一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，包括數據處理模塊、多個數據采集模塊和多個射頻收發模塊；數據處理模塊包括DSP控制器和FPGA；每個射頻收發模塊均包括一個短距離無線通信模塊和一個距離可調式無線通信模塊；短距離無線通信模塊包括第一無線射頻芯片、第一收發天線和第一串行通信接口；距離可調式無線通信模塊包括第二無線射頻芯片、無線收發距離調整電路、第二串行通信接口和第二收發天線；無線收發距離調整電路包括功率放大電路和與FPGA相接的功率調整電路。本發明電路設計合理、操作簡便且數據傳輸率高、數據傳輸量大，具有近距離簡單射頻收發和收發距離可調式射頻收發兩種模式，收發距離調節方便。
【專利說明】一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無線傳感器節點，尤其是涉及一種可實現多輸入多輸出的無線傳 感器節點。
【背景技術】
[0002] Zigbee是IEEE802. 15. 4協議規定的一種短距離、低功耗的無線通信技術，其特點 是可近距離傳輸，實現復雜度低，能夠搭建自組織網絡，且具有低功耗、低數據速率、低成本 等特點，可嵌入各種設備，用于監控、自控和遠程控制。Zigbee可搭建類似于CDMA和GSM的 具有高可靠性的無線傳輸網絡，其通信模塊可實現移動網絡基站的功能，傳輸距離從幾十 米到幾百米甚至幾公里，并且支持無限擴展。Zigbee最大支持65000個無線通信模塊組成 的網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個模塊之間可以相互通信。實際使用過程中，Zigbee 網絡節點不僅可以作為監控對象，即利用其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還 可以作為中繼節點，自動轉發其他網絡節點傳過來的數據資料。但現有Zigbee無線通信模 塊只有一個Zigbee芯片，作為網絡節點使用時，由于受到自身傳輸速率低的影響，既不能 采集太多的數據，也不能轉發過多其他節點的數據，并且所采用Zigbee芯片的數據傳輸距 尚確定。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種可實現多 輸入多輸出的無線傳感器節點，其電路設計合理、接線方便、操作簡便且數據傳輸率高、數 據傳輸量大，具有近距離簡單射頻收發和收發距離可調式的射頻收發兩種射頻收發模式， 并且收發距離調節方便，能用于不同場合的大數據量信息的采集和發送以及大規模無線傳 感網絡的數據匯聚和轉發。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種可實現多輸入多輸出的無 線傳感器節點，其特征在于：包括數據處理模塊、多個分別與數據處理模塊相接的數據采 集模塊、多個分別與數據處理模塊相接的射頻收發模塊以及為數據處理模塊和多個所述射 頻收發模塊進行供電的電源模塊，所述數據處理模塊和多個所述射頻收發模塊均與電源模 塊相接；所述數據處理模塊包括DSP控制器和與DSP控制器相接的現場可編程邏輯器件 FPGA，多個數據采集模塊均與DSP控制器相接；每個所述射頻收發模塊均包括一個短距離 無線通信模塊和一個距離可調式無線通信模塊，所述短距離無線通信模塊和距離可調式無 線通信模塊均為Zigbee無線通信模塊且二者均與現場可編程邏輯器件FPGA相接；所述短 距離無線通信模塊包括第一無線射頻芯片以及分別與第一無線射頻芯片相接的第一收發 天線和第一串行通信接口，所述第一無線射頻芯片通過第一串行通信接口與現場可編程邏 輯器件FPGA相接；所述距離可調式無線通信模塊包括第二無線射頻芯片、分別與第二無線 射頻芯片相接的無線收發距離調整電路和第二串行通信接口以及與無線收發距離調整電 路相接的第二收發天線，所述第二無線射頻芯片通過第二串行通信接口與現場可編程邏輯 器件FPGA相接；所述無線收發距離調整電路包括對第二無線射頻芯片所收發信號的功率 進行放大的功率放大電路和對功率放大電路的功率放大倍數進行調整的功率調整電路，所 述功率調整電路與功率放大電路相接，所述功率放大電路連接于第二無線射頻芯片與第二 收發天線之間，所述功率調整電路與現場可編程邏輯器件FPGA相接；所述第一無線射頻芯 片和第二無線射頻芯片均為芯片CC2430或芯片CC2420 ;所述電源模塊包括供電電源、與所 述供電電源相接的電源控制芯片以及分別與供電電源相接的第一電壓轉換電路、第二電壓 轉換電路和第三電壓轉換電路，所述第一電壓轉換電路的電壓輸出端與DSP控制器相接， 所述第二電壓轉換電路的電壓輸出端與現場可編程邏輯器件FPGA相接，所述第一無線射 頻芯片和第二無線射頻芯片均與所述第三電壓轉換電路的電壓輸出端相接。
[0005] 上述一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，其特征是：所述數據處理模塊 還包括與DSP控制器相接的第三串行通信接口，所述DSP控制器通過第三串行通信接口與 上位機進行雙向通信。
[0006] 上述一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，其特征是：所述數據采集模塊 包括供電模塊、信號傳感器、與信號傳感器相接的采樣保持電路和與采樣保持電路相接的 A/D轉換模塊，所述A/D轉換模塊與DSP控制器相接；所述信號傳感器、采樣保持電路和A/D 轉換模塊均與供電模塊相接；所述信號傳感器為對溫度、濕度、壓力、拉力或可燃氣體濃度 進行實時檢測的模擬信號傳感器。
[0007] 上述一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，其特征是：所述數據處理模塊 還包括與DSP控制器相接的數據存儲單元和時鐘芯片。
[0008] 本發明與現有技術相比具有以下優點：
[0009] 1、電路設計合理、接線方便且使用操作簡便。
[0010] 2、使用效果好，具有Zigbee網絡節點本身所具有的低功耗、低成本、短時延等優 點，同時數據傳輸速率高，能有效解決Zigbee網絡節點所存在的因傳輸速率較低而導致的 對網絡規模和節點數據采集量的制約問題。
[0011] 3、所采用的無線射頻模塊電路簡單、設計合理且使用效果好，具有近距離簡單射 頻收發和收發距離可調式的射頻收發兩種射頻收發模式，實際使用時，可以根據具體需要， 進行相應調整。并且，距離可調式無線通信模塊的收發距離通過功率調整電路進行簡便調 整，而功率調整電路由現場可編程邏輯器件進行控制，因而能簡便實現收發距離的調整，并 能實現幾十米至幾百米的可變距離的通信。
[0012] 4、利用多個Zigbee芯片搭建出具有多輸入和多輸出功能的新型無線傳感器節 點。當用于信息采集時，具有η個ZigBee芯片的模塊，最多可發送單芯片節點的η倍的數 據；當用于網絡中繼節點時，通過數據壓縮和有效的編碼方法，可以大大提高網絡的吞吐 率。實際使用時，可以根據各網絡節點的實際需要，確定模塊中Zigbee芯片的數量，可以有 效提高網絡節點的效率和系統的吞吐率。實際使用時，本發明既可以用于大數據信息的采 集和發送，也可以用于大規模無線傳感網絡的數據匯聚和轉發，并且能同步實現數據的壓 縮和進行信道編碼以及網絡編碼，以提高網絡的傳輸質量和吞吐量。綜上，本發明作為數據 采集節點時，可以支持多數據采集模塊的大數據信息采集和傳輸；作為匯聚和轉發節點時， 可可降低網絡復雜度，支持大規模無線傳感網絡，并通過數據壓縮和處理，提高網絡的傳輸 質量和效率。
[0013] 綜上所述，本發明電路設計合理、接線方便、操作簡便且數據傳輸率高、數據傳輸 量大，具有近距離簡單射頻收發和收發距離可調式的射頻收發兩種射頻收發模式，并且收 發距離調節方便，能用于不同場合的大數據量信息的采集和發送以及大規模無線傳感網絡 的數據匯聚和轉發。
[0014] 下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明的電路原理框圖。
[0016] 附圖標記說明：
[0017] 1-數據采集模塊； 1-1 一信號傳感器；1-2-采樣保持電路；
[0018] 1-3-A/D轉換模塊； 1-4一供電模塊； 2-數據處理模塊；
[0019] 2-1-DSP控制器； 2-2-現場可編程邏輯器件FPGA ;
[0020] 2-3一第二串行通信接口； 2-4-數據存儲單兀；2-5-時鐘芯片；
[0021] 3一射頻收發模塊； 3_1-短距尚無線通信模塊；
[0022] 3-11-第一無線射頻芯片； 3-12-第一收發天線；
[0023] 3-13 一第一串行通/[目接口；
[0024] 3-2-可調式無線通信模塊；
[0025] 3-21-第二無線射頻芯片； 3-22-第二收發天線；
[0026] 3~23一第二串行通/[目接口；
[0027] 3-24一無線收發距尚調整電路； 3-241-功率放大電路；
[0028] 3-242-功率調整電路。
【具體實施方式】
[0029] 如圖1所示，本發明包括數據處理模塊2、多個分別與數據處理模塊2相接的數據 采集模塊1、多個分別與數據處理模塊2相接的射頻收發模塊3以及為數據處理模塊2和 多個所述射頻收發模塊3進行供電的電源模塊，所述數據處理模塊2和多個所述射頻收發 模塊3均與電源模塊相接。所述數據處理模塊2包括DSP控制器2-1和與DSP控制器2-1 相接的現場可編程邏輯器件FPGA2-2,多個數據采集模塊1均與DSP控制器2-1相接。每 個所述射頻收發模塊3均包括一個短距離無線通信模塊3-1和一個距離可調式無線通信模 塊3-2,所述短距離無線通信模塊3-1和距離可調式無線通信模塊3-2均為Zigbee無線通 信模塊且二者均與現場可編程邏輯器件FPGA2-2相接。所述短距離無線通信模塊3-1包括 第一無線射頻芯片3-11以及分別與第一無線射頻芯片3-11相接的第一收發天線3-12和 第一串行通信接口 3-13,所述第一無線射頻芯片3-11通過第一串行通信接口 3-13與現場 可編程邏輯器件FPGA2-2相接。所述距離可調式無線通信模塊3-2包括第二無線射頻芯片 3-21、分別與第二無線射頻芯片3-21相接的無線收發距離調整電路3-24和第二串行通信 接口 3-23以及與無線收發距離調整電路3-24相接的第二收發天線3-22,所述第二無線射 頻芯片3-21通過第二串行通信接口 3-23與現場可編程邏輯器件FPGA2-2相接。所述無線 收發距離調整電路3-24包括對第二無線射頻芯片3-21所收發信號的功率進行放大的功率 放大電路3-241和對功率放大電路3-241的功率放大倍數進行調整的功率調整電路3-242， 所述功率調整電路3-242與功率放大電路3-241相接，所述功率放大電路3-241連接于第 二無線射頻芯片3-21與第二收發天線3-22之間，所述功率調整電路3-242與現場可編程 邏輯器件FPGA2-2相接。所述第一無線射頻芯片3-11和第二無線射頻芯片3-21均為芯片 CC2430或芯片CC2420。所述電源模塊包括供電電源、與所述供電電源相接的電源控制芯片 以及分別與供電電源相接的第一電壓轉換電路、第二電壓轉換電路和第三電壓轉換電路， 所述第一電壓轉換電路的電壓輸出端與DSP控制器2-1相接，所述第二電壓轉換電路的電 壓輸出端與現場可編程邏輯器件FPGA2-2相接，所述第一無線射頻芯片3-11和第二無線射 頻芯片3-21均與所述第三電壓轉換電路的電壓輸出端相接。
[0030] 本實施例中，所述數據處理模塊2還包括與DSP控制器2-1相接的第三串行通信 接口 2-3,所述DSP控制器2-1通過第三串行通信接口 2-3與上位機進行雙向通信。
[0031] 同時，所述數據處理模塊2還包括與DSP控制器2-1相接的數據存儲單元2-4和 時鐘芯片2-5。
[0032] 本實施例中，所述數據采集模塊1包括供電模塊1-4、信號傳感器1-1、與信號傳感 器1-1相接的采樣保持電路1-2和與采樣保持電路1-2相接的A/D轉換模塊1-3,所述A/D 轉換模塊1-3與DSP控制器2-1相接；所述信號傳感器1-1、采樣保持電路1-2和A/D轉換 模塊1-3均與供電模塊1-4相接；所述信號傳感器1-1為對溫度、濕度、壓力、拉力或可燃氣 體濃度進行實時檢測的模擬信號傳感器。實際使用過程中，可以根據具體檢測需要，采用相 應類型的傳感器，不限于上述傳感器類型。
[0033] 本實施例中，所述射頻收發模塊3的數量為三個。實際使用時，可以根據需要將射 頻收發模塊3的數量擴展為η個。
[0034] 實際使用過程中，所述數據處理模塊2中的DSP控制器2-1負責各種接口的控制 和數據的分配任務，所述數據處理模塊2中的現場可編程邏輯器件FPGA2-2用于收發數據 的處理以及無線射頻模塊3-1的控制，可實現多個射頻收發模塊3的同步或者異步傳輸功 能。由于每個所述射頻收發模塊3均包括一個短距離無線通信模塊3-1和一個距離可調式 無線通信模塊3-2,因而每個射頻收發模塊3均具有近距離簡單射頻收發和收發距離可調 式的射頻收發兩種射頻收發模式，實際使用時，可以根據具體需要，進行相應調整。實際使 用時，所述距離可調式無線通信模塊3-2的收發距離通過功率調整電路3-242進行簡便調 整，而功率調整電路3-242由現場可編程邏輯器件FPGA2-2進行控制，因而能簡便實現收發 距離的調整，并能實現幾十米至幾百米的可變距離的通信。
[0035] 以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明 技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技 術方案的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，其特征在于：包括數據處理模塊（2)、 多個分別與數據處理模塊（2)相接的數據采集模塊（1)、多個分別與數據處理模塊（2)相 接的射頻收發模塊（3)以及為數據處理模塊（2)和多個所述射頻收發模塊（3)進行供電的 電源模塊，所述數據處理模塊（2)和多個所述射頻收發模塊（3)均與電源模塊相接；所述數 據處理模塊（2)包括DSP控制器（2-1)和與DSP控制器（2-1)相接的現場可編程邏輯器件 FPGA (2-2)，多個數據采集模塊（1)均與DSP控制器（2-1)相接；每個所述射頻收發模塊（3) 均包括一個短距離無線通信模塊（3-1)和一個距離可調式無線通信模塊（3-2)，所述短距 離無線通信模塊（3-1)和距離可調式無線通信模塊（3-2)均為Zigbee無線通信模塊且二 者均與現場可編程邏輯器件FPGA (2-2)相接；所述短距離無線通信模塊（3-1)包括第一無 線射頻芯片（3-11)以及分別與第一無線射頻芯片（3-11)相接的第一收發天線（3-12)和 第一串行通信接口（3-13)，所述第一無線射頻芯片（3-11)通過第一串行通信接口（3-13) 與現場可編程邏輯器件FPGA (2-2)相接；所述距離可調式無線通信模塊（3-2)包括第二 無線射頻芯片（3-21)、分別與第二無線射頻芯片（3-21)相接的無線收發距離調整電路 (3-24)和第二串行通信接口（3-23)以及與無線收發距離調整電路（3-24)相接的第二收 發天線（3-22)，所述第二無線射頻芯片（3-21)通過第二串行通信接口（3-23)與現場可編 程邏輯器件FPGA (2-2)相接；所述無線收發距離調整電路（3-24)包括對第二無線射頻芯 片（3-21)所收發信號的功率進行放大的功率放大電路（3-241)和對功率放大電路（3-241) 的功率放大倍數進行調整的功率調整電路（3-242)，所述功率調整電路（3-242)與功率放 大電路（3-241)相接，所述功率放大電路（3-241)連接于第二無線射頻芯片（3-21)與第二 收發天線（3-22)之間，所述功率調整電路（3-242)與現場可編程邏輯器件FPGA (2-2)相 接；所述第一無線射頻芯片（3-11)和第二無線射頻芯片（3-21)均為芯片CC2430或芯片 CC2420;所述電源模塊包括供電電源、與所述供電電源相接的電源控制芯片以及分別與供 電電源相接的第一電壓轉換電路、第二電壓轉換電路和第三電壓轉換電路，所述第一電壓 轉換電路的電壓輸出端與DSP控制器（2-1)相接，所述第二電壓轉換電路的電壓輸出端與 現場可編程邏輯器件FPGA(2-2)相接，所述第一無線射頻芯片（3-11)和第二無線射頻芯片 (3-21)均與所述第三電壓轉換電路的電壓輸出端相接。
2. 按照權利要求1所述的一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，其特征在于： 所述數據處理模塊（2)還包括與DSP控制器（2-1)相接的第三串行通信接口（2-3)，所述 DSP控制器（2-1)通過第三串行通信接口（2-3)與上位機進行雙向通信。
3. 按照權利要求1或2所述的一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，其特征在 于：所述數據采集模塊（1)包括供電模塊（1-4)、信號傳感器（1-1)、與信號傳感器（1-1)相 接的采樣保持電路（1-2)和與采樣保持電路（1-2)相接的A/D轉換模塊（1-3)，所述A/D轉 換模塊（1-3)與DSP控制器（2-1)相接；所述信號傳感器（1-1)、采樣保持電路（1-2)和A/ D轉換模塊（1-3)均與供電模塊（1-4)相接；所述信號傳感器（1-1)為對溫度、濕度、壓力、 拉力或可燃氣體濃度進行實時檢測的模擬信號傳感器。
4. 按照權利要求1或2所述的一種可實現多輸入多輸出的無線傳感器節點，其特征在 于：所述數據處理模塊（2)還包括與DSP控制器（2-1)相接的數據存儲單元（2-4)和時鐘 芯片（2-5)。
【文檔編號】H04B7/04GK104065404SQ201410312714
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】周田心, 馬詩洋, 李穎 申請人:西安電子科技大學