基於ieee802.15.4標準的用於空氣過濾系統的受控節點控制器的製作方法
2023-05-23 23:43:46 1
專利名稱：基於ieee802.15.4標準的用於空氣過濾系統的受控節點控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及短距離無線控制系統的受控節點控制器，特別涉及基於紫 蜂技術的用於煉鋼淨化系統的受控節點控制器。
背景技術：
在傳統的工業應用中，短距離(數百米內)的控制是通過線纜實現控 制器的信號傳遞，需要大量、繁縟的布線，增加成本的同時帶來了安全隱 患和不易維護等問題。而GSM等傳統中低頻無線通信技術適合長距離的 通信領域，成本高，抗幹擾性差，用於工業現場控制時，極容易受到工業 現場的中低頻段的電磁波的幹擾，故中低頻通信技術不適合工業領域的無 線控制應用。
發明內容
本發明的目的在於解決上述問題，提供一種基於IEEE802.15.4標準 的用於空氣過濾系統的受控節點控制器，其能夠省去大量、繁縟的布線， 並具有極強的抗幹擾性。
本發明採用如下技術方案來解決技術問題
基於IEEE802.15. 4標準的用於空氣過濾系統的受控節點控制器包含 控制模塊l、電源模塊6、光電耦合輸出模塊5、電源模塊6向控制模塊1 提供工作電源，控制模塊1向光電耦合輸出模塊5輸出繼電器使能信號 RelayOut，其特徵在於，
還包含射頻發送匹配模塊3、射頻收發控制模塊2和射頻接收匹配模 塊4，上述控制模塊1輸出的第一、第二射頻輸出信號RfOiitl、 RfOut2 分別接射頻發送匹配模塊3的第一、第二輸入端，射頻發送匹配模塊3輸 出的射頻發送信號RfTx接射頻收發控制模塊2的第一輸入端，控制模塊 1輸出的射頻控制信號RfSd接射頻收發控制模塊2的第二輸入端，射頻
收發控制模塊2輸出的射頻接收信號RfRx接射頻接收匹配模塊4的輸入 端，射頻接收匹配模塊4輸出的第一、第二射頻輸入信號Rflnl、 Rfln2接 控制模塊1的第一、第二輸入端，由射頻收發控制模塊(2)發送/接收2.4GHz 信號。
與現有技術相對比，本發明的優點在於通過2.4GHz無線射頻模塊 發送、接收數據，不依靠線纜通信，從而省去了繁縟的布線，徹底解決了 由繁縟布線所帶來的安全隱患、不穩定性。另外，無線射頻模塊工作在 2.4GHz頻段，不易受到工業現場的中低頻段的電磁波的幹擾，具有極強 的抗幹擾性，還有比傳統工業控制器更加美觀、方便、實用。
圖1是本發明的基於IEEE802.15. 4標準的用於空氣過濾系統的受控 節點控制器的總電路框圖。
圖2是本發明的控制模塊1的電路圖。
圖3是本發明的射頻收發控制模塊2的電路圖。
圖4是本發明的射頻發逢匹配模塊3的電路圖。
圖5是本發明的射頻接收匹配模塊4的電路圖。
圖6是本發明的光電耦合輸出模塊5的電路圖。
圖7是本發明的電源模塊6的電路圖。
圖8是本發明的程序流程結構示意圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖來詳細說明本發明的實施方式。
如圖1，基於IEEE802.15. 4標準的用於空氣過濾系統的受控節點控制 器包含控制模塊l、電源模塊6、光電耦合輸出模塊5、電源模塊6向控制 模塊1提供工作電源，控制模塊1向光電耦合輸出模塊5輸出繼電器使能 信號RelayOut，還包含射頻發送匹配模塊3、射頻收發控制模塊2和射頻 接收匹配模塊4,上述控制模塊1輸出的第一、第二射頻輸出信號RfOirtl、 RfDut2分別接射頻發送匹配模塊3的第一、第二輸入端，射頻發送匹配模 塊3輸出的射頻發送信號RfTx接射頻收發控制模塊2的第一輸入端，控
制模塊1輸出的射頻控制信號RfSd接射頻收發控制模塊2的第二輸入端， 射頻收發控制模塊2輸出的射頻接收信號RfRx接射頻接收匹配模塊4的 輸入端，射頻接收匹配模塊4輸出的第一、第二射頻輸入信號Rflnl、 Rfln2 接控制模塊1的第一、第二輸入端，由射頻收發控制模塊(2)發送/接收 2.4GHz信號。
如圖2，控制模塊1採用飛思卡爾公司的處理器晶片MC13213， MC13213的47腳輸出上述繼電器使能信號RelayOut， 44腳輸出上述射頻 控制信號RfSel， MC13213的34腳輸出第一偏置電壓CT_Bias， MC13213 的33腳輸出第二偏置電壓VDDA， MC13213的39腳、38腳輸出上述第 —、第二射頻輸出信號(RfOutl、 RfOut2)，上述第一、第二射頻輸入信 號(Rflnl、 Rfln2)分別接MC13213的36腳、35腳。
如圖3，射頻收發控制模塊2選用飛思卡爾公司的射頻晶片IC115， 上述射頻控制信號RfSel接IC115的6腳，上述MC13213的34腳接IC115 的4腳,IC115的3腳接地，上述射頻發送信號RfTx接IC115的1腳，IC115 的2腳輸出上述射頻接收信號RfRx， IC115的5腳經10pF電容發送/接收 2.4GHz信號。
如圖4，上述射頻發送匹配模塊3由不平衡變壓器INDCTORl、電感、 電容組成，上述第一射頻輸出信號(RiOutl)串聯4.7nH電感後接不平衡 變壓器INDCTORl的1腳，上述第二射頻輸出信號(RfOut2)串聯4.7nH 電感後接INDCTOR1的3腳，且INDCT0R1的1腳、3腳並聯電容1.0pF， INDCT0R1的2腳接上述MC13213的33腳且經過10pF電容後接地， INDCT0R1的6腳經10pF電容後輸出射頻發送信號(RfTx)， INDCT0R1 的5腳接地，4腳懸空。
如圖5，射頻接收匹配模塊4由不平衡變壓器INDCTOR2、電感、電 容組成，上述射頻接收信號RfRx串聯10pF電容後接不平衡變壓器 INDUCT0R2的6腳，INDUCT0R2的5腳、2腳接地，4腳懸空，1腳和 3腳並聯1.8pF電容，INDUCTOR2的1腳串聯3nH電感後輸出上述第一 射頻輸入信號Rflnl， INDUCTOR2的3腳串聯3nH電感後輸出上述第二 射頻輸入信號Rfln2。
如圖6，上述光電耦合輸出模塊5採用雙向光電耦合器MOC3081，上
述繼電器使能信號RdayOut接MOC3081的2腳。
在圖1中，在控制模塊1輸出射頻控制信號RfSel至射頻收發控制模 塊2，選擇射頻接收模式後，射頻收發控制模塊2可以接收射頻信號並將 射頻接收信號RfRx輸入至射頻接收匹配模塊4的射頻輸入信號埠 ，經 射頻接收匹配模塊4匹配後輸出射頻輸入信號(RFInl、 RFIn2)至控制模塊 1，完成數據的無線接收任務。控制模塊1通過循環執行無線接收任務， 偵聽是否有主控制器發來的射頻控制信號，如果有，將控制信號轉換為對 應的繼電器使能信號RelayOut輸入至光電耦合輸出模塊5，電耦合輸出模 塊5據此信號控制輸出220V+、 220V-，以開啟或關閉外接電磁閥。每完 成一次開啟或關閉動作後，控制模塊1輸出射頻控制信號RfSel至射頻收 發控制模塊2，選擇射頻發送模式，並將處理結果數據通過控制模塊1輸 出射頻輸出信號(RFOutl、 RFOut2)經過射頻發送匹配模塊3後輸入射 頻發送信號(RfTx)至射頻收發控制模塊2，以2.4GHz射頻信號發送出 去，完成數據的無線發送任務。模塊2可以選擇的2.4GHz射頻信號的信 道有16個，與主控制器的信道一致，只有在此信道內的射頻模塊會接收 到信號。同一空間區域內的不同信道之間不會產生幹擾。對於用戶來說， 本節點控制器的使用和傳統485線纜控制的使用幾乎沒有差別；對系統來 說，用2.4GHz射頻信號取代短距離的線纜信號，可以屏蔽絕大部分的工 業現場幹擾，並且在百米內的通信是可靠的，適用於大部分的短距離工業 控制領域。
在圖2、圖3中，控制模塊1的44腳(GPIOl)發送射頻控制信號RfSel 至射頻收發控制模塊2的6腳，射頻收發控制模塊2根據信號RfSd選擇 射頻發送或者接收模式。控制模塊1的34腳(CT—Bias)輸出3v偏置電壓至 射頻收發控制模塊2的4腳；當模塊2選擇了射頻發送模式時，控制模塊 1的引腳39(PAO—M)、 38(PAO一P)輸出射頻輸出信號RfOutl和RfOut2至 射頻發送匹配模塊3，經過阻抗匹配後由模塊3輸出射頻發送信號RfTx 至射頻收發控制模塊2的1腳，由射頻收發控制模塊2的引腳5串聯10pF 電容後通過天線發送出去。當射頻收發控制模塊2選擇了射頻接收模式時， 射頻收發控制模塊2由天線接收射頻信號，並輸出射頻接收信號Rffix至 射頻接收匹配模塊4，經過阻抗匹配後由模塊4輸出射頻輸入信號Rflnl、
RjHn2至控制模塊1的射頻信號輸入引腳36 (RFIN—P)、 35 (RFIN—M);
射頻收發控制模塊2的引腳5串聯一個10pF電容後連接射頻天線； 模塊2的引腳6輸入來自控制模塊1發來的射頻控制信號RfSd，用以選 擇射頻模塊的發送或者接收模式；當選擇了射頻發送模式後，射頻收發控 制模塊2的引腳1輸入由射頻發送匹配模塊3輸出的射頻發送信號RFTx， 從射頻收發控制模塊2的引腳5以2.4GHz射頻信號發送出去；當選擇了 射頻接收模式後，模塊2通過天線接收射頻信號，從引腳2輸出射頻接收 信號RFRx至射頻接收匹配模塊4的射頻信號接收端，經過射頻接收匹配 模塊4的匹配後輸出射頻輸入信號Rflnl、 Rfln2至控制模塊1的射頻信號 輸入埠，即引腳36 (RFIN_P)、 35(RFIN_M);射頻收發控制模塊2的 引腳4輸入由控制模塊1引腳34 (CT一Bias)提供的3v偏置電壓2;射頻 收發控制模塊2的引腳3由電源模塊5的引腳2 (GND)提供電源地。
圖4中，本發明的射頻發送匹配模塊3起阻抗匹配作用。INDUCT0R1 為JOHANSON TECHNOLOGY公司的不平衡變壓器2450BL14C050,把 作為差分射頻信號的第一、第二射頻輸出信號(RfOutl和RfOut2)轉換 為單端射頻信號，即射頻發糴信號RfTx。
當選擇了射頻發送模式後，控制模塊1的引腳39 (PAO_M)，即射頻 信號輸出埠 1，輸出的射頻輸出信號RffOutl串聯4.7nH電感後輸入至 射頻發送匹配模塊3的引腳1;控制模塊1的引腳38 (PAO_P)，即射頻 信號輸出埠 2，輸出的射頻輸出信號RfFOut2串聯4.7nH電感後輸入至 頻發送匹配模塊3的引腳3;弓l腳1與引腳3引出後分別連接1個1.0pF 電容；頻發送匹配模塊3的引腳2引出後分為2路， 一路輸入由控制模塊 1的引腳6提供的3v偏置電壓(VDDA)，另一路串聯10pF電容後連接電 壓模塊5的引腳2 (GND)，即電源地；模塊3的引腳6把匹配後的信號 經過10pF電容輸出射頻發送信號RfTx至模塊2的引腳1，由射頻收發控 制模塊2的引腳5通過射頻天線發送出去射頻發送匹配模塊3的引腳5輸 入由電源模塊5的引腳2 (GND)提供的電源地；射頻發送匹配模塊3的 引腳4懸空。
圖5中，本發明的射頻接收匹配模塊4起阻抗匹配作用。INDUCTOR2 為JOHANSON TECHNOLOGY公司的不平衡變壓器2450BL14C050,把
單端射頻信號，即射頻接收信號RfRx，轉換為差分射頻信號，即第一、 第二射頻輸入信號(Rflnl、 Rfln2)。
當選擇了射頻接收模式後，射頻收發控制模塊2的引腳2輸出的射頻 接收信號RfRx串聯10pF電容後輸入至模塊4的引腳6;射頻接收匹配模 塊4的引腳1串聯3nH電感後輸出射頻輸入信號1 (Rflnl)至控制模塊1 的36腳(RFIT^P)，即射頻信號輸入接口h模塊4的引腳2串聯3nH電 感後輸出射頻輸入信號2 (Rfln2)至控制模塊l的35腳(RFIN一M),即 射頻信號輸入接口 2;射頻接收匹配模塊4的引腳1和引腳3引出後通過 1個1.8pF電容相連;模塊4的引腳2、5由連接電源模塊5的引腳2(GND) 輸入電源地；模塊4的引腳4懸空。模塊4的電路作用為接收射頻信號的 阻抗匹配。
在圖6中，光電耦合輸出模塊5採用雙向光電耦合器MOC3081及其 匹配電路。模塊5的MOC3081的引腳1輸入電源模塊6的引腳6提供的 5v工作電壓，模塊5的MOC3081的引腳2輸入控制模塊1的引腳47輸 出的繼電器使能信號RelayOut。模塊5的RELAY—OUT為4引腳排針插 座，RELAY一OUT的引腳3、 4分別連接外接電磁閥的輸入端。當RelayOut 信號為開啟命令時(低電平)，RELAY—OUT的引腳3、弓l腳4分別輸出 220V電壓的2端V+、 220V-,開啟電磁閥。光電耦合輸出模塊5的內部 電路參考MOC3081的說明文檔，MOC3081的引腳6串聯27k電阻後連接 RELAY一OUT的引腳1， MOC3081的引腳4串聯330k電阻後連接 RELAY—OUT的引腳2。 MOC3081的引腳6、引腳4依次並聯可控矽 BTA06、431k電阻、高壓陶瓷電容103M/2KV。模塊5的電阻均採用AXIAL 0.4封裝。
在圖7中，電源模塊7採用無錫迅達自動化有限公司生產的的內嵌開 關電源的變壓器EE16。模塊7的引腳1、 4輸入220V電源，引腳5輸出 電源地(GND),引腳2輸出5v工作電壓(VCC5)。電源模塊7的其餘引 腳懸空。
如圖8所示，節點控制器在上電後進行微處理器和外圍接口初始化， 並選擇射頻信道，然後設置本地地址為節點地址，然後進入主循環體 首先進入偵聽模式，循環偵聽射頻模塊是否接收到數據。如果有，則
通過射頻數據包的目的地址與本地地址是不是相同，如果是，則解析數據 包並保持相關信息，然後進入射頻發送模式，回送確認信號。之後根據保 存的數據包信息響應命令。
在用於煉鋼淨化系統時，1個控制器控制若干個受控節點，每個受控 節點的組成相同，僅節點的地址號(即每個受控節點的本地地址)不同， 以區分控制器發來的命令。當受控節點接收到發送給本節點的命令並保 存、回送確認信號後，即進入命令相應部分，根據命令控制繼電器使能信
號RelayOut的高電平或低電平輸出，從而控與其外接電磁閥的開啟或關 閉。通過1個控制器和若干個受控節點的協同工作，有序開啟、關閉電磁 閥，達到煉鋼淨化的目的。
權利要求
1、一種基於IEEE802.15.4標準的用於空氣過濾系統的受控節點控制器，包含控制模塊(1)、電源模塊(6)、光電耦合輸出模塊(5)、電源模塊(6)向控制模塊(1)提供工作電源，控制模塊(1)向光電耦合輸出模塊(5)輸出繼電器使能信號(RelayOut)，其特徵在於，還包含射頻發送匹配模塊(3)、射頻收發控制模塊(2)和射頻接收匹配模塊(4)，上述控制模塊(1)輸出的第一、第二射頻輸出信號(RfOut1、RfOut2)分別接射頻發送匹配模塊(3)的第一、第二輸入端，射頻發送匹配模塊(3)輸出的射頻發送信號(RfTx)接射頻收發控制模塊(2)的第一輸入端，控制模塊(1)輸出的射頻控制信號(RfSel)接射頻收發控制模塊(2)的第二輸入端，射頻收發控制模塊(2)輸出的射頻接收信號(RfRx)接射頻接收匹配模塊(4)的輸入端，射頻接收匹配模塊(4)輸出的第一、第二射頻輸入信號(RfIn1、RfIn2)接控制模塊(1)的第一、第二輸入端，由射頻收發控制模塊(2)發送/接收2.4GHz信號。
2、 根據權利要求1所述的基於IEEE802.15.4標準的用於空氣過濾系 統的受控節點控制器，其特徵在於，上述控制模塊(1)採用飛思卡爾公司的處理器晶片MC13213， MC13213的47腳輸出上述繼電器使能信號(RelayOut)， 44腳輸出上述 射頻控制信號(RfSel)， MC13213的34腳輸出第一偏置電壓(CT_Bias)， MC13213的33腳輸出第二偏置電壓(VDDA)， MC13213的39腳、38 腳輸出上述第一、第二射頻輸出信號(RfOutl、 RfOut2)，上述第一、第 二射頻輸入信號(Rflnl、 Rfln2)分別接MC13213的36腳、35腳。
3、 根據權利要求2所述的基於IEEE802.15. 4標準的用於空氣過濾系 統的受控節點控制器，其特徵在於,上述射頻收發控制模塊(2)選用飛思卡爾公司的射頻晶片IC115，上 述射頻控制信號(RfSel)接IC115的6腳，上述MC13213的34腳接IC115 的4腳，IC115的3腳接地，上述射頻發送信號(RfTx)接IC115的1腳， IC115的2腳輸出上述射頻接收信號(RflRx)， IC115的5腳經10pF電容 發送/接收2.4GHz信號。
4、 根據權利要求2所述的基於IEEE802. 15. 4標準的用於空氣過濾系 統的受控節點控制器，其特徵在於，上述射頻發送匹配模塊(3)由不平衡變壓器INDCTORl、電感、電 容組成，上述第一射頻輸出信號(RfOutl)串聯4.7nH電感後接不平衡變 壓器INDCTORl的1腳，上述第二射頻輸出信號(RfOut2)串聯4.7nH 電感後接INDCTORl的3腳，且INDCTORl的1腳、3腳並聯電容1.0pF， INDCTORl的2腳接上述MC13213的33腳且經過10pF電容後接地， INDCTORl的6腳經10pF電容後輸出射頻發送信號(RfTx)， INDCTORl 的5腳接地，4腳懸空。
5、 根據權利要求2所述的基於IEEE802.15. 4標準的用於空氣過濾系 統的受控節點控制器，其特徵在於，射頻接收匹配模塊(4)由不平衡變壓器INDCTORl、電感、電容組 成，上述射頻接收信號(RfRx)串聯10pF電容後接不平衡變壓器 INDUCTOR2的6腳，INDUCTOR2的5腳、2腳接地，4腳懸空，1腳和 3腳並聯1.8pF電容，INDUCTOR2的1腳串聯3nH電感後輸出上述第一 射頻輸入信號(Rflnl)， INDUCTOR2的3腳串聯3nH電感後輸出上述第 二射頻輸入信號(Rfln2)。
全文摘要
一種基於IEEE802.15.4標準的用於空氣過濾系統的受控節點控制器，包含控制模塊(1)、光電耦合輸出模塊(5)、電源模塊(6)、射頻發送匹配模塊(3)、射頻收發控制模塊(2)、射頻接收控制模塊(4)，主要通過控制模塊(1)輸出的射頻控制信號(RfSel)控制射頻收發控制模塊(2)接收或發送2.4GHz信號，與同一信道的主控器進行通信，並根據主控器發來的命令有序對受控節點控制器連接的電磁閥進行有序的開啟或關閉，達到空氣潔淨的目的。本發明能夠省去大量、繁縟的布線，並具有極強的抗幹擾性。
文檔編號B01D46/44GK101385931SQ20081015591
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者昊 劉, 軒 張, 晨 方, 王成玉, 虞建立, 璟 錢 申請人:東南大學