CN203733279U - 改进电源的无线传感器节点装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种改进电源的无线传感器节点装置，属于气象观测装置技术领域；包括微处理器模块、无线通讯模块、RS485总线接口模块、电源模块和至少一个数据采集模块，所述数据采集模块通过RS485总线接口模块与微处理器模块相连，所述微处理器模块与无线通讯模块相连，所述电源模块为各部件供电，所述数据采集模块包括气象传感器；所述电源模块包括依次连接的充电接口单元、第一降压单元、充电管理单元、过充过放保护单元和锂电池，所述锂电池还与第二降压单元和升压单元相连。本节点装置对传感器节点的电源***进行改进，充分考虑不同工作电压的芯片在同一层面上的限制，改进了原电源电路结构，使其结构简单、可靠性高、能源消耗低。

Description

改进电源的无线传感器节点装置
技术领域
    本实用新型属于气象观测装置技术领域，尤其是涉及一种适合大规模部署的、具有无线自组织能力的用于气象观测的无线传感器节点装置。
背景技术
我国是一个气象自然灾害比较严重的国家，因此需要良好的气象观测***，而气象观测节点的设计对气象观测***极其重要。气象观测节点主要完成多个被测物理量的输入、数据的处理、数据存储、数据发送等功能，目前的气象观测节点大多都是在自动气象站里通过外接电源和有线的方式与终端连接。但是由于自动气象站成本较高，体积较大、灵活性差，功耗大、对基础通信设施依赖性强，在大范围的应用和部署上受到了限制。
伴随着微机电***(MEMs)、片上***(soc)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。现有的无线传感器节点多用电池供电，供电方式单一，能量的持续供给能力差，导致节点的工作稳定性不高；而且由于节点中各器件所需的电压并不相同，还需要设置不同类型的电源，电路结构复杂，成本较高。
发明内容
为解决上述问题，本实用新型公开了一种改进电源的无线传感器节点装置，对电源电路进行了改进，利用锂电池供电，提供多种充电方式，且节约能源。
为了达到以上目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种改进电源的无线传感器节点装置，包括微处理器模块、无线通讯模块、RS485总线接口模块、电源模块和至少一个数据采集模块，所述数据采集模块通过RS485总线接口模块与微处理器模块相连，所述微处理器模块与无线通讯模块相连，所述电源模块为各部件供电，所述数据采集模块包括气象传感器；所述电源模块包括依次连接的充电接口单元、第一降压单元、充电管理单元、过充过放保护单元和锂电池，所述锂电池还与第二降压单元和升压单元相连。
进一步的，所述充电接口单元分别与直流电源、移动电源或太阳能电源相连。
进一步的，所述无线通讯模块中还包括射频前端芯片。
进一步的，所述数据采集模块还包括图像摄录装置。
进一步的，所述气象传感器包括温、湿度传感器，风力传感器、风速传感器、光照传感器中的至少一种。
与现有技术相比，本实用新型对传感器节点的电源***进行改进，充分考虑不同工作电压的芯片在同一层面上的限制，改进了原电源电路结构，使其结构简单、可靠性高、能源消耗低。本实用新型以锂电池作为传感器节点的主要电量来源，通过统一的接口电路将太阳能光伏供电、直流电源、移动电源和锂电池相结合，使节点可以根据实际的部署环境选择最佳的电源方案，同时引入电源管理技术，有效增强了节点的能量有效性，从而大大提高了传感器节点的可用性以及稳定性。此外，本实用新型采用了RS-485总线接口模块连接数据采集模块和微处理器模块，抗共模干扰能力增强，抗噪声干扰性好，并进一步简化了结构设计。
附图说明
图1为本实用新型提供的改进电源的无线传感器节点装置结构框图；
图2为电源模块结构框图；
图3为电源模块电路原理图；
图4为RS-485总线接口模块电路原理图；
图5为无线通信模块电路原理图；
图6为具有图像摄录装置的数据采集模块结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，一种改进电源的无线传感器节点装置，包括微处理器模块、无线通讯模块、RS485总线接口模块、电源模块和至少一个数据采集模块，所述数据采集模块包括气象传感器，所述数据采集模块通过RS485总线接口模块与微处理器模块相连，所述微处理器模块与无线通讯模块相连，所述电源模块为节点装置中的各部件供电。数据采集模块采集到各类气象数据后通过RS485总线接口模块传输至微处理器模块，微处理器模块对采集到的数据做进一步处理并协调各模块的工作，短距离无线通信模块将处理好的数据传送到网关节点。本实用新型对电源模块进行了较大的改进，如图2所述电源模块包括依次连接的充电接口单元、第一降压单元、充电管理单元、过充过放保护单元和锂电池，所述锂电池还与第二降压单元和升压单元相连。充电接口单元通过第一降压单元、充电管理单元和过充过放保护单元为锂电池充电。充电接口单元采用统一的接口电路，因此可以将电源的充电和供电的控制功能整合对节点进行供电和充电，使得该电源***可以灵活的接入多种充电***。这样，根据传感器节点使用环境的变化，应用不同的电源方案，并且进行有效的电源管理，增强了节点的可用性，提高了能量的有效性。本例中，充电接口单元可以分别与直流电源、移动电源或太阳能电源相连，即可以分别通过直流电源、移动电源或太阳能电源为锂电池充电。
图3为电源模块的电路原理图，其中，开关SW-SPST控制着观测节点的启动与关闭。太阳能电池和直流电源在充电时具有9V左右的电压，而传感器节点的实际工作电压为3.3V，为了减小因为过高的充电电压而造成的埋电池损坏，我们利用第一降压模块降低直接接入锂电池的电压值。充电管理模块采用智能高精度锂电池管理芯片LTC4054，该芯片可以通过***电路可以对锂电池进行有效的充电管理。过充过放保护模块则采用FDFMA2P853芯片，在锂电池电压高于充电最高门限电压值时停止充电。本电源模块以锂电池作为主要的供电电源，锂电池使用埋离子作为载流子，具有3.7V到4.IV之间的操作电压，锂电池可以通过第二降压单元GS3406芯片提供稳定的3.3V电压和升压单元ME2108A50PG芯片提供5V工作电压，实现了不同芯片类型传感器在同一平台上的工作的需求。锂电池作为电源的优点是，体积小、便于携带、容量大、使用稳定、可以进行多次的充电和放电并且不存在记忆效应，方便传感器节点的部署和移动。在锂电池电量不足的情况下，选择外部电源对节点进行供电。
本例中，微处理器采用CC2530芯片中使用的8051 CPU内核，这是一个单周期的8051兼容内核，有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA 和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA 和主SRAM。该内核还包括一个调试接口和一个18 输入扩展中断单元。CC2530芯片管脚的第16（TXD）和17（RXD）分别与RS485接口模块的sn65hvd3082e芯片的4脚与1脚相接，负责数据的采集与传送。
如图4所示，RS-485总线接口模块采用sn65hvd3082e芯片负责收发工作，由5V供电，是一款低功耗的RS485收发器，1脚负责将收集来的数据通过工业总线协议传送至微处理器，4脚则负责传送信号给数据采集模块，下达指令。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分，接收器的组合，具有宽的共模抑制比和高静电放电保护能力，抗共模干扰能力强，抗噪声干扰性好。此外，一根总线上可以最高接256个数据采集的传感器，大大减少了I/O的使用，简化了设计结构，避免了多传感器挂载。
如图5所示，无线通信模块采用CC2530芯片，该芯片的物理层和MAC层遵守802.15.4协议标准，网络层和应用层支持Zigbee和6LOPWAN协议。观测节点通过短距离无线通信模块和同样带有该模块的智能传感器节点进行通讯，各个智能传感器节点把采集到的各要素气象数据通过射频发送到网关节点，网关节点对采集到的数据进行存储、融合和远距离传输。为了增加CC2530的通信距离，本实用新型在CC2530的射频电路中增加了射频前端芯片CC2591，CC2591对射频信号进行功率放大，观测节点和网关节点之间通过射频通信，观测节点可以在通信范围以内的空间里任意部署，不受环境的限制，从而有效增加了观测节点和网关节点之间的通信距离，保证了数据的稳定传输。CC2530的第25（RF_P）和第26（RF_N）引脚经过滤波电路后分别与CC2591的第4引脚和第2引脚相连接。滤波电路由L4(L7)、C15(C18)和C16(C17)构成。无线通信模块采用射频模块CC2530，配置倒F型PCB天线，与工EEE802.15.4兼容，工作在2.4GHZ频段，通信范围可达10m一75m，用于负责收发监测数据及交换控制信息，射频模块CC2530通过微处理器进行工作。
进一步的，如图6所示，所述数据采集模块还可以包括图像摄录装置，例如摄像头。通过摄像头，传感器节点还能采集节点所在位置的实时图像，进一步丰富本节点装置采集到的数据类型。
具体的说，所述的气象传感器包括气象领域常用的温、湿度传感器，风力传感器、风速传感器、光照传感器等等。这些传感器能够采集精确的气象数据。
本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种改进电源的无线传感器节点装置，包括微处理器模块、无线通讯模块、RS485总线接口模块、电源模块和至少一个数据采集模块，所述数据采集模块通过RS485总线接口模块与微处理器模块相连，所述微处理器模块与无线通讯模块相连，所述电源模块为各部件供电，所述数据采集模块包括气象传感器；其特征在于：所述电源模块包括依次连接的充电接口单元、第一降压单元、充电管理单元、过充过放保护单元和锂电池，所述锂电池还与第二降压单元和升压单元相连。
2.根据权利要求1所述的改进电源的无线传感器节点装置，其特征在于：所述充电接口单元分别与直流电源、移动电源或太阳能电源相连。
3.根据权利要求1或2所述的改进电源的无线传感器节点装置，其特征在于：所述无线通讯模块中还包括射频前端芯片。
4.根据权利要求1或2所述的改进电源的无线传感器节点装置，其特征在于：所述数据采集模块还包括图像摄录装置。
5.根据权利要求1所述的改进电源的无线传感器节点装置，其特征在于：所述气象传感器包括温、湿度传感器，风力传感器、风速传感器、光照传感器中的至少一种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109031469A (zh) * 2018-06-25 2018-12-18 成都智棚农业科技有限公司 一体化光伏无线气象站
CN113080074A (zh) * 2021-04-16 2021-07-09 河南牧原智能科技有限公司 一种板下清粪机

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