基于防爆型无线传感器网络信息采集节点的设计

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是新一代的传感器网络,由大量无人值守、具有通信和计算能力的微小型节点构成的自主探测系统。无线传感器网络的可快速部署、可自组网、高容错性及低功耗、通讯效率高、网络生存能力强、可靠性好、成本低廉等特点,能满足信息获取的实时性、准确性和全面性等需求,非常适合军事、工业等领域的应用,尤其是适应于恶劣的环境及野外条件用,其在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值,被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来四大高技术产业之一。

随着信息技术的发展和现代管理理念的改变,作为储存、装卸、输转和供应油料基地的油库,也引入了无线传感器网络技术,其泵站、输油管线、油料装备和油库设施设备均可成为无线传感器网络的监测对象。针对油库常见的流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等现场仪表信息采集与处理存在的不便,构建了油库传感器网络系统,实现了油库各类传感器仪表信息的自动采集与处理。系统主要包括信息采集节点、无线网络、信息汇聚终端、上位机信息处理中心等几部分。

本文重点介绍了信息采集节点的软硬件设计。信息采集节点是油库传感器网络系统的前端设备,是构成无线传感器网络的基础,是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元,所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上实现并优化,负责采集各类仪表传感器信号,并通过网络上传到信息汇聚终端。本文中的信息采集节点运用通用化、模块化设计思想,采用同一处理器、壳体,配套不同无线模块的方法进行设计,包括壳体设计、硬件电路设计及配套软件设计。

1 硬件设计

本文设计的信息采集节点具有接口多、应用环境特殊等特点,因此,节点在设计过程中,除满足应用功能要求外,还要满足环境适应性、性能稳定性、电磁兼容性、防爆性等技术要求。该节点主要由壳体、电器部件、Ex电缆引入装置等部件组成。下面从硬件电路设计和壳体结构设计两个方面进行介绍。

1.1 硬件电路设计

信息采集节点硬件层主要包括4 个模块:电源模块、数据处理模块(包括存储器和微控制器)、无线通信模块以及数据采集模块(包括传感器及其驱动接口电路)。在各单元模块中,核心部分为数据处理模块以及无线通信模块。处理器作为传感器节点运转的“心脏”,在上面运行着嵌入式系统软件,从而对另外3个模块的工作进行控制;无线通信模块主要负责与其他节点通信,交换控制消息和收发采集数据。信息采集节点模块结构框图如1所示。

基于防爆型无线传感器网络信息采集节点的设计

1.1.1 电路原理设计

与其他无线传感器网络信息采集节点相比,本文设计的信息采集节点需要采集处理不同类型传感器信号,包括流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等仪表数据信息,各种仪表信息源输出大概有以下几种制式:数字脉冲信号、1~5 V、4~20 mA、RS 485、HART 等;同时,还预留485总线,232串口,SPI接口,I2C接口和多路AD/DA接口,方便其他扩展功能应用,如连接显示屏、打印机、键盘、GPS等。主板设计的难点是解决主板电磁兼容性设计和高集成度多接口小尺寸电路主板设计难题。信息采集节点的主板电路原理框图如图2所示。

信息采集节点的微控制单元(MCU)采用TI公司低功耗单片机MSP 系列中的MSP430FG4618 型号,MSP430FG4618 具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点,拥有五种节能模式,适合于不同应用场合。

而且MSP430FG4618 带有12 位的高速AD 模块,即MSP430FG4618可以接收数字量和模拟量,而且可以采用中断、定时方式测量流量脉冲信号,因此,MSP430FG4618的应用可以大大简化电路设计。

信息采集节点的无线通信模块根据具体实际应用,选用夏瑞(RENEX)公司的CORE1 无线模块或Chipcon公司的CC2420无线模块。其中,CORE1无线模块用于动态移动装备的通信,CC2420无线模块用于固定设备的通信。

基于防爆型无线传感器网络信息采集节点的设计

信息采集节点电能由固定设备仪表连接电源或装备上自身车载电源提供。采用军品级的DC-DC电源直流调制模块,在9~18 V的宽电压输入范围内输出稳定的12 V直流电,在12 V基础上采用降压IC进一步调制成其他稳定电压输出为MCU、无线通信模块等供电。

电源原理电路如图3所示。

基于防爆型无线传感器网络信息采集节点的设计

为保护信息采集节点,防止被烧坏或不能正常工作,本品使用了变压器型电源隔离电路,抑制或消除了电源输入可能造成的干扰。

1.1.2 元器件选择

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