U6的去偶电容，电阻R41、R42和电容C44连接在电源和地之间，为所述的放大器U6的反馈电路提供参考电压，电阻R36连接在集成温度传感器U7的1脚和4脚之间，构成反馈电路，电阻R37连接在所述的放大器U6的4脚和集成温度传感器U7的4脚之间，构成反馈电路的负输入，电阻R38连接在集成温度传感器U7的3脚和地之间，构成反馈电路的正输入，电容C32连接在电阻RT1的1脚和地之间，为流过电阻RT1的电容滤波，电阻R30连接在电阻RT1的2脚和地之间，同电阻RT1构成分压电路，电容C43连接在电子开关U5的14脚和地之间，对从14脚流出的电流滤波，电容C47、C48连接于加速度传感器U8的7脚和地之间，作为加速度传感器的X轴滤波电路，电容C49、C50连接于加速度传感器U8的6脚和地之间，作为加速度传感器的Y轴滤波电路，电阻R46连接在加速度传感器U8的2脚和3脚之间，作为复位电路的一部分，电容C51连接于加速度电源和地之间，构成复位电路的另一部分，电阻R47连接于加速度传感器U8的8脚和J11之间，为加速度传感模块提供工作电压，电阻R48、R49和电容C52连接在电源和地之间为磁力传感模块提供参看电压，电阻R53和电容C55连接在电源和地之间，为磁力传感器提供工作电压，电阻R50和电容C53连接在电源和地之间，为电容U10提供参考电压，电阻R56连接在放大器U10的3脚和4脚之间，为放大器提供匹配电阻，电阻R57连接在放大器U10的7脚和接口J6之间，为X轴磁力提供转换电路，电阻R59连接在放大器U10的13脚和14脚之间，为放大器提供匹配电阻，电阻R58和电容C57连接在放大器U10的10脚和J6之间，将转换结果滤波输出，电容C56连接在放大器U10的9脚和地之间，作为放大器U10的去偶电容。

实施例5：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的数据接口模块6中的JTAG接口J3与所述的单片微控制器U1相连接，所述的单片微控制器U1通过接口J4和上位机的UART串行数据接口连接，接口J8与所述的主控模块接口J4相连接，实现弹片微处理器和上位机的串行通信，电容C61、C64分别连接在U11的3脚、7脚和地之间，为U10的滤波电容，电容C62连接在所述的U11的2脚和4脚之间，为所述的U10提供滤波电容，电容C63连接在所述的U11的5脚和6脚之间，为所述的U11提供外部滤波电容，电容C65连接在U11的20脚和地之间，为U11的去偶电容。

实施例6：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的存储模块3中的数据存储器U3通过SPI数据线直接与所述的单片微处理器U1相连接，电阻R12、R13、R14分别连接在外部数据存储模块U3的20脚19脚18脚和电源之间，为数据线提供上拉电阻。

实施例7：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的电源管理模块3中的电源管理芯片U4与所述的单片微处理器U1相连接，接口J8直接和两节AA电池相连接，通过开关S1控制电源的导通与关闭，电源电压通过ADC0连接到单片微处理器U1，使所述的单片微处理器能实时检测电源的健康状况，电容C39连接在电源管理芯片U4的1脚和地之间，为电池出来的电流滤波，电阻R19连接在所述的电源管理芯片U4的4脚和电源之间，为所述的电源管理芯片U4的上拉电阻，电容C21连接在所述的电源管理芯片U4的8脚和地之间，为变压之后的电源进行滤波，线圈L4为电压转换提供匹配的感抗。

实施例8：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的主控模块1、无线传输模块2、传感器模块4和5均可通过编程单独控制，所述的主控模块1在活动状态下通过频率选择，使所述的单片微处理器U1在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四个频率下进行工作；所述的无线传输模块2通过选择使所述的单片无线收发器U2在-10db、-2db、6db、10db四种发射功率及活动、低功耗和断电状态下工作；所述的传感器模块4和5中的各个传感器通过编程单独控制采样频率和工作状态。

实施例9：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的传感器模块4和5采用物理上独立、分离、多层结构设计，所述的一组传感器模块支持32个传感器。

实施例10：

上述的微型超低功耗智能无线传感器，所述的单片微处理器是节点的核心，它控制着节点所有的活动。根据不同的应用，节点大体可分为两类，一类直接和上位计算机相连，是网络中的根节点，另一类为普通的传感器网络节点。普通的节点其工作原理是：系统上电后，初始化微处理器，设置定时器，关断电源，然后使之进入低功耗模式；定时时间到，自动激活微处理器，微处理器启动电源模块，使其为整个系统供电；微处理器初始化无线收发模块使之工作在接收模式，检测是否有信号，如没有信号，则微处理器开定时器，关断电源，进入低功耗模式，如果有信号则接收、存储数据；微处理器根据信号的指令执行相应的操作，使能各个传感器模块，采集相关的环境信息，存储采集的信息；微处理根据一定的算法处理接收到的数据和自己采集的环境信息，再按照一定的路由协议将得到的信息进行转发；微处理器开定时器，关断电源，进入低功耗模式。根节点直接和上位机相连，首先是接受计算机的命令，然后按照上位机给出的路由算法向自己附近的节点发送命令，然后等待网络中的节点反馈回所需要的信息，共给上位计算机使用。

Claims (9)

1.一种微型超低功耗智能无线传感器，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳内的主控模块，其特征是：所述的主控模块通过数据总线与无线传输模块、存储模块、传感器模块和、数据接口模块相连接，所述的数据接口模块与电源管理模块相连接。

2.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的主控模块包括单片微控制器U1和LED状态指示单元，所述的状态指示单元的三个LED分别和所述的单片微控制器U1相连接。

3.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的无线传输模块包括单片无线收发器U2和环形PCB天线F1，所述的无线收发模块通过数据总线与所述的主控模块的单片微控制器U1相连接。

4.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的传感器模块包括噪声采集单元、温度采集单元、光强采集单元、磁力采集单元、加速度采集单元、放大电路和电子开关，所述的可采集外界噪声的麦克M0的噪声采集单元与放大器U6连接，所述的放大器U6与接口J6相连接；所述的采集外界温度的温度采集单元中的集成温度传感器U7与所述的接口J6相连接；所述的可采集光强信号的光强采集单元中的光敏电阻RT1与所述的接口J6相连接；所述的可采集平面上X轴和Y轴的磁场强弱信号的磁力采集单元中的双轴磁力传感器U9与放大器U10相连接，所述的放大器U10与接口J6相连接；所述的采集平面上X轴和Y轴两个方向上的加速度变化情况的加速度采集单元中的加速度传感器U8与所述的接口J6相连接，所述的接口J6与所述的单片微处理器U1相连接，所述的主控模块中的接口J1与接口J5相连接，所述的单片微处理器U1和所述的接口J1相连接，所述的接口J6与接口J2相连接，所述的单片微处理器U1通过所述的接口J1控制所述的传感器板上的各个信号采集单元，所述的接口J6与所述的传感器板相连接，所述的接口J1、接口J2、接口J5、接口J6分别与所述的微控制器板及所述的传感器板相连接，所述的传感器板上的电子开关U5分别与接口J11、接口J5相连接。

5.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的数据接口模块中的JTAG接口J3与所述的单片微控制器U1相连接，所述的单片微控制器U1通过接口J4和上位机的UART串行数据接口连接。

6.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的存储模块中的数据存储器U3通过SPI接口与所述的单片微处理器U1相连接。

7.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的电源管理模块中的电源管理芯片U4与所述的单片微处理器U1相连接。

8.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的主控模块、无线传输模块、传感器模块均可通过编程单独控制，所述的主控模块在活动状态下通过频率选择，使所述的单片微处理器U1在32kHz、1MHz、4MHz和8MHz四个频率下进行工作；所述的无线传输模块通过选择使所述的单片无线收发器U2在-10db、-2db、6db、10db四种发射功率及活动、低功耗和断电状态下工作；所述的传感器模块中的各个传感器通过编程单独控制采样频率和工作状态。

9.根据权利要求1所述的微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的传感器模块采用物理上独立、分离、多层结构设计，所述的一组传感器模块支持32个传感器。

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