無線壓力測量系統的製作方法

2023-09-21 00:56:35 1

專利名稱：無線壓力測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於壓力測量技術領域，尤其是涉及一種無線壓力測量系統。
背景技術：
目前，市場上出現的無線壓力測量產品主要是單個的無線壓力傳感器或變送器， 其主要功能是單純地由壓力傳感器向外發送數據，沒有相關需要的網絡管理功能。因而實 際使用過程中，每個接收控制端能夠接入的無線傳感器節點數量有限，並且極易發生並發 傳輸，從而造成信道堵塞或數據丟失，從而大大限制了無線壓力測量產品的應用範圍。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種無線 壓力測量系統，其體積小、安裝方便、使用簡單且精度高、使用效果好、具有無線通信功能， 能有效避免由於同時發送數據產生的信道阻塞和數據丟失現象。為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是一種無線壓力測量系統，其 特徵在於包括分別布設在被監測區域內多個監測部位上的多個無線傳感器節點和對多個 無線傳感器節點進行綜合管理且將多個無線傳感器節點所監測數據數據上傳至控制終端 的中心協調器，多個無線傳感器節點與中心協調器間均通過無線通信方式進行雙向通信且 共同組成一個同時對多個所述監測部位所受壓力進行實時監測的無線傳感器網絡；所述無 線傳感器節點包括壓力傳感器、與壓力傳感器相接的數據處理模塊、與數據處理模塊相接 且用於數據收發的無線通訊模塊一以及分別為壓力傳感器、數據處理模塊和無線通訊模塊 一供電的電源管理模塊，所述電源管理模塊分別與壓力傳感器、數據處理模塊和無線通訊 模塊一相接；所述中心協調器包括網絡管理伺服器和與無線通訊模塊一進行雙向通信且用 於數據收發的無線通訊模塊二，所述無線通訊模塊二與網絡管理伺服器相接。還包括對多個所述無線傳感器節點與中心協調器間所傳輸數據進行轉發的路由 節點，所述路由節點為具有路由功能的無線通訊模塊三，所述無線通訊模塊三分別與無線 通訊模塊一和無線通訊模塊二間進行雙向通信。所述無線通訊模塊一、無線通訊模塊二和所述無線通訊模塊三均為Zigbee無線 通信模塊。所述數據處理模塊包括與壓力傳感器相接且對壓力傳感器所檢測信號進行放大 處理的信號調理模塊、與信號調理模塊相接的A/D轉換模塊、與A/D轉換模塊相接的控制模 塊以及分別與控制模塊相接的數據存儲模塊和顯示模塊。所述控制模塊為單片機，且所述單片機為晶片MSP430。所述中心協調器與控制終端間通過串口 RS232或RS485進行連接。本實用新型與現有技術相比具有以下優點1、結構簡單、體積小且設計合理，安裝布設方便，製作成本低，使用操作簡便。2、靈活的組網功能，依據實際環境的不同可以組成星型網、樹型網和網狀網，通過分布路由節點可以大大擴展無線網絡的覆蓋範圍。同時，系統採用2. 4GHz免費的ISM頻段 Zigbee無線組網方式，使用時無須額外支付通信費。3、低功耗，接收時電流< 55mA，發射電流小於或等於70mA。系統採用間歇收發工 作模式，絕大部分時間處於休眠模式，電池的工作時間在半年以上(每5分鐘更新一次數 據)。4、高穩定性，採用了 CSMA/CA防衝突機制和TDMA算法，極大的降低了並發傳輸的 發生概率，避免了信道的堵塞和數據的丟失。5、超遠的通信距離，採用了帶有功率放大的無線傳輸模塊，理想情況下可視傳輸 距離最遠可達1km，穩定傳輸距離在400米以上。6、壓力檢測部分即壓力變送器的精度可達0. 5%以上，帶有-10C-60C的溫度補 償，並且支持0-60MPa所有量程的擴散矽和陶瓷壓力傳感芯體。7、適用範圍廣，可以替代傳統的有線壓力監控網絡，應用於煤礦、油田、供暖系統 等管道傳輸的壓力測量。主要應用領域是針對野外或配套供電環境不便的場合，如輸油，輸 汽，供暖等輸送能源管道等地方進行壓力監測，實現信號無線遠傳。配合無線通訊接收模塊 使用，上位機可直接使用組態實時監測採集數據。8、設計合理，在原有的無線壓力傳感器和協調器的基礎上，加入了網絡管理功能， 採用TDMA時序算法，為每個無線傳感器節點設定一個時間標籤，把每個數據傳輸周期分成 若干個時隙，每個無線傳感器節點在固定的時隙內發送數據，從而避免了並發傳輸的發生， 大大增加了中心協調器的負載能力，提高了整個系統的穩定性。綜上所述，本實用新型體積小、安裝方便、使用簡單且精度高、使用效果好，內嵌有 Zigbee無線通信模塊且採用了 CSMA/CA防衝突機制，有效避免了由於同時發送數據產生的 信道阻塞和數據丟失現象。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

圖1為本實用新型的工作原理圖。圖2為本實用新型無線傳感器節點的電路框圖。圖3為本實用新型中心協調器的工作原理圖。附圖標記說明1-無線傳感器節點；1-1-壓力傳感器；1-2-數據處理模塊；1-21-信號調理模塊；1-22-A/D轉換模塊；1_23_控制模塊；1-24-數據存儲模塊；1-25-顯示模塊；1_3_無線通訊模塊一1-4-電源管理模塊；2-中心協調器；2-1-網絡管理伺服器2-2-無線通訊模塊二 ； 3-控制終端；4-路由節點。
具體實施方式如圖1、圖2及圖3所示，本實用新型包括分別布設在被監測區域內多個監測部位 上的多個無線傳感器節點1和對多個無線傳感器節點1進行綜合管理且將多個無線傳感器 節點1所監測數據數據上傳至控制終端3的中心協調器2，多個無線傳感器節點1與中心協調器2間均通過無線通信方式進行雙向通信且共同組成一個同時對多個所述監測部位所 受壓力進行實時監測的無線傳感器網絡。所述無線傳感器節點1包括壓力傳感器1-1、與壓 力傳感器1-1相接的數據處理模塊1-2、與數據處理模塊1-2相接且用於數據收發的無線通 訊模塊一 1-3以及分別為壓力傳感器1-1、數據處理模塊1-2和無線通訊模塊一 1-3供電的 電源管理模塊1-4，所述電源管理模塊1-4分別與壓力傳感器1-1、數據處理模塊1-2和無 線通訊模塊一 1-3相接。所述中心協調器2包括網絡管理伺服器2-1和與無線通訊模塊一 1-3進行雙向通信且用於數據收發的無線通訊模塊二 2-2，所述無線通訊模塊二 2-2與網絡 管理伺服器2-1相接。所述網絡管理伺服器2-1與控制終端3相接。同時，本實用新型還包括對多個所述無線傳感器節點1與中心協調器2間所傳輸 數據進行轉發的路由節點4，所述路由節點4為具有路由功能的無線通訊模塊三，所述無線 通訊模塊三分別與無線通訊模塊一 1-3和無線通訊模塊二 2-2間進行雙向通信。所述路由 節點4的數量為多個。本實施例中，所述無線通訊模塊一 1-3、無線通訊模塊二 2-2和所述無線通訊模塊 三均為Zigbee無線通信模塊，具體為基於Zigbee無線通信協議的2. 4GHz射頻收發器。所述數據處理模塊1-2包括與壓力傳感器1-1相接且對壓力傳感器1-1所檢測信 號進行放大處理的信號調理模塊1-21、與信號調理模塊1-21相接的A/D轉換模塊1-22、與 A/D轉換模塊1-22相接的控制模塊1-23以及分別與控制模塊1_23相接的數據存儲模塊 1-24和顯示模塊1-25。所述控制模塊1-23為單片機，且所述單片機為晶片MSP430。所述 中心協調器2與控制終端3間通過串口 RS232或RS485進行連接。實際使用過程中，無線傳感器節點1中的壓力傳感器1-1在硬體上支持0-60MPa 所有量程，並採用陶瓷和擴散矽材料製作；數據處理模塊1-2採用低功耗的MSP430單片機， 由單片機向壓力傳感器1-1提供激勵電壓且其片載16位A/D轉換模塊1-22定時採集壓力 傳感器1-1的輸出信號，並通過濾波、線性補償和溫度補償後得到壓力數據，並且最終將壓 力數據顯示在顯示模塊1-25的LCD顯示屏上，同時單片機片載異步通信模塊將壓力數據傳 輸給無線通訊模塊一 1-3 ；無線通訊模塊一 1-3平時處於低功耗休眠模式，當有數據需要傳 輸時，自動喚醒，然後將收到的壓力數據發送給中心協調器2。當無線傳感器節點1與中心協調器2之間的距離超出無線信號的覆蓋範圍時，則 需通過路由節點4進行數據轉發。在建立Zigbee網絡時，路由節點4必須能偵測到所有自 己能夠聯絡到的無線傳感器節點1並判斷自己相應的中繼深度，最終建立自偵測到的所有 無線傳感器節點1至中心協調器2的通信路徑。路由節點4的工作原理是如果其中一個 路由節點4發現自己周圍有中心協調器2，則此路由節點4的中繼深度為1 ；如果其中一個 路由節點4沒有發現自己周圍有中心協調器2，則開始搜索自己能夠聯絡到的中繼深度最 小(設為η)的其它路由節點4，則此路由節點4的中繼深度為η+1。總之，建立無線傳感器 網絡時，無線傳感器節點1搜索所有能夠聯絡到的路由節點4和中心協調器2，如果沒有中 心協調器2，就找尋中繼深度最低的路由節點4，組成一條由無線傳感器節點1到中繼深度 為η的路由節點4，再由中繼深度為η的路由節點4到中繼深度為η_1的路由節點4，再由 中繼深度為n-1的路由節點4到中繼深度為n-2的路由節點4，...，由中繼深度為2的路 由節點4到中繼深度為1的路由節點4，再由中繼深度為1的路由節點4到中心協調器2的 通信路徑。[0036]中心協調器2主要功能是管理所有無線傳感器節點1的工作時序、接收所有無線 傳感器節點1的壓力數據和通過串口 RS232或RS485等接口傳輸至控制終端3。實際設計 時，整個無線網絡系統將依據TDMA算法為所有的控制終端3分配通信時序，具體實現方法 是為所有控制終端3設置一個統一的時間標籤F，整個系統的通信周期為T，Zigbee無線通 信模塊的傳輸速率為v，數據量為D，則兩個無線傳感器節點1之間的通信時間為t = vXD， 單位時隙長度為I = t+At，無線傳感器節點1所對應路由節點4的中繼深度為n，網絡地
址為N，那麼它的時隙長度為I =nXt，其所在時隙為 = N∑j=1Ij。每個通信周期內每個無線傳
感器節點1都向中心協調器2通報自己的時間標籤F，應當滿足:F α [i-σ, + σ],如果某個 無線傳感器節點1的時間標籤F超出範圍，則由中心協調器2發送時間命令調整它的時間屬性。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何限制，凡是根 據本實用新型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 屬於本實用新型技術方案的保護範圍內。
權利要求一種無線壓力測量系統，其特徵在於包括分別布設在被監測區域內多個監測部位上的多個無線傳感器節點(1)和對多個無線傳感器節點(1)進行綜合管理且將多個無線傳感器節點(1)所監測數據數據上傳至控制終端(3)的中心協調器(2)，多個無線傳感器節點(1)與中心協調器(2)間均通過無線通信方式進行雙向通信且共同組成一個同時對多個所述監測部位所受壓力進行實時監測的無線傳感器網絡；所述無線傳感器節點(1)包括壓力傳感器(1-1)、與壓力傳感器(1-1)相接的數據處理模塊(1-2)、與數據處理模塊(1-2)相接且用於數據收發的無線通訊模塊一(1-3)以及分別為壓力傳感器(1-1)、數據處理模塊(1-2)和無線通訊模塊一(1-3)供電的電源管理模塊(1-4)，所述電源管理模塊(1-4)分別與壓力傳感器(1-1)、數據處理模塊(1-2)和無線通訊模塊一(1-3)相接；所述中心協調器(2)包括網絡管理伺服器(2-1)和與無線通訊模塊一(1-3)進行雙向通信且用於數據收發的無線通訊模塊二(2-2)，所述無線通訊模塊二(2-2)與網絡管理伺服器(2-1)相接。
2.按照權利要求1所述的無線壓力測量系統，其特徵在於還包括對多個所述無線傳 感器節點⑴與中心協調器⑵間所傳輸數據進行轉發的路由節點(4)，所述路由節點(4) 為具有路由功能的無線通訊模塊三，所述無線通訊模塊三分別與無線通訊模塊一(1-3)和 無線通訊模塊二(2-2)間進行雙向通信。
3.按照權利要求2所述的無線壓力測量系統，其特徵在於所述無線通訊模塊一 (1-3)、無線通訊模塊二(2-2)和所述無線通訊模塊三均為Zigbee無線通信模塊。
4.按照權利要求1、2或3所述的無線壓力測量系統，其特徵在於所述數據處理模塊 (1-2)包括與壓力傳感器(1-1)相接且對壓力傳感器(1-1)所檢測信號進行放大處理的信 號調理模塊(1-21)、與信號調理模塊(1-21)相接的A/D轉換模塊(1-22)、與A/D轉換模塊 (1-22)相接的控制模塊(1-23)以及分別與控制模塊(1-23)相接的數據存儲模塊(1_24) 和顯示模塊(1-25)。
5.按照權利要求4所述的無線壓力測量系統，其特徵在於所述控制模塊(1-23)為單 片機，且所述單片機為晶片MSP430。
6.按照權利要求1、2或3所述的無線壓力測量系統，其特徵在於所述中心協調器(2) 與控制終端(3)間通過串口 RS232或RS485進行連接。
專利摘要本實用新型公開了一種無線壓力測量系統，包括多個無線傳感器節點和對多個無線傳感器節點進行綜合管理且將多個無線傳感器節點所監測數據數據上傳至控制終端的中心協調器，多個無線傳感器節點與中心協調器共同組成對多個監測部位所受壓力進行實時監測的無線傳感器網絡；無線傳感器節點包括壓力傳感器、數據處理模塊、無線通訊模塊一和電源管理模塊；中心協調器包括網絡管理伺服器和與無線通訊模塊一進行雙向通信的無線通訊模塊二；還包括對無線傳感器節點與中心協調器間傳輸數據進行轉發的路由節點。本實用新型體積小、安裝方便、使用簡單且精度高、使用效果好、具有無線通信功能，能有效避免由於同時發送數據產生的信道阻塞和數據丟失現象。
文檔編號G01L5/00GK201637523SQ201020155178
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者張栩, 袁永平, 谷榮祥 申請人:西安中星測控有限公司