CN201733447U - 可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，电源模块、通信模块和传感器模块均与微处理器连接；所述的电源模块的结构为：太阳能电池和锂电池的输出端分别与第一模拟开关的3个输入端相接，所述的第一模拟开关的输出端接微处理器的电源接口；自源型振动传感器的信号输出端经第一运算放大器和比较器分别与微处理器的信号输入端和中断口相接；外源型加速度传感器的信号输出端经第二运算放大器与微处理器的另一个信号输入端相接；外源型加速度传感器的电源端经受控于微处理器的第二模拟开关接节点所选的当前电源输出端。该装置节能效果明显，能保障无线传感器网络节点长时间持续工作。

Description

可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置

技术领域

本实用新型技术涉及一种可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，适用于状态监测、目标探测等需要实时在线监测的应用场合。

技术背景

无线传感器网络是由大量低成本的传感器节点组成的自组织网络。节点具备无线通信能力，不仅负责环境信息的采集、处理，还要收、发自身和网络的数据，但其能量等资源有限。由于节点的供电电池不便更换，最大限度的节能是节点设计的首要原则。无线传感器网络节点由微处理器、无线通信、传感器和电源等四个模块组成。一股认为传感模块功耗很低，因而现有研究基本上只讨论处理器和无线通信器件的节能问题。由于能量供给限制，无线传感器网络一股适用于实时性要求较低的环境监测。当传感器持续工作时，其能耗不一定低于通信模块的能耗，性能要求越高能耗也越大。因此，现有无线传感器节点难以适应状态监测等实时性要求高、需要传感器持续工作的应用场合。

微处理器是整个节点的控制核心，负责数据采集、处理与无线通信，但并非一直处于高负载工作状态下，因此，节点的微处理器应具备多种不同功耗的工作模式，可根据当前负载情况合理选择既满足性能要求又能降低功耗的工作模式。

在以往的节点低功耗设计中，传感器模块以低占空比的工作方式运行，因此，对无线传感器节点低功耗技术的研究忽略了传感器的影响，缺少针对传感器工作的低功耗设计。随着无线传感器技术的发展和面向实时应用的需求，实际中有许多场合需要对振动信号进行持续不间断地在线监测。由于持续地监测振动信号，即使采用了低功耗的集成传感器件，传感器模块的能耗占节点总能耗的比例也很大，不可忽略，需要根据任务需求和传感器特点进行低功耗设计。传感器种类繁多，工作原理与构成不尽相同。按照能量关系，传感器可分为自源型与外源型。自源型传感器的输出直接由被测量能量转换而得，不需激励电源，但是，一股因信号弱而测量精度不及外源型传感器。在目标探测、状态监测场合，尽管采用高精度外源型传感器能保证精度要求，但当目标的出现不可预见时，持续使用该类传感器监测，将使得节点电池能量耗费过多，不能满足长时间工作的要求。仅采用自源型传感器，虽能显著降低节点能耗、延长节点寿命，但往往其测量精度、带宽等都不够。因此，迫切需要既能持续监测，又具备低功耗特点的无线传感器网络节点技术。

无线传感器网络节点的不同模块具有不同的工作电流或电压，同一模块在不同工作状态下的电流也不同。从节能考虑，节点各模块要有不同功耗的工作模式及工作电压，因而需要调整电源。另一方面，节点选用的电池种类不同例如碱性电池、锂电池等，使电池的实际非线性特性和输出电压范围不同。为给各模块提供所需稳定电压并充分利用电池电能，需要进行高能效的升压、降压或升/降压稳压调整。负载变化和电池特性使节点电源调整器的输入、输出处于变化中，其中输出电流变化较大。这要求节点电源及管理既要满足节点运行与性能所需的电源规格和质量要求，又能适应节点其他模块的负载变化，为其提供不同工作状态所需的电压和电流，同时还能降低从高负载到空载条件下的电源自耗，提高不同负载下的能效。目前，大多节点是由电池直接供电，有的典型节点平台仅配置了线性电压调整器以保持电池的稳定电压输出，未实现电源模块的节能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，该装置节能效果明显，能保障无线传感器网络节点长时间持续工作。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，包括微处理器、电源模块、通信模块和传感器模块，所述的电源模块、通信模块和传感器模块均与微处理器连接；

所述的电源模块的结构为：太阳能电池和锂电池的输出端分别与受控于微处理器的第一模拟开关的2个输入端相接，所述的第一模拟开关的输出端经稳压器接微处理器的电源接口；锂电池的输出端接二极管的正极，二极管的负极接电源模块的输出端；

所述的传感器模块的结构为：自源型振动传感器的信号输出端经第一运算放大器与微处理器的信号输入端相接，自源型振动传感器的信号输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接可由数控电位器设定比较阈值的参考电压电阻分压电路输出端，比较器的输出端接微处理器的中断口；

外源型加速度传感器的信号输出端经第二运算放大器与微处理器的另一个信号输入端相接；外源型加速度传感器的电源端经受控于微处理器的第二模拟开关的一个开关通道连接到电源模块的输出端口；第一运算放大器的电源端经受控于微处理器的第二模拟开关的另一个开关通道连接到电源模块的输出端口。

所述的通信模块的结构为：无线通信器件通过受控于微处理器的第三模拟开关连接到电源模块的输出端口，无线通信器件与微处理器相接。

太阳能电池与超级电容器并联。

微处理器采用超低功耗微处理器，调整稳压器选用在小负载下能维持高能效的集成升/降压稳压器，自源型加速度传感器由压电型振动元件结合低功耗比较器和运算放大器构成，外源型加速度传感器选用低功耗集成器件，第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关均选用超低功耗的集成电子模拟开关，第一运算放大器和第二运算放大器均采用低功耗集成芯片，无线通信器件选用集成模块。

微处理器的型号为MSP430F1611，调整稳压器型号为TPS63030，自源型振动传感器采用压电振动元件MiniSense 100，外源型加速度传感器的型号为ADXL202E，第一模拟开关的型号为ADG821，第二模拟开关的型号为ADG821、第三模拟开关的型号为ADG821，第一运算放大器和第二运算放大器均采用TLV2402芯片，比较器采用TLV3492芯片，参考电压源采用ref1112芯片，无线通信器件采用CC2520芯片，电源模块的输出端口的输出电压为3V。

锂电池的输出端接二极管的正极，二极管的负极接电源模块的输出端，其作用是，当可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置启动时，模拟开关还不起作用，此次，锂电池就通过该二极管为微处理器供电，当可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置稳定工作时，该二极管支路就不再起作用了。

有益效果：

本实用新型在保证性能要求的前提下，以低功耗方式实现对振动信号的持续监测，延长节点的使用寿命，主要体现在以下几个方面：

1、本实用新型采用自源型与外源型传感器协同工作的方式，降低了节点的传感器模块功耗，可适应状态监测等实时性要求高、需要传感器持续工作的应用场合。现有无线传感器节点采用的即便是低功耗的外源型集成传感器件，相同性能下其工作电流最低也在0.3mA以上，一股属mA级，其供电电压为3.3V，由此可知其功耗在1～10mW之间。若传统节点应用在需要传感器持续工作的场合，当其工作时间提高10倍，例如由1s提高到10s，则传感器模块能耗(按1mW计)由1mJ增至10mJ。本实用新型供电电压为3V，使用自源型传感器探测目标信号，若无目标事件出现，则外源型传感器保持休眠状态，只有自源型传感器的比较电路耗能(功率＜20μW)，其10s能耗＜200μJ；若目标事件发生，则启动外源型传感器以获得高精度测量数据，若外源型传感器休眠时间与工作时间相同(50％占空比)，则10s内的传感器模块能耗仅增加至4.7mJ(4.5+0.2＝4.7)，不到传统节点传感器模块能耗(10mJ)的一半。由于目标事件属于低概率事件，需要进行高精度测量的情况很少，因此，若以事件发生概率为1％计，则本实用新型的传感器模块的能耗(平均功耗)可低达传统节点的1/41(0.45x0.01+0.02x1≈1/41)。

2、本实用新型采用低功耗模块开关，用于切换节点电源的供电方式，提高了电源能效，可获得更长的使用寿命。传统节点大多使用电压调整器以固定方式为其他模块提供稳定电压，但电压调整器的能效随负载变化而变化，小负载电流下一股电压调整器的平均能效大多不超过75％；本实用新型采用锂电池为主电源，太阳能电池为辅电源，选用小负载下能保持高能效(85％以上)的电压调整器，根据节点负载以及太阳能电池的电压动态地选择电压调整或直接供电方式，使电源模块的平均能效高于85％，同时，在太阳能充足的时候对电池实现能量补给，从而使节点获得更长寿命。

3.对于通信模块，无线通信器件周期性地监听信道，若无接收数据，则微处理器通过I/O口输出休眠命令，使无线通信器件转入低功耗休眠模式；若有数据发送，则在发送完毕时转入休眠模式；为进一步节能，可以使用低功耗模拟开关，通过微处理器的I/O口输出低电平，使低功耗模拟开关关闭无线通信器件的电源通道，使无线通信器件处于断电状态中。对于通信模块的这种设计也能显著降低无线传感器网络节点的功耗。

附图说明

图1为本实用新型可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置结构框图。

图2为本实用新型节点装置实施例自源型传感器放大调理电路图。

图3为本实用新型节点装置实施例主板电路图

图4为节点自源型压电振动元件及整流电桥电路图。

图5为节点外源型加速度传感器电路图。

图6为节点无线模块控制示意图。

图7为节点电源模块电路图。

图8为可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置的总体结构图。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示的可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置结构框图，它包括微处理器、传感器模块、通信模块以及电源模块，微处理器是节点的核心，其他模块与微处理器相连并受微处理器控制。

如图2所示的本实用新型装置实施例自源型传感器放大调理电路图。自源型压电振动传感器MiniSense 100(以垂直方向为例)放大调理电路包括整流电桥、低功耗比较器TLV3492与低功耗集成运放TLV2402。压电振动元件的电压输出先经过整流电桥整流，再与低功耗比较器U13C的一输入端、低功耗集成运放器U7C的正输入端相连，低功耗集成运放器的输出端与微处理器U9C的A/D转换器接口相连，实现对压电振动元件输出电压的采样；低功耗比较器的另一输入端接收微处理器控制的参考电压，该受控的参考电压电路包括低功耗参考电压源芯片U10C与数字电位器U14C，通过微处理器的27、28I/O引脚控制参考电压电路的输出电压值。当超阈值的振动信号出现时，低功耗比较器的输出端“1”和“7”引脚分别接微处理器的中断口“17”、“19”引脚，通过中断模式唤醒微处理器，然后，微处理器通过低功耗模拟开关U5C的第2通道给与自源型压电振动传感器中的运算放大器供电，从而对自源型压电传感器的输出进行采样，若采样结果表明该信号振动强度确实大于阈值，即设定的目标信号出现，则选通低功耗模拟开关U5C的第1通道，从而启动具有高精度和快速测量性能的外源型加速度传感器。

通过比较器的输出端唤醒处于休眠的微处理器以及使得与自源型压电振动传感器中的运算放大器(即第一运算放大器)通过模拟开关与电源输出端相接，一方面是为了避免误动作触发中断，微处理器进一步对自源型压电传感器的输出进行采样的目的之一就是检查是否有误动作发生，另一方面是为了节能，即第一运算放大器平常不供电，只是在需要采用的时候才供电启动，这就能显著地降低能耗。

如图3所示的本实用新型可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置实施例主板电路图。微处理器使用MSP430F1611，供电电压范围为1.8～3.6V，内部功能模块可独立工作，在2.2V电压、1MHz时钟频率的活动模式下其功耗为330uA，同时具备多级功耗模式。主板的3V电压输入口J2C与电源模块的3V电压输出口J16C相连。无线通信器件、JTAG编程器分别通过无线通信接口J5C与JTAG接口J7C与微处理器相连。压电信号接口J9C、加速度信号接口J3C用于微处理器对传感器信号的采样、电源控制，而对电源模块的电源调整、切换则通过处理器模块电源控制口J12C实现，J10C与J11C为本装置预留的I/O口，以便扩展。通过以上所述接口，处理器实现了对各个模块的信号采集、电源控制。

如图4所示实例节点的自源型压电振动元件及整流电桥电路图，使用压电振动元件MiniSense 100探测某方向的振动信号，电压灵敏度为1V/g。压电传感器接口J8C与节点主板压电信号接口J9C相连，用于将输出电压送至主板上的低功耗比较器U13C。根据实际需求将本电路安装至不同位置及方向上，即可实现多维振动探测。比如，实际需求中需要探测垂直方向与水平方向的振动信号，即二维振动探测，则可使用两个该种电路，分别安置于垂直方向与水平方向。同理，若需要三维或更多维的振动探测，只需将三个或更多该电路分别安装于需要探测的位置及方向即可。

如图5所示实例节点装置的外源型振动传感器电路图，加速度传感器接口J1C与节点主板加速度信号接口J3C相连。本实例中，多维加速度传感器为高性能双轴加速度计ADXL202E，工作电压为3～5.25V，工作电流为0.6mA，测量范围为±2g，灵敏度为167mV/g，功耗大但测量精度高、频带宽，其输出接RC滤波电路，再经低功耗放大器“U2C”放大后送给加速度传感器接口J1C。微处理器将“P1.3”I/O口置高电平，从而选通了低功耗模拟开关U5C的第1通道，即U5C的第2引脚接通了提供给加速度传感器的3V电源，由此启动了加速度传感器以便获得高精度测量数据；反之，若微处理器将P1.3对应的I/O口置低电平，则切断了加速度传感器的3V电源，关闭了该传感器。

如图6所示实例节点的无线模块控制示意图，微处理器MSP430F1611与无线通信器件通过三总线进行连接，分别是电源控制线、数据线以及控制线。无线通信器件周期性地监听信道，若无接收数据，则微处理器通过控制线输出休眠命令，使无线通信器件转入低功耗的休眠方式；若有数据发送，则在发送完毕时转入休眠方式；为了进一步节能，可以使用电源控制线，输出一低电平即可断开低功耗模拟开关(1/2个ADG821)的选通通道，使无线通信器件(CC2520)处于断电状态中。

如图7所示实例节点的电源模块电路图，电源调整电路选用升/降压稳压器TPS63030，输入电压范围1.8V～5.5V，输入电压为3V时输出电流可达500mA，在节能模式下，输出电流减小到约1mA时，能效依然能保持在85％以上。宽输入电压范围的太阳能电池接口J13C、超级电容接口.J14C和可充电锂电池接口J15C分别接太阳能电池、超级电容以及充电锂电池。3V电压输出口J16C、电源模块控制口J17C分别接微处理器的3V电压输入口J2C、处理器模块电源控制口J12C。节点装置刚上电时，锂电池的输出电压直接经二极管和电阻降压(低于3V)后送微处理器以启动微处理器，随后，微处理器通过控制低功耗模拟开关U17C即1.5个AD6821实现供电管理，能在太阳能电池供电、锂电池供电和直接输出与通过稳压器调整稳压输出等供电方式之间选择，实现对节点电源供电的控制，以便最大限度提高电源的能效，从而延长使用寿命。供电方式选择策略如下：

1、太阳能电池电压大于3V时，微处理器31脚置高电平，直接使用太阳能电池作为供电电源；太阳能电池电压低于3V但仍高于调整稳压器TPS63030的输入电压下限值时，微处理器30脚、32脚置高电平，使太阳能电池的电压输出经过调整稳压器TPS63030调整为稳定的3V电源，作为节点的供电电源；若太阳能电池电压低于稳压器的输入电压下限值，则不使用太阳能电池。

2、在不使用太阳能电池的前提下，当锂电池电压高于3.3V(3V+二极管的管压降0.3V)时，或低于3V但仍高于调整稳压器TPS63030的输入电压下限值时，微处理器“32”脚置高电平，启动调整稳压器TPS63030，将稳压器的输出作为节点供电电源；当锂电池电压低于3.3V且不低于3V时，直接使用锂电池作为供电电源；若锂电池电压低于调整稳压器TPS63030的输入电压下限值，则表明节点的电能已经全部耗尽。

由于需要判断太阳能电池和锂电池的电压，因此必须有测量太阳能电池和锂电池电压的相关电路，且将测量的信号送入微处理器进行处理，这部分电路为现有成熟技术。

Claims (4)

1.一种可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，包括微处理器、电源模块、通信模块和传感器模块，所述的电源模块、通信模块和传感器模块均与微处理器连接；其特征在于：

所述的电源模块的结构为：太阳能电池和锂电池的输出端分别与受控于微处理器的第一模拟开关的2个输入端相接，所述的第一模拟开关的输出端经调整稳压器接微处理器的电源接口；锂电池的输出端接二极管的正极，二极管的负极接电源模块的输出端；

所述的传感器模块的结构为：自源型振动传感器的信号输出端经第一运算放大器与微处理器的信号输入端相接，自源型振动传感器的信号输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接可由数控电位器设定比较阈值的参考电压电阻分压电路的输出端，比较器的输出端接微处理器的中断口；

外源型加速度传感器的信号输出端经第二运算放大器与微处理器的另一个信号输入端相接；外源型加速度传感器的电源端经受控于微处理器的第二模拟开关的一个开关通道连接到电源模块的输出端口；第一运算放大器的电源端经受控于微处理器的第二模拟开关的另一个开关通道连接到电源模块的输出端口。

2.根据权利要求1所述的可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，其特征在于，所述的通信模块的结构为：无线通信器件通过受控于微处理器的第三模拟开关连接到电源模块的输出端口，无线通信器件与微处理器相接。

3.根据权利要求1或2所述的可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，其特征在于，太阳能电池与超级电容器并联。

4.根据权利要求2所述的可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置，其特征在于，微处理器的型号为MSP430F1611，调整稳压器型号为TPS63030，自源型振动传感器采用压电振动元件MiniSense 100，外源型加速度传感器的型号为ADXL202E，第一模拟开关的型号为ADG821，第二模拟开关的型号为ADG821、第三模拟开关的型号为ADG821，第一运算放大器和第二运算放大器均采用TLV2402芯片，比较器采用TLV3492芯片，参考电压源采用ref1112芯片，无线通信器件采用CC2520芯片，电源模块的输出端口的输出电压为3V。

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