CN108429555A - 一种无线传感网络多频段远程通信板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感网络多频段远程通信板。包括微处理器模块、数据获取模块、工作频段切换电路模块、高频无线收发模块、低频无线收发模块、功放电路模块、低噪声放大电路模块、天线以及天线匹配电路；工作频段切换电路模块与微处理器模块双向连接，用于在高频无线收发模块与低频无线收发模块之间选择的切换；高频无线收发模块和低频无线收发模块分别与工作频段切换电路模块双向连接，高频无线收发模块和低频无线收发模块均各自连接有功放电路模块和低噪声放大电路模块，功放电路模块和低噪声放大电路模块连接有天线及天线匹配电路。本发明可以根据国家和地区的频段规定、数据传输速率、节点功耗及传输距离进行优化，满足各种不同应用的要求。

Description

一种无线传感网络多频段远程通信板

技术领域

本发明涉及无线传感网络通信领域，具体是一种无线传感网络多频段远程通信板。

背景技术

近年来物联网的飞速发展得到了社会各界的广泛关注，并将在不远的将来彻底改变我们的生活。低成本、低功耗和低速率的无线传感网络是物联网的一个重要组成部分和关键推动者，能够很好地解决成本和能源消耗这两个阻碍大规模部署物联网的关键问题。目前IP技术在通信网络里占有统治地位，而TCP/IPv6 提供了实现能无缝接入互联网的大规模传感监测及控制服务的最佳解决方案。另外，许多的物联网/无线传感网络应用都需要长距离的无线通信，例如用无线传感网络覆盖大范围的太阳能电站或者农场等等。因此设计实现支持TCP/IPv6的长距离无线传感网络通信板具有很强的实用意义。

目前，在不同的国家和地区对IEEE802.15.4标准的无线传感网络的工作频率都有一定的规定。通信板需要工作在以下几个无需许可证的频段：

·779–787 MHz：中国

·868.0–868.6 MHz：欧洲

·902–928 MHz：北美

·2400–2483.5 MHz: 世界通用

一般而言，如果传输功率相同，使用较低的工作频率能达到更长的通信距离，但是其传输速度会较低。不同的物联网应用对于通信距离、速率和节点的功耗都有不同的要求，无线传感网络通信板应该能够在符合所在国家和地区有关工作频段的规定下，灵活地适应这些不同的要求。比如，对于通信距离要求比较高的应用，可以通过使用较低频率传输，也可以通过增加传输功率来提高通信距离。对于数据传输率很低但是节点能耗要求高的应用，使用低频传输是个较好的方案。而对于数据传输速率较高但是可以支持较高能耗的节点，可以使用2.4 GHz频段，并利用功放增加传输功率和/或低噪声放大电路提升接收器接收信号的灵敏度以保证通信距离。

目前市场上的产品都没有这样的功能，因此，本发明针对这个需求研发了6LoWPAN无线传感网络的多频段远程通信板，能方便地切换工作频率，适应各个国家地区的频段规定，并能根据具体应用的需要，选择适当的传输功率和工作频段以优化通信方案，本案由此而生。

发明内容

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种无线传感网络多频段远程通信板，包括电源模块、微处理器模块、数据获取模块、工作频段切换电路模块、高频无线收发模块、低频无线收发模块、功放电路模块、低噪声放大电路模块、天线以及天线匹配电路；数据获取模块与微处理器模块双向连接，工作频段切换电路模块与微处理器模块双向连接，高频无线收发模块和低频无线收发模块分别与工作频段切换电路模块双向连接；高频无线收发模块连接有一组功放电路模块和低噪声放大电路模块，低频无线收发模块连接有另一组功放电路模块和低噪声放大电路模块，每一组功放电路模块和低噪声放大电路模块都连接有天线及天线匹配电路，所述工作频段切换电路模块用于在高频无线收发模块与低频无线收发模块之间选择的切换。

所述数据获取模块包括输入/输出接口和模数/数模转换模块。

所述高频无线收发模块包括工作频段为2.4GHz的芯片。

所述低频无线收发模块包括工作频段低于1GHz的芯片。

所述工作频段切换电路模块采用多个可以用程序控制的单刀双掷模拟开关。

所述电源模块包括给微处理器模块供电的主电路电源以及给功放电路模块和低噪声放大电路模块供电的稳压电源。

所述稳压电源设有开关，开关用于打开或关闭低频/高频工作电路的供电电源。

与所述高频无线收发模块相连的天线包括PCB高频天线以及多个外接高频天线接口，与所述低频无线收发模块相连的天线包括PCB低频天线以及多个外接低频天线接口。

所述微处理器模块、低频无线收发模块、高频无线收发模块、功放电路模块和低噪声放大电路模块均采用独立的功能模块构成。

本发明可以通过调整功放电路、低噪声放大电路、高低频工作信道、天线及天线分集等多种方式，保证无线通信可以根据国家和地区的频段规定、现场情况、地理环境、数据传输速率、节点功耗及传输距离进行定制或优化，从而满足各种不同应用的要求。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为用于网关板的多频段远程通信板电路原理框图；

图2为工作频段切换电路的电路图；

图3为频段切换跳线的电路图；

图4为给功放电路和低噪声放大电路供电电源的电路图。

具体实施方式：

本发明提供一种无线传感网络多频段远程通信板，主要针对6LoWPAN无线传感网络而设计，既适用于作为节点板使用，也适用于作为网关板使用，对于作为网关板使用时，需增设以太网模块与微处理器模块双向连接，可以通过以太网连接路由器或以太网交换机进行数据转发。为了简化说明，本实施例以及附图均以用于网关板的通信板为例加以说明。

如图1所示，多频段远程通信板主要包括电源模块、天线、天线匹配电路、微处理器模块、无线收发模块、功放电路模块、低噪声放大电路模块、USB转串口模块、数据获取模块以及工作频段切换电路模块。其中，数据处理模块包括输入/输出接口和模数/数模转换模块，可以按照用户要求自定义，定制各种测量不同物理量的传感器接口，也可以对各种不同的执行器及伺服器进行控制。为了令该通信板在不同的工作频段时皆可使用，上述无线收发模块分为高频无线收发模块和低频无线收发模块。高频无线收发模块的工作频段为2.4GHz，低频无线收发模块的工作频段低于1GHz（如700/800/900MHz等）。本实施例中的高频无线收发模块中的芯片采用AT86RF231芯片，低频无线收发模块中的芯片采用AT86RF212芯片。而工作频段切换电路模块主要用于在高频无线收发模块与低频无线收发模块之间选择的切换，可以视具体使用场合的工作频段需要，切换成高频工作模式或低频工作模式。本实施例中的工作频段切换电路模块采用型号为SN74LVC1G3157的单刀双掷模拟开关（如图2所示），既可以通过切换跳线（如图3所示）在高、低频之间切换，也可以通过软件来完成高、低频之间的切换（如：按时段、应用、使用地点等），以及通过对工作信道所受外界干扰进行的侦测或者针对应用需求变化而采用智能工作频率切换。

该多频段通信板的连接方式为：数据获取模块与微处理器模块双向连接，USB转串口模块与微处理器模块双向连接，以太网模块与微处理器模块双向连接，工作频段切换电路模块与微处理器模块双向连接，高频无线收发模块和低频无线收发模块分别与工作频段切换电路模块双向连接。为方便使用者根据具体的应用环境灵活选择及调整，本实施例中的微处理器模块和高频/低频无线收发模块分别采用独立的硬件芯片及电路实现，摒弃采用微处理器与无线收发芯片集成在一起的芯片，以保证无线通信可以根据国家和地区的频段规定、现场情况、地理环境、数据传输速率、节点功耗及传输距离进行定制，从而满足各种不同应用的要求。并且，高频无线收发模块和低频无线收发模块均各自连接有功放电路模块和低噪声放大电路模块。高频/低频无线收发模块的输出端连接功放电路模块，高频/低频无线收发模块的输入端连接低噪声放大电路模块。

功放电路模块和低噪声放大电路模块可以采用两个独立的硬件芯片，也可以采用同时集成了两种模块的集成芯片，但采用两个独立硬件芯片更有利于根据实际需要定制和灵活选择。功放电路模块用于增加通信板的传输功率，传输功率增大可增加通信距离。低噪声放大电路模块可以提升接收器接收信号的灵敏度。

高频无线收发模块连接的功放电路模块及低噪声放大电路模块连接有天线以及天线匹配电路；低频无线收发模块所连接的功放电路模块及低噪声放大电路模块连接有另外一套天线以及天线匹配电路。其中，两套天线均包括PCB天线以及多个外接天线接口，便于根据实际应用需要采用合适的天线组合，还可以支持天线分集技术。

本实施例中的电源模块包括给微处理器模块供电的主电路电源以及给低噪声放大电路模块和功放电路模块供电的稳压电源，其中稳压电源可以通过软件或者手动开关来打开或者关闭低频/高频电路中的任何一路的电源供电，或者同时打开或者关闭低频、高频工作电路的电源供电。稳压电源模块上开关电路的设置，令使用者可以根据具体使用环境灵活选择，进一步扩大了通信板的适用范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：包括电源模块、微处理器模块、数据获取模块、工作频段切换电路模块、高频无线收发模块、低频无线收发模块、功放电路模块、低噪声放大电路模块、天线以及天线匹配电路；数据获取模块与微处理器模块双向连接，工作频段切换电路模块与微处理器模块双向连接，高频无线收发模块和低频无线收发模块分别与工作频段切换电路模块双向连接；高频无线收发模块连接有一组功放电路模块和低噪声放大电路模块，低频无线收发模块连接有另一组功放电路模块和低噪声放大电路模块，每一组功放电路模块和低噪声放大电路模块都连接有天线及天线匹配电路，所述工作频段切换电路模块用于在高频无线收发模块与低频无线收发模块之间选择的切换。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：所述数据获取模块包括输入/输出接口和模数/数模转换模块。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：所述高频无线收发模块包括工作频段为2.4GHz的芯片。

4.根据权利要求1所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：所述低频无线收发模块包括工作频段低于1GHz的芯片。

5.根据权利要求1所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：所述工作频段切换电路模块采用多个可以用程序控制的单刀双掷模拟开关。

6.根据权利要求1所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：所述电源模块包括给微处理器模块供电的主电路电源以及给功放电路模块和低噪声放大电路模块供电的稳压电源。

7.根据权利要求6所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：所述稳压电源设有开关，开关用于打开或关闭低频/高频工作电路的供电电源。

8.根据权利要求1所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：与所述高频无线收发模块相连的天线包括PCB高频天线以及多个外接高频天线接口，与所述低频无线收发模块相连的天线包括PCB低频天线以及多个外接低频天线接口。

9.根据权利要求1所述的一种无线传感网络多频段远程通信板，其特征在于：所述微处理器模块、低频无线收发模块、高频无线收发模块、功放电路模块和低噪声放大电路模块均采用独立的功能模块构成。