一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置製造方法
2023-07-22 13:54:31 2
一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，該裝置安裝在物流車輛不同位置組成無線網絡，包括傳感器接口電路、ZigbeeRF模塊、通信接口電路、用於控制ZigbeeRF模塊開始和結束配置的按鍵電路、用於指示ZigbeeRF模塊開始和結束配置的指示燈電路、電源模塊、用於控制電源模塊供電的開關控制電路。本發明基於Zigbee無線傳感網絡，設計通用的傳感器接口，適用於大多數物流車輛監測用傳感器，通過設計開關電路和軟體實現產品的低功耗，通過上位機軟體無線或有線地配置裝置可使得完成監測任務的情況下，靈活重構產品功能，以適應不同場合下的物流車輛，操作變得更加方便，維護成本下降。
【專利說明】一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及車輛狀態監測領域，更具體地，涉及一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置。
【背景技術】
[0002]隨著我國國民經濟的持續快速發展，物流車輛在途安全一直是困擾業界和政府的重大問題。物流車輛在運輸過程中一旦出現安全事故，將會對社會公眾的生命、財產安全造成重大危害，如果運輸的是危化品，還會對生態環境造成重大汙染和破壞。近年來，我國已發生多起物流車輛重特大安全事故，若能實現對物流車輛在途安全的全面監測、跟蹤與預警報警，就能極大地減少和避免事故，控制事態發展，避免災難發生，確保物流運輸，尤其是危化品運輸與環境安全。
[0003]採集不同物流車輛的狀態信號量需要各種傳感器，模擬量輸出傳感器的輸出信號一般有:4-20MA、0-5V、0-3.3V ;數字量傳感器的輸出信號一般有高電平5V、3.3V、1.8V，低電平0V。針對各種不同的信號，如果採用單一信號的採集模塊，成本較高、通用性不強、不容易維護。
[0004]另外信號採集傳感器一般需要安裝在車輛上的各個採集點，供電和布線是個難題，傳統的有線數據採集及傳輸系統，存在成本高、布線困難、維護費用高等缺點，而一般的無線數據採集及傳輸系統，也存在能耗大、數據傳輸不穩定、幹擾嚴重或不能組網等問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，來實現利用Zigbee RF模塊發送、接收和處理數據，讓物流車輛上狀態監測用傳感器接口統一併使整個裝置功耗低。
[0006]為了達到上述目的，本發明的技術方案如下:
一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，該裝置安裝在物流車輛不同位置組成無線網絡，包括:傳感器接口電路、Zigbee RF模塊、通信接口電路、用於控制ZigbeeRF模塊開始和結束配置的按鍵電路、用於指示Zigbee RF模塊開始和結束配置的指示燈電路、電源模塊、用於控制電源模塊供電的開關控制電路；所述傳感器接口電路與Zigbee RF模塊連接，Zigbee RF模塊通過通信接口電路與上位機連接；Zigbee RF模塊分別與按鍵電路、指示燈電路、電源模塊、開關控制電路電連接；開關控制電路分別與傳感器接口電路、電源模塊電連接；所述Zigbee RF模塊利用上位機來設置參數；所述Zigbee RF模塊具有休眠模式，在Zigbee RF模塊配置為休眠模式時，開關控制電路切斷電源模塊對外接設備的電源供應。
[0007]通過整合物流車輛用的常用傳感器接口為統一的傳感器接口，通過配置參數可以讓Zigbee RF模塊處於可休眠模式，通過Zigbee RF模塊的1 口來控制CMOS元件通斷在Zigbee RF休眠期間切斷一些外設電源消耗來達到低功耗目的，通過編寫上位機配套軟體可靈活重構此裝置的功能。此裝置通過車載無線傳感網絡採集和傳輸數據，方便維護、實現了無人為幹擾下的穩定組網數傳和功耗控制，在物流領域適用性強。
[0008]優選地，所述傳感器接口包括若干個可調節引腳功能的接口和與每個接口對應的調節其引腳功能的旋轉檔位調節開關。本發明中通過旋轉檔位調節開關來選擇接口引腳的功能，避免了因物流車不同而要換傳感器時同時要更換與其配套的接口而帶來的麻煩，採用該統一的傳感器接口能滿足常用的傳感器接口的配套，只需拔走舊的傳感器，選擇相應引腳，插上新的傳感器就能工作，節約成本、方便快捷。
[0009]優選地，所述Zigbee RF模塊採用CC2530F256作為主控晶片，集成有射頻模塊，具有無線發送接收功能，完成上位機指令或數據接收、模擬量傳感器AD轉換、數字量傳感器通信協調、對開關控制電路進行控制。CC2530F256是用於2.4-GHz IEEE 802.15.4,ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點，它可配置Zigbee RF模塊為終端設備、路由設備、協調器設備和點對點串口透傳設備，實現相應的功能。
[0010]優選地，所述通信接口電路採用通用的RS485/232串口通信電路，所述電源模塊具有了內部電池供電和外接直流電源供電兩種供電模式。
[0011]所述開關控制電路採用低功耗的CMOS元件、濾波電阻電容電路，控制傳感器的電源通斷和接口使能。
[0012]優選地，所述配置軟體由QtCreator開發，完成對Zigbee RF模塊設備類型的配置，完成入網參數的配置。利用該配置軟體可以配置Zigbee RF模塊類型為Zigbee終端設備、路由設備、協調器設備和點對點透傳設備，還可以配置入網參數，比如PANID值、信道、網絡模型、網絡層次等，同時可以配置傳感器發送周期，使各傳感器通道數據可以同一周期發送，也可以不相同周期發送等。
[0013]優選地，所述配置軟體發送的配置參數可通過通信接口經串口線傳輸到ZigbeeRF模塊模塊；所述配置軟體發送的配置參數還可以通過與上位機連接的Zigbee RF模塊無線發送到待配置的Zigbee RF模塊裡來完成對該待配置Zigbee RF模塊的配置。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果:基於Zigbee無線傳感網絡，設計支持多信號通用性好的傳感器接口，適用於大多數物流車輛監測用傳感器，通過設計開關電路和軟體實現產品的低功耗，通過上位機軟體無線或有線地配置裝置可使得完成監測任務的情況下，靈活重構產品功能，以適應不同場合下的物流車輛，操作變得更加方便，所選多為常見電路,元件價格較低，成本不高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的硬體總體結構圖；
圖2為本發明的電源模塊示意圖；
圖3為本發明的有線配置操作方法示意圖；
圖4為為本發明的無線配置操作方法示意圖；
圖5為本發明的傳感器接口示意圖；
圖6為本發明應用於物流車輛無線傳感網絡模擬圖，其中10-14表示無線傳感網絡裝置終端，15表示路由設備，16表示協調器設備。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0017]如圖1所示，本發明是一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，包括:傳感器接口電路2、Zigbee RF模塊3、通信接口電路4、用於控制Zigbee RF模塊3開始和結束配置的按鍵電路5、用於指示Zigbee RF模塊3開始和結束配置的指示燈電路6、電源模塊7、用於控制電源模塊7供電的開關控制電路8 ;所述傳感器接口電路2與Zigbee RF模塊3連接，Zigbee RF模塊3通過通信接口電路4與上位機連接；Zigbee RF模塊3分別與按鍵電路5、指示燈電路6、電源模塊7、開關控制電路8電連接；開關控制電路8分別與傳感器接口電路2、電源模塊7電連接；Zigbee RF模塊3利用上位機來設置參數；Zigbee RF模塊3具有休眠模式，在Zigbee RF模塊3配置為休眠模式時，開關控制電路8切斷電源模塊7對外接設備的電源供應。
[0018]本實施例所用Zigbee RF模塊3採用CC2530作為主控晶片，集成有射頻模塊，具有無線發送接收功能，本實施例中，Zigbee RF模塊3完成數據的處理、控制工作，包括上位機指令或數據接收、模擬量傳感器AD轉換、數字量傳感器通信協調、開關電路控制、指示、按鍵響應等工作。
[0019]如圖2所示，電源模塊7具有了內部電池供電和外接直流電源供電兩種供電模式。本實施例中，電源模塊7包括內部提供多規格電壓18V、15V、12V、9V、5V、3.3V和外部18V-24V輸入供電，內部各種數值電壓由I個9V和6個1.5V電池組成，可提供B5-B6端3V(可用於3.3V傳感器供電)、B4-B6端4.5V(可用於5V傳感器供電)、B0端9V、B0_B2端12V、B0-B4端15V、B0-B6端18V。由於設備採用了開關電路進行功耗控制，只有在採集數據的0.0l-1Oms時間內才打開電池電源，每次採集時間極短，採集消耗電流也為mA級，採集完立即進入休眠狀態，經實例檢測，每次休眠過程整板可降至uA級別，所以電池組能支持很長一段時間；當使用外部電源輸入時，此時由AMSl117和LM78系列晶片將輸入18-24V電壓降為所需各個電壓值，並通過繼電器迴路切斷電池供電，還對外部電源進行過壓檢測，避免過壓引起設備損壞，繼電器切斷電路和過壓檢測電路均為一般常見電路，這裡不再作詳細說明。電源模塊7負責給內部晶片、外部傳感器供電和接入外部電源。內部集成了電池組，提供常用規格的各種電壓，使用外部電源時，切斷電池供電，並採用降壓晶片將輸入降為各種規格的電壓。另外，為外部電源的接入加入了過壓保護元件，保護內部電路不被燒壞。
[0020]開關控制電路8採用低功耗的CMOS元件，通過Zigbee RF模塊3的1 口來控制CMOS元件通斷，間接地控制傳感器供電通斷，每一路傳感器對應一個通斷控制，CMOS元件不導通情況下，對應傳感器功耗為零。
[0021]如圖4所示，傳感器接口 2包括若干個可調節引腳功能的接口和與每個接口對應的調節其引腳功能的旋轉檔位調節開關。本實施例中傳感器接口共有四個引腳功能相同的接口，每個接口可進行一些調節，可分別調節為AD電壓/電流採集、開關量、數據量1通信功能接口，其中所述AD電壓/電流採集採用功放隔離、濾波電路，每個接口均包括①電壓輸出引腳(3.3 5 9 12 15 18V可選擇檔,給傳感器供電)、②電壓/電流信號AD輸入引腳(0-24V/0-20mA可調，可接液位、壓力、真空度、氣體等傳感器)；③兩個普通1引腳(可接DS18B20、DHT11、光電、紅夕卜、車門開關、接近開關、傾斜等傳感器)；④接地引腳。電壓/電流信號AD引腳還當做普通1引腳，與原本的兩個1引腳一起接其他多引腳傳感器，比如三軸加速度、三軸磁場傳感器模塊。兩個接口也可形成級聯，構成更多1引腳的接口。這些引腳的功能調節均通過調節開關設置，具體調節方法見附圖4說明。只要將傳感器按需物理連接相關的引腳，就可通過上位機軟體配置該接口對應的採集邏輯。
[0022]通信接口電路4採用RS232/485接口電路，與PC機相連，完成PC機上的數據和指令接收、發送。方便用戶使用軟體監測設備運行情況。
[0023]按鍵電路5和指示燈6主要是用來配置參數時進行使用，不考慮功耗情況下也可以用作正常工作時的設置、指示作用。
[0024]如圖3所示，上位機中配置Zigbee RF模塊3的軟體SI採用QtCreator編寫，QtCreator是一款新的輕量級集成開發環境(IDE)。此IDE能夠跨平臺運行，支持的系統包括 Linux (32 位及 64 位)、Mac OS X 以及 Windows。
[0025]如附圖3、4所示，本發明通過上位機配置軟體SI可方便地對配套Zigbee裝置S2進行參數配置，配置方式可以採用通信接口和串口線有線配置方式，也可以通過近距離的無線直連配置方式。對於待配置設備，終端設備配置前需要先按下按鍵，指示燈亮後，裝置即進入配置模式，而路由設備或協調器設備則無需此步驟。有線配置如附圖3所示:上位機通過串口線連接待配置設備，然後配置軟體上收到待配置Zigbee裝置S2發送過來的設備信息，並顯示在界面上，點擊配置按鈕，即發送配置幀到Zigbee裝置S2，點擊讀取配置按鈕，則將Zigbee裝置S2各項參數顯示在界面上，如果Zigbee裝置S2是數據透傳模塊，則可以直接接收數據或填寫目標地址進行發送數據。配置完後再按一下按鍵，指示燈不亮，表示配置完成。可以配置設備類型為Zigbee終端設備、路由設備、協調器設備和點對點透傳設備；可以配置入網參數，比如PANID值、信道、網絡模型、網絡層次等；可以配置傳感器發送周期，使各傳感器通道數據可以同一周期發送，也可以不相同周期發送等。無線配置如附圖4所示，則採用一個設備作為數據中轉與上位機有線連接，通過這個設備無線發送指令到待配置設備進行配置，配置過程中的操作步驟與有線時類似。
[0026]如圖5所示，傳感器接口 2總共有四個接口，接口 1-4。每個接口有5個引腳，分別是I電壓輸出引腳(3.3 5 9 12 15 18V可選擇不同檔給傳感器供電)、2接地引腳、3電壓/電流信號AD輸入引腳(0-24V/0-20mA可調，可接液位、壓力、真空度、氣體等傳感器)；4、5普通1引腳(可接DS18B20、DHT11、光電、紅夕卜、車門開關、接近開關、傾斜等傳感器)；6、7、8為引腳功能旋轉檔位調節開關；其中6可使I電壓輸出引腳有不同電壓輸出；7調節3電壓/電流信號AD輸入引腳功能，可選擇電流AD、電壓AD、普通1功能；8調節3電壓/電流信號AD輸入引腳的輸入電壓/電流量程，輸入電壓信號量程可以為0_1V、3.3V、5V、9V、12V、15V、18V、24V，輸入電流信號可以為0_4mA、10mA、20mA。所選擇輸入電壓量程越接近實際輸入電壓，採集精度將會越高。電壓/電流信號AD引腳還可當做普通1引腳，與原本的兩個1引腳一起接其他多引腳傳感器，比如三軸加速度、三軸磁場傳感器模塊。幾個接口也可形成級聯，構成更多1引腳的接口，比如將接口 1，接口 2，接口 3視為級聯，可以有9個1引腳，就可以物理連接陀螺儀模塊，然後在程序中提供對此連接方式的支持，就可以進行信號採集。總之，只要將傳感器按需物理連接相關的引腳，就可通過上位機軟體配置該接口對應的採集邏輯。設備提供多種信號傳感器的程序接口支持，由上位機配置軟體決定調用哪個接口。
[0027]如圖6所示，本實施例中包括5個無線傳感網絡裝置終端10-14，一個路由設備15，一個協調器設備16，終端設備10-14負責採集車輛溫度、門開關、胎壓信息，發送到協調器，也可通過路由設備15轉發到協調器16。物流車輛形成一個無線傳感網絡，終端設備10-14、路由設備15、協調器設備16的功能均可通過本發明裝置進行配置後實現。對於不同的傳感器需求，也可以通過配置即可滿足要求，方便維護管理，而低功耗特點使正常情況下終端設備10-14可以使用1-2年的時間。
[0028]上述僅為本發明的較佳的可行實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質和原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，該裝置安裝在物流車輛不同位置組成無線網絡，其特徵在於，包括:傳感器接口電路(2)、Zigbee RF模塊(3)、通信接口電路(4)、用於控制Zigbee RF模塊(3)開始和結束配置的按鍵電路(5)、用於指示Zigbee RF模塊(3)開始和結束配置的指示燈電路(6)、電源模塊(7)、用於控制電源模塊(7)供電的開關控制電路(8);所述傳感器接口電路(2)與Zigbee RF模塊(3)連接，Zigbee RF模塊(3)通過通信接口電路(4)與上位機連接；Zigbee RF模塊(3)分別與按鍵電路(5)、指示燈電路(6)、電源模塊(7)、開關控制電路(8)電連接；開關控制電路(8)分別與傳感器接口電路(2)、電源模塊(7)電連接Jy^SZigbee RF模塊(3)利用上位機來設置參數Jy^SZigbeeRF模塊(3)具有休眠模式，在Zigbee RF模塊(3)配置為休眠模式時，開關控制電路(8)切斷電源模塊(7)對外接設備的電源供應。
2.根據權利要求1所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述傳感器接口( 2 )包括若干個可調節引腳功能的接口和與每個接口對應的調節其弓I腳功能的旋轉檔位調節開關。
3.根據權利要求1所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述Zigbee RF模塊(3)採用CC2530F256作為主控晶片，集成有射頻模塊，具有無線發送接收功能，完成上位機指令或數據接收、模擬量傳感器AD轉換、信號調理、開關控制電路(8)的控制。
4.根據權利要求1所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述通信接口電路(4 )採用通用的RS485/232串口通信電路。
5.根據權利要求1所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述電源模塊(7 )具有了內部電池供電和外接直流電源供電兩種供電模式。
6.根據權利要求1所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述開關控制電路(8)採用低功耗的CMOS元件、濾波電阻電容電路，控制傳感器(I)的電源通斷和接口使能。
7.根據權利要求1所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述配置軟體由Qt Creator開發，完成對Zigbee RF模塊(3)設置網絡類型、接口採集邏輯、入網參數的配置。
8.根據權利要求3所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述配置軟體發送的配置參數通過通信接口(4)經串口線傳輸到Zigbee RF模塊(3)模塊。
9.根據權利要求3所述的物流車輛狀態監測的低功耗無線傳感網絡裝置，其特徵在於，所述配置軟體發送的配置參數通過與上位機連接的Zigbee RF模塊(3)無線發送到待配置的Zigbee RF模塊裡來完成對該待配置Zigbee RF模塊的配置。
【文檔編號】H04L29/08GK104318735SQ201410488864
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】謝勝利, 鄒建基, 吳宗澤, 趙倩, 陳紅芬, 李建才, 吳文鋒, 嚴春景 申請人:廣東工業大學