CN202183876U - 一种便携式无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点。本实用新型包括电源管理模块，环境参数采集模块，ZigBee无线通信模块和处理器模块。电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心，在其外围分别搭建了复位电路、晶振电路、JTAG电路以及ISP电路。本实用新型使用方便，监测范围广。

Description

一种便携式无线传感器节点

技术领域

本实用新型属于无线传感器网络、混杂现场总线、嵌入式系统技术领域，具体涉及一种可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点。 

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线通信设备不断成熟，成本也进一步的降低，为了解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象、旋转对象以及危险环境对象的监测与控制问题，出现了一种混杂的有线/无线现场总线（hybrid wired/wireless field bus）的新技术。 

在工作环境较为恶劣、安全生产风险较高的化工企业，混杂现场总线技术可以随作业现场进行部署，迅速地覆盖所有工段。当现场工作人员携带无线传感器节点时，还可以利用无线传感器网络的定位技术对工作人员进行实时定位，万一发生事故可以对作业现场的工作人员在事故发生时刻的位置进行跟踪，便于设计高效的应急救援方案。基于混杂现场总线技术的现代化化工安全监控系统包括ZigBee与CAN总线之间的有线/无线网关、基于ZigBee的无线传感器节点、基于CAN总线的传感器节点等。 

其中，无线传感器节点可分为两类，一类是随身无线传感器节点，是工作人员随身携带的无线传感器节点，用于监测现场工作人员的位置、生命特征、周围环境参数等，这些信息既可以在救援过程中及时判断工作人员所在位置及生命活动情况，又可以通过工作人员在工艺现场的移动，实现较大范围内环境参数的监测。另一类是便携无线传感器节点，用于在暂时不便铺设CAN总线的地方监测环境参数和设备参数，并且还负责中继周围工作人员的随身无线传感器节点数据。 

发明内容

本实用新型提供了一种基于ZigBee无线技术，可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点。该节点可用于暂时不便铺设CAN总线的地方监测环境参数和设备参数，并且还可以负责中继周围无线传感器节点数据。 

本实用新型采取的具体技术方案为：本实用新型包括电源管理模块，环境参数采集模块，ZigBee无线通信模块和处理器模块。 

所述的电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路；锂电池的负极接地，正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和二极管D1阳极相连，D1的阴极和电源芯片U2的3引脚相连；5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连；3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地；1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片的U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3的阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地。 

所述的环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元；温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U8的1引脚和处理器的26引脚相连，6引脚和处理器的22引脚相连；数字式温湿度传感器U8的5引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U8的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U8的3、4引脚均悬空；气压采集单元核心数字式气压传感器U7的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的29引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U7的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U7的1引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U7的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U7的2引脚相连。 

所述的ZigBee无线通信模块U12的13引脚、15引脚、17引脚均和3.3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的19引脚相连，20引脚和处理器的21引脚相连，其余引脚均悬空。 

所述的处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退耦电容；处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连；复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的一端相连，复位开关S2另一端接地；处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连；晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地；处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚均和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地；处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连；退耦电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。 

本实用新型相比与现有技术，具有以下优势： 

1、设备使用方便，监测范围广。该设备可布置于暂时不便于铺设CAN总线的地方，能监测周围环境参数和中继周围无线传感器节点的数据。

2、设备运行功耗低。节点设备的软硬件都采用低功耗设计，可在工艺现场长时间工作。 

3、设备数据处理速度快，升级潜力大。本实用新型采用了ARM7内核的高性能处理器，数据处理能力强，并且处理器的片上外设丰富，升级潜力大。 

4、设备成本低。相对于在复杂环境中铺设CAN总线的方法，本实用新型的成本更加低廉。 

5、设备适应性强。节点设备各部件均采用符合工业级标准的器件，在恶劣环境下具有较强的适应性；充分考虑防潮、防腐、防爆、及本质安全等因素，采用防护等级IP66、防爆等级Ex ia IICT6的设计，使得事故发生后的设备生存能力强。 

附图说明

图1为本实用新型的电源管理模块电路原理图； 

图2为本实用新型的环境参数采集模块电路原理图；

图3为本实用新型的ZigBee无线通信模块电路原理图；

图4为本实用新型的处理器模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述： 

如图1所示，电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。7.4V锂电池的负极接地，正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和二极管D1阳极相连，D1的阴极和电源芯片U2的3引脚相连。5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连。3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地。1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片的U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3的阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地。 

如图2所示，环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U8的1引脚和处理器的26引脚相连，6引脚和处理器的22引脚相连；数字式温湿度传感器U8的5引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U8的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U8的3、4引脚均悬空。气压采集单元核心数字式气压传感器U7的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的29引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U7的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U7的1引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U7的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U7的2引脚相连。 

如图3所示，ZigBee无线通信模块U12的13引脚、15引脚、17引脚均和3.3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的19引脚相连，20引脚和处理器的21引脚相连，其余引脚均悬空。 

如图4所示，处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退耦电容。处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连。复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的一端相连，复位开关S2另一端接地。处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连。晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地。处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚均和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地。处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连。退耦电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。 

本实用新型的工作过程为：合上单刀双掷开关S1，锂电池输出的7.4V电源电压通过5V电压转换电路转换为5V电压，为3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路提供电源；3.3V电压转换电路为处理器模块、温湿度采集单元、气压采集单元提供电源；1.8V电压转换电路为处理器提供电源。将设备布置于工艺现场后，设备可由温湿度采集单元和气压采集单元自动采集工艺现场的环境参数，然后通过ZigBee无线通信模块将上述采集到的信息发送至邻近的无线传感器节点或CAN总线传感器节点，同时该节点自身也能中继附近无线传感器节点的数据。 

本实用新型提供了一种可用于化工安全监控的便携式无线传感器节点，该节点可用于监测暂时不便铺设CAN总线地方的环境参数和设备参数，并能中继周围无线传感器节点数据。 

Claims (1)

1.一种便携式无线传感器节点，包括电源管理模块，环境参数采集模块，ZigBee无线通信模块和处理器模块，其特征在于：

所述的电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路；锂电池的负极接地，正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和二极管D1阳极相连，D1的阴极和电源芯片U2的3引脚相连；5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连；3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地；1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片的U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3的阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地； 

所述的环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元；温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U8的1引脚和处理器的26引脚相连，6引脚和处理器的22引脚相连；数字式温湿度传感器U8的5引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U8的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U8的3、4引脚均悬空；气压采集单元核心数字式气压传感器U7的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的29引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U7的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U7的1引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U7的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U7的2引脚相连；

所述的ZigBee无线通信模块U12的13引脚、15引脚、17引脚均和3.3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的19引脚相连，20引脚和处理器的21引脚相连，其余引脚均悬空；

所述的处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退耦电容；处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连；复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的一端相连，复位开关S2另一端接地；处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连；晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地；处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚均和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地；处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连；退耦电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。

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