CN202189453U - 低功耗自组网遥感监测物理量的装置 - Google Patents
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Abstract
低功耗自组网遥感监测物理量的装置，用于监测并远程传送该装置所在地的环境参数，尤其是，该装置包括物理量采集处理单元(10)、Z-wave核心单元(20)、声光报警单元(30)、直流供电源(40)、存储器单元(50)、编程接口(60)及射频天线和匹配电路(70)；所述Z-wave核心单元(20)借助通用I/O接口分别与物理量采集处理单元(10)、射频天线和匹配电路(70)、存储器单元(50)和编程接口(60)实现双向连接；所述编程接口(60)与存储器单元(50)之间采用SPI接口实现双向连接；所述Z-wave核心单元(20)的输出端与声光报警单元(30)的输入端相连接；所述直流供电源(40)给Z-wave核心单元(20)供电。所述装置具有低功耗、低成本、可用干电池组供电，以及使用寿命长、体积小巧、安装简单和适用领域广阔等优点。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及自动测试系统和遥感监测领域，包括控制器、可程控激励源和测量单元，以及无线收发单元，用于人工难以完成或要求没有人为干预的实时、快速、多通道、多参数测量，以及大量重复的综合测试和数据采集与处理的场合；尤其涉及环境参数的在线实时测试和自组网无线传输信息，特别是涉及通过Z-Wave网络实现一氧化碳和温度、湿度的遥程感知监测。
【背景技术】
本实用新型涉及的物理量，是指电压、电流、耗用的电能、门磁开关、流量、压力、重量，以及三轴角速度和陀螺仪等，尤其是环境参数，包括被监测地的气温、湿度、氧含量和放射线强度，以及散布于空气中的各种有害气体浓度，例如一氧化碳、甲醛和硫化氢，还有各种放射性尘埃的浓度，例如碘-131。所述这些有害气体和放射性尘埃过高的浓度严重威胁人们的健康和生命安全，在人民生活和工业生产实践中，实时、快速地监测这些物理量的数值并将它们准确、可靠地传送至本地电脑，进而至远方电脑贮存和进行分析判断，是十分必要的。
Z-Wave是一种低速率、短距离的无线通信新技术，由丹麦公司Zensys所一手主导的无线组网规格，其核心微控制器采用六倍速8051系列的架构，搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM，使用的路由协议是Source Routing，是锁定家庭自动化平台的一种无线技术。Z-Wave具有低成本、低功耗、高可靠性、传输稳定性好、实时性好、能随其网络调整而迅速调整、网络适应性较强，方便进行产品安装的特点。Z-Wave非常适于在城乡家庭，实验室，农业大棚，部分工业场合等领域中使用。
现有技术物理量监测多采用基于现场总线的监测装置，存在可移动性差、铺设线缆困难、线缆容易扯断等不足，特别是当用来检测危险场所时，存在安全隐患。
【实用新型内容】
本实用新型要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种低功耗自组网遥感监测物理量的装置，用于监测并远程传送该装置所在地的环境参数，尤其是，该装置包括物理量采集处理单元、Z-wave核心单元、声光报警单元、直流供电源、存储器单元、编程接口及射频天线和匹配电路；所述Z-wave核心单元借助通用I/O接口分别与物理量采集处理单元、射频天线和匹配电路、存储器单元及编程接口实现双向连接，所述编程接口与存储器单元采用SPI接口实现双向连接，Z-wave核心单元的输出端与声光报警单元的输入端相连接；所述直流供电源为Z-wave核心单元提供合适电压的稳定电源。
所述Z-wave核心单元20采用第三代Z-wave模组ZM3102N，模组软件系统版本为4.52。
所述Z-wave核心单元20的硬件电路兼容第四代Z-wave模组ZM4102。
所述物理量采集处理单元10与Z-wave核心单元20之间借助SPI接口进行数据通信及命令控制。
所述SPI接口是三线制的，包括SCK/SDO/SDI三线。
所述Z-wave核心单元20为SPI主端，物理量采集处理单元10为SPI从端。
所述直流供电源40是两路电源任择其一的供电方式，一路为5.0V的标准迷你型USB接口供电，另一路为三节乾电池串联的4.5V供电。
所述直流供电源40提供LDO方式的3.3V稳定电压，即由微型USB接口取得5.0V电压，经E1-FB3和C9C10高频滤波网络，再经C1-FB2高频滤波节，或直接从乾电池组经高频扼流圈FB1获得4.5V电压后，再经U1稳压集成电路及其输出端的C4-C5和C7滤波电容而获得稳定、纯净的3.3V电压。
所述射频天线和匹配电路70中的射频天线是集成在印刷电路板上的微型平面天线。
所述射频天线和匹配电路70中所需频点的输出阻抗为50Ω。
所述存储器单元50是电可擦除可编程只读存储器E2PROM或者是内含闪存介质的快闪存储器Flash ROM。
同现有技术相比较，本实用新型低功耗自组网遥感监测物理量的装置之有益效果在于：通过对Z-Wave模组的无线远程操作从而实现了本地和远程对该模组所在地物理量的监测。所述装置可应用于城乡家庭，实验室，农业大棚，部分工业场合等领域，具有低功耗、低成本、可用乾电池组供电，使用寿命长，以及体积小巧、安装简单、可以集成到需要一氧化碳浓度和温度监测的无线网络系统之中，也可以单独应用于需要一氧化碳浓度和温度监测的无线系统的特点。
【附图说明】
图1是本实用新型遥感监测物理量的装置之系统结构原理框图；
图2是所述遥感监测物理量的装置之Z-wave核心单元组成的原理框图；
图3是所述遥感监测物理量的装置之软件系统流程图；
图4-1是Z-wave模组及其射频天线和匹配网络之电原理图；
图4-2A，图4-2B和图4-2C是直流供电源电原理图；
图4-3是E2PROM编程器接口电原理图；
图4-4是系统编程器接口和一氧化碳浓度及温度、湿度传感器接口电原理图。
【具体实施方式】
下面以本实用新型第一实施例，一种低功耗自组网遥感监测一氧化碳CO的装置为例，对本实用新型作进一步详细说明。
第一实施例：
如图1至图3所示，一种低功耗自组网遥感监测CO的装置，用于监测并远程传送该装置所在地的一氧化碳气体浓度，该装置包括物理量采集处理单元10、Z-wave核心单元20、声光报警单元30、直流供电源40、E2PROM存储单元50、编程接口60及射频天线和匹配电路70。所述Z-wave核心单元20借助通用I/O接口分别与物理量采集处理单元10、射频天线和匹配电路70、E2PROM存储单元50和编程接口60实现双向连接；所述编程接口60与E 2PROM单元50之间采用SPI接口实现双向连接；所述Z-wave核心单元20的输出端与声光报警单元30的输入端相连接；所述直流供电源40为Z-wave核心单元20供电。本装置各组成单元结构紧凑，有机地组合在一块印刷电路板上，布局合理，将外部和自身产生的EMI(电磁干扰)降到最低。
所述物理量采集处理单元10包括一氧化碳浓度智能传感器，采用两极式电化学检测原理的CO感知器，在0～1000ppm浓度下，输出电流的分辨率为1.2-2.4nA/ppm，经过采样、放大、A/D转换等一系列由微处理器所做的处理，采用3线制SPI通信；Z-Wave系统是SPI主机，CO模块是SPI从机。一氧化碳浓度智能传感器完成CO的浓度监测及其报警输出，一旦达到规定浓度即有声光报警。它与Z-Wave模组是通过三线SPI接口、MISO、MOSI和SCLK，再加上片选信号EE_CS，与主控电路完成通信功能，输出CO的浓度数值，单位是ppm(百万分之一)。报警指示可以按照用户的要求来定制。目前的报警提示是以5秒钟为周期，一级报警为闪1下，二级报警为闪4下，以降低工作电流，
所述E2PROM存储单元50采用含闪存介质的PROM，主要功能是贮存Z-Wave系统的配置参数、路由表、HOMEID和一部分Z-Wave协议数据；初始文件通过编程接口60烧录。
所述Z-wave核心单元20采用了第三代Z-wave模组ZM3102N，模组软件系统版本为4.52。其主要功能是作为主控微处理器，完成Z-Wave的网络系统节点加入、移除、数据接收、数据发送、异常处理和电源管理等功能。
如图2所示，所述Z-wave核心单元20主要组成包含专用ZW0301集成电路，该集成电路包含了8051W微处理器、32KB闪存、专用寄存器、电源管理、中断控制器、(2KB+256B)SRAM、SPI/UART接口、可控硅控制器和通用I/O接口等部分组成。在ZW0301的外围还有去 耦电路、32MHz晶体、射频滤波电路和射频前端匹配电路等构成了该系统的核心模组。
Z-wave核心单元20硬件设计上兼容了第四代Zwave模组ZM4102。
物理量采集处理单元10与Z-wave核心单元20采用SPI接口进行数据通信及命令控制。
所述SPI接口为三线制SPI。
所述Z-wave核心单元20为SPI主端，物理量采集处理单元10为SPI从端。
如图4-1，图4-2A，图4-2B，图4-2C，图4-3及图4-4所示，所述直流供电源40是两路电源任择其一的供电方式，一路为5.0V的标准微型USB接口供电，另一路为三节干电池串联的4.5V供电。
所述直流供电源40提供LDO方式的3.3V稳定电压，即由微型USB接口取得5.0V电压，经E1-FB3和C9C10高频滤波网络，再经C1-FB2高频滤波节，或直接从乾电池组经高频扼流圈FB1获得4.5V电压后，再经U1稳压集成电路及其输出端的C4-C5和C7滤波电容而获得稳定、纯净的3.3V电压。
所述射频天线和匹配电路70中的射频天线是集成在印刷电路板上的微型平面天线。
所述射频天线和匹配电路70中所需频点的输出阻抗为50Ω。
所述存储器单元50是电可擦除可编程只读存储器E2PROM或者是内含闪存介质的快闪存储器Flash ROM。
图3是本实用新型的软件系统工作流程图。如该图所示，测量一氧化碳浓度程序主要包含硬件初始化ApplicationInitHW、软件初始化ApplicationInitSW、读取一氧化碳数据Read、加入与移除网络、主循环ApplicationPoll、命令数据帧传输ApplicationCommandHandler等。程序设置串口打印信息，以便于程序调试。一氧化碳程序通过定时器中断调取，程序可工作在正常模式与低功耗模式下。
系统开始复位初始化，硬件电路外部输入按键初始化，设置与外部一氧化碳模组SPI接口电路，软件初始化串口波特率，设置系统软件参数，开启定时器检测输入按键，判断程序预设置的电源工作条件，在电池工作状态下，如果唤醒定时器唤醒时间到，导入默认休眠时间，工作在休眠状态时功耗最小，更新网络唤醒次数。如果是按键复位，则设置初始化的休眠时间，开始唤醒定时器功能。如果当前状态不是开始唤醒状态，则进入空闲状态。如果在外部电源时，将启动网络更新定时器，每分钟更新一次。进入主循环。
如果没有加入网络，则进入路由学习模式，如果有按键按下，则停止学习，进入空闲状态，如果已经加入网络，直接进入空闲状态，如果下一状态忙时，则送给当前状态处理，下一状态变为空闲状态，如果当前和下一状态都空闲，进入按键检测状态，如果短时间按按键，则进入开始唤醒状态，在按键检测状态，如果快速按输入按键则可加入或移除网络，短按一次键可复位初始化，如果没有按键等外部命令，则是否有应用命令请求，如果定时 唤醒时间到，则进入复位初始化。一氧化碳模块的程序通过定时器调用，读取数据存入读/写存储器RAM中。
第二实施例：
本实用新型的第二实施例为一种低功耗自组网遥感监测温度和湿度的装置，包括物理量采集处理单元10、Z-wave核心单元20、声光报警单元30、直流供电源40、E2PROM存储单元50、编程接口60及射频天线和匹配电路70。在该实例中，所述物理量采集处理单元10采用温度和湿度智能模块，该模块采用了法国HUMIREL公司的HTG3833CH模组，温度和湿度模块采用了自定义的I2C接口，其余部分与本实用新型的第一实施例相同。
通过以上对一氧化碳浓度和温度、湿度等物理量的遥感采集监测，同样也可以实现对更多物理量的采集监测的扩展，比如电压、电流、功率，门磁开关，三轴角速度和陀螺仪，流量、压力、重量等，采用相同的方法。
以上所述实施方式仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。
Claims (11)
1.一种低功耗自组网遥感监测物理量的装置，用于监测并远程传送该装置所在地的环境参数，其特征在于：包括物理量采集处理单元(10)、Z-wave核心单元(20)、声光报警单元(30)、直流供电源(40)、存储器单元(50)、编程接口(60)及射频天线和匹配电路(70)；所述Z-wave核心单元(20)借助通用I/O接口分别与物理量采集处理单元(10)、射频天线和匹配电路(70)、存储器单元(50)及编程接口(60)实现双向连接；所述编程接口(60)与存储器单元(50)之间采用SPI接口实现双向连接；所述Z-wave核心单元(20)的输出端与声光报警单元(30)的输入端相连接；所述直流供电源(40)为Z-wave核心单元(20)提供合适电压的稳定电源。
2.根据权利要求1所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述Z-wave核心单元(20)采用第三代Z-wave模组ZM3102N。
3.根据权利要求2所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述Z-wave核心单元(20)的硬件电路兼容第四代Z-wave模组ZM4102。
4.根据权利要求1所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述物理量采集处理单元(10)与Z-wave核心单元(20)之间借助SPI接口进行数据通信及命令控制。
5.根据权利要求4所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征是：所述SPI接口是三线制的，包括SCK/SDO/SDI三线。
6.根据权利要求4所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述Z-wave核心单元(20)为SPI主端，物理量采集处理单元(10)为SPI从端。
7.根据权利要求1所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述直流供电源(40)是两路电源任择其一的供电方式，一路为5.0V的标准微型USB接口供电，另一路为三节乾电池串联的4.5V供电。
8.根据权利要求7所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述直流供电源(40)提供LDO方式的3.3V稳定电压，即由微型USB接口取得5.0V电压，经E1-FB3和C9C10高频滤波网络，再经C1-FB2高频滤波节，或直接从乾电池组经高频扼流圈FB1获得4.5V电压后，再经U1稳压集成电路及其输出端的C4-C5和C7滤波电容而获得稳定、纯净的3.3V电压。
9.根据权利要求1所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述射频天线和匹配电路(70)中的射频天线是集成在印刷电路板上的微型平面天线。
10.根据权利要求9所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述射频天线和匹配电路(70)中所需频点的输出阻抗为50Ω。
11.根据权利要求1所述的低功耗自组网遥感监测物理量的装置，其特征在于：所述存储器单元(50)是电可擦除可编程只读存储器E2PROM或者是内含闪存介质的快闪存储器Flash ROM。
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Granted publication date: 20120411 Termination date: 20190506 |