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专利名称：防爆环境用物联网温湿度感知节点的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种防爆环境用物联网温湿度感知节点，更具体的说，尤其涉及一种无需布线可自组网的防爆环境用物联网温湿度感知节点。
背景技术：
物联网技术作为继互联网之后信息产业发展史上的又一重大里程碑，已引起世界各国的高度重视。2008年11月，美国将物联网发展上升为美国国家发展战略。2009年6月， 欧盟制定并公布了包括标准化、研究项目、管理机制和国际对话等14个方面的物联网行动计划；2009年8月，日本制定了 EPC系统国家发展战略，将物联网列为国家重点战略项目之一 ；2002年4月，韩国计划在2012年建成全国范围内的物联网基础设施。2009年8月，温家宝总理在无锡传感网产业发展时明确指示要尽快建立中国的传感信息中心，即“感知中国”中心。国家“十二五“规划将物联网技术列为优先发展的高新技术之一。物联网技术在消费电子、智能家居、智能建筑、医疗监护、环境监测、智能交通、汽车电子、工业控制、机器人系统、军事等领域中有着广泛的应用，特别是针对军事、煤矿、油田等爆炸环境，物联网的构建相对困难，对物联网感知节点的感知精度、组网可靠性和防爆能力有着更高的要求。物联网体系架构按照层次划分一般分为感知层、信息处理层和应用层三部分。感知节点是构建物联网感知前端的基本单元，特别是温/湿度节点设备，在空调制冷、建筑节能、煤矿(油田)环境监测、机电设备状态监控、农业大棚、酿酒、军用仓储等领域有着广泛的用途。现有的温湿度感知设备，如PT100温度传感器，工业用温度变送器，环境监测用湿度探测器等，存在以下缺陷(I)节点设备多采用有线连接，基于适配器供电，移动性差，不能满足物联网快速自组网、移动数据交换等发展需求。(2)少有的无线感知节点功耗较高，节点设备多缺乏防爆设计，无法适用于军事、煤矿、油田等爆炸环境。(3)温度、湿度分离设计，不能满足温湿度一体化测量需求。我国国家防爆标准GB3836规定，应用于危险性环境的电气电子设备必须满足防爆标准。如煤矿井下、油田、军用仓库等。按照应用于危险环境的电气电子设备所采取的防爆措施不同，可把防爆电气设备分为本质安全型(简称本安型)、隔爆型、增安型、正压型、油浸型、充砂型、浇封型、粉尘防爆型等，其中本安型具有经济成本低、易于实现的优点，是物联网一体化设备设计的首选。本安设计是指在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路设计。规定的试验条件是指在考虑了各种最不利因素(包括一定的安全系数、试验介质浓度等)的试验条件。发展一种应用于防爆环境下的基于物联网技术的温湿度感知节点显得尤为重要。
发明内容本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种无需布线可自组网的防爆环境用物联网温湿度感知节点。[0007]本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，包括提供电能的电源单元、用于外界参数采集的传感器单元以及实现信息处理并输入输出数据的微控制单元，微控制单元通过功率放大电路与进行无线信号收发的天线连接；其特别之处在于还包括用于两路差分信号与单一天线信号之间进行转换的微带巴伦电路；微带巴伦电路的输入端与微控制单元的信号端口相连接，输出端与功率放大电路的输入端相连接；所述传感器单元为可同时进行温度和湿度信息采集的传感器。电源单元用于给整个温湿度感知节点提供电能，传感器单元实现外界湿度和温度信号的检测，微控制单元实现数据的采集、运算以及输出和接收无线信号。功率放大电路用于发送和接收信号的功率放大，天线用于发送和接收无线信号；在发送状态下，微带巴伦电路将两路差分信号转化为单一天线信号进行发送；在接收状态下，微带巴伦电路将接收的单一天线信号转化为两路差分信号。通过设置可进行温湿度信息采集的传感器以及可进行无线信号收发的物联网组网电路，实现了环境参数的采集以及各个温湿度感知节点的组网，方便了防爆区域的温湿度信息的采集。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，还设置有用于接收与发送状态转换的组合开关，组合开关的控制端与微控制单元的信号发送和控制端口相连接。微控制单元通过对组合开关的控制，可有效地实现数据的发送和接收。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述传感器单元采用的温湿度传感器型号为SHTlx。SHTlx为Sensirion公司生产的智能型温湿度一体传感器，该传感器采用电容式结构，测量精度较高且可精确得出露点，不会随温度梯度变化产生误差。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述传感器单元置于具有防潮作用的收集室中；传感器单元与采集温湿度数据的微控制单元之间通过阻燃电缆相连接。设置收集室，可保证传感器检测数据的精确性，传感器单元与微控制单元通过阻燃电缆相连接，确保本质安全电路的防爆功能。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述微控制单元、微带巴伦电路、组合开关、功率放大电路和天线均采用本质安全型电路。设置为本质安全型电路，更加符合防爆区域对电气设备防爆性能的要求。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述微控制单元采用CC2430芯片。采用CC2430芯片可有效地实现ZigBee为基础的2. 4GHz ISM波段数据的发送和接收。本实用新型的有益效果是本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，通过设置可对温度和湿度信息同时进行采集的传感器单元，以及设置了微控制单元、微带巴伦电路、组合开关、功率放大电路以及天线，有效地在防爆区域构建无线传感器网络并进行温湿度信息的采集，具有布设方便、采集信息全面以及便于组网的优点。其(I)本实用新型可支持多达65535个节点自组网，无线通信不需要预先布设基站等基础设施，无需电源线和数据线，移动能力强，可满足物联网应用需求。(2)与GPRS、点对点无线通信相比，本实用新型支持ZigBee无线标准，支持Mesh网络，组网简单方便，且使用免费2. 4 G频段，符合国际通用无需批准的规范，不需要支付额外的运营费用，成本低。(3)本实用新型通过低功耗设计和外壳防爆设计，可适用于易燃易爆环境，进一步提升了设备的抗燥性、拓宽了应用范围。
图I为本实用新型的湿度感知节点的原理图；图2为本实用新型的湿度感知节点采用防爆设计的原理图；图3为本实用新型的湿度感知节点中传感器单元的电路连接图。图中1电源单元，2传感器单元，3微控制单元，4微带巴伦电路，5组合开关，6功率放大电路，7天线，8收集室，9阻燃电缆。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。 如图I和图2所示，给出了本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点的原理图，其包括电源单元I、传感器单元2、微控制单元3、微带巴伦电路4、组合开关5、功率放大电路6、天线7、收集室8、阻燃电缆9 ;电源单元I用于给整个温湿度感知节点提供稳定电压，保证其正常工作；微控制单元3用于数据的采集、运算和处理，并通过微带巴伦电路4接受和发送数据；微控制单元3可采用CC2430芯片，以便实现基于2. 4 G频段的无线网络通信。传感器单元2可以选用瑞士 Sensirion公司生产的SHTlx型智能温湿度一体传感器,该传感器采用电容式结构，测量精度较高且可精确得出露点，不会随温度梯度变化产生误差。温湿度传感器单元外围电路较为简单，原理图如图3所示。微控制器(CC2430)通过两线信号向SHTlx传感器发送指令及时序控制命令来控制传感器的内部寄存器，达到读取温度和湿度值的目的。由CC2430芯片组成的微控制单元3的Positive RF和Negative RF与微带巴伦电路4相连接，在发送模式下，实现两路差分信号到50ohm单一信号的合并，在接收模式下将单一的50ohm天线信号分离为两路差分信号；同时微带巴伦电路4还具有阻抗匹配和直流电输出的作用。CC2430芯片的RX/TX Switch接口与组合开关5相连接，微控制单元3通过同组合开关5的状态控制，可实现信号的发送和接受。功率放大电路6的输入端与微带巴伦电路4相连接，用于实现接收和发送信号的放大；天线7与功率放大电路6的输出端线连接，无线数据通过天线7向外部发送，也通过天线7接收外界的无线信号。其中，组合开关5可以采用NC7S86异或门、NC7S04反相器以及两个UPG开关器件构成。微控制单元3的RX/TX Switch管脚与异或门连接，通过异或门和反相器，使得收发状态保持一高一低，通过低电平控制开关器件一路导通，收发信号分别与微控制单元3的Positive RF、Negative RF管脚连接,从而达到发送与接收信号的切换。电源单元I主要功能是通过稳压控制，向传感器单元和ZigBee核心单元提供3. 3V稳压电压，其电路较为简单，可以选用LM3. 3V稳压芯片实现。为了保证整个温湿度感知节点符合国家防爆标准的规定，微控制单元3、微带巴伦电路4、组合开关5、功率放大电路6和天线7均采用本质安全型电路；传感器单元2设置在具有防潮作用的收集室8中，并通过阻燃电缆9与微控制单元3相连接，以便达到本安防爆的效果。在具体的设计过程中，还可通过以下措施加强其防爆性能，(O限制节点能量；在电路设计时应对电路在短路、开路、断路以及误操作等各种状态下可能发生的电火花予以限制，可靠地将电路中的电压和电流限制在所允许范围内，以确保电气设备正常工作或发生短接及元器件损坏等故障情况下产生的火花或热效应不至于引起周围可能存在的危险气体的爆炸。本安设计首先应依照GB3836. 4防爆标准进行严格的PCB板电路设计。设计时先将单元电路等效为简单电阻电路、简单电容电路或简单电感电路进行分析，根据点燃能力参考获得电路的安全参数；对于比较复杂的电路，进行点燃能力实验，将其相应的最小点燃电流或最小点燃电压作为电路安全参数选择的依据。对不能满足上述要求的电路，采取降低电路电压或电流措 施。(2)最高表面温度控制；为保证各部分元件无论在正常还是在故障状态下，最高表面温度不大于所允许的最高值，设计时通过功率计算或者实际测定表面温度的方法，得到最不利工作条件或故障状态下元件的最高表面温度，判定其是否满足指标要求。
权利要求1.一种防爆环境用物联网温湿度感知节点，包括提供电能的电源单元(I)、用于外界参数采集的传感器单元(2)以及实现信息处理、输入输出功能的微控制单元(3)，微控制单元通过功率放大电路(6)与进行无线信号收发的天线(7)连接；其特征在于还包括用于两路差分信号与单一天线信号之间进行转换的微带巴伦电路(4);微带巴伦电路的输入端与微控制单元的信号端口相连接，输出端与功率放大电路的输入端相连接；所述传感器单元(2)为可同时进行温度和湿度信息采集的传感器。
2.根据权利要求I所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于还设置有用于接收与发送状态转换的组合开关(5)，组合开关的控制端与微控制单元(3)的信号发送和控制端口相连接。
3.根据权利要求I或2所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述传感器单元(2)采用的温湿度传感器型号为SHTlx。
4.根据权利要求3所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述传感器单元(2)置于具有防潮作用的收集室(8)中；传感器单元与采集温湿度数据的微控制单元(3 )之间通过阻燃电缆(9 )相连接。
5.根据权利要求I或2所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述微控制单元(3 )、微带巴伦电路(4 )、组合开关(5 )、功率放大电路(6 )和天线(7 )均采用本质安全型电路。
6.根据权利要求I或2所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述微控制单元(3)采用CC2430芯片。
专利摘要本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，包括电源单元、传感器单元和微控制与通信单元，特征在于还包括用于转换接收与发射信号的微带巴伦电路；微带巴伦电路与微控制与通信单元的信号端口相连接，输出端与功率放大电路的输入端相连接；传感器单元为可同时进行温度和湿度信息采集的传感器。本实用新型有效地在防爆区域构建无线传感器网络并进行温湿度信息的采集，具有布设方便、温湿度一体化采集、自组网和防爆等优点。(1)可支持65535个节点，无需电源线和数据线，满足物联网应用需求。(2)支持ZigBee无线标准，使用免费2.4Ｇ频段，无需费用，成本低。(3)温湿度一体化采集。(4)低功耗和防爆设计，提升了设备的抗燥性、拓宽了应用范围。
文档编号G01N27/22GK202433112SQ201220030599
公开日2012年9月12日 申请日期2012年1月31日 优先权日2012年1月31日
发明者裴忠民 申请人:裴忠民