CN2886711Y

CN2886711Y - 基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器

Info

Publication number: CN2886711Y
Application number: CN 200520094794
Authority: CN
Inventors: 李劲; 李佳林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2015-12-13

Abstract

本实用新型涉及一种可广泛用于现代工业过程控制、自动化生产、基础科学研究、宇宙开发、海洋探测、物流资产跟踪、环境监控、石油化工、生物工程、桥梁建筑等领域的基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器。其特征是：主要包括嵌入式无线模块、开放式智能传感器模块和小型电池组成，是一种无中心、自组织、节点随机分布的对等的无线网络。它不需要任何预设固定网络的支持，具有快速展开、安全性高、抗干扰能力强、抗毁性强等特点，最多可传递五层网络至最远距离。每个节点可以充当三个角色：数据采集器，建立网络、设定参数、选择射频信道地址/采集数据，路由中转器延伸网络通讯范围，终端集中收集、处理分析与控制，但不能参与传递。

Description

基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器

技术领域

本实用新型属于电子信息技术领域，涉及一种可广泛用于现代工业过程控制、自动化生产、基础科学研究、宇宙开发、海洋探测、物流资产跟踪、环境监控、石油化工、生物工程、桥梁建筑等领域的基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器。

背景技术

传感器技术是信息时代的关键技术之一，它是获取准确可靠信息的重要手段。在现代工业过程控制、自动化生产、基础科学研究、宇宙开发、海洋探测，环境监控、石油化工、生物工程、桥梁建筑等许多领域得到广泛应用，在世界GDP增长中占有一定比重。数字电子学的发展，使传感器产值以每年20％的速度增长，并广泛应用在汽车电子、飞机、医疗和日常消费领域。但在所有场合，必不可少的连接线束和众多电缆，影响了传感器在更多数领域中的应用，上世纪九十年代出现的无线数字传感器，又进一步推动传感器产业的发展，至二十世纪末，其昂贵的发射、接收成本，又成为其除军事目的以外广泛应用受限的主要原因。

近年来亚微电子学的发展，使射频识别(RFID)技术和无线传感器网络得以走向融合(称为无线局域网)，辅之以数据库和软件，应用前景将十分可观。因而，低成本的无线局域网工程在当今国际十大热门电子工程中名列前矛。由于多版本无线局域网通讯方案和通讯协议，提交美国电子工程师协会(IEEE)审查批准周期的限制，加之无线局域网专用芯片研发生产的时限，时至2006年初，才有可能制作符合IEEE国际组织最新通过的最复杂的标准ZigBee(通讯协议)的测控***。据预测，嵌入式监控网络的市场将会有突破性的增长。

无线巡检测控原理：首先由传感器检测被测物的物理量，由可编程信号调理器进行调理，经24位A/D转换成数字量，经微处理器(单片机)、微控制器、收发器发送至无线网络。

无线传感器网络(WSN)是由大量传感器节点，通过无线通信技术自组织构成的网络，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。这些应用一般不需要很高的带宽，但是对功耗要求却很高，大部分时间必须保持低功耗。由于无线传感器结点，通常使用存储容量受限的嵌入式处理器/控制器，因此对协议堆栈的大小也有严格限制。另外，WSN对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面也有较高的要求。

发明内容

本实用新型的目的是，提供一种远程化、智能化、多功能的基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，其网络可以快速展开、节点随机分布，自组织、自维护、低功耗、低成本、抗干扰、互操作、袖珍轻便、安全可靠，无需固定网络设备支持，使传统传感器从众多电缆的束缚中解放出来。

本实用新型基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器内容简述：

本实用新型基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，作为无线局域网的一个节点，与装入虚拟技术组态、分析、处理软件的终端PC机组成无线传感器网络(WSN)，其特征在于：主要包括嵌入式ZigBee无线模块、开放式智能传感器模块和小型电池组成，其中：基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，是由ZigBee/IEEE802.15.4模式的通讯模块，通过其内嵌微处理器/控制器(MCU)与RF收发器一体的一个IC芯片，运行IEEE802.15.4国际标准通讯协议，由多节点组成互操作的开放式无线局域网络；开放式智能传感器模块，通过内嵌的可编程信号调理器，可接入多种换能器，在节点采集多种物理参数、化学参数或数字量的数据，经24位A/D转换，完成现场信号数据采集，并由RF收发器传送到网络。

ZigBee模式开放式无线智能传感器，其中ZigBee无线模块，包括：微控制器/处理器(MCU)单元，含有四个振荡器、四个定时器、四组存储器、四种功率消耗状态管理器、三种拓朴网络类型、三种节点类型，按指令完成互操作、传递、识别、移动管理、休眠/工作；射频单元(RF)，包括发射器、接收器、平衡/非平衡天线、可随机扩频变频的单边带数字调制器，媒体访问单元，可监测接收强度、链路质量和空信道甄别、节点定位、可使每个节点设为采集器、路由器和终端三种逻辑设备之一。

开放式智能传感器模块，内嵌可编程信号调理器，可按指令采集数据、放大、降噪滤波、24位A/D转换，由内嵌的执行器、I/O接口和可按指令控制外部设备运行状态或接受PC软件指令来控制网络管理。

本实用新型最多可传递五层网络至最远距离(100米至数千米)。每个节点可以充当三个角色：数据采集器用来建立网络、设定参数、选择射频信道地址/采集数据；路由中转器用来延伸网络通讯范围；终端集中收集、处理、分析与控制，但不能参与传递。本实用新型具有极低功耗(电池最多可使用5年)、低成本的优点。

附图说明

图1为基于ZigBee模式的开放式无线局域网智能传感器结构框图

具体实施方式

本实用新型基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器是这样实现的，下面结合附图做具体说明。见图1，基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，作为无线局域网的一个节点，与装入虚拟技术组态、分析、处理软件的终端PC机组成的无线传感器网络(WSN)，其特征在于：主要包括嵌入式ZigBee无线模块、开放式智能传感器模块和小型电池组成，其中：开放式无线局域网智能传感器是由ZigBee模式通讯模块，通过其内嵌微处理器/控制器(MCU)与RF收发器一体的一个IC芯片，运行IEEE国际标准通讯协议，由多节点组成互操作的开放式无线局域网络。开放式智能传感器模块，通过内嵌的可编程信号调理器，可接入多种换能器，在节点采集多种物理参数、化学参数或数字量的数据，经24位A/D转换，完成现场信号数据采集，并由RF收发器传送到网络。ZigBee开放式无线智能传感器，其中ZigBee无线模块，包括：微控制器/处理器(MCU)单元，含有四个振荡器、四个定时器、四组存储器、四种功率消耗状态管理器、三种拓朴网络类型、三种节点类型，可按指令完成互操作、传递、识别、移动管理、休眠/工作；射频单元(RF)，包括发射器、接收器、平衡/非平衡天线、可随机扩频变频的单边带数字调制器。媒体访问单元，可监测接收强度、链路质量和甄别空信道，可使节点设为采集器、路由器和终端设备。完成现场数据采集的传感器模块，内嵌可编程信号调理器，可按指令采集信号、放大、降噪滤波、A/D转换，内嵌执行器/I/O接口和可按指令控制外部设备运行状态或接受PC软件指令来控制网络管理。由成百上万个节点组成无中心、节点随机分布的网络，可最多经五层路由节点传递到数千米。

其智能传感器内含ZigBee模式定位、测距单元，可准确给出节点位置和距离信号，且体积小，方便物流和资产跟踪定位。

开放式无线局域网智能传感器，作为无线局域网的一个结点可与成千上万个雷同的结点、节点转发路由自动组成无线局域网。其中主要包括三部分功能：开放式多种数据采集网络；安全、可靠长期在线的自动传输网络；虚拟技术的数据分配、处理网络。

开放式数据采集单元：含可在外部连接、更换换能器敏感部件连接单元、可编程信号调节器、A/D转换器，在ZigBee模式的自识别自动管理的无线通讯单元四部分组成的嵌入式、可组成无线传感器网络(WSID)的传感器。可以采集数以百种不同类型的物理参数、化学参数、工控过程参数模拟量和数字量，也可以接入在线的传统传感器。

随机分布的数据分配处理单元：此单元可以采用虚拟技术，由用户现场设定用途、功能的软件，现场集中处理、记录、分析网络获取的数据，并可以在随机分布的结点由执行器按要求控制终端设备。在ZigBee(IEEE802.15.4)模式基础上，由结点嵌入的微处器和终端PC机共同保证网络智能化，即自动识别、自动休眠/冬眠、唤醒、自动测试、噪声数据滤波，可靠性判定、加密发送接收数据、执行控制、通过中间节点的路径选择、确保从换能器到数据终端的互操作和互换能力。随机自动组网，自动恢复、随机撤网，能保证各结点、节点电池节能管理。其功能由嵌入的单片机和终端PC机中加密软件来完成。上述ZigBee模式的传感器所组成的无线局域网络，模块内镶有定位、测距单元，可自动发出节点位置、移动距离信号，极大方便资产跟踪和物流管理。

无线局域网络Zig Bee模式(IEEE802.15.4)通讯协议，包括网络物理层(PHY)、媒体访问层(MAC)、数据链接层、路由节点层、节点控制层、移动管理层、电源管理层，各节点层间通过网络协议和建模仿真技术手段来沟通。完成相互访问、应答、多跳式路由放大传递、拓朴生成与控制、移动管理、信号传递可靠性甄别与补救等。

“ZigBee“传输速度为20k-250kbps，ZigBee的其他优势还包括：16位/64位IEEE寻址、CSMA-CA信道接入、支点对点、星状及网格网络拓扑、可自组成网、全握手协议保证了传输的稳定性。ZigBee在2.4G IMS段内有5MHz 16个频道，915MHz频段内有10个频道，868MHz频段内有1个频道。

其工作过程简述如下：节点唤醒通电一功能自检一最佳信道/频道选择一入网申请一遇干扰受阻一维护修复一批准试网一上网成功一通知检测一采集物理参数一程控放大一程控滤波一模/数转换一加密一传送数据一路由节点放大传递一基站收集信息一解密暂存一计算机分析处理显示记录一按指令控制外设一节点休眠/冬眠。

本实用新型是用途广泛的实用网络，其特点为：1、低功耗：设置四种不同的功率消耗模式并快速转换，***休眠静态电流6μA，唤醒工作，每通道32mA电流，可用电池长期供电(以年为计算单位)。2、测控点多：可同时检测达几百甚至65535个节点，控制电器设备千台。3、检测信号种类多：模拟量：半桥/全桥应变、应力、扭矩、压力，拉力，位移，低频振动，温度，湿度，流量，一氧化碳，电压，电流，定位，测距等。数字量：可接受任何数字传感器信号或脉冲信号。4、应用场合广：无供电条件的野外场合，人不能到达的窄小场合或污染区，高速转动的部件场合，交流电强干扰的工业场合。组网方式及测控距离：有网格网络、星型网络及集群树型网络等三种，测控距离最大数千米。5、操作简便：即安即用，省去布线和大量电缆、甩开有线线束的困扰。接收界面：虚拟仪器友好界面，利用模块化组态软件，方便用户自己选择功能和用途，也可为每个用户单独编制专用软件。6、超低成本、超小体积、极轻重量。

Claims

1、一种基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，作为无线局域网的一个节点，与装入虚拟技术组态、分析、处理软件的终端PC机组成无线传感器网络(WSN)，其特征在于：主要包括嵌入式ZigBee无线模块、开放式智能传感器模块和小型电池组成，其中：基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，是由ZigBee/IEEE802.15.4模式的通讯模块，通过其内嵌微处理器/控制器(MCU)与RF收发器一体的一个IC芯片，运行IEEE802.15.4国际标准通讯协议，由多节点组成互操作的开放式无线局域网络；开放式智能传感器模块，通过内嵌的可编程信号调理器，可接入多种换能器，在节点采集多种物理参数、化学参数或数字量的数据，经24位A/D转换，完成现场信号数据采集，并由RF收发器传送到网络。

2、根据权利要求1所述的基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，其特征在于：ZigBee模式开放式无线智能传感器，其中ZigBee无线模块，包括：微控制器/处理器(MCU)单元，含有四个振荡器、四个定时器、四组存储器、四种功率消耗状态管理器、三种拓朴网络类型和三种节点类型，射频单元(RF)，包括发射器、接收器、平衡/非平衡天线、可随机扩频变频的单边带数字调制器，媒体访问单元，可监测接收强度、链路质量和空信道甄别、节点定位、可使每个节点设为采集器、路由器和终端三种逻辑设备之一。

3、根据权利要求1所述的基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，其特征在于：开放式智能传感器模块，内嵌可编程信号调理器，可按指令采集数据、放大、降噪滤波、24位A/D转换，由内嵌的执行器、I/O接口和可按指令控制外部设备运行状态或接受PC软件指令来控制网络管理。

4、根据权利要求1所述的基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，其特征在于：开放式无线局域网智能传感器是由成百上千个节点组成无中心、节点随机分布的网络，可最多经五层路由节点传递到数千米。

5、根据权利要求1所述的基于ZigBee模式的开放式无线智能传感器，其特征在于：其智能传感器内含ZigBee模式定位、测距单元，可准确给出节点位置和距离信号。