CN207649798U - 一种低功耗无线测力装置 - Google Patents

Abstract

一种低功耗无线测力装置，包括传感器节点及与传感器节点通讯的仪表，所述传感器节点包括第一电源模块以及依次连接的无线测力传感器、模数转换器、第一单片机和第一无线透传模块，所述仪表电路中包括第二电源模块、显示器以及依次连接用于参数配置的按键、第二单片机和第二无线透传模块，所述第二无线透传模块与第一无线透传模块通讯连接，其特征在于：所述传感器节点中还包括用于定时唤醒第一单片机的时钟芯片和惠斯通电桥，所述时钟芯片与第一单片机连接，所述惠斯通电桥输入端连接无线测力传感器输出端，所述惠斯通电桥输出端连接模数转换器输入端。通过仪表设定传感器节点的工作方式，优化节点的睡眠时间与运行时间的比例，传感器功耗低。

Description

一种低功耗无线测力装置

技术领域

本实用新型涉及无线测力领域，特别涉及一种低功耗无线测力装置。

背景技术

现在越来越多的现场都需要使用测力传感器来监测结构的受力状态，如拉索大桥、钢架结构的建筑、油田上的磕头机等。这些现场一般都是对信号采样率的要求低，不便于布线，无人实时看护，但对结构受力状态的安全性要求很高。为此无线测力传感器被广泛应用，但受到传感器运行功耗高的制约使其电池的更换频率较高，无形中增加了系统的维护投入。如果根据现场需求改变测力传感器采样方式与无线信号的传输方式则可以将传感器运行功耗降至最低，从而将测力传感器电池的更换频率降至最低，减少系统维护成本。

有专利申请号为CN201020247664.5(公开号为CN201803813U)的中国实用新型专利公开了一种低功耗无线测力传感器，将压力信号转变为电压信号，其特征是：将压力信号转变为无线RF射频信号进行传输；使用电源管理电路对电源进行管理，使本低功耗无线测力传感器在起重机不工作时处于低功耗状态；同时使用心跳唤醒及振动开关唤醒两种方法进行唤醒工作。该测力传感器无需布线，可安装在任意位置，方便起重机安装使用测力传感器，对压力进行测量及监控，起重机不工作时，控制电路板处于休眠状态，耗电量低，在起重机工作时，控制电路板处于工作状态，供电时间很短，因此耗电量很低。但该无线测力传感器与控制电路板同时耗电，且该结构的工作方式不具有可视性。

另有专利申请号为CN200920116930.8(公开号为CN201387366Y)的中国实用新型专利公开了一种无线测力装置，包括测力箱体，测力箱体包括电源、电压比较电路和依次连接的应变式力传感器、硬件滤波电路、信号放大器、模数转换模块、微控制单元，还包括可控稳压电源模块I、可控稳压电源模块II和具有休眠功能的微功率无线数传模块，可控稳压电源模块I与电源、电压比较电路、微控制单元、微功率无线数传模块相连，可控稳压电源模块II与应变式力传感器、信号放大器、模数转换模块、电源、微控制单元连接，微功率无线数传模块与微控制单元连接通过检测显示仪表远程控制测力箱体在不工作时软关机，需要测力箱体工作时同样通过监测显示仪表远程将其开机。

根据现有的设计方案，在不增加成本、又适用大多数传感器基础上设计降低传感器运行功耗的方案是比较复杂困难的，但这又是一个亟需解决的一个问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能够控制便携式仪表设定无线测力传感器的工作方式降低功耗的低功耗的无线测力装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低功耗无线测力装置，包括传感器节点及与传感器节点通讯的仪表，所述传感器节点包括第一电源模块以及依次连接的无线测力传感器、模数转换器、第一单片机和第一无线透传模块，所述仪表的硬件电路中包括第二电源模块、显示器以及依次连接用于参数配置的按键、第二单片机和第二无线透传模块，所述第二无线透传模块与第一无线透传模块通讯连接对传感器节点发送指令，其特征在于：所述传感器节点中还包括用于定时唤醒第一单片机的时钟芯片和惠斯通电桥，所述时钟芯片与第一单片机连接，所述惠斯通电桥输入端连接无线测力传感器输出端，所述惠斯通电桥输出端连接模数转换器输入端。

作为改进，所述传感器节点中还包括分别与第一电源模块连接的第一低压差线性稳压器和第二低压差线性稳压器，所述第一低压差线性稳压器与模数转换器连接，所述第二低压差线性稳压器与第一单片机和第一无线透传模块连接。

具体的，所述第一无线透传模块和第二无线透传模块均为Zigbee无线透传模块。

进一步的，所述传感器节点还包括与第一单片机连接的复位电路、按键、指示灯电路。

所述无线测力传感器通过四线制传感器接口与模数转换器连接。

具体的，所述第二电源模块为可充电的锂电池，通过充电接口通过电池充电控制芯片与锂电池连接。

所述仪表的硬件电路中还包括与第二电源模块连接的第三低压差线性稳压器，所述第三低压差线性稳压器分别与第二单片机、第二无线透传模块和显示屏连接。

所述仪表硬件中还包括用于仪表参数配置的复位电路、指示灯电路、时钟芯片外设电路以及连接在第三低压差线性稳压器和第二单片机之间的蜂鸣器和铁电存储器。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过便携式仪表设定传感器节点的工作方式，包括定时唤醒方式、预警主发方式、主发唤醒方式和实时通讯方式，根据不同现场需要选择不同运行方式，并配置相对应的运行参数，配置结束后由仪表发送指令将传感器节点睡眠，睡眠过程中关闭桥路的激励使传感器的功耗接近零，通过仪表优化传感器节点的睡眠时间与运行时间的比例，从而使无线测力传感器运行功耗最小。

附图说明

图1为本实用新型实施例的传感器节点的硬件示意图；

图2为本实用新型实施例的仪表硬件示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1和图2所示，一种低功耗无线测力装置包括传感器节点及与传感器节点通讯的仪表，传感器节点包括第一电源模块以及依次连接的无线测力传感器、模数转换器、第一单片机和第一无线透传模块，分别与第一电源模块连接的第一低压差线性稳压器和第二低压差线性稳压器以及与第一单片机连接的复位电路、按键、指示灯电路，第一低压差线性稳压器与模数转换器连接，第二低压差线性稳压器与第一单片机和第一无线透传模块连接；无线测力传感器通过四线制传感器接口与模数转换器连接；传感器节点中还包括用于定时唤醒第一单片机的时钟芯片电路和惠斯通电桥，时钟芯片与第一单片机连接，所述惠斯通电桥输入端连接无线测力传感器输出端，所述惠斯通电桥输出端连接模数转换器输入端。

本实施例中，使用的第一低压差线性稳压器为100mA，第二低压差线性稳压器为300mA，第一电源采用锂电池；定时唤醒第一单片机的时钟芯片电路采用32.768K晶振的时钟电路。

仪表的硬件电路中包括第二电源模块、显示器以及依次连接用于参数配置的按键、第二单片机和第二无线透传模块，与第二电源模块连接的第三低压差线性稳压器，第二无线透传模块与第一无线透传模块通讯连接对传感器节点发送指令，第三低压差线性稳压器分别与第二单片机、第二无线透传模块和显示器连接，仪表硬件中还包括用于仪表参数配置的复位电路、指示灯电路、时钟芯片外设电路以及连接在第三低压差线性稳压器和第二单片机之间的蜂鸣器和铁电存储器；本实施例中，使用的第三低压差线性稳压器为300mA；第二电源模块为可充电的锂电池，通过充电接口通过电池充电控制芯片与锂电池连接；第一无线透传模块和第二无线透传模块均为Zigbee无线透传模块。

本实施例中，一方面，通过仪表对传感器节点的工作方式进行切换，另一方面通过仪表的显示屏与按键实现人机交互，进行参数配置；为保证实时接收到传感器节点发送的预警信号，仪表的无线芯片需实时处于接收状态，在需要主动唤醒传感器节点和对传感器节点进行配置时的步骤如下：

步骤a、初始化仪表参数；

步骤b、判断仪表是否接收到数据；

步骤c、接收到数据后则判断是否需要唤醒传感器节点，如果不需要唤醒传感器节点，则仪表发送接收成功应答，返回到步骤b；如果需要唤醒传感器节点则仪表发送配置传感器节点应答，仪表与传感器节点进入实时通讯状态，并向传感器节点发送睡眠指令，返回到步骤b；如果没有接收到数据，则转入步骤d；

步骤d、判断仪表是否需要主发唤醒传感器节点，不需要主发唤醒传感器节点则返回步骤b；需要主发唤醒节点则使用仪表200Hz频率发送传感器节点唤醒指令，并判断仪表是否接收到传感器节点唤醒回复；如果没有收到则继续发送传感器节点唤醒指令，如果接收到传感器节点唤醒回复，仪表与传感器节点则进入到实时通讯状态，向传感器节点发送休眠指令，并返回步骤b。

其中传感器节点的配置由仪表通过指令来开启，并通过仪表的指令选择不同的低功耗工作方式，完成数据发送、传感器节点配置、无线定时唤醒和实时通讯，具体步骤如下：

步骤1、初始化传感器节点电路，各芯片处于休眠状态，惠斯通电桥的桥路激励断开；

步骤2、使用时钟芯片电路定时200ms唤醒第一单片机，开启桥路激励进行模数转换；

步骤3、检测模数转换器的数据是否过载，如果过载时，则使用无线模块开启进行发送，如果未过载，则判断数据主发定时是否到，主发定时到则使用无线模块开启进行发送并转入步骤5；主发定时未到时则转入步骤4；

步骤4、10ms无线定时唤醒窗口是否开启，开启的情况下，使用无线模块进行数据接收，并判断传感器节点是否收到仪表唤醒信号，如果收到唤醒信号则仪表和传感器节点进入实时通讯状态，发送休眠指令，传感器节点进入休眠状态，如果没有收到唤醒信号则传感器节点直接进入休眠状态，唤醒窗口未开启的情况下，传感器节点也进入休眠状态；传感器节点进入休眠状态后则转入步骤2；

步骤5、使用无线模块开启进行数据发送后，判断传感器节点是否接收到仪表应答，接收到仪表应答则判断是否接收到传感器节点配置指令，接收到传感器节点配置指令后仪表和传感器节点进入实时通讯状态，发送休眠指令，传感器节点进入休眠状态，如果没有接收到传感器节点配置指令则传感器节点直接进入休眠状态；传感器节点未收到仪表应答时则判断是否达到最大重发送次数，没有达到最大重发送次数时则返回使用无线模块开启进行数据发送过程，如果达到了则传感器节点进入休眠状态，传感器节点进入休眠状态后则转入步骤2；

在本实施例中，降低无线测力装置功耗的方法主要为：(1)休眠状态下的第一单片机与其外设芯片通过32.768k的RTC时钟定时唤醒，通过定时唤醒的方式使第一单片机与外设芯片的睡眠功耗降到最低，并且休眠状态中关闭桥路激励使传感器的功耗接近零；(2)无线测力传感器的主要耗能部分为无线芯片，尤其在无线芯片发送、接收信号的瞬间功耗非常大，无线测力传感器信号只有在模数转换数据过载出现预警时或主发定时结束时才开启无线芯片将数据主动上传，在主发条件不满足时则以每秒为单位，无线芯片在1000ms内只有10ms处于接收状态，传感器节点等待仪表唤醒，其余990ms处于低功耗睡眠状态，这种接收方式保证了无线测力传感器可被查询又降低了运行功耗；(3)传感器节点的配置由仪表发送配置指令来开启，配置结束后由仪表发送休眠指令使节点进行睡眠状态；(4)仪表主动唤醒传感器节点时，每5ms发送一个唤醒指令，发送持续时间很短，发送完毕后立即处于接收状态等待传感器节点的唤醒回复。

Claims (8)

1.一种低功耗无线测力装置，包括传感器节点及与传感器节点通讯的仪表，所述传感器节点包括第一电源模块以及依次连接的无线测力传感器、模数转换器、第一单片机和第一无线透传模块，所述仪表的硬件电路中包括第二电源模块、显示器以及依次连接用于参数配置的按键、第二单片机和第二无线透传模块，所述第二无线透传模块与第一无线透传模块通讯连接对传感器节点发送指令，其特征在于：所述传感器节点中还包括用于定时唤醒第一单片机的时钟芯片和惠斯通电桥，所述时钟芯片与第一单片机连接，所述惠斯通电桥输入端连接无线测力传感器输出端，所述惠斯通电桥输出端连接模数转换器输入端。

2.根据权利要求1所述的低功耗无线测力装置，其特征在于：所述传感器节点中还包括分别与第一电源模块连接的第一低压差线性稳压器和第二低压差线性稳压器，所述第一低压差线性稳压器与模数转换器连接，所述第二低压差线性稳压器与第一单片机和第一无线透传模块连接。

3.根据权利要求1所述的低功耗无线测力装置，其特征在于：所述第一无线透传模块和第二无线透传模块均为Zigbee无线透传模块。

4.根据权利要求1所述的低功耗无线测力装置，其特征在于：所述传感器节点还包括与第一单片机连接的复位电路、按键、指示灯电路。

5.根据权利要求1所述的低功耗无线测力装置，其特征在于：所述无线测力传感器通过四线制传感器接口与模数转换器连接。

6.根据权利要求1所述的低功耗无线测力装置，其特征在于：所述第二电源模块为可充电的锂电池，通过充电接口通过电池充电控制芯片与锂电池连接。

7.根据权利要求1所述的低功耗无线测力装置，其特征在于：所述仪表的硬件电路中还包括与第二电源模块连接的第三低压差线性稳压器，所述第三低压差线性稳压器分别与第二单片机、第二无线透传模块和显示屏连接。

8.根据权利要求1所述的低功耗无线测力装置，其特征在于：所述仪表硬件中还包括用于仪表参数配置的复位电路、指示灯电路、时钟芯片外设电路以及连接在第三低压差线性稳压器和第二单片机之间的蜂鸣器和铁电存储器。