CN201628559U - 多参数智能无线传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多参数智能无线传感器，其特征在于它包括：1)作为被测物理对象信号测量采集单元的多个通道；2)信号整理模块；3)报警检测模块；4)多路模拟开关；5)A/D转换模块；6)微处理器；7)无线收发模块；8)键盘：通过串口与微处理器连接；9)电源：为上述各模块提供所需的电能。本实用新型具有以下有益效果：有别于现今大量采用的现场总线技术，它并不和传统传感器相联接，直接选用传感器测头，其特点是通用性强、成本低，本实用新型其本身可构成一个多物理参数的传感器，该传感器可同时接多个敏感元件，如可同时实现压力、温度、湿度、红外、气体、烟感等其中任何四个测量源信号的采集，可以自由更换和选定。该实用新型的应用将大大降低无线传感器网络的节点数目，并且可以以极低的功耗运行，对于一些传感器布置困难的场合，可以减少布置的数量。

Description

多参数智能无线传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器技术，具体涉及一种多参数智能无线传感器，该传感器可以单独或同时接多个来自敏感元件的信号。

背景技术

现有的无线网络传感器，大多提供单一的信号，也有产品出现同时提供温度和压力两个信号的，这是传感器测头本身具有这个功能，不是我们所说的可替换敏感元件的含义，对于一个监控区域，需要布置大量的不同的传感器，相对于无线传感器网络来讲，需要管理更多的节点，并且还有更多的传感器成本和安装成本的问题，并且现有的一些器件价格并不便宜，对于电源的更换等，也增加更多的麻烦。如何降低成本和实现低功耗，一直是业界追求的目标。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种通用性强、成本低的多参数智能无线传感器，这种传感器可更换不同的敏感元件，以适应测量不同的物理参数和测量范围。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种多参数智能无线传感器，其特征在于它包括：1)作为被测物理对象信号测量采集单元的多个通道；2)信号整理模块：将每一个通道测量采集的被测物理对象模拟信号进行放大和滤波整理处理，并将多路模拟信号输出至多路模拟开关；3)报警检测模块：接收信号整理模块输出的多路电压信号，并与基准电压进行比较，当某一路电压信号的电压大于其基准电压时，输出报警信号至微处理器；并将每一路基准电压的取样电压信号输出至多路模拟开关；4)多路模拟开关：用于各路信号的循环接通；5)A/D转换模块：将多路模拟开关输出的各路信号转换成数字信号；6)微处理器：用于将键盘初始化数据设定和保存，并控制多路模拟开关的接通以及电源开关的通断，接收报警检测模块输出的报警信号，接收A/D转换模块传送的数字信号，并将报警检测模块的各路基准电压的取样电压值与预设的各路基准电压值比较，基准电压的取样电压值低于预设的基准电压值时，发送串口信号至报警检测模块，对报警检测模块的各路基准电压进行调节；7)无线收发模块：接收微处理器输出的数据，与无线传感器网络通信；并且响应无线传感器网络其它节点的数据转发请求；8)键盘：通过串口与微处理器连接，9)电源：为上述各模块提供所需的电能。

它还设有欠压报警模块，所述欠压报警模块的输入端与电源相连，欠压报警模块的输出端与多路模拟开关相连，对工作电源电压进行取样，取样信号输出至多路模拟开关，经A/D转换后至微处理器，微处理器判断工作电压是否已欠压。

所述报警检测模块设有数字电位器，所述的数字电位器通过串口与微处理器相连。

所述信号整理模块的电源开关部分由开关管Q1、电阻R7、R8、R9和电容C1组成，电阻R8作为开关管Q1的基极电阻与Q1相连，电容C1与R8并联，电阻R7连接Q1的基极和发射极；电阻R9与电源正极和开关管Q1的集电极相连，电源通断控制信号Power On/Off来源于微处理器。

所述信号整理模块的放大电路部分由输入差分信号Vin1、Vin2、电阻R1、R2、R3、R4和运算放大器U1组成，输入差分信号Vin1经电阻R1与运算放大U1的反相输入端相连，输入差分信号Vin2经电阻R2与运算放大U1的同相端连接，电阻R3连接运算放大器U1的反相输入端和输出端，电阻R4连接运算放大器的同相输入端和接地，运算放大器U1的负电源接地，Q1的集电极与运算放大器U2的电源正极连接。

所述信号整理模块的低通滤波器部分由电阻R5、R6、R10、电容C和运算放大器U2组成，运算放大器U1的输出端Uo经电阻R5与运算放大器U2的反相输入端相连，电阻R6连接运算放大器U2的反相输入端和输出端；电容C连接运算放大器U2的反相输入端和输出端；电阻R10连接运算放大器U2的同相输入端和接地；运算放大器U2的负电源接地，模块输出Vout连接多路模拟开关和报警检测模块。

所述报警检测模块的报警检测部分：由数字电位器DRR，电阻R11、R12、R13、R14、R16和运算比较器U3组成；开关管Q1的集电极与运算比较器U3的电源正极连接；Q1的集电极与电阻R12相连；R12与数字电位器DRR的R15的滑动臂Vw相连；R15的高端Vh与滑动臂Vw相连；R15的低端Vh与运算比较器U3的反相输入端和基准电压取样电阻R16相连，R16接地，电阻R11连接Q1的集电极和U3的输出端；Vout为信号整理模块的输出，Vout与运算比较器U3的同相端相连；运算比较器U3的负电源端接地；Vr为基准电压，Vr与运算比较器U3的反相端相连，Vr作为基准电压的取样电压与多路模拟开关相连；运算比较器U3的输出Alarm作为报警信号输出与微处理器相连，SCL和SDA接微处理的串行口，接收来自微处理的数字信号，用来调节数字电位器DRR的电阻R15，A0和A1作为数字电位器的片选控制与微处理器连接，电阻R13、R14分别连接数字电路电源VCC1和SCL、SDA。

所述欠压报警模块的欠压检测部分：开关管Q1的集电极与电阻R17相连，R17接地；其中Vq为电源电压取样，Vq连接模拟开关模块。

所述信号测量采集单元直接选用敏感元件。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：本实用新型有别于现今大量采用的现场总线技术，它并不和传统传感器相联接，直接选用传感器测头，其特点是通用性强、成本低，本实用新型其本身可构成一个多物理参数的传感器，该传感器可同时接多个敏感元件，如可同时实现压力、温度、湿度、红外、气体、烟感等其中任何四个测量源信号的采集，可以自由更换和选定。该实用新型的应用将大大降低无线传感器网络的节点数目，并且可以以极低的功耗运行，对于一些传感器布置困难的场合，可以减少布置的数量，如一些安防监控场所和工厂机器检测，布置数量过多的传感器不是很合适。同时也可以减少无线传感器网络系统的节点管理压力。可广泛用于无线传感器网络和工业控制领域中，市场前景广阔。

附图说明

图1是本实用新型的总结构框图

图2是信号整理模块的电路图

图3是报警检测模块的电路图

图4是欠压检测模块的电路图

具体实施方式

参见图1，本实用新型包括多个通道、信号整理模块、报警检测模块、欠压报警模块、多路模拟开关、A/D转换模块、微处理器、无线收发模块、键盘等，通道为被测物理对象的信号测量采集单元，信号测量采集单元直接选用敏感元件，如压力信号的测量，可采用低功耗的MEMS器件。不同的传感器厂家生产的传感器器件(这里的传感器件是已完成封装的敏感元件)其管脚不尽相同，从2到8脚不等，为了实现一致性和可互换，传感器器件最好选用4个脚，这里假设为5V，GND，Sign1，Sign2四条管脚线，为了有效地抑制共模干扰，其中sign1和sign2作为差分信号输入，通道可以设置多个，本实施例中采用的是四个通道，通道1、通道2、通道3和通道4分别与信号整理模块输入端相连接，信号整理模块输出端分别与报警检测模块及多路模拟开关相连，报警检测模块分别与微处理器及多路模拟开关相连，多路模拟开关分别与微处理器、A/D转换模块相连，A/D转换模块与微处理器相连，微处理器通过SPI接口实现与无线收发模块相连，键盘通过串口与微处理器相连，电源为上述各模块提供所需的电能，电源采用电池供电，定期更换。

信号整理模块：将每一个通道测量采集的被测物理对象模拟信号进行放大和滤波整理处理，并将多路模拟信号输出至多路模拟开关。

报警检测模块：接收信号整理模块输出的多路电压信号，并与基准电压进行比较，当某一路电压信号的电压大于其基准电压时，输出报警信号至微处理器；并将每一路基准电压的取样电压信号输出至多路模拟开关；报警检测模块设有数字电位器，数字电位器通过串口与微处理器相连。每一个被测物理对象取一个参数，就是信号随时间变化的值，根据实际传感器指标的要求可能会设置上门限，比较这个门限值就可以实现过限报警。由于信号整理模块已经将测量采集信号整理为标准的电压范围，由微处理器给出可调电位器DRR的值为R15的值，所以这个门限值通过硬件线路容易确定。当实际信号超过这个门限值就会产生报警。一旦产生报警信号将会唤醒微处理器，让其以中断请求的形式强求进行远程通信，将报警信号发往远端。

多路模拟开关：用于各路信号的循环接通，包括经信号整理模块放大后的模拟信号由模拟开关循环接通；各路基准电压的取样电压信号循环接通；工作电源电压取样信号选通。

A/D转换模块：将多路模拟开关输出的各路信号转换成数字信号；具体是模拟开关传送的经信号整理模块放大后的模拟信号经A/D转换模块转换成数字信号；模拟开关传送的各路基准电压信号经A/D转换模块转换成数字信号；模拟开关传送的欠压报警模块的工作电源电压取样信号经A/D转换模块转换成数字信号。

微处理器：用于将键盘初始化数据设定和保存，并控制多路模拟开关的接通以及电源开关的通断，接收报警检测模块输出的报警信号，接收A/D转换模块传送的数字信号，并将报警检测模块的各路基准电压的取样电压值与预设的各路基准电压值比较，基准电压的取样电压值低于预设的基准电压值时，发送串口信号至报警检测模块，对报警检测模块的各路基准电压进行调节(通过对报警检测模块中的数字电位器调节位置计算和发送串口信号)。

无线收发模块：接收微处理器输出的数据，与无线传感器网络通信；并且响应无线传感器网络其它节点的数据转发请求。

键盘：通过串口与微处理器连接，用于对测量采集的参数做初始化，这些参数是测量采集的类型(所谓测量采集类型，就是指要测量采集什么，例如是温度、还是压力等)，测量范围，对应的通道，工作模式选取(实时还是间隔工作，当选择实时工作模式时，外围电路实时工作，可以实现实时报警。从低功耗考虑，当选择间隔工作，由微处理器定时控制检测报警，如果有远端请求数据或报警检测，将打断间隔，远端请求优先)，定时值的确定和传感器地址编码等。初始化完成后键盘可以撤卸。对于本多参数智能无线传感器，可以通用一个键盘。通过键盘对测量参数的设定，大大增强本传感器的通用性和智能化特点。

欠压报警模块的输入端与电源相连，欠压报警模块的输出端与多路模拟开关相连，对工作电源电压进行取样，取样信号输出至多路模拟开关，经A/D转换后至微处理器，微处理器判断工作电压是否已欠压。

图2是其中四路信号采集单元的其中一路的信号整理模块的电路图。敏感元件的Sign1和Sign2二条管脚线分别通过电阻R1和R2与运算放大器U1相连，就是图中的Vin1和Vin2。其中Vin1和Vin2作为差分信号输入，数字电位器R3和R4和固定电阻R1、R2与运放U1的连接关系如图2，其U1的输出Uo由公式： $\mathrm{Uo}=\left(\frac{R1+R3}{R2+R4}\right)\×\frac{R4}{R1}\×\mathrm{Vin}2-\frac{R3}{R1}\×\mathrm{Vin}1$ 给出，由公式可以看出，固定电阻R1和R2(可以取R1和R2相等)，调整R3和R4就可以改变运放的放大倍数，这里R3和R4不能采用手工调整的机械电位器，但如果采用数字电位器成本很高，为节省成本选择合适的阻值的固定电阻和工作电压，一般可以宽范围用于四个通道信号采集单元的信号放大，分辨率可由采样频率确定。

Q1为各个信号整理模块、报警检测模块及欠压报警模块共用的电源开关，缺省设置Q1不导通，电源一直对电路供电，处于常通状态。如果选择间隔工作模式，由来自微处理器的Power On/off控制其通断，Power On/Off为数字信号。如果工作在实时模式，电源一直工作。

由图2中的电阻R5、R6、R10、电容C和运算放大器U2组成的低通滤波器，是为了消除经放大后所得信号的高频干扰，输出Vout即为整理后的放大信号，经多路模拟开关后，然后通过A/D转换器进行采样。

信号整理模块包括：开关管Q1(为三极管、也可采用场效应管等)，电阻R7、R8、R9和电容C1组成电源开关控制部分；输入差分信号Vin1、Vin2，电阻R1、R2、R3、R4、和运算放大器U1组成放大电路；电阻R5、R6、R10，电容C和运算放大器U2组成低通滤波器。其连接关系如图2所示：1、电源开关部分：电阻R8作为开关管Q1的基极电阻与Q1相连；电容C1与R8并联起加速开关的作用；电阻R7连接Q1的基极和发射极；电阻R9与电源正极和Q1的集电极相连。其电源通断控制信号Power On/Off来源于微处理器，无控制信号时，电路工作；有控制信号时，开关管Q1形成短路，电路不工作。2、信号放大部分：Q1的集电极与运算放大器U1的电源正极连接；输入差分信号Vin1经电阻R1与运算放大U1的反相输入端相连；输入差分信号Vin2经电阻R2与运算放大U1的同相端连接；电阻R3连接运算放大器U1的反相输入端和输出端；电阻R4连接运算放大器的同相输入端和接地；运算放大器U1的负电源接地。3、滤波部分：Q1的集电极与运算放大器U2的电源正极连接；运算放大器U1的输出端Uo经电阻R5与运算放大器U2的反相输入端相连；电阻R6连接运放U2的反相输入端和输出端；电容C连接运放U2的反相输入端和输出端；电阻R10连接运放U2的同相输入端和接地；U2的负电源接地。本模块的输出为Vout，将连接多路模拟开关和报警检测模块。图2中所示为其中一个通道信号的放大和低通滤波。

图3是报警检测模块的电路图，报警检测模块包括：1、电源开关部分(与信号整理模块的电源开关部分相同)；2、报警检测部分：由数字电位器DRR(其阻值为R15的值)，电阻R11、R12、R13、R14、R16和运算比较器U3组成。其连接关系如图3所示，报警检测部分：开关管Q1的集电极与运算比较器U3的电源正极连接；Q1的集电极与电阻R12相连；R12与数字电位器DRR的R15的滑动臂Vw相连；R15的高端Vh与滑动臂Vw相连；R15的低端Vh与比较器U3的反相输入端和基准电压取样电阻R16相连；R16接地；电阻R11连接Q1的集电极和U3的输出端；其中Vout为信号整理模块的输出，与U3的同相端相连；U3的负电源端接地；Vr为基准电压，Vr与运算比较器U3的反相端相连，Vr作为基准电压的取样电压与多路模拟开关相连；U3的输出Alarm作为报警输出与微处理器相连，是一个开关信号；SCL和SDA接微处理的串行口，接收来自微处理的数字信号，用来调节数字电位器DRR的电阻R15。A0和A1作为数字电位器的片选控制与微处理器连接，电阻R13、R14为上拉电阻，分别连接数字电路电源VCC1(VCC1与模拟电源VCC不同)和SCL、SDA。图2中所示为其中一个数字电位器和一个通道信号的报警检测。

Q1为开关管，由来自微处理器的Power On/off控制其通断。U3是运算比较器，其作用是将来源于图2中的放大的信号Vout与基准电压Vr做比较，Vout作为运算比较器U3的同相端输入，Vr作为运算比较器U3的反相端输入，如果超限，U3的输出信号会反转，将启动中断报警。其每一信号测量采集单元的门限值可能不同，由初始设定值确定，R16上的压降Vr作为比较电压，Alarm为输出报警，报警信号直接接微处理器，同时Vr也通过多路模拟开关后经A/D采样，由微处理器做判断，然后由微处理器的串口给出的数字信号来控制DRR，DRR为程序可调数字电位器，用来保证基准电压Vr的恒定。由于基准电压可能不同并且各个信号测量采集单元的测量物理参数可更换，不能用电路来实现基准电压的恒定，采用微处理器定时对基准电压取样，这个定时值可以事先设定，由微处理器在低功耗运行时保持，通过来自微处理器的控制信号反馈回去调节数字电位器DRR，使基准电压保持恒定，不至于当电池供电不足时报警失效。Q1的作用与图2中的一样，是作为电源开关。

图4为欠压检测模块的电路图，欠压检测模块包括：1、电源开关部分(与信号整理模块的电源开关部分相同)，2、欠压检测部分：R8为开关管Q1的基极电阻，由R17提供基准电压，Q1的集电极与取样电阻R17相连；R17接地；其中Vq为电源电压取样；连接模拟开关经A/D转换器，由微处理器定时取样判断是否已欠压。

本传感器可工作在复杂的环境下，如防雨、抗高低温、耐湿热、高强度和无人值守，必须要考虑除传感头和天线暴露在外，其余线路包括电池部份均要密闭封装。通过填充绝缘散热层与金属外壳紧密连接，以金属外壳进行散热。传感头和天线装在两端的密封盖上。传感头采用插拔和螺丝固定。为防水中间隔有密封圈。为避免碰撞和保持传感头与电子线路分隔，采用软信号线连接。

需要申明的是，无论该多参数智能无线传感器的测量通道数量是多少，开关管的选择，采用什么样的外形形状和尺寸，都不影响本专利人依法享有的各种权力。

Claims (9)

1.一种多参数智能无线传感器，其特征在于它包括：1)作为被测物理对象信号测量采集单元的多个通道；2)信号整理模块：将每一个通道测量采集的被测物理对象模拟信号进行放大和滤波整理处理，并将多路模拟信号输出至多路模拟开关；3)报警检测模块：接收信号整理模块输出的多路电压信号，并与基准电压进行比较，当某一路电压信号的电压大于其基准电压时，输出报警信号至微处理器；并将每一路基准电压的取样电压信号输出至多路模拟开关；4)多路模拟开关：用于各路信号的循环接通；5)A/D转换模块：将多路模拟开关输出的各路信号转换成数字信号；6)微处理器：用于将键盘初始化数据设定和保存，并控制多路模拟开关的接通以及电源开关的通断，接收报警检测模块输出的报警信号，接收A/D转换模块传送的数字信号，并将报警检测模块的各路基准电压的取样电压值与预设的各路基准电压值比较，基准电压的取样电压值低于预设的基准电压值时，发送串口信号至报警检测模块，对报警检测模块的各路基准电压进行调节；7)无线收发模块：接收微处理器输出的数据，与无线传感器网络通信；并且响应无线传感器网络其它节点的数据转发请求；8)键盘：通过串口与微处理器连接，9)电源：为上述各模块提供所需的电能。

2.如权利要求1所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于：它还设有欠压报警模块，所述欠压报警模块的输入端与电源相连，欠压报警模块的输出端与多路模拟开关相连，对工作电源电压进行取样，取样信号输出至多路模拟开关，经A/D转换后至微处理器，微处理器判断工作电压是否已欠压。

3.如权利要求1或2所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于所述报警检测模块设有数字电位器，所述的数字电位器通过串口与微处理器相连。

4.如权利要求1或2所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于所述信号整理模块的电源开关部分由开关管Q1、电阻R7、R8、R9和电容C1组成，电阻R8作为开关管Q1的基极电阻与Q1相连，电容C1与R8并联，电阻R7连接Q1的基极和发射极；电阻R9与电源正极和开关管Q1的集电极相连，电源通断控制信号Power On/Off来源于微处理器。

5.如权利要求4所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于所述信号整理模块的放大电路部分由输入差分信号Vin1、Vin2、电阻R1、R2、R3、R4和运算放大器U1组成，输入差分信号Vin1经电阻R1与运算放大U1的反相输入端相连，输入差分信号Vin2经电阻R2与运算放大U1的同相端连接，电阻R3连接运算放大器U1的反相输入端和输出端，电阻R4连接运算放大器的同相输入端和接地，运算放大器U1的负电源接地，Q1的集电极与运算放大器U2的电源正极连接。

6.如权利要求5所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于所述信号整理模块的低通滤波器部分由电阻R5、R6、R10、电容C和运算放大器U2组成，运算放大器U1的输出端Uo经电阻R5与运算放大器U2的反相输入端相连，电阻R6连接运算放大器U2的反相输入端和输出端；电容C连接运算放大器U2的反相输入端和输出端；电阻R10连接运算放大器U2的同相输入端和接地；运算放大器U2的负电源接地，模块输出Vout连接多路模拟开关和报警检测模块。

7.如权利要求1或2所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于所述报警检测模块的报警检测部分：由数字电位器DRR，电阻R11、R12、R13、R14、R16和运算比较器U3组成；开关管Q1的集电极与运算比较器U3的电源正极连接；Q1的集电极与电阻R12相连；R12与数字电位器DRR的R15的滑动臂Vw相连；R15的高端Vh与滑动臂Vw相连；R15的低端Vh与运算比较器U3的反相输入端和基准电压取样电阻R16相连，R16接地，电阻R11连接Q1的集电极和U3的输出端；Vout为信号整理模块的输出，Vout与运算比较器U3的同相端相连；运算比较器U3的负电源端接地；Vr为基准电压，Vr与运算比较器U3的反相端相连，Vr作为基准电压的取样电压与多路模拟开关相连；运算比较器U3的输出Alarm作为报警信号输出与微处理器相连，SCL和SDA接微处理的串行口，接收来自微处理的数字信号，用来调节数字电位器DRR的电阻R15，A0和A1作为数字电位器的片选控制与微处理器连接，电阻R13、R14分别连接数字电路电源VCC1和SCL、SDA。

8.如权利要求2所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于：所述欠压报警模块的欠压检测部分：开关管Q1的集电极与电阻R17相连，R17接地；其中Vq为电源电压取样，Vq连接模拟开关模块。

9.如权利要求1或2所述的一种多参数智能无线传感器，其特征在于：所述信号测量采集单元直接选用敏感元件。

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