本實(shí)用新型涉及功耗檢測(cè)領(lǐng)域，具體的說，是一種基于物聯(lián)網(wǎng)的微功耗分析儀。

背景技術(shù)：

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor networks，WSNs) 綜合了嵌入式計(jì)算技術(shù)、遙感測(cè)控技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，交叉發(fā)展而成的軍民兩用戰(zhàn)略高新技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，是新一代信息技術(shù)革命的重要推動(dòng)力。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括大量、分布式布設(shè)的傳感節(jié)點(diǎn)（Mote）和匯集各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)信息的后臺(tái)控制中心，實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境或目標(biāo)監(jiān)測(cè)，感知、采集相關(guān)信息。傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感和信息預(yù)處理，響應(yīng)監(jiān)控主機(jī)和指令進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，傳感節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的基本保證。傳感節(jié)點(diǎn)是用有限使用壽命的電池來提供的，且電池不易更換，因此關(guān)系到傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理有效性的能耗問題越來越突出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)的微功耗分析儀，通過對(duì)采集的電壓、電流的多級(jí)放大、濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)能耗的準(zhǔn)確檢測(cè)。

本實(shí)用新型通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于物聯(lián)網(wǎng)的微功耗分析儀，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功耗分析，包括電壓獲取電路、電流獲取電路、采集控制模塊和采用獨(dú)立電源供電的微處理器，電壓獲取電路、電流獲取電路通過采集控制模塊與微處理器連接；所述采集控制模塊包括依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波器，電壓獲取電路采集的電壓信號(hào)、電流獲取電路采集的電流信號(hào)分別依次通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，由放大器進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)濾波器濾波后輸入微處理器；所述放大器采用多級(jí)放大電路或?qū)?shù)放大電路中任一種。本實(shí)用新型所述的微功耗分析儀與被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)共地。

所述電壓獲取電路，用于采集被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)；

所述電流獲取電路，用于采集被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的電流信號(hào)；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換；

所述放大器，用于放大采集的電壓信號(hào)或電流信號(hào)；

所述濾波器，用于將信號(hào)限定在特定的頻率區(qū)間，減少噪聲干擾；

所述微處理器，用于數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)。

所述微處理器采用獨(dú)立電源進(jìn)行供電，基本上不影響被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的功耗。獨(dú)立電源可以采用太陽能電池板與蓄電池雙源供電的方式，既保障電源供應(yīng)，又節(jié)約能源。

由于傳感節(jié)點(diǎn)工作中電流變化的動(dòng)態(tài)范圍較大（通常休眠時(shí)電流僅幾微安，瞬時(shí)最大電流可達(dá)數(shù)十毫安），單個(gè)放大器不能滿足測(cè)量要求，因此本實(shí)用信息采用多級(jí)放大電路或?qū)?shù)放大電路中任一種對(duì)獲取的電壓信號(hào)、電流信號(hào)進(jìn)行放大。

本實(shí)用新型中，電壓獲取電路采集的電壓信號(hào)、電流獲取電路采集的電流信號(hào)分別依次通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，由放大器進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)濾波器濾波后輸入微處理器，由微處理器根據(jù)瞬時(shí)采集的電壓、電流計(jì)算被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)功耗。所述功耗為電流與電壓的乘積。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述采集控制模塊還包括連接被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)和微處理器的、用于向微處理器發(fā)送同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量的同步信號(hào)發(fā)生器。

傳感節(jié)點(diǎn)以低占空比方式工作，電流脈沖變化快，持續(xù)時(shí)間短（通常小于1ms），測(cè)量瞬時(shí)功率時(shí)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的微功耗分析儀通過同步信號(hào)發(fā)生器發(fā)送同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，本實(shí)用新型通過設(shè)置同步信號(hào)發(fā)生器在被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的電壓、電流突變時(shí)，用一個(gè)觸發(fā)信號(hào)提前激活微功耗分析儀的微處理器，微功耗分析儀的微處理器產(chǎn)生中斷開始捕獲，實(shí)現(xiàn)功耗檢測(cè)。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述采集控制模塊還包括與微處理器連接、用于減少微處理器無用功耗的門控時(shí)鐘電路。

本實(shí)用新型中，通過設(shè)置門控時(shí)鐘電路可將微處理器無計(jì)算任務(wù)時(shí)的時(shí)鐘停下，減少無用功耗，降低微功耗分析儀自身的功耗。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，還包括與微處理器連接、用于計(jì)算平均功耗的模擬積分器。

本實(shí)用新型中，通過設(shè)置的模擬積分器即可計(jì)算被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的平均功耗。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述多級(jí)放大電路中第一級(jí)放大電路為差分放大電路。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述多級(jí)放大電路包括一級(jí)放大器U1、二級(jí)放大器U2、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、可調(diào)電阻RG1、可調(diào)電阻RG2、電容C1、電容C2；所述一級(jí)放大器U1的V+引腳接電源正極并通過電容C1接地，一級(jí)放大器U1的V-引腳接電源負(fù)極并通過電容C2接地，一級(jí)放大器U1的Vin-引腳、Vin+引腳并聯(lián)電阻R1、電阻R2并接入信號(hào)輸入端，一級(jí)放大器U1的兩個(gè)RG引腳之間串聯(lián)可調(diào)電阻RG1；所述電阻R3、電阻R4并聯(lián)，且一端接在一級(jí)放大器U1的OUT引腳與二級(jí)放大器U2的Vin-引腳之間，另一端接在一級(jí)放大器U1的REF引腳與二級(jí)放大器U2的Vin+引腳之間；所述二級(jí)放大器U2的V-引腳接電源負(fù)極，二級(jí)放大器U2的V+引腳接電源正極，二級(jí)放大器U2的兩個(gè)RG引腳之間串聯(lián)可調(diào)電阻RG2，二級(jí)放大器U2的OUT引腳接濾波器以輸出放大后的信號(hào)；所述以及放大器U1的REF引腳和二級(jí)放大器U2的REF引腳共地。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述一級(jí)放大器U1、二級(jí)放大器U2均采用INA122芯片。

考慮到帶寬、頻響和信號(hào)源的阻抗等因素，選用INA122芯片，其具有較低的電壓噪聲、電流噪聲、漂移和較寬的頻帶，適用于微弱信號(hào)的放大。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述濾波器內(nèi)置低通濾波電路、高通濾波電路、帶通濾波電路中任一種。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，還包括與微處理器連接、用于可視化顯示功耗情況的顯示模塊。

本實(shí)用新型通過設(shè)置顯示模塊可以顯示獲得的瞬時(shí)功耗、平均功耗，便于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗數(shù)據(jù)的可視化。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，還包括與微處理器連接、用于將單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)功耗數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)控制中心進(jìn)行匯總的通訊模塊。

本實(shí)用新型中通訊模塊，包括用于內(nèi)部通訊的ZIGBEE通訊單元、與用戶操作終端連接的WIFI通訊單元、與用戶操作終端連接的GPRS通訊單元、與后臺(tái)控制中心數(shù)據(jù)通信的以太網(wǎng)通訊單元。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

（1）本實(shí)用新型通過采集控制模塊對(duì)從被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)采集的微弱信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大、濾波以獲取較為準(zhǔn)確的電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)，以便于微控制器根據(jù)電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)計(jì)算其功耗；

（2）本實(shí)用新型采用多級(jí)放大電路或?qū)?shù)放大電路的放大器對(duì)被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行微弱電壓信號(hào)、微弱電流信號(hào)的放大，并采用濾波器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波以降低噪聲和干擾；

（3）本實(shí)用新型采用同步信號(hào)發(fā)生器發(fā)送同步信號(hào)對(duì)被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的MCU產(chǎn)生中斷開始捕獲。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型中多級(jí)放大電路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中被測(cè)量功耗的傳感節(jié)點(diǎn)為被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)，被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)中的控制元件為MCU。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本實(shí)施例所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的微功耗分析儀，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功耗分析，包括電壓獲取電路、電流獲取電路、采集控制模塊、模擬積分器和采用獨(dú)立電源供電的微處理器，電壓獲取電路、電流獲取電路通過采集控制模塊與微處理器連接；所述采集控制模塊包括同步信號(hào)發(fā)生器、門控時(shí)鐘電路和依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波器，電壓獲取電路采集的電壓信號(hào)、電流獲取電路采集的電流信號(hào)分別依次通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，由放大器進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)濾波器濾波后輸入微處理器。所述放大器采用多級(jí)放大電路或?qū)?shù)放大電路中任一種。

所述電壓獲取電路，用于采集被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)。

所述電流獲取電路，用于采集被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的電流信號(hào)。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

所述放大器，用于放大采集的電壓信號(hào)或電流信號(hào)。

所述濾波器，用于將信號(hào)限定在特定的頻率區(qū)間，減少噪聲干擾。

所述微處理器，用于數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)。

所述同步信號(hào)發(fā)生器，與微處理器和被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)連接，用于向微處理器發(fā)送同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量的同步信號(hào)發(fā)生器。

所述模擬積分器，與微處理器連接，用于計(jì)算平均功耗。

所述門控時(shí)鐘電路，與微處理器連接，用于減少微處理器無用功耗。

工作原理：

本實(shí)用新型中，電壓獲取電路采集的電壓信號(hào)、電流獲取電路采集的電流信號(hào)分別依次通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，由放大器進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)濾波器濾波后輸入微處理器，由微處理器根據(jù)瞬時(shí)采集的電壓、電流計(jì)算被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)功耗，并通過模擬積分器計(jì)算被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的平均功耗。

本實(shí)施例中微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波器、同步信號(hào)發(fā)生器、模擬積分器、通訊模塊等均可在市場(chǎng)上直接采購(gòu)，因此本實(shí)施例無需公開各個(gè)元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例的在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步優(yōu)化，針對(duì)被測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的微信號(hào)（值較小的電流信號(hào)、電壓信號(hào)）對(duì)多級(jí)放大電路進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。如圖2所示，本實(shí)施例中的多級(jí)放大電路為一個(gè)二級(jí)放大電路，其中第一級(jí)放大電路為差分放大電路。具體的，所述多級(jí)放大電路包括一級(jí)放大器U1、二級(jí)放大器U2、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、可調(diào)電阻RG1、可調(diào)電阻RG2、電容C1、電容C2；所述一級(jí)放大器U1的V+引腳接電源正極并通過電容C1接地，一級(jí)放大器U1的V-引腳接電源負(fù)極并通過電容C2接地，一級(jí)放大器U1的Vin-引腳、Vin+引腳并聯(lián)電阻R1、電阻R2并接入信號(hào)輸入端，一級(jí)放大器U1的兩個(gè)RG引腳之間串聯(lián)可調(diào)電阻RG1；所述一級(jí)放大器U1的OUT引腳與二級(jí)放大器U2的Vin-引腳連接，一級(jí)放大器U1的REF引腳與二級(jí)放大器U2的Vin+引腳連接，一級(jí)放大器U1的OUT引腳和一級(jí)放大器U1的的REF引腳之間連接有電阻R3，二級(jí)放大器U2的Vin-引腳和二級(jí)放大器U2的的Vin+引腳之間連接有電阻R4；所述二級(jí)放大器U2的V-引腳接電源負(fù)極，二級(jí)放大器U2的V+引腳接電源正極，二級(jí)放大器U2的兩個(gè)RG引腳之間串聯(lián)可調(diào)電阻RG2，二級(jí)放大器U2的OUT引腳接濾波器以輸出放大后的信號(hào)；所述以及放大器U1的REF引腳和二級(jí)放大器U2的REF引腳共地。

所述一級(jí)放大器U1、二級(jí)放大器U2均采用INA122芯片。

本實(shí)施例的其他部分與上述實(shí)施例相同，故不再贅述。

以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。