CN204516015U - 一种多功能低功耗水环境无线数据采集器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多功能低功耗水环境无线数据采集器，包括MSP430单片机及外围电路、GPRS无线通信模块、ZigBee无线通信模块、DC/DC开关稳压电路、液晶显示电路，所述DC/DC开关稳压电路和GPRS无线通信模块连接，DC/DC开关稳压电路通过低压差直流稳压电路和MSP430单片机及外围电路连接；RS485接口、键盘电路和MSP430单片机及外围电路连接，传感器信号调理电路、外部看门狗、液晶显示电路、外部存贮器、RTC时钟也和MSP430单片机及外围电路连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及水环境无线通信数据采集领域，尤其涉及一种采用ZigBee及GPRS通信方式的水环境据无线采集器，可广泛用于水文，水质，气象等领域的环境等数据实时采集。
背景技术
随着我国工业化社会的飞速发展，城镇人口增加，水资源日益紧缺，水体、空气等污染状况日趋严重，水环境的实时检测系统，特别是无线检测系统的需求也在增加，而其中的无线数据采集器功能较为单一，通用性不强。如单一功能的GPRS无线数据采集器、ZigBee无线数据采集节点，无数据采集功能的ZigBee转GPRS网关等。组网进所需数据采集器数量及品种较多，成本较高，管理维修有所不便。
实用新型内容
本实用新型主要解决现有水环境无线数据采集器功能单一、通用不强等问题，提供一种用ZigBee及GPRS通信方式的水环境无线采集器，具体技术方案如下：
一种多功能低功耗水环境无线数据采集器，包括MSP430单片机及外围电路、GPRS无线通信模块、ZigBee无线通信模块、DC/DC开关稳压电路、液晶显示电路，所述DC/DC开关稳压电路和GPRS无线通信模块连接，DC/DC开关稳压电路通过低压差直流稳压电路和MSP430单片机及外围电路、ZigBee无线通信模块连接；RS485接口、键盘电路和MSP430单片机及外围电路连接，传感器信号调理电路、外部看门狗、液晶显示电路、外部存贮器、RTC时钟也和MSP430单片机及外围电路连接。
进一步的，所述DC/DC开关稳压电路由LM25575 DC-DC开关集成稳压芯片构成。
进一步的，所述键盘电路采用独立式键盘电路，共4个键盘。
进一步的，所述传感器信号调理电路包括开信号信号调理电路、直流电压信号调理电路和4-20mA信号调理电路和另一RS485接口。
进一步的，所述外部看门狗采用TPS3823看门狗芯片。
进一步的，所述外部存贮器采用AT45DB161贮存器。
本实用新型所用ZigBee及GPRS模块采用可插拔结构，具有以下四种功能：
（1）ZigBee无线数据采集节点功能。此模式下，不用GPRS模块，数据采集器便成为可采集多种数据的ZigBee无线数据采集节点。
（2）GPRS无线数据采集器功能。此模式下，不用ZigBee模块，数据采集器便成为可采集多种数据的GPRS无线数据采集器。
（3）有线数据采集器功能。此模式下，不用GPRS、ZigBee模块，数据采集器便成为可采集多种数据的有线数据采集器，并通过RS485接口有线传输采集数据。
（4）带有数据采集功能的ZigBee转GPRS网关功能。此状态下不仅能用作ZigBee转GPRS网关，同时还起到有线数据采集器的作用，可以节省多个ZigBee无线传感节点。如将本数据采集器安装于其中的一个传感器上，如雨量传感器，其开关量数据可通过本采集器进行采集，同时还可将附近安装的传感器通过有线的方式进行采集，而安装较远的传感器数据，则可采用ZigBee无线传感节点进行采集。
上述4种模式，可通过数据采集器的键盘电路及液晶显示器进行设置。
本实用新型的数据采集信号，适用如水位，流量，水温、PH值、溶解氧、电导率、浊度、气温、湿度、风速、风向、光照、露点水环境等传感器，主要包括以下4个方面：
（1）开关信号数据采集通道：具有8路开关信号数据采集通道，并通过光耦进行了隔离。其中高电平/浮空，低电平/浮空开关量各4路，高电平/低电平开关量则有8路。
（2）直流电压信号：具有2路直流电压数据采集通道，12位A/D采样。
（3）4-20mA电流信号：具有2路4-20mA电流信号数据采集通道，12位A/D采样。
（4）具有一路RS485数据采集通道，可实现对多个（最高可达255个）带RS485接口传感器进行数据采集。
本实用新型还有以下3个方面的特点：
（1）低功耗：选择了MSP430低功耗单片机，GPRS模块工作电源可关断，液晶显示器通过键盘操作开启后，如无键盘操作，则会自动延时关闭。ZigBee无线模块休眠可唤醒。可通实时时钟芯片现实数据采集器间隙性工作方式，以降低功耗，间隙时间可通过键盘或远程进行设置。
（2）采集数据可本地贮存：采用了大容量外部存贮器，当GPRS无线数据通信不正常时可以将数据暂存。
（3）液晶显示器采用可插拔结构：多个数据采集器可以共用一个液晶模块进行参数设置，以节省成本。
附图说明
图1是本实用新型的多功能低功耗水环境无线数据采集器结构框图；
图2是DC/DC开关稳压电路图；
图3是低压差直流稳压电路图；
图4是MSP430单片机线路图；
图5是MSP430单片机外围线路图；
图6是键盘电路图；
图7是传感器信号调理电路图；
图8是GPRS无线通信模块电路图；
图9是RS485接口电路图；
图10是ZigBee模块图；
图11是外部看门狗电路图；
图12是液晶显示电路图；
图13是外部存贮器电路图；
图14是实时时钟电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型的多功能低功耗水环境无线数据采集器，包括MSP430单片机及外围电路3、GPRS无线通信模块6、ZigBee无线通信模块8、DC/DC开关稳压电路1、液晶显示电路10，所述DC/DC开关稳压电路1和GPRS无线通信模块6连接，DC/DC开关稳压电路1通过低压差直流稳压电路2和MSP430单片机及外围电路3连接；RS485接口7、键盘电路4和MSP430单片机及外围电路3连接，传感器信号调理电路5、外部看门狗9、液晶显示电路10、外部存贮器11 、RTC时钟12也和MSP430单片机及外围电路3连接。
各框图功能及线路分析：
DC/DC开关稳压电路1
该电路主要为GPRS无线通信模块6提供工作电源，如图2所示。优先LM25575 DC-DC开关集成稳压芯片。DC/DC开关稳压电路1输入电压由J1插座引入，由DC12电源供电，如12V光伏系统供电，输入电压VCC_IN经反向保护二极管D11后为LM25575供电，输出电压GPRS_VCC可以通过R14、R15调整，以满足GPRS模块工作电压的需要。D11、D12选择肖特基二极管，L1为储能电感。
低压差直流稳压电路2
优先LP2950-3.3V低压差直流稳压电源，其输出电压为3.3V，主要为MSP430单片机、ZigBee无线通信模块8等电路供电。输入电压也是由VCC_IN经反向保护二极管D11后提供。电路如图3所示。
MSP430单片机及外围线路3
如图4所示，优选MSP430F247低功耗单片机，单片机具有2路UART及SPI串行通信接口，其中2路UART（P3.4、P3.5、P3.6、P3.7）分别与RS485接口7及GPRS无线通信模块6相连。一路SPI串行通信接口（P3.0、P3.1、P3.2）分别与ZigBee无线通信模块8、实时时钟PCF2123、AT45DB161D大容量外部存贮器SPI串行通信接口相联，通过各模块或芯片的CS片选信号，选择对其中一个器件进行操作。
如图5所示，MSP430单片机外围线路包括：XT31、XT32两个外部晶振，在低速晶振状态（XT32）下可降低单片机的功耗。J3为JTAG调试下载接口，下载口线连接到单片机的54-57引脚。R34、C37、D31构成了上电复位电路，复位信号加到JTAG接口上，经R31输出到单片机57脚RST复位端，电容C35、C36为单片机电源端旁路电容，用于抑制尖峰脉冲干扰。
键盘电路4
采用了独立式键盘电路，共4个键盘，用于设置GPRS无线通信模块6、ZigBee无线通信模块8、实时时钟、间隙式工作时间、数据采集器工作模式等参数。键盘电路4输出信号线与MSP430单片机的P5.0至P5.3引脚相连。
如图7所示，传感器信号调理电路5
1）开信号信号调理电路：具有8路开关信号数据采集通道，并通过光耦进行了隔离，光耦优先采用TLP521-4芯片。其中光耦U51处理4路低电平/浮空信号，光耦U52处理另4路高电平/浮空信号。对于高电平/低电平开关量，二个光耦信号调理电路均可工作，只有开关状态相反，因此高电平/低电平开关量有8路通道。调理后输出信号，加到了MSP430单片机的P6.4到P6.7引脚以及P5.4到P5.7引脚8个口线。
2）直流电压信号调理电路：设有二路直流电压信号调理电路，分别通过R517、R518及R519及R520分压后加到了MSP430单片机的P6.0、P6.1二路12位A/D转换口线，分压后的电压不能高于MSP430单片机A/D端的允许最大电压。
3）4-20mA信号调理电路：设有二路4-20mA信号调理电路，分别通过R522、R524转换成电压信号后，经R521、R523限流保护及C53、C54旁路电容加到了MSP430单片机的P6.2、P6.3二路12位A/D转换口线，转换后的电压信号不能高于MSP430单片机A/D端的允许最大电压。
4）RS485接口电路：设有一路RS485接口，485_A及485_B与RS485接口电路7相连接，实现传感器的RS485电平与MSP430单片机串口0（P3.4、P3.5）的TTL的电平之间的转换。可实现带RS485接口的传感器的数据采集。
传感器信号调理电路，通过J5插座与外设相连。
如图8所示，GPRS无线通信模块6
优选GTM900-40PGPRS模块，其作用是将采集的数据通过GPRS网络上传到远程PC机。GPRS与MSP430单片机通过串口1（P3.6、P3.7）进行通信。GPRS的15脚为其电源开关控制端，与MSP430单片机的P1.1相连，由P1.1控制GPRS模块电源的通断，可实现模块的间隙性工作。GPRS模块通过J61插座与数据采集器的主线路板相连，采用可插拔结构。J62为SIM卡专用插座，SIM卡通过此插座与GPRS无线通信模块6相连。
如图9所示，RS485接口7
实现MSP403单片机串口0与传感器RS485电平之间的转换。优选MAX3485芯片，MAX3485的RO及DI端口与MSP430单片机串口0（P3.4、P3.5）相连。MAX3485的/RE及DE端口与MSP430单片机P4.7、P4.6相连，用于MAX3485收发与低功耗控制。R71、R73为偏置电阻，R72为终端电阻。
如图10所示，ZigBee无线通信模块8
当ZigBee无线通信模块8用于无线节点时，其作用是将采集数据通过ZigBee无线通信模块8发送到ZigBee网络。
当用作无线网关时是用于采集ZigBee网络的数据，再通过GPRS无线通信模块6将ZigBee无线通信模块8的数据发送到远程PC机。
ZigBee无线通信模块8优选CC2530型模块，其中LED81、LED82、LED83分别用于指示PIN状态、入网状态及节点确认状态指示，S81为PING按键，按下S81模块进行PING操作。模块的第8脚（I01）为休眠状态唤醒口线，与MSP430单片机P4.0口线相连，ZigBee无线通信模块8在空闲状态下进入休眠模式，以降低功耗，通过P4.0可对模块进行休眠唤醒操作。
R84、S82、C81构成了上电及手动复位电路，其复位端与MSP430的P4.1口线相连，通过P4.1可对ZigBee无线通信模块8进行复位操作。
J82为ZigBee无线通信模块调试及下载接口，采用JTAG接口形式，其中的DC、DD引脚为调试编程接口，可以进行在线编程调试。
而SCLK1、MOSI1、MISO1、CSn1为SPI快速下载接口，并与MSP430单片机相应的SPI接口（P3.0、P3.1、P3.2）及片选信号控制口线（P3.3）通过零欧姆电阻R35至R38相连，而MSP430单片机与ZigBee无线通信模块8之间是通过此SPI接口进行数据通信，其中CSn1为片选信号。
如果需要对ZigBee无线通信模块8进行在线（在数据采集器上）快速下载，需通过键盘及液晶将数据采集器设置成ZigBee模块下载模式，此模式下MSP430单片机与所有其它SPI接口外设不进行SPI通信，确保下载正常。
ZigBee无线通信模块8进行在线快速下载也可在R35至R38焊接前进行。另外ZigBee无线通信模块8也可脱离数据采集器主线路板，插到专门的下载器中进行快速下载、升级。
J81为ZigBee无线通信模块8与数据采集器主线路板的连接插座，采用可插拔式结构。
如图11所示，外部看门狗9
由于GPRS模块在通信状态时，干扰较强，当MSP430单片机采用内部看门狗时易出现死机现象，因此采用了外部看门狗电路9，优选TPS3823看门狗芯片，其1脚/REST端与MSP430单片机的58脚/RST端相连，其4脚WDI端与MSP430单片机P1.0口线相连。
如图12所示，液晶显示电路11
优选ST7920、ST7921为控制芯片的128×64液晶模块。用于GPRS无线通信模块6、ZigBee无线通信模块8、实时时钟等数据及工作状态的显示。
液晶的串并口工作方式选择端LCD_PSB设计为高电平状态，选择并口工作方式，液晶的DB0-DB7数据端与单片机的P2口（P2.0-P2.7）相连。
液晶的A、K端为背光电源正负端，背光电源通过三极管Q101、MSP430单片机的P1.3口线及键盘电路中相应的键盘控制其开启与关闭。
LCD_VCC端为液晶的工作电源端，通过三极管Q102、MSP430单片机的P1.4口线及键盘电路中相应的键盘控制其开启与关闭。开启后，如无相应的键盘操作，则延时一定时间后会自动关闭液晶的工作电源。
液晶的对比度调节电压端V0、驱动电压端VOUT的电压由LCD_VCC经R103、R104分压得到，通过调整R103、R104可改变相应的电压。
液晶的LCR_RS端为DB0-DB7是数据还是命令控制端，LCD_R/W为数据读/写操作控制端，LCD_E为使能端，分别与MSP430单片机的P1.5、P1.6、P1.7相连。
液晶的LCD_RST复位端与MSP430单片机的P1.2相连，可由单片机控制其复位。
128×64液晶模块通过J4插座与数据采集器主线路板相连，采用可插拔结构。多个数据采集器也可以共用一个液晶模块进行参数设置，以节省成本。
如图13所示，外部存贮器11
当GPRS通信失效无法上传采集数据时，可将采集数据及实时时间暂存到外部存贮器中，一旦通信状态正常，再将贮存的数据上传。
外部存贮器11优选16Mbit的AT45DB161贮存器，也可更换管脚兼容的同系列容量更大的贮存器。
AT45DB161贮存器通过SPI接口与MSP430单片机进行通信，其CS、SI、SO、SCLK端分别与MSP430单片机的SPI接口的P4.2、P3.2、P3.1、P3.0相连。其中CS为片选信号，有效时，才能对AT45DB161操作。
如图14所示，RTC时钟12
实时时钟电路主要为数据采集器提供采集数据时的实时时间。优选PCF2123实时时钟芯片，芯片采用SPI 接口与MSP430单片机进行通信，其CS、SDI、SDO、SCLK端分别与MSP430单片机的SPI口线P4.3、P3.2、P3.1、P3.0相连。其中CS为片选信号，有效时，才能对PCF2123操作。
实时时钟的/INT及CLKOUT端分别与MSP430单片机的P4.5、P4.4相连，可以对MSP430单片机进行定时唤醒操作，方便实现数据采集器间隙性工作方式，以降低数据采集器的功耗。
实时时钟及间隙性工作时间间隔可以通过键盘电路及液晶显示器进行设置，也可以由上位机通过GPRS模块进行远程设置。
数据采集器采用不间断供电方式，因此实时时钟电路未采用电池供电，但短时间断电时，如插拔液晶等模块时，则可由C122大容量电容为实时时钟芯片供电，D122是作用就是在此模式下，防止电容向其它电路放电，延长实时时钟芯片正常工作时间，D122采用肖特基二极管。
XT121为实时时钟芯片外部晶振。
Claims (6)
1.一种多功能低功耗水环境无线数据采集器，包括MSP430单片机及外围电路（3）、GPRS无线通信模块（6）、ZigBee无线通信模块（8）、DC/DC开关稳压电路（1）、液晶显示电路（10），其特征在于：所述DC/DC开关稳压电路（1）和GPRS无线通信模块（6）连接，DC/DC开关稳压电路（1）通过低压差直流稳压电路（2）和MSP430单片机及外围电路（3）、ZigBee无线通信模块（8）连接；RS485接口（7）、键盘电路（4）和MSP430单片机及外围电路（3）连接，传感器信号调理电路（5）、外部看门狗（9）、液晶显示电路（10）、外部存贮器（11）、RTC时钟（12）也和MSP430单片机及外围电路（3）连接。
2.如权利要求1所述的多功能低功耗水环境无线数据采集器，其特征在于：所述DC/DC开关稳压电路（1）由LM25575 DC-DC开关集成稳压芯片构成。
3.如权利要求1所述的多功能低功耗水环境无线数据采集器，其特征在于：所述键盘电路（4）采用独立式键盘电路，共4个键盘。
4.如权利要求1所述的多功能低功耗水环境无线数据采集器，其特征在于：所述传感器信号调理电路（5）包括开信号信号调理电路、直流电压信号调理电路4-20mA信号调理电路和另一RS485接口。
5.如权利要求1所述的多功能低功耗水环境无线数据采集器，其特征在于：所述外部看门狗（9）采用TPS3823看门狗芯片。
6.如权利要求1所述的多功能低功耗水环境无线数据采集器，其特征在于：所述外部存贮器（11）采用AT45DB161贮存器。
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