CN208489854U - 基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，属于结构健康监测技术领域。解决了传统传感器节点成本高、数据采集不同步以及如何将无线传输方式与GPS同步可靠结合的问题。主要包括GPS模块、WiFi模块、电源管理模块以及数据采集模块。本实用新型有效缩简节点布置繁杂的步骤，在GPS授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确；将无线传输方式与GPS的同步技术有效地、可靠地结合在一起，提高了数据采集的效率，减少了成本；本实用新型将整个电路进行完全模块化设计，电路性能非常稳定可靠，故障率低，使用寿命长，而且简化地电路设计大幅度缩短产品生产周期，企业生产效率非常高。

Description

基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点

技术领域

本实用新型属于结构健康监测技术领域，具体地说，尤其涉及一种真正意义上的数据同步、低布置成本、电路设计模块化、简单化、高稳定性能的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点。

背景技术

目前现有的传感器节点大多是有线的，通过电线进行供电以及数据交互，以有线的方式插到适配器以及通过采集卡与电脑进行数据传输；而在信号同步方面多采用的是系统时钟控制多个传感器节点的信号采集，PC端在现场一直接受整个设备采集的数据。这种传感器节点存在两个很明显的弊端：1.有线极大地限制了数据采集的范围，增加了传感器节点的体积，有线的情况下需要适配器以及数据采集卡，增加了传感器节点的成本，提高了设备的维护资金。另外，PC端一直在现场采集数据严重耗费人力物力；尤其面对布线非常复杂的大型建筑物和恶劣环境下的状态监测，有线传感器节点的劣势更加突显；2.在信号同步方面，利用系统时钟来控制传感器节点的同步数据采集因为适中的准确度不一造成的监测数据不同步现象依旧发生。

随着GPS技术的进步，GPS的授时功能的出现使得大范围分布式同步数据的精确获取成为一种可能，但是目前应用到GPS的授时功能的同时又受到了有线的约束，使得测量距离因为数据线的存在而仅仅局限在小范围的分布式数据采集上，但是又随着WiFi、ZigBee、Bluetooth等无线技术的飞速发展，数据的传输方面的方式方法也随之迈出了一大步，可以通过无线的传输方式将数据从采集端传输到数据的储存以及分析端口。那么，如何将无线传输方式与GPS的同步技术有效地、可靠地结合在一起，或者说如何将无线传输方式与GPS的同步技术在数据采集监测方面得到稳定可靠地应用，是无线传感器网络技术领域亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种真正意义上的数据同步、低布置成本、电路设计模块化、简单化、高稳定性能的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，包括GPS模块、WiFi模块、电源管理模块以及数据采集模块；所述电源管理模块为所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块提供工作电源；所述GPS模块与卫星电信号连接，其以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至所述数据采集模块,所述数据采集模块在所述GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿进行数据采集，并将数据以串口通信的方式发送至WiFi模块，所述WiFi模块将接收到的信息发送至其他节点或服务器终端。

优选地，所述数据采集模块包括总控制器MCU单元、A/D转换器单元以及振动加速度传感器单元，所述振动加速度传感器单元在所述GPS模块发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，所述A/D转换器单元将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器单元采用SPI通信方式将数据发送给所述总控制器MCU单元，所述总控制器MCU单元以UART串口通信方式将采集的数据发送给所述WiFi模块。

优选地，所述振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，所述缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。

优选地，所述总控制器MCU单元采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；所述A/D转换器单元所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；所述振动加速度传感器单元所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356。

优选地，所述ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与所述LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；所述ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；所述ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；所述振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压。

优选地，所述A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，所述总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。

优选地，所述GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。

优选地，所述WiFi模块的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动SimpleConfig或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。

优选地，所述USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽按照阻抗匹配进行设计。

优选地，所述所述电源管理模块包括充电电池、电池充电单元、电池电量检测单元以及电压转换单元，所述电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；所述电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在所述充电电池电量过低时，发送电信号至所述总控制器MCU单元，由所述总控制器MCU单元控制所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块进入待机工作状态。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型满足了当今分布式数据采集对监测范围的要求，在无线的情况下大大增加了数据采集的范围；减少了设备重量使得采集数据更加方便以及缩简节点布置繁杂的步骤，使得在监测大型建筑物以及长时间在恶劣环境下工作成为了可能；

2.本实用新型在WiFi无线传输与GPS授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确，增加了数据分析结果的可信度；

3.本实用新型将USR-C216WiFi无线模块与UM220-IIILGPS模块的同步技术有效地、可靠地结合在一起，同步精度可达到微妙级甚至是纳秒级，同步精度非常高，另外同时大大缩减了设备的尺寸，便于携带，节省了大量的人力物力，提高了数据采集的效率，减少了成本，对于组建大型的无线传感器网络以及数据测试系统提供了可靠的底层基础；

4.本实用新型整个电路设计功耗很低，一次充电在无外接电源的情况下可连续工作4个小时以上；

5.本实用新型通用性强，采样频率可在10Hz-20kHz范围内自由调节，采样频率的分档程控切换是通过改变总控制器MCULPC54113J256BD64与A/D转换器LTC2344-16之间的通信波特率来实现的；

6.本实用新型将整个电路进行完全模块化设计，电路性能非常稳定可靠，故障率低，使用寿命长，而且简化地电路设计大幅度缩短产品生产周期，企业生产效率非常高；在结构健康监测技术领域具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型作为普通节点时各模块功能示意图；

图2是本实用新型作为网关节点时各模块功能示意图；

图3是本实用新型系统框图；

图4是本实用新型数据采集模块的总控制器MCU单元的电路原理图；

图5是本实用新型数据采集模块的A/D转换器单元电路原理图；

图6是本实用新型数据采集模块的振动加速度传感器单元电路原理图；

图7是本实用新型缓存放大器单元电路原理图；

图8是本实用新型GPS模块电路原理图；

图9是本实用新型WiFi模块电路原理图；

图10是本实用新型电源管理模块充电电池及电池充电单元电路原理图；

图11是本实用新型电源管理模块电池电量检测单元电路原理图；

图12是本实用新型电压转换单元电路原理图。

图中：1.GPS模块；2.WiFi模块；3.电源管理模块；4.数据采集模块；5.A/D转换器单元；6.振动加速度传感器单元；7.总控制器MCU单元。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

一种基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，包括GPS模块1、WiFi模块2、电源管理模块3以及数据采集模块4；所述电源管理模块3为所述GPS模块1、所述WiFi模块2、所述数据采集模块4提供工作电源；所述GPS模块1与卫星电信号连接，其以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至所述数据采集模块4,所述数据采集模块4在所述GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿进行数据采集，并将数据以串口通信的方式发送至WiFi模块2，所述WiFi模块2将接收到的信息发送至其他节点或服务器终端。

优选地，所述数据采集模块4包括总控制器MCU单元7、A/D转换器单元5以及振动加速度传感器单元6，所述振动加速度传感器单元6在所述GPS模块发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，所述A/D转换器单元5将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器单元采用SPI通信方式将数据发送给所述总控制器MCU单元7，所述总控制器MCU单元7以UART串口通信方式将采集的数据发送给所述WiFi模块2。

优选地，所述振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，所述缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。

优选地，所述总控制器MCU单元7采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；所述A/D转换器单元5所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；所述振动加速度传感器单元6所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356。

优选地，所述ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与所述LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；所述ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；所述ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；所述振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压。

优选地，所述A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，所述总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。

优选地，所述GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。在UM220-IIIL授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确，增加了数据分析结果的可信度。

优选地，所述WiFi模块2的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块4采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动SimpleConfig或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。本实用新型无线模块的设计能在无障碍下可传播200米以上，满足了当今分布式数据采集对监测范围的要求，在无线的情况下大大增加了数据采集的范围；减少了设备重量使得采集数据更加方便以及缩简节点布置繁杂的步骤，使得在监测大型建筑物以及长时间在恶劣环境下工作成为了可能。

优选地，所述USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽按照阻抗匹配进行设计。通过阻抗匹配设计来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

优选地，所述所述电源管理模块3包括充电电池、电池充电单元、电池电量检测单元以及电压转换单元，所述电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；所述电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在所述充电电池电量过低时，发送电信号至所述总控制器MCU单元7，由所述总控制器MCU单元7控制所述GPS模块1、所述WiFi模块2、所述数据采集模块4进入待机工作状态。本实用新型电源管理模块具有对电池的过充过放保护功能，过充保护是通过BQ24092芯片自带功能实现；过放保护是通过BQ27411芯片对充电电池的实时监控实现，当电池电量达到设定的最低值时，总控制器MCU单元便控制其他需要电源供电的模块进入待机模式，并通过指示灯提醒用户充电，从而起到对充电电池的保护功能。

实施例1：

一种基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，包括GPS模块1、WiFi模块2、电源管理模块3以及数据采集模块4；电源管理模块3为GPS模块1、WiFi模块2、数据采集模块4提供工作电源；GPS模块1与卫星电信号连接，其以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至数据采集模块4。数据采集模块4包括总控制器MCU单元7、A/D转换器单元5以及振动加速度传感器单元6，振动加速度传感器单元6在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，A/D转换器单元5将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，A/D转换器单元采用SPI通信方式将数据发送给总控制器MCU单元7，总控制器MCU单元7以UART串口通信方式将采集的数据发送给WiFi模块2，WiFi模块2将接收到的信息发送至其他节点或服务器终端。

总控制器MCU单元7采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；A/D转换器单元5所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；振动加速度传感器单元6所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356。

振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。缓存放大器单元主要作用是提供低输出阻抗，可在采集阶段快速建立模拟信号。当进入采集时，它还在模拟输入处提供信号源和电荷流之间的隔离。

ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压。

A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。如说明书附图图5所示，其CNV管脚、SDI管脚、SCK1管脚、SDI0管脚、BUSY管脚、CS管脚均匀LPC54113J256BD64芯片上相同的网络标号导电连接；其CNV管脚为A/D转换开始输入,CNV不由CS控制，允许独立于串行I/O总线的状态启动转换；其SDI管脚接收LPC54113J256BD64发送给LTC2344-16的指令，LPC54113J256BD64先发送电平输入范围指令给LTC2344-16，然后LTC2344-16控制输入接口的电平为相应的电平范围；其SCK1管脚为CMOS串行时钟输入端；其SDI0管脚为整个A/D芯片的输出端，即模拟信号转换为数字信号的输出端；其BUSY管脚是便于MCU判断A/D芯片是否繁忙的管脚，繁忙信号表示正在进行转换；CS管脚是芯片选择输入端，串行数据I/O总线在CS低时启用，在CS高时禁用，在Hi-Z时启用，CS也会打开外部时钟SCKI。

GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。该模块中的三个发光二极管为测试指示灯。

当传感器节点为普通节点时，将USR-C216无线模块设置为station模式，即此时传感器节点仅将系统采集的数据发送出去。WiFi模块2的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块4采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动Simple Config或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。该模块中的五个发光二极管为测试指示灯。

电源管理模块3包括充电电池、电池充电单元以及电池电量检测单元，电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在充电电池电量过低时，发送电信号至总控制器MCU单元7，由总控制器MCU单元7控制GPS模块1、WiFi模块2、数据采集模块4进入待机工作状态。如说明书附图图10至图12所示，充电芯片BQ24092的外围电路、电量检测芯片BQ27411外围电路均为芯片厂家推荐电路，BQ27411的SDA管脚、SCL管脚均与总控制器MCULPC54113J256BD64上相同网络标号导电连接，分别向总控制器MCULPC54113J256BD64传输充电电池的正常电量电信号和欠压电信号。该模块中，two-color-dio发光二极管为充电状态指示灯，发光二极管D4为充电电池正常工作指示灯，发光二极管D3为充电电池欠压指示灯。USB直充时供电电压为3.7V,充电电池的供电电压为4.2V；TPS61222芯片为升压芯片，将USB直接供电电压或者充电电池供电电压转换为5V直流电压；TPS62080芯片为降压芯片，将USB直接供电电压或者充电电池供电电压转换为3V直流电压。

本实施例满足了当今分布式数据采集对监测范围的要求，在无线的情况下大大增加了数据采集的范围；减少了设备重量使得采集数据更加方便以及缩简节点布置繁杂的步骤，使得在监测大型建筑物以及长时间在恶劣环境下工作成为了可能；

本实施例在GPS授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确，增加了数据分析结果的可信度；本实施例将无线传输方式与GPS的同步技术有效地、可靠地结合在一起，大大缩减了设备的尺寸，节省了大量的人力物力，提高了数据采集的效率，减少了成本，对于组建大型的无线传感器网络以及数据测试系统提供了可靠的底层基础；

本实施例通过UM220-IIIL、USR-C216、LPC54113J256BD64等芯片将整个电路进行完全模块化设计，电路性能非常稳定可靠，故障率低，使用寿命长，而且简化地电路设计大幅度缩短产品生产周期，企业生产效率非常高。

实施例2：

一种基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，包括GPS模块1、WiFi模块2、电源管理模块3以及数据采集模块4；电源管理模块3为GPS模块1、WiFi模块2、数据采集模块4提供工作电源；GPS模块1与卫星电信号连接，其以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至数据采集模块4。数据采集模块4包括总控制器MCU单元7、A/D转换器单元5以及振动加速度传感器单元6，振动加速度传感器单元6在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，A/D转换器单元5将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，A/D转换器单元采用SPI通信方式将数据发送给总控制器MCU单元7，总控制器MCU单元7以UART串口通信方式将采集的数据发送给WiFi模块2，WiFi模块2将接收到的信息发送至其他节点或服务器终端。

总控制器MCU单元7采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；A/D转换器单元5所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；振动加速度传感器单元6所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356。

振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。缓存放大器单元主要作用是提供低输出阻抗，可在采集阶段快速建立模拟信号。当进入采集时，它还在模拟输入处提供信号源和电荷流之间的隔离。

ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压。

A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。如说明书附图图5所示，其CNV管脚、SDI管脚、SCK1管脚、SDI0管脚、BUSY管脚、CS管脚均匀LPC54113J256BD64芯片上相同的网络标号导电连接；其CNV管脚为A/D转换开始输入,CNV不由CS控制，允许独立于串行I/O总线的状态启动转换；其SDI管脚接收LPC54113J256BD64发送给LTC2344-16的指令，LPC54113J256BD64先发送电平输入范围指令给LTC2344-16，然后LTC2344-16控制输入接口的电平为相应的电平范围；其SCK1管脚为CMOS串行时钟输入端；其SDI0管脚为整个A/D芯片的输出端，即模拟信号转换为数字信号的输出端；其BUSY管脚是便于MCU判断A/D芯片是否繁忙的管脚，繁忙信号表示正在进行转换；CS管脚是芯片选择输入端，串行数据I/O总线在CS低时启用，在CS高时禁用，在Hi-Z时启用，CS也会打开外部时钟SCKI。

GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。该模块中的三个发光二极管为测试指示灯。

当传感器节点为网关节点时，将USR-C216无线模块设置为AP模式+station模式，此时传感器节点能将从外面接收到的数据发送给MCU，又能将内部采集模块采集的数据发送出去；简单地说，此时传感器节点即有接收功能又有发送功能。WiFi模块2的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块4采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动Simple Config或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。该模块中的五个发光二极管为测试指示灯。

电源管理模块3包括充电电池、电池充电单元以及电池电量检测单元，电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在充电电池电量过低时，发送电信号至总控制器MCU单元7，由总控制器MCU单元7控制GPS模块1、WiFi模块2、数据采集模块4进入待机工作状态。如说明书附图图10-12所示，充电芯片BQ24092的外围电路、电量检测芯片BQ27411外围电路均为芯片厂家推荐电路，BQ27411的SDA管脚、SCL管脚均与总控制器MCULPC54113J256BD64上相同网络标号导电连接，分别向总控制器MCULPC54113J256BD64传输充电电池的正常电量电信号和欠压电信号。该模块中，two-color-dio发光二极管为充电状态指示灯，发光二极管D4为充电电池正常工作指示灯，发光二极管D3为充电电池欠压指示灯。USB直充时供电电压为3.7V,充电电池的供电电压为4.2V；TPS61222芯片为升压芯片，将USB直接供电电压或者充电电池供电电压转换为5V直流电压；TPS62080芯片为降压芯片，将USB直接供电电压或者充电电池供电电压转换为3V直流电压。

本实施例满足了当今分布式数据采集对监测范围的要求，在无线的情况下大大增加了数据采集的范围；减少了设备重量使得采集数据更加方便以及缩简节点布置繁杂的步骤，使得在监测大型建筑物以及长时间在恶劣环境下工作成为了可能；

本实施例在GPS授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确，增加了数据分析结果的可信度；本实施例将无线传输方式与GPS的同步技术有效地、可靠地结合在一起，大大缩减了设备的尺寸，节省了大量的人力物力，提高了数据采集的效率，减少了成本，对于组建大型的无线传感器网络以及数据测试系统提供了可靠的底层基础；

本实施例通过UM220-IIIL、USR-C216、LPC54113J256BD64等芯片将整个电路进行完全模块化设计，电路性能非常稳定可靠，故障率低，使用寿命长，而且简化地电路设计大幅度缩短产品生产周期，企业生产效率非常高。

本实施例USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽为20mil，其是按照阻抗匹配进行设计。本实施例通过阻抗匹配设计来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

综上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本实用新型的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：

包括GPS模块、WiFi模块、电源管理模块以及数据采集模块；所述电源管理模块为所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块提供工作电源；所述GPS模块与卫星电信号连接，其以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至所述数据采集模块,所述数据采集模块在所述GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿进行数据采集，并将数据以串口通信的方式发送至WiFi模块，所述WiFi模块将接收到的信息发送至节点或服务器终端。

2.根据权利要求1所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述数据采集模块包括总控制器MCU单元、A/D转换器单元以及振动加速度传感器单元，所述振动加速度传感器单元在所述GPS模块发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，所述A/D转换器单元将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器单元采用SPI通信方式将数据发送给所述总控制器MCU单元，所述总控制器MCU单元以UART串口通信方式将采集的数据发送给所述WiFi模块。

3.根据权利要求2所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，所述缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。

4.根据权利要求3所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述总控制器MCU单元采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；所述A/D转换器单元所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；所述振动加速度传感器单元所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356。

5.根据权利要求4所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与所述LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS 脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；所述ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；所述ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；所述振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压。

6.根据权利要求5所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，所述总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。

7.根据权利要求4所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。

8.根据权利要求4所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述WiFi模块的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动Simple Config或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。

9.根据权利要求8所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽按照阻抗匹配进行设计。

10.根据权利要求3所述的基于WiFi无线与GPS授时同步的传感器节点，其特征在于：所述电源管理模块包括充电电池、电池充电单元、电池电量检测单元以及电压转换单元，所述电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；所述电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在所述充电电池电量过低时，发送电信号至所述总控制器MCU单元，由所述总控制器MCU单元控制所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块进入待机工作状态。