CN204886944U - 一种低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，包括一个带功率放大的射频子板，一个带有外部扩展处理芯片以及通讯接口的底板，一节一号电池及电池座。在工作过程中，节点设备通过射频子板发射2.4GHZ射频信号向网关设备发送入网请求，网关设备应答节点设备后节点设备入网，节点设备底板芯片处理通过传感器采集到的信息，将信息通过UART接口发送给射频子板，射频子板发射采集到的信息给网关，从而实现节点设备的入网以及信息的采集。通过硬件的低功耗设计，外部扩展处理器以及前端射频放大，可实现待机时间的增长以及输出功率的提升，使得最大点对点通讯距离大于1公里。

Description

一种低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备

技术领域

本实用新型涉及工业无线通讯技术领域，特别是基于ISA100.11a工业无线物联网标准的节点设备，主要应用于工业现场的无线传感网络，用于工业现场温度，湿度，压力等变量信息的采集和实时监控。

背景技术

工业物联网技术是继现场总线后的工控领域核心技术，工业物联网技术解决了一些工业现场环境复杂无法布线的问题，同时降低了成本提高了物联网覆盖范围，基于工业无线传感器国际标准的ISA100.11a协议，无线网络终端节点设备可组成无线传感器网络，向网络中的基站传输节点设备通过传感器采集到的数据。随着无线传感器网络在商业上的普及与应用，基于ISA100.11a协议的工业级无线传感网络也逐步将取代现场总线作为工业现场信息采集通讯的标准途径。

基于ISA100.11a的工业无线节点设备为低能耗的短程无线网络通讯设备，使用免费的2.4GHZ频段，可以通过传感器采集工业现场的信息将信息通过射频模块发射给基站，从而实现对工业现场的信息采集。然而，如今现有的工业无线通讯节点设备设计方案具有以下不足：

1、RF发射功率低，通讯距离近，仅几十到几百米，无法适应大规模工业现场通讯距离要求。

2、节点设备仅靠射频集成芯片内部微控制器处理采集到的信息，内部微控制器的内存限制导致无法处理多种复杂信息的采集分析。

3、由外部分离微处理器处理信息而射频芯片仅负责射频模块的结构功耗过大，节点设备电池更换过于繁琐。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，旨在提高射频发射功率，使点对点通讯距离达到1公里，本设计分离了射频子板和底板，并通过采用低功耗微处理器等一系列措施进行低功耗设计，通过跳线帽片选使节点设备可选择通过电池供电或USB供电。

本实用新型的技术方案是：一种低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，其特征在于：包括至少一个带功率放大的射频子板、一个带有外部扩展处理芯片以及通讯接口的底板；所述射频子板包括：射频电路、子接口电路、精确时钟电路、射频匹配电路、射频前端放大电路和天线；所述底板包括：主控电路、主接口电路、通讯接口电路、USB转串口电路、电源选择模块、传感器接口电路；其中射频电路连接射频匹配电路以及精确时钟电路，射频前端放大电路通过射频匹配电路与射频电路相连接，所述射频子板与底板通过两个双排插针连接，射频子板与底板主控电路芯片通过UART通讯，同时通过排针给射频子板供电，射频子板与底板分离的形式方便了用户对射频子板的扩展应用。

所述主接口电路实现射频子板和计算机通讯，采用USB转串口芯片FT232RL构成，该芯片内置晶振。

所述射频匹配电路采用π型匹配网络，走线采用50欧姆阻抗设计。

所述射频电路主芯片采用MC13224V射频芯片，MC13224V包含两个UART接口，一个和底板LPC1114通讯来接收采集到的外部信息，一个通过底板的USB转串口模块和计算机通讯。

所述底板主控电路由LPC1114芯片以及周边电路组成，负责传感器信号的处理，通过UART通讯将外界信息发送给射频子板。

所述底板电源选择模块采用跳线帽选择由电池供电或USB供电，电池供电由一节1号190000mAh的3.3V干电池及电池座构成，USB供电通过电源芯片TPS79533提供3.3V高达500mA电流为节点设备供电。

与现有技术相比，本实用新型存在以下优点：

1、本实用新型所需的器件少，射频子板通过插针和底板连接，选用USB转串口芯片内置晶振，同时射频子板高精度晶振选用R4801芯片，节省了空间，板子大小仅为9cm*6cm。

2、本实用新型采用了低功耗设计，射频子板前端放大在不工作时配置为睡眠模式用以节约功耗，底板采用低功耗主芯片LPC1114，整个电路在19000mAh电池供电条件下可连续工作一个月。提高了电池使用寿命，减少更换次数。

3、本实用新型采用MC13224V射频单端输出外接前端放大芯片SE2431的设计方式，增大了输出功率，最大功率15dbm，点对点通讯距离超过一公里。适用于大厂区工业现场节点采集应用。

4、本实用新型供电采用电池或USB通过跳线帽选择的模式，在有USB通讯的情况下通过USB供电进一步节约了耗电量。

附图说明

图1是本实用新型无线传感网络节点结构图。

图2是本实用新型的前端射频放大模块示意图。

图3是本实用新型电源供电及选择模块示意图。

图4是射频子板与底板的接口示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型，下面结合附图和实施方案对本实用新型内容作进一步的详细说明。

如图1所示，无线传感器节点由射频子板和底板两部分组成所述射频子板包括：射频电路、子接口电路、精确时钟电路、射频匹配电路、射频前端放大电路和天线；所述底板包括：主控电路、主接口电路、通讯接口电路、USB转串口电路、电源选择模块、传感器接口电路；射频子板和底板的通讯主要是通过射频电路和主控电路采用UART进行通讯，射频子板通过两个2*10双排插针接底板，对射频子板烧写程序主要是通过20针JTAG接口实现，主板和计算机的通讯主要是通过主接口电路的USB转串口模块实现。

主控电路由LPC1114芯片以及周边电路组成，微处理器采用Cortex‐M0结构，待机功耗很低，周边电路包括晶振，滤波电容等等，主控电路主要是实现通过ADC接口采集和处理传感器接收到的温度，压力，湿度等模拟量的外界信息，然后通过UART通讯将信息发送给射频子板。LPC1114芯片可工作在深度睡眠模式使功耗达到最低，拥有32K片上Flash以及8K静态RAM储存器，睡眠模式下功耗仅为6mW。

主接口电路主要是实现射频子板和计算机通讯，采用USB转串口芯片FT232RL芯片构成，该芯片内置了晶振，外部需要的周边元器件少，通讯稳定。

电源选择模块主要是由TPS79533芯片构成，由于射频发射需要的大电流需求，USB转串口芯片内部的LDO不能满足功率要求，当作为网关模块使用USB供电时，采用如图3所示的TPS79533从MiniUSB接口的5V电压转为3.3V为模块供电，输出电流可达500mA，MiniUSB接口的C13和C14主要用来滤除信号线上的高频杂波，P4为电源选择接口，可通过跳线帽选择板子作为节点设备使用电池供电还是作为网关设备使用USB供电。

子接口电路主要是射频子板和底板的接口电路，如图4所示，采用两个2*10间距为2mm的插针构成，包含了供电，UART，JTAG，ADC，I2C，KBI，SPI，TMR等接口。

射频电路主要采用飞思卡尔公司的MC13224V芯片，工作在2.4G免费频段，是针对IEEE802.15.4协议的一款低功耗SOC芯片，包含32位ARM7MCU，128K闪存，96K的RAM，MC13224V包含两个UART接口，一个和底板LPC1114通讯来接收采集到的外部信息，一个通过底板的USB转串口模块和计算机通讯，MC13224V包含JTAG调试端口，通过底板的20脚JTAG调试接口电路对芯片进行调试，MC13224V内部包含射频放大巴伦滤波器等模块，输出功率可通过配置寄存器从‐30dbm到6dbm，支持两种模式的射频输出放大，本实用新型采用MC13224V的内部巴伦滤波以及PA模块，输出为单端射频收发，通过前端的射频放大模块对射频信号进行再一次放大。C13224V需要的周边电路为晶振，滤波电容，RESET拉高电平电阻等。MC13224V芯片所需的32.768KHZ高精度时钟信号避免了使用体积大价格昂贵的高精度晶振，

精确时钟电路主要是由RX4801芯片构成的电路，MC13224V对32.768KHZ精确频率的要求很高，精确频率晶振的价格高体积大，本实用新型采用DTCXO芯片RX4801，功耗低，电流仅为0.8uA，周边电路需求很少，可产生32.768KHZ的精确时钟。

射频匹配电路及射频前端放大电路如图2所示，所述射频前端放大电路芯片采用SE2431L，峰值输出功率可达24dbm，同时工作模式可控制，通过射频主板可编程使得前端射频放大芯片在不工作时处于睡眠模式，这时工作电流仅为0.05uA。

MC13224V输出的单端射频信号通过50Ohm阻抗线以及由C2，C3，L2构成的匹配电路接入前端放大芯片SE2431L的T/R端口，C2，C3用来滤除进入射频收发的高频噪声和干扰，L2用来滤除直流成分。SE2431L芯片是一款专为2.4GHZ802.15.4协议工作的前端放大模块集成电路，最大输出功率可达24dbm，内置RF开关，支持单端50欧姆TX/RX接口，接收端可通过配置选择使能或者不使能LNA。SE2431L周边电路如图2所示，R4和R5是偏执电阻用来提供两输出的偏置电流，C4，C5，C6，C7，C8，C9为滤波电容，特别是C4，C5，C6要靠近芯片端口，以防干扰影响控制信号的逻辑电平，芯片的工作模式可以通过控制射频芯片MC13224V来配置CTX，CSD，CPS，ANT_SEL逻辑，ANT_SEL是输出路选择控制，可以控制ANT1还是ANT2输出，CTX为射频输出控制，接射频芯片MC13224V的TX口，当射频芯片处于发射模式时，TX置1，通过CTX的置1，SE2431L处于发射模式。CPS为是否使能接收LNA，配置为1，使得接收灵敏度提升。CSD为是否处于休眠模式，配置为1时处于正常工作模式。SE2431L的射频发射通过50欧姆阻抗匹配设计，匹配网络由PI型滤波组成，由C10，L3，C12，C11，L4，C13构成的PI型滤波网络用来滤除高频干扰，同时C15，C14用来隔离直流成分，使得输出射频信号纯净无杂波。

使用时，至少由一个骨干路由器构成网关，至少有一个节点设备和骨干路由器通讯。多跳功能由多个节点设备和路由设备构成，形成网络化的最大可达到3级多跳。网关可同时入网60个节点设备。用户可根据从网关接收到的节点设备采集的温度等信息对各个节点设备周边信息进行实时监控。

Claims (6)

1.一种低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，其特征在于：包括至少一个带功率放大的射频子板、一个带有外部扩展处理芯片以及通讯接口的底板；所述射频子板包括：射频电路、子接口电路、精确时钟电路、射频匹配电路、射频前端放大电路和天线；所述底板包括：主控电路、主接口电路、通讯接口电路、USB转串口电路、电源选择模块、传感器接口电路；其中射频电路连接射频匹配电路以及精确时钟电路，射频前端放大电路通过射频匹配电路与射频电路相连接，所述射频子板与底板通过两个双排插针连接，射频子板与底板主控电路芯片通过UART通讯，同时通过排针给射频子板供电，射频子板与底板分离的形式方便了用户对射频子板的扩展应用。

2.根据权利要求1所述的低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，其特征在于：主接口电路实现射频子板和计算机通讯，采用USB转串口芯片FT232RL构成，该芯片内置晶振。

3.根据权利要求1所述的低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，其特征在于：所述射频匹配电路采用π型匹配网络，走线采用50欧姆阻抗设计。

4.根据权利要求1所述的低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，其特征在于：所述射频电路主芯片采用MC13224V射频芯片，MC13224V包含两个UART接口，一个和底板LPC1114通讯来接收采集到的外部信息，一个通过底板的USB转串口模块和计算机通讯。

5.根据权利要求1所述的低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，其特征在于：所述底板主控电路由LPC1114芯片以及周边电路组成，负责传感器信号的处理，通过UART通讯将外界信息发送给射频子板。

6.根据权利要求1所述的低功耗远传输距离的工业无线通讯节点设备，其特征在于：所述底板电源选择模块采用跳线帽选择由电池供电或USB供电，电池供电由一节1号190000mAh的3.3V干电池及电池座构成，USB供电通过电源芯片TPS79533提供3.3V高达500mA电流为节点设备供电。