[發明專利]一種低功耗弱信號數據采集與無線傳輸模塊

有效

• 申請號: 201310381606.X
• 申請日: 2013-08-28
• 公開（公告）號: CN103458535A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 周紅敏;屈永華;路欣
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: H04W84/18
• 分類號: H04W84/18;G08C17/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種無線數據采集與傳輸模塊，尤其是涉及一種基于無線傳感器網絡的低功耗弱信號數據采集與傳輸模塊。它與無線傳感器網絡環境中的信號采集與傳輸有關，屬于無線傳感器網絡以及物聯網應用技術領域。

技術背景

在無線傳感器網絡應用領域，網絡節點分為測量節點、路由節點和匯聚節點，各個節點之間通過Zigbee協議進行數據傳輸，多個節點組成一個自組織的無線局域網絡。無線傳感器網絡的測量節點是由傳感器、數據采集、數據收發模塊組成，在傳統技術的實現方案中，傳感器、數據采集與無線收發模塊是集成式的，因而，傳統技術的主要缺點是數據采集與無線收發模塊只能針對特定的傳感器類型進行數據采集與收發，不能做到針對不同的傳感器類型進行數據采集與收發。并且在傳統的無線傳感器網絡數據采集設備中，主要解決了針對常規的強信號數據采集，即當信號強度遠遠大于噪聲的時候才能有效工作，而不能應用于弱信號的采集。

在數據傳輸技術中，傳統的實現方案分為有線與無線兩種方式，有線方式的主要缺點是在野外環境下需要提前布線，受限于野外的工作條件，有線的方式會增加數據采集的成本，降低數據采集的方便性。無線數據傳輸的實現方式有基于公共通信網絡（如GPRS或GSM）的方式，也有通過短距離無線局域網技術來實現。在通過公網實現數據傳輸的實現方式中，由于無線模塊成本相對較高，會增加數據傳輸模塊的開發成本，另一方面，GPRS與GSM模塊工作時需要加大的電源功率，無法做到低功耗，則要么需要提供持續工作的太陽能電源，要么提供大容量蓄電池或者其它充電電池，這種高功耗的工作模式也會增加數據傳輸模塊的開發成本或者增加設備的運行維護成本。在短距離無線局域網技術中，比較成熟的是基于Zigbee協議的無線網絡。雖然Zigbee協議本身定義了低功耗的工作特點，但是在實際應用環境下，為了維持網絡節點能夠長時間工作，還需要對數據采集與傳輸策略進行優化設計，以實現低功耗長時間工作的目的。

因此，本發明，對傳統的無線傳感器網絡中的數據采集與傳輸方式進行改進，針對弱信號與低功耗的實際應用中存在的問題，給出新的解決方案。提高數據采集的精確度、降低數據采集與傳輸過程的電源消耗，進而延長無線傳感器網絡節點的工作時間，降低儀器的維護成本。

發明內容

1）目的：針對以傳統解決方案中存在的一些不足，本發明的目的是提供一種低功耗弱信號數據采集與無線傳輸模塊。該模塊具有體積小，成本低，無人值守，長時間工作，數據定時自動獲取，多數據源同步采集，無線方式傳輸、適應野外電源供應不方便的工作環境等特點。能夠減少數據采集與傳輸中投入的人力物力，同時提高無線傳感器網絡數據采集的精確度，提高數據傳輸的效率。

2）為達到上述目的本發明采用如下的技術方案：

本發明一種低功耗弱信號數據采集與無線傳輸模塊，它包括兩個部分：一是數據采集系統，包括主控MCU模塊、鋰電池充電及電源管理模塊、電壓及電流信號多通道采集模塊、電流及電壓信號放大自動增益控制模塊、高精度微弱信號采集模塊、無線和有線傳輸模塊和數據同步采集、傳輸和存儲單元；二是接口模塊，由接線端子組成。它們之間的位置連接關系是：整個數據采集系統封裝在一個屏蔽殼中，接口模塊通過4組接插件與其連接，它們整體再封裝在金屬外殼內。

所述主控MCU模塊是基于ARM‐CORTEX?M3內核的32位單片機STM32F103RBT6。與其他模塊之間的關系是：鋰電池充電及電源管理模塊為其提供3.3V數字電源和3.3V模擬電源；通過IO口連接電壓及電流信號多通道采集模塊，完成通道選擇；通過IO口連接電流及電壓信號放大自動增益控制模塊完成增益控制；通過SPI接口連接高精度微弱信號采集模塊；通過USART連接無線和有線傳輸模塊；通過SPI接口連接由鐵電和Flash組成的數據同步采集、傳輸和存儲單元中的存儲單元。