CN102384764A - 可用于化工安全监控的随身无线传感器节点 - Google Patents

可用于化工安全监控的随身无线传感器节点 Download PDF

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吴斌
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Abstract

本发明涉及一种可用于化工安全监控的随身无线传感器节点。本发明包括电源管理模块、参数采集模块、GPS定位模块、ZigBee无线通信模块和处理器模块。电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。参数采集模块包括温湿度采集单元、气压采集单元和生理信息采集单元。GPS定位模块包括SPI/UART转换电路和型号为QE-GPS91的GPS模块。处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心。本发明使用方便，监测范围广。

Description

可用于化工安全监控的随身无线传感器节点
技术领域
本发明属于无线传感器网络、混杂现场总线、嵌入式***技术领域，具体涉及一种可用于化工安全监控的随身无线传感器节点。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信设备不断成熟，成本也进一步的降低，为了解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象、旋转对象以及危险环境对象的监测与控制问题，出现了一种混杂的有线/无线现场总线（hybrid wired/wireless field bus）的新技术。
在工作环境较为恶劣、安全生产风险较高的化工企业，混杂现场总线技术可以随作业现场进行部署，迅速地覆盖所有工段。当现场工作人员携带无线传感器节点时，还可以利用无线传感器网络的定位技术对工作人员进行实时定位，万一发生事故可以对作业现场的工作人员在事故发生时刻的位置进行跟踪，便于设计高效的应急救援方案。基于混杂现场总线技术的现代化化工安全监控***包括ZigBee与CAN总线之间的有线/无线网关、基于ZigBee的无线传感器节点、基于CAN总线的传感器节点等。
其中，无线传感器节点可分为两类，一类是随身无线传感器节点，是工作人员随身携带的无线传感器节点，用于监测现场工作人员的位置、生命特征、周围环境参数等，这些信息既可以在救援过程中及时判断工作人员所在位置及生命活动情况，又可以通过工作人员在工艺现场的移动，实现较大范围内环境参数的监测。另一类是便携无线传感器节点，用于在暂时不便铺设CAN总线的地方监测环境参数和设备参数，并且还负责中继周围工作人员的随身无线传感器节点数据。
发明内容
本发明提供了一种基于ZigBee无线技术，可用于化工安全监控的随身无线传感器节点。该节点可随身携带，可用于监控工作人员的位置、生命特征以及周围环境参数。
本发明采取的具体技术方案为：
可用于化工安全监控的随身无线传感器节点包括电源管理模块、参数采集模块、GPS定位模块、ZigBee无线通信模块和处理器模块。
所述电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。7.4V锂电池JS-7.4V-2.2AH为5V电压转换电路提供电源；5V电压转换电路的核心为SPX1117M3-5.0低压差线性稳压电源芯片，其输出供给3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路、参数采集模块和GPS定位模块；3.3V电压转换电路的核心为SPX1117M3-3.3低压差线性稳压电源芯片，其输出为处理器模块、参数采集模块和ZigBee无线通信模块提供电源；1.8V电压转换电路的核心是SPX1117M3-1.8低压差线性稳压电源芯片，其输出为处理器模块提供电源。
所述参数采集模块包括温湿度采集单元、气压采集单元和生理信息采集单元。温湿度采集单元SHT21数字式温湿度传感器和处理器模块的Inter－Integrated Circuit(I2C)总线相连，电源端和3.3V电压转换电路相连；气压采集单元MS5607数字式气压计和处理器模块的串行外设接口 (Serial Peripheral Interface，SPI)相连，电源端和3.3V电压转换电路输出端相连；生理信息采集单元OEM001和处理器模块的通用异步收发(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口相连，电源端和5.0V电压转换电路相连。
所述GPS定位模块包括SPI/UART转换电路和型号为QE-GPS91的GPS模块。SPI/UART转换电路的核心为SC16IS750芯片，用于将处理器模块的SPI接口转换为UART接口。SPI/UART转换电路的SPI接口和处理器模块的SPI接口相连，UART接口和GPS模块相连，电源端和3.3V电压转换电路相连；GPS模块的电源端和5.0V电压转换电路相连。
所述ZigBee无线通信模块的型号为HZ2012，该模块和处理器模块的UART接口相连，电源端和3.3V电压转换电路相连。
所述处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心，在其***分别搭建了复位电路、晶振电路、JTAG电路以及ISP电路。并且对处理器的各电源引脚进行了退藕处理，复位电路采用专用的复位芯片MAX811S。处理器的电源端和3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路相连；处理器模块的两个SPI接口分别和GPS定位模块、气压采集单元相连；处理器模块的I2C接口和温湿度采集单元相连；处理器模块的两个UART接口分别和生理信息采集模块、ZigBee无线通信模块相连。
本发明相比于现有技术，主要有以下优点：
1、设备使用方便，监测范围广。节点设备可随身携带进入工艺现场。节点设备能通过工作人员在工艺现场的大范围移动，实现较大范围内环境参数的监测。
2、可采集多种环境参数，能监测携带者的生命特征。可实时采集工艺现场的气压、湿度和温度参数。能监测携带者的血氧饱和度、体温和脉搏等生命特征，并能定位工作人员的位置。
3、设备运行功耗低。节点设备的软硬件都采用低功耗设计，可长时间工作。
4、数据处理速度快，升级潜力大。本发明采用了ARM7内核的高性能处理器，数据处理能力强，并且处理器的片上外设丰富，升级潜力大。
5、设备适应性强。节点设备各部件均采用符合工业级标准的器件，在恶劣环境下具有较强的适应性，并充分考虑防潮、防腐、防爆、及本质安全等因素，采用防护等级IP66、防爆等级Ex ia IICT6的设计，使得事故发生后的设备生存能力强。
附图说明
图1为本发明的电源管理模块电路原理图；
图2为本发明的采集模块电路原理图；
图3为本发明的GPS定位模块电路原理图；
图4为本发明的ZigBee无线通信模块电路原理图；
图5为本发明的处理器模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。7.4V锂电池的负极接地，正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和二极管D1阳极相连，D1的阴极和电源芯片U2的3引脚相连。5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连。3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地。1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片的U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3的阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地。
如图2所示，参数采集模块包括温湿度采集单元、气压采集单元和生理信息采集单元。温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U8的1引脚和处理器的26引脚相连，6引脚和处理器22引脚相连；数字式温湿度传感器U8的5引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U8的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U8的3、4引脚悬空。气压采集单元核心数字式气压传感器U7的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的29引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U7的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U7的1引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U7的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U7传感器的2引脚相连。生理信息采集单元U10的1引脚和和处理器的19引脚相连， 2引脚和处理器的21引脚相连，3引脚接地，4引脚和5.0V电压转换电路相连。
如图3所示，GPS定位模块包括SPI/UART转换电路和GPS模块。SPI/UART转换电路核心为SIP/UART转换芯片U9，该芯片的5引脚和晶振Y2的2引脚相连、6引脚和晶振Y2的1引脚相连，晶振Y2的两端分别连接电容C13、C14的一端，电容C13、C14的另一端均接地；SIP/UART转换芯片U9的13引脚和3.3V电压转换电路相连，19引脚接地；退藕电容C29、C30的一端和SIP/UART转换芯片U9的13引脚相连，另一端均接地；SIP/UART转换芯片U9的14引脚和处理器的46引脚相连；SIP/UART转换芯片U9的10引脚和处理器54引脚相连，11引脚和处理器的53引脚相连，12引脚和处理器的47引脚相连；SIP/UART转换芯片U9的9引脚和处理器的2引脚相连，8引脚接地，4引脚和处理器的复位引脚57引脚相连；SIP/UART转换芯片U9的2引脚和GPS模块的5引脚相连，3引脚和GPS模块的3引脚相连。GPS模块的1引脚和5V电压转换电路相连，7引脚接地，其余引脚均悬空。
如图4所示，ZigBee无线通信模块13引脚、15引脚、17引脚均和3.3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的33引脚相连，20引脚和处理器的34引脚相连，其余引脚均悬空。
如图5所示，处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容。处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连。复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的1引脚相连，复位开关S2的2引脚接地。处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连。晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使***更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地。处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地。处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连。退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。
本发明的工作过程为：锂电池提供的7.4V电源电压经过5V电压转换电路降为5V电压后为GPS定位模块和生理信息采集单元、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路提供电源；3.3V电压转换电路为处理器模块、气压采集单元和温湿度采集单元提供电源；1.8V电压转换电路为处理器模块提供电源；整个设备电路由单刀双掷开关S1控制通断。现场操作人员随身携带该节点设备至工艺现场，开启设备后通过温湿度采集单元、气压采集单元实时获取工艺现场环境参数；同时该设备通过GPS定位模块和生理信息采集单元获取操作人员的位置和生理参数。设备获取的各参数最后通过ZigBee无线通信模块发送至邻近无线传感器节点或CAN总线传感器节点，这些参数能及时监测现场工作人员的生命体征和生产现场的状况，为发生事故时设计高效的应急救援方案提供基础信息。
本发明提供了一种可用于化工安全监控的随身无线传感器节点，该节点能被工作人员随身携带至工艺现场监测环境参数，同时该设备可监测工作人员的生理参数，为作业人员的安全提供保障。

Claims (1)

1.可用于化工安全监控的随身无线传感器节点，包括电源管理模块、参数采集模块、GPS定位模块、ZigBee无线通信模块和处理器模块，其特征在于：
所述的电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路；7.4V锂电池的负极接地，正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和二极管D1阳极相连，D1的阴极和电源芯片U2的3引脚相连；5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连；3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地；1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片的U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3的阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地；
所述的参数采集模块包括温湿度采集单元、气压采集单元和生理信息采集单元；温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U8的1引脚和处理器的26引脚相连，6引脚和处理器22引脚相连；数字式温湿度传感器U8的5引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U8的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U8的3、4引脚悬空；气压采集单元核心数字式气压传感器U7的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的29引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U7的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U7的1引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U7的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U7传感器的2引脚相连；生理信息采集单元U10的1引脚和和处理器的19引脚相连， 2引脚和处理器的21引脚相连，3引脚接地，4引脚和5.0V电压转换电路相连；
所述的GPS定位模块包括SPI/UART转换电路和GPS模块；SPI/UART转换电路核心为SIP/UART转换芯片U9，该芯片的5引脚和晶振Y2的2引脚相连、6引脚和晶振Y2的1引脚相连，晶振Y2的两端分别连接电容C13、C14的一端，电容C13、C14的另一端均接地；SIP/UART转换芯片U9的13引脚和3.3V电压转换电路相连，19引脚接地；退藕电容C29、C30的一端和SIP/UART转换芯片U9的13引脚相连，另一端均接地；SIP/UART转换芯片U9的14引脚和处理器的46引脚相连；SIP/UART转换芯片U9的10引脚和处理器54引脚相连，11引脚和处理器的53引脚相连，12引脚和处理器的47引脚相连；SIP/UART转换芯片U9的9引脚和处理器的2引脚相连，8引脚接地，4引脚和处理器的复位引脚57引脚相连；SIP/UART转换芯片U9的2引脚和GPS模块的5引脚相连，3引脚和GPS模块的3引脚相连；GPS模块的1引脚和5V电压转换电路相连，7引脚接地，其余引脚均悬空；
所述的ZigBee无线通信模块13引脚、15引脚、17引脚均和3.3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的33引脚相连，20引脚和处理器的34引脚相连，其余引脚均悬空；
所述的处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容；处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连；复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的1引脚相连，复位开关S2的2引脚接地；处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连；晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使***更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地；处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地；处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连；退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。
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