CN201117071Y - 测量温度的低功耗无线传感器节点 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种测量温度的低功耗无线传感器节点，包括热电偶传感器组，用于温度信号的采集；其特征在于还包括微功耗微处理器、信号处理及数模转换器、微功耗无线收发单元、模拟多路复用开关、电源模块和ID配置单元；该节点进行温度信号采集时，热电偶传感器组将采集到的模拟信号经模拟多路复用开关后，送入信号处理及数模转换器中进行处理，并将其转化为数字信号传送到微处理器中再次处理，后将温度测量信号送至微功耗无线收发单元中，由微功耗无线收发单元将测量信号发送至外部无线接收单元中，所述各单元通过数据总线进行连接；该测量温度的低功耗无线传感器节点具有低功耗、安装方便、抗干扰能力强等优点，适于在温度测量领域广泛推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种低功耗温度测量装置，尤其涉及一种通过对热电偶输出信号的采集处理，以实现温度测量及测量结果的无线传输的测量温度的低功耗无线传感器节点。
背景技术
目前工业现场温度采集系统所使用的温度信号采集装置多种多样，有相当一部分温度信号测量单元都是有线方式(如CAN总线等)，将测量信号发送到控制中心。由于工业现场环境复杂，使得有线信号传输方式的温度测量单元的安装繁琐、维护困难、成本过高，特别是还可能存在着一些无法布线的测点，不能安装温度测量单元，造成测量盲区。随着嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通讯技术的发展，无线传感器技术凭着节点体积小、安装方便、节能等优点，在状态检测领域具有广阔的应用前景，在这一新技术的支持下，便可对现有的温度采集系统进行改进与革新。为了充分发挥温度无线传感系统安装方便的优势，无线传感器节点需要用电池供电，为了避免频繁地为传感器节点更换电池，传感器节点的节能设计是系统要解决的一个关键问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，而研制的一种适应于工业现场温度采集的，由电池供电，通过热电偶测量测点温度，并将测量数据通过微功耗无线通信单元进行无线传输的低功耗无线传感器节点。本发明所采用的技术手段如下：
一种测量温度的低功耗无线传感器节点，包括热电偶传感器组，用于温度信号的采集；其特征在于还包括微功耗微处理器、信号处理及数模转换器、微功耗无线收发单元、模拟多路复用开关、电源模块和ID配置单元；
所述信号处理及数模转换器，用于完成温度测量信号放大、冷端补偿，并将模拟信号转换为数字信号；
所述微功耗无线收发单元，用于将微处理器处理后的温度测量信号向外发送或接收外部控制信号；
所述模拟多路复用开关，用于对热电偶传感器组输入的信号进行选择输出控制；所述电源模块，包括电池和电源调理电路，电池输出电压经电源调理电路调整后向各单元输送电压；所述ID配置单元，用于设置该无线传感器节点的ID号及TDMA通信时隙号；所述微处理器从ID配置单元读取该节点的ID号，再通过微功耗无线收发单元接收外部控制信号，实现与无线接收节点的同步，并获取采样周期信息，之后将微功耗无线收发单元置为睡眠状态，实现节能；进行温度信号采集时，所述热电偶传感器组将采集到的模拟信号经模拟多路复用开关后，送入信号处理及数模转换器中进行处理，并将其转化为数字信号传送到微处理器中再次处理，后将温度测量信号送至微功耗无线收发单元中，由微功耗无线收发单元将测量信号在由ID配置单元指定的通信时隙内，发送至外部无线接收单元中，并将微功耗无线收发单元置为睡眠状态，等待下一个采样周期的开始。所述各单元通过数据总线进行连接。
所述微功耗微处理器设有内部存储器，用于存储热电偶传感器组中的各个热电偶传感器温度测量结果；当热电偶传感器组中的所有温度测量结果都存入微处理器的内部存储器中后，微处理器将所述该节点的ID号和所有温度测量结果打包，送入微功耗无线收发单元中。
还设模拟开关，连接在可控制模拟多路复用开关同电源模块之间和信号处理及数模转换器同电源模块之间，由微处理器控制，在信号采样间隔时间内关闭电源，实现节能操作；所述各器件进行整体封装，仅将微功耗无线收发单元的天线和热电偶传感器组通过接线端子安置在封装体外部。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的测量温度的低功耗无线传感器节点，不但克服了目前基于有线信号传输的温度采集器在安装、维护等方面存在的不足，还具有以下优点：1、利用模拟开关控制温度信号采集单元的供电电源，在采样结束后将其关闭，可实现节能；2、温度无线传感器节点工作与无线接收单元的通信基于TDMA方式，避免了节点间的通信冲突，可实现节能；3、利用ID配置单元简化了传感器节点的TDMA时隙分配过程；4、利用热电偶和相应的信号处理芯片，可实现高精度温度测量；5、利用无线通信技术完成测量数据的传送，并且依靠电池供电，现场安装无需铺设导线，可以方便地安装在需要测量的位置，减少了安装时间，节省了材料，降低了成本，提高了技术含量；6、多个测量温度的低功耗无线传感器节点通过软件控制还能够组织成网络，实现大范围监测。所以，该测量温度的低功耗无线传感器节点具有很大的应用推广价值。
附图说明
图1为本发明测量温度的低功耗无线传感器节点的方框图；
图2为本发明测量温度的低功耗无线传感器节点的工作流程图；
图1为本发明的说明书摘要附图。
图中：1、微处理器，2、信号处理及数模转换器，3、微功耗无线收发单元，4、热电偶传感器组，5、模拟多路复用开关，6、电源模块，7、ID配置单元，8、模拟开关。
具体实施方式
如图1所示，一种测量温度的低功耗无线传感器节点，包括热电偶传感器组4，用于温度信号的采集；其特征在于还包括微处理器1、信号处理及数模转换器2、微功耗无线收发单元3、模拟多路复用开关5、电源模块6和ID配置单元7；本实施例中的热电偶传感器组4以8路为例，其中模拟多路复用开关5可为8路热电偶分时提供与信号处理及数模转换器2相连的信号通道；无线传感器节点的ID号由所述节点ID配置单元进行设置；还设模拟开关8，连接在可控制模拟多路复用开关5同电源模块6之间和信号处理及数模转换器2同电源模块6之间，由微处理器1控制；其中各器件进行整体封装，仅将微功耗无线收发单元3的天线和热电偶传感器组4通过接线端子安置在封装体外部。
使用时利用热电偶探测测点温度，其输出的表征温度的模拟信号经过模拟多路复用开关5后送入信号处理与模数转换器2中，完成信号放大、冷端补偿并将模拟信号转换为数字信号。微处理器1通过SPI总线接口从信号处理与模数转换器2处读取测点的温度值，并对获取的温度测量值进行处理，补偿由于多路复用开关引入的偏差值，处理结果暂存于内部存储器内，再将温度测量结果经SPI总线接口送至无线收发模块3，由无线收发模块3最终将温度测量结果发送至无线数据接收单元。
本实施例中最多可使用8只K型热电偶，模拟多路复用开关5采用的是具有8选1功能的74HC4051，信号处理及数模转换器2是MAX6675，该芯片集成了K型热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口等功能，具有很高的集成度，其测温范围为0℃～+1024℃，A/D转换器为12位，可提供0.25℃的分辨率，可满足工业现场对温度测量精度的要求。微处理器1是TI的微功耗芯片MSP430F147，运行温度范围为-40℃～+85℃，适合于工业环境下运行，支持四种类型的低功耗工作模式，可满足无线传感器节点节能的要求。微功耗无线收发单元3的核心芯片是Nordic的单片433/868/915MHz ISM多频段无线收发芯片nRF905，它利用SPI接口实现与MSP430F147之间的双向数据通信，射频比特发送率为100kbps，实际数据发送率为50kbps，满足温度测量应用中对发送速率的要求。nRF905的无线收发功耗很低，具有4种无线发射功率供用户选择，还可以工作于休眠状态，非常适合于微功耗的应用场合。模拟开关8选用的是P沟道增强型MOS场效应管Si2301。供电单元采用规格为3.6V，2.4Ah的一次性锂电池，电池输出电压经电压调整芯片TPS60101的处理，转换为3.3V后供无线传感器节点系统使用。
本发明测量温度的低功耗无线传感器节点的具体工作流程如下，如图2所示：系统上电，微处理器1首先从ID设置单元7处读取自己的ID号和采样周期，然后进入无线接收状态，等待来自无线数据接收单元的信标。在接收到信标后，微处理器1控制微功耗无线收发单元3进入休眠状态，并输出电源开关控制信号，打开模拟多路复用开关5和信号处理及模数转换器2的电源，输出通道选择控制信号到多路复用开关5，循环选通连接至多路复用开关的8路热电偶，将选通的热电偶的输出信号送至信号处理及模数转换器2，完成信号放大、误差补偿，并将模拟信号转化为数字信号。之后，微处理器1通过SPI总线从信号处理及模数转换器2处读取温度测量结果，并对读取的测量结果进行处理，消除由于模拟多路开关引入的测量误差，获取准确的温度信息，在其内部存储器内暂存。对8路热电偶的一轮信号采集结束后，微处理器1便输出电源开关控制信号，关闭多路复用开关5和信号处理及模数转换器的电源2，将自己的ID号和所有测点的测量结果打包。在通信时隙到达后，微处理器控1制微功耗无线收发单元3进入发送状态，通过SPI总线接口将数据包传送给微功耗无线收发单元3，由微功耗无线收发单元3将测量结果发送至无线数据接收单元。之后，无线传感器节点进入下采样周期循环，重复上述工作流程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1、一种测量温度的低功耗无线传感器节点，包括热电偶传感器组(4)，用于温度信号的采集；其特征在于还包括微处理器(1)、信号处理及数模转换器(2)、微功耗无线收发单元(3)、模拟多路复用开关(5)、电源模块(6)和ID配置单元(7)；
所述信号处理及数模转换器(2)，用于完成温度测量信号放大、冷端补偿，并将模拟信号转换为数字信号；
所述微功耗无线收发单元(3)，用于将微处理器处理后的温度测量信号向外发送或接收外部控制信号；
所述模拟多路复用开关(5)，用于对热电偶传感器组(4)输入的信号进行选择输出控制；
所述电源模块(6)，包括电池和电源调理电路，电池输出电压经电源调理电路调整后向各单元输送电压；
所述ID配置单元(7)，用于设置该无线传感器节点的ID号及TDMA通信时隙号；
所述微处理器从ID配置单元读取该节点的ID号，再通过微功耗无线收发单元接收外部控制信号；节点进行温度信号采集时，所述热电偶传感器组将采集到的模拟信号经模拟多路复用开关后，送入信号处理及数模转换器中进行处理，并将其转化为数字信号传送到微处理器中再次处理，后将温度测量信号送至微功耗无线收发单元中，由微功耗无线收发单元将测量信号发送至外部无线接收单元中，所述各单元通过数据总线进行连接。
2、根据权利要求1所述的测量温度的低功耗无线传感器节点，其特征在于所述微处理器(1)设有内部存储器，用于存储热电偶传感器组中的各个热电偶传感器温度测量结果；当热电偶传感器组中的所有温度测量结果都存入微处理器的内部存储器中后，微处理器将所述该节点的ID号和所有温度测量结果打包，送入微功耗无线收发单元(3)中。
3、根据权利要求1或2所述的测量温度的低功耗无线传感器节点，其特征在于还设模拟开关(8)，连接在可控制模拟多路复用开关(5)同电源模块(6)之间和信号处理及数模转换器(2)同电源模块(6)之间，由微处理器(1)控制。
4、根据权利要求3所述的测量温度的低功耗无线传感器节点，其特征在于所述各器件进行整体封装，仅将微功耗无线收发单元(3)的天线和热电偶传感器组(4)通过接线端子安置在封装体外部。
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