防爆環境用物聯網溫溼度感知節點的製作方法

2023-06-15 15:28:21 2

專利名稱：防爆環境用物聯網溫溼度感知節點的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，更具體的說，尤其涉及一種無需布線可自組網的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點。
背景技術：
物聯網技術作為繼網際網路之後信息產業發展史上的又一重大裡程碑，已引起世界各國的高度重視。2008年11月，美國將物聯網發展上升為美國國家發展戰略。2009年6月， 歐盟制定並公布了包括標準化、研究項目、管理機制和國際對話等14個方面的物聯網行動計劃；2009年8月，日本制定了 EPC系統國家發展戰略，將物聯網列為國家重點戰略項目之一 ；2002年4月，韓國計劃在2012年建成全國範圍內的物聯網基礎設施。2009年8月，溫家寶總理在無錫傳感網產業發展時明確指示要儘快建立中國的傳感信息中心，即「感知中國」中心。國家「十二五「規劃將物聯網技術列為優先發展的高新技術之一。物聯網技術在消費電子、智能家居、智能建築、醫療監護、環境監測、智能交通、汽車電子、工業控制、機器人系統、軍事等領域中有著廣泛的應用，特別是針對軍事、煤礦、油田等爆炸環境，物聯網的構建相對困難，對物聯網感知節點的感知精度、組網可靠性和防爆能力有著更高的要求。物聯網體系架構按照層次劃分一般分為感知層、信息處理層和應用層三部分。感知節點是構建物聯網感知前端的基本單元，特別是溫/溼度節點設備，在空調製冷、建築節能、煤礦(油田)環境監測、機電設備狀態監控、農業大棚、釀酒、軍用倉儲等領域有著廣泛的用途。現有的溫溼度感知設備，如PT100溫度傳感器，工業用溫度變送器，環境監測用溼度探測器等，存在以下缺陷(I)節點設備多採用有線連接，基於適配器供電，移動性差，不能滿足物聯網快速自組網、移動數據交換等發展需求。(2)少有的無線感知節點功耗較高，節點設備多缺乏防爆設計，無法適用於軍事、煤礦、油田等爆炸環境。(3)溫度、溼度分離設計，不能滿足溫溼度一體化測量需求。我國國家防爆標準GB3836規定，應用於危險性環境的電氣電子設備必須滿足防爆標準。如煤礦井下、油田、軍用倉庫等。按照應用於危險環境的電氣電子設備所採取的防爆措施不同，可把防爆電氣設備分為本質安全型(簡稱本安型)、隔爆型、增安型、正壓型、油浸型、充砂型、澆封型、粉塵防爆型等，其中本安型具有經濟成本低、易於實現的優點，是物聯網一體化設備設計的首選。本安設計是指在規定的試驗條件下，正常工作或規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體混合物的電路設計。規定的試驗條件是指在考慮了各種最不利因素(包括一定的安全係數、試驗介質濃度等)的試驗條件。發展一種應用於防爆環境下的基於物聯網技術的溫溼度感知節點顯得尤為重要。
發明內容本實用新型為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種無需布線可自組網的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點。[0007]本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，包括提供電能的電源單元、用於外界參數採集的傳感器單元以及實現信息處理並輸入輸出數據的微控制單元，微控制單元通過功率放大電路與進行無線信號收發的天線連接；其特別之處在於還包括用於兩路差分信號與單一天線信號之間進行轉換的微帶巴倫電路；微帶巴倫電路的輸入端與微控制單元的信號埠相連接，輸出端與功率放大電路的輸入端相連接；所述傳感器單元為可同時進行溫度和溼度信息採集的傳感器。電源單元用於給整個溫溼度感知節點提供電能，傳感器單元實現外界溼度和溫度信號的檢測，微控制單元實現數據的採集、運算以及輸出和接收無線信號。功率放大電路用於發送和接收信號的功率放大，天線用於發送和接收無線信號；在發送狀態下，微帶巴倫電路將兩路差分信號轉化為單一天線信號進行發送；在接收狀態下，微帶巴倫電路將接收的單一天線信號轉化為兩路差分信號。通過設置可進行溫溼度信息採集的傳感器以及可進行無線信號收發的物聯網組網電路，實現了環境參數的採集以及各個溫溼度感知節點的組網，方便了防爆區域的溫溼度信息的採集。本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，還設置有用於接收與發送狀態轉換的組合開關，組合開關的控制端與微控制單元的信號發送和控制埠相連接。微控制單元通過對組合開關的控制，可有效地實現數據的發送和接收。本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，所述傳感器單元採用的溫溼度傳感器型號為SHTlx。SHTlx為Sensirion公司生產的智能型溫溼度一體傳感器，該傳感器採用電容式結構，測量精度較高且可精確得出露點，不會隨溫度梯度變化產生誤差。本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，所述傳感器單元置於具有防潮作用的收集室中；傳感器單元與採集溫溼度數據的微控制單元之間通過阻燃電纜相連接。設置收集室，可保證傳感器檢測數據的精確性，傳感器單元與微控制單元通過阻燃電纜相連接，確保本質安全電路的防爆功能。本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，所述微控制單元、微帶巴倫電路、組合開關、功率放大電路和天線均採用本質安全型電路。設置為本質安全型電路，更加符合防爆區域對電氣設備防爆性能的要求。本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，所述微控制單元採用CC2430晶片。採用CC2430晶片可有效地實現ZigBee為基礎的2. 4GHz ISM波段數據的發送和接收。本實用新型的有益效果是本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，通過設置可對溫度和溼度信息同時進行採集的傳感器單元，以及設置了微控制單元、微帶巴倫電路、組合開關、功率放大電路以及天線，有效地在防爆區域構建無線傳感器網絡並進行溫溼度信息的採集，具有布設方便、採集信息全面以及便於組網的優點。其(I)本實用新型可支持多達65535個節點自組網，無線通信不需要預先布設基站等基礎設施，無需電源線和數據線，移動能力強，可滿足物聯網應用需求。(2)與GPRS、點對點無線通信相比，本實用新型支持ZigBee無線標準，支持Mesh網絡，組網簡單方便，且使用免費2. 4 G頻段，符合國際通用無需批准的規範，不需要支付額外的運營費用，成本低。(3)本實用新型通過低功耗設計和外殼防爆設計，可適用於易燃易爆環境，進一步提升了設備的抗燥性、拓寬了應用範圍。
圖I為本實用新型的溼度感知節點的原理圖；圖2為本實用新型的溼度感知節點採用防爆設計的原理圖；圖3為本實用新型的溼度感知節點中傳感器單元的電路連接圖。圖中1電源單元，2傳感器單元，3微控制單元，4微帶巴倫電路，5組合開關，6功率放大電路，7天線，8收集室，9阻燃電纜。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。 如圖I和圖2所示，給出了本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點的原理圖，其包括電源單元I、傳感器單元2、微控制單元3、微帶巴倫電路4、組合開關5、功率放大電路6、天線7、收集室8、阻燃電纜9 ;電源單元I用於給整個溫溼度感知節點提供穩定電壓，保證其正常工作；微控制單元3用於數據的採集、運算和處理，並通過微帶巴倫電路4接受和發送數據；微控制單元3可採用CC2430晶片，以便實現基於2. 4 G頻段的無線網絡通信。傳感器單元2可以選用瑞士 Sensirion公司生產的SHTlx型智能溫溼度一體傳感器,該傳感器採用電容式結構，測量精度較高且可精確得出露點，不會隨溫度梯度變化產生誤差。溫溼度傳感器單元外圍電路較為簡單，原理圖如圖3所示。微控制器(CC2430)通過兩線信號向SHTlx傳感器發送指令及時序控制命令來控制傳感器的內部寄存器，達到讀取溫度和溼度值的目的。由CC2430晶片組成的微控制單元3的Positive RF和Negative RF與微帶巴倫電路4相連接，在發送模式下，實現兩路差分信號到50ohm單一信號的合併，在接收模式下將單一的50ohm天線信號分離為兩路差分信號；同時微帶巴倫電路4還具有阻抗匹配和直流電輸出的作用。CC2430晶片的RX/TX Switch接口與組合開關5相連接，微控制單元3通過同組合開關5的狀態控制，可實現信號的發送和接受。功率放大電路6的輸入端與微帶巴倫電路4相連接，用於實現接收和發送信號的放大；天線7與功率放大電路6的輸出端線連接，無線數據通過天線7向外部發送，也通過天線7接收外界的無線信號。其中，組合開關5可以採用NC7S86異或門、NC7S04反相器以及兩個UPG開關器件構成。微控制單元3的RX/TX Switch管腳與異或門連接，通過異或門和反相器，使得收發狀態保持一高一低，通過低電平控制開關器件一路導通，收發信號分別與微控制單元3的Positive RF、Negative RF管腳連接,從而達到發送與接收信號的切換。電源單元I主要功能是通過穩壓控制，向傳感器單元和ZigBee核心單元提供3. 3V穩壓電壓，其電路較為簡單，可以選用LM3. 3V穩壓晶片實現。為了保證整個溫溼度感知節點符合國家防爆標準的規定，微控制單元3、微帶巴倫電路4、組合開關5、功率放大電路6和天線7均採用本質安全型電路；傳感器單元2設置在具有防潮作用的收集室8中，並通過阻燃電纜9與微控制單元3相連接，以便達到本安防爆的效果。在具體的設計過程中，還可通過以下措施加強其防爆性能，(O限制節點能量；在電路設計時應對電路在短路、開路、斷路以及誤操作等各種狀態下可能發生的電火花予以限制，可靠地將電路中的電壓和電流限制在所允許範圍內，以確保電氣設備正常工作或發生短接及元器件損壞等故障情況下產生的火花或熱效應不至於引起周圍可能存在的危險氣體的爆炸。本安設計首先應依照GB3836. 4防爆標準進行嚴格的PCB板電路設計。設計時先將單元電路等效為簡單電阻電路、簡單電容電路或簡單電感電路進行分析，根據點燃能力參考獲得電路的安全參數；對於比較複雜的電路，進行點燃能力實驗，將其相應的最小點燃電流或最小點燃電壓作為電路安全參數選擇的依據。對不能滿足上述要求的電路，採取降低電路電壓或電流措 施。(2)最高表面溫度控制；為保證各部分元件無論在正常還是在故障狀態下，最高表面溫度不大於所允許的最高值，設計時通過功率計算或者實際測定表面溫度的方法，得到最不利工作條件或故障狀態下元件的最高表面溫度，判定其是否滿足指標要求。
權利要求1.一種防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，包括提供電能的電源單元(I)、用於外界參數採集的傳感器單元(2)以及實現信息處理、輸入輸出功能的微控制單元(3)，微控制單元通過功率放大電路(6)與進行無線信號收發的天線(7)連接；其特徵在於還包括用於兩路差分信號與單一天線信號之間進行轉換的微帶巴倫電路(4);微帶巴倫電路的輸入端與微控制單元的信號埠相連接，輸出端與功率放大電路的輸入端相連接；所述傳感器單元(2)為可同時進行溫度和溼度信息採集的傳感器。
2.根據權利要求I所述的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，其特徵在於還設置有用於接收與發送狀態轉換的組合開關(5)，組合開關的控制端與微控制單元(3)的信號發送和控制埠相連接。
3.根據權利要求I或2所述的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，其特徵在於所述傳感器單元(2)採用的溫溼度傳感器型號為SHTlx。
4.根據權利要求3所述的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，其特徵在於所述傳感器單元(2)置於具有防潮作用的收集室(8)中；傳感器單元與採集溫溼度數據的微控制單元(3 )之間通過阻燃電纜(9 )相連接。
5.根據權利要求I或2所述的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，其特徵在於所述微控制單元(3 )、微帶巴倫電路(4 )、組合開關(5 )、功率放大電路(6 )和天線(7 )均採用本質安全型電路。
6.根據權利要求I或2所述的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，其特徵在於所述微控制單元(3)採用CC2430晶片。
專利摘要本實用新型的防爆環境用物聯網溫溼度感知節點，包括電源單元、傳感器單元和微控制與通信單元，特徵在於還包括用於轉換接收與發射信號的微帶巴倫電路；微帶巴倫電路與微控制與通信單元的信號埠相連接，輸出端與功率放大電路的輸入端相連接；傳感器單元為可同時進行溫度和溼度信息採集的傳感器。本實用新型有效地在防爆區域構建無線傳感器網絡並進行溫溼度信息的採集，具有布設方便、溫溼度一體化採集、自組網和防爆等優點。(1)可支持65535個節點，無需電源線和數據線，滿足物聯網應用需求。(2)支持ZigBee無線標準，使用免費2.4Ｇ頻段，無需費用，成本低。(3)溫溼度一體化採集。(4)低功耗和防爆設計，提升了設備的抗燥性、拓寬了應用範圍。
文檔編號G01N27/22GK202433112SQ201220030599
公開日2012年9月12日 申請日期2012年1月31日 優先權日2012年1月31日
發明者裴忠民 申請人:裴忠民