基於ZigBee&GPRS的無線環境監測網絡的製作方法
2023-08-09 08:59:41
專利名稱：基於ZigBee&GPRS的無線環境監測網絡的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線環境監測領域，特別是一種基於&GPRS的無線環境監測網絡。
背景技術：
隨著社會經濟的發展，工業化進程的不斷推進，環境汙染問題變得越來越突出。環境汙染事件層出不窮，汙染程度日趨嚴重，造成的危害也越來越大。面對日益嚴峻的環境壓力，環境監測的需求已越來越迫切。環境保護已成為一個世界性的課題，得到了世界範圍的廣泛認同與重視。環境的好壞不僅關係到社會經濟的可持續發展，而且直接影響到人類生活的水平，甚至關係到人類及地球上所有其他生物能否長期生存。如何加大環境監測力度， 提高環境監測的自動化、智能化和網絡化水平已成為目前環境監測的主要問題。近年來，環境汙染事故頻頻發生，如有毒氣體洩露、有毒廢水的隨意排放造成河水、土地汙染，危險化學品運輸車發生交通事故引起危險品洩漏、爆炸等，這些環境事故不僅造成了大量的財產損失，也對事故現場人民群眾的生產、生活秩序造成了嚴重影響，對自然環境和人民群眾的身心健康造成了極大的危害，其破壞程度難以估計。這些環境汙染事故之所以會造成如此巨大的損失，關鍵在於不能及時、準確地對汙染事件進行實時監測，不能將汙染信息進行快速的傳播，致使汙染治理工作難以進行進，而加大了汙染事故的負面影響。嵌入式技術的發展，為研發先進的環境監測設備提供了越來越多的解決方案。 無線移動通信技術的發展，解決了環境監測節點分散造成的組網不便的問題，基於GPRS、 CDMA、ZigBee等無線通信技術的傳感器網絡已得到越來越廣泛的應用。通過檢索，發現與本發明相關的現有技術為，杭州電子科技大學蔣鵬等人的中國專利「基於ZigBee無線技術的水環境監測系統」[申請號200810060362. 4]中的描述，涉及一種基於ZigBee無線技術的水環境監測系統，其自述為該發明涉及一種基於ZigBee無線技術的水環境監測系統。該發明包括分布在水環境監測的區域中的多個水環境監測節點和一個數據視頻基站。水環境監測節點是基於ZigBee無線技術，包括節點微處理器模塊、節點ZigBee射頻模塊CCM20射頻晶片、電源管理模塊和水質參數採集模塊。數據視頻基站採用ARM-DSP雙處理器架構，包括基站ZigBee射頻模塊CCM20射頻晶片、CDMA傳輸模塊HUAWEI-CM320、視頻信號採集模塊和微處理器模塊。該發明可同時採集多種水質參數，數據通信能力強、網絡覆蓋範圍廣， 並且可實現視頻信號的實時採集、處理和無線傳輸。該專利技術的不足之處在於①環境參數僅限於水質監測，適用範圍比較狹窄；②該系統只是將水質參數通過基站發送出去，不涉及對水質參數的分析，不便於環境監測人員對水質的分析；③該系統沒有設計人機互動層軟體，不便於環境監測人員對監測數據的處理、分析。
發明內容
本發明克服了現有技術的缺陷，提供一種組網簡單、造價低廉、性能優越、操作方便的無線環境監測網絡系統和方法，可以進行多方面的綜合環境監測，使環境監測變得更加準確、快速、方便。本發明通過以下技術方案實現一種基於ZigBee&GPRS的無線環境監測網絡，包括由中央監控計算機和GPRS無線通信模塊組成的中央監控層、由多個中繼節點組成的中繼層和由多個現場環境監測節點組成的現場監測層，所述中繼節點集成有GPRS無線通信模塊和ZigBee無線通信模塊；所述現場環境監測節點集成有傳感器模塊、ZigBee無線通信模塊。現場環境監測節點的傳感器模塊主要包括溫度/溼度傳感器、光照傳感器、氣壓傳感器、風速/風向傳感器、以及部分可燃/有害氣體傳感器(如一氧化碳、天然氣、液化氣、酒精等)，其可以實時採集環境監測數據，然後通過ZigBee無線通信模塊直接或間接將環境監測數據發送至中繼節點。中繼節點不僅集成有ZigBee無線通信模塊而且集成有GPRS無線通信模塊，可以通過ZigBee無線通信模塊與各個現場環境監測節點進行無線通信，直接或間接接收各個現場環境監測節點的環境監測數據，並將這些環境監測數據整理打包之後，按照一定的通信協議通過GPRS無線通信模塊，利用現有的移動通信網絡，將環境監測數據實時發送至中央監控中心，實現環境監測數據的遠程無線傳輸。作為本發明的進一步改進，所述中繼節點的電源管理模塊都採用電池供電，避免了大量的線路鋪設，可以方便地部署到野外的監測，點節約了成本，提高了效率。作為本發明的另一改進，採用模塊化設計思路，將ZigBee無線通信電路和GPRS無線通信電路均設計為獨立的電路模塊，通過特定的接口與中繼節點的其他功能模塊連接在一起。本發明相對於傳統的環境監測方案具有顯著的進步，首先是將ZigBee無線通信模塊設計為獨立的電路模塊，既降低了現場環境監測節點和中繼節點電路設計的複雜度， 又可以降低成本，便於升級、維護。如果某個ZigBee無線通信模塊出現故障，則只需更換該模塊既可，無需更換整個現場環境監測節點或中繼節點。同理，GPRS無線通信模塊亦設計為獨立的電路模塊。採用模塊化設計不僅可以降低成本、簡化設計的複雜度，而且便於系統的升級、維護；其次採用電池供電，安裝方便。在本發明中，現場環境監測節點和中繼節點均採用電池供電。這樣，現場環境監測節點和中繼節點的安裝位置可以不受電力供應的限制， 可以方便地部署在電力供應不便的偏遠地帶。同時，現場環境監測節點和中繼節點均採用低功耗技術，在某些功能模塊不工作時，可以暫時切斷這些功能模塊的電源，以降低電能消耗，而且兩種節點的微處理器均可以工作在多種低功耗模式，最大限度地降低功耗，延長電池的使用壽命；第三，本發明可以監測多種環境參數，可擴展性好。現場環境監測節點可實時採集溫度、溼度、光照、氣壓、風速、風向等基本環境參數，並實時監測大氣中的部分可燃氣體、有害氣體(如一氧化碳、天然氣、液化氣、酒精等)的種類以及濃度；第四，本發明組網方便。現場監測層組網採用ZigBee無線通信方式，可以根據實際需要，方便地組織成星型、 樹型或Mesh型等不同形式的ZigBee無線通信網絡。這些ZigBee無線通信網絡均可以方便地增加或減少通信節點，組網極為靈活方便；第五，本發明利用現有的移動通信網絡進行遠程通信，可靠性高，成本低。本發明的遠程無線通信採用GPRS無線通信方式，利用現有的移動通信網絡，實現環境監測數據的遠程傳輸，無需自己組建遠程通信網絡，成本低，可靠性高，建設周期短。
下面根據實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明。圖1是本發明的無線環境監測網絡架構示意圖；圖2是本發明的中繼節點功能示意圖；圖3是本發明的現場環境監測節點功能示意圖；圖4是本發明的中央監控軟體功能框圖；圖5是本發明的星型ZigBee無線通信網絡示意圖；圖6是本發明的樹型ZigBee無線通信網絡示意圖；圖7是本發明的Mesh型ZigBee無線通信網絡示意圖。圖中1、中央監控層；2、中繼層；3、現場監測層；4、GPRS無線通信；5、ZigBee無線通信； 11、中央監控中心；111、中央監控計算機；112、中央GPRS無線通信模塊；21、中繼節點；31、 現場環境監測節點；211、電源管理模塊；212、微處理器模塊；213、GPRS無線通信模塊；214、 ZigBee無線通信模塊；215、輔助功能模塊；311、電源管理模塊；312、微處理器模塊；313、傳感器模塊；314、ZigBee無線通信模塊；315、輔助功能模塊；41、數據接收；42、數據處理；43 數據顯示；44、數據存儲；45、數據分析；46、命令發送。
具體實施例方式如圖1至7所示，給出了本發明一個具體實施例，圖中，該無線環境監測網絡主要包括三層中央監控層1、中繼層2、現場監測層3，其中，現場監測層3由各個現場環境監測節點31組成，中繼層2由各個中繼節點21組成，中央監控層1由中央監控中心11組成；中央監控中心11又由中央監控計算機111和中央GPRS無線通信模塊112組成。各中繼節點 21可以通過ZigBee無線通信5收集一定區域內各個現場環境監測節點31的環境監測數據然後通過GPRS無線通信4，利用現有的移動通信網絡，將該區域的環境監測數據發送至中央監控中心11。中央監控中心11可以通過中央GPRS無線通信模塊112，接收各個中繼節點21發送來的環境監測數據，進而對數據進行處理、分析。如圖2所示，中繼節點21主要由電源管理模塊211、微處理器模塊212、GPRS無線通信模塊213、ZigBee無線通信模塊214和輔助功能模塊215等組成。中繼節點21接收一定範圍內現場環境監測節點31的環境監測數據，將環境監測數據打包整理之後，按照一定的無線通信協議，通過GPRS無線通信4，利用現有的移動通信網絡，發送至中央監控中心 11，實現環境監測數據的遠程無線傳輸。電源管理模塊211採用電池供電，經過穩壓電路產生5V和3. 3V直流電源，為其他功能模塊供電。微處理器模塊212採用高性能低功耗微處理器，集成有FLASH、RAM、EEPR0M，具有JTAG調試接口，可以在線編程，開發簡單價格低廉。 輔助功能模塊215主要包括IXD顯示、小鍵盤、報警等功能可實現環境監測數據的顯示、人機互動、實時報警等功能。ZigBee無線通信模塊214和GPRS無線通信模塊213均設計為獨立的電路模塊，通過特定的接口，與中繼節點21的其他功能模塊進行連接，不僅簡化了電路設計的複雜度，而且便於升級、維護。中繼節點21可以通過ZigBee無線通信模塊214與各個現場環境監測節點31進行無線通信，直接或間接接收各個現場環境監測節點31的環境監測數據，並將這些環境監測數據整理打包之後，按照一定的通信協議通過GPRS無線通信模塊213，利用現有的移動通信網絡，將環境監測數據實時發送至中央監控中心11。如圖3所示，現場環境監測節點31主要由電源管理模塊311、微處理器模塊312、 傳感器模塊313、ZigBee無線通信模塊314、和輔助功能模塊315等組成。現場環境監測節點31實時採集環境監測數據，然後通過ZigBee無線通信5，直接或間接將環境監測數據發送至中繼節點21。電源管理模塊311採用電池供電，經過穩壓電路產生5V和3. 3V直流電源，為現場環境監測節點31的其他功能模塊供電。微處理器模塊312採用超低功耗單片機， 集成有FLASH、RAM、EEPROM、ADC具有JTAG調試接口，可以在線對單片機進行編程，開發簡單價格低廉。傳感器模塊313主要包括溫度/溼度傳感器、光照傳感器、氣壓傳感器、風速/ 風向傳感器、以及部分可燃/有害氣體傳感器(如一氧化碳、天然氣、液化氣、酒精等)。其中，溫度/溼度傳感器、光照傳感器、氣壓傳感器等數字式傳感器的監測數據可由單片機直接讀取，而可燃/有害氣體傳感器等模擬式傳感器的輸出量是模擬量，需通過單片機自帶的ADC將模擬量轉換為數字量再由單片機進行處理，得到環境監測數據。各個功能模塊的電源均由單片機控制，如果某個功能模塊暫時不需要工作，則單片機可以將該功能模塊的電源暫時切斷，以降低損耗，延長電池使用壽命。中央監控計算機111通過RS232串行通信接口與中央GPRS無線通信模塊112通信。該中央GPRS無線通信模塊112接收各個中繼節點21發送來的監測數據，然後將監測數據發送至中央監控計算機111，其上運行有環境監控軟體。如圖4所示，該環境監控軟體主要具有數據接收41、數據處理42、數據顯示43、數據存儲44、數據分析45、命令發送46等功能。該環境監測軟體對監測數據處理之後，實時地在顯示器上顯示，並將監測數據以文件的形式保存在存儲器上，以便於日後查詢。並且，該環境監控軟體亦提供數據分析功能，通過分析、對比當前的環境監測數據與過去的環境監測數據，分析環境變化趨勢，發現環境汙染信息，給出環境保護建議，幫助環境監測人員做出決策。另外，該環境監控軟體亦提供命令發送功能，環境監測人員可以方便地向各個現場環境監測節點31或中繼節點21發送控制命令，如更改現場環境監測節點31的採樣周期等。若要對某個區域的環境進行實時監測，則需要在該區域的適當位置部署一定數量的現場環境監測節點31，實時監測各種環境參數。而現場環境監測節點31之間的距離可根據需要設定，從幾米到IOOOm均可(ZigBee無線通信距離與發射功率直接相關)，並在適當位置部署一個中繼節點21。中繼節點21與各個現場環境監測節點31可根據需要組成星型 (如圖5所示)、樹型(如圖6所示)、或Mesh型(如圖7所示)等不同形式的ZigBee無線通信網絡，這三種形式的ZigBee無線通信網絡均可以方便地增加或減少通信節點，組網方便、靈活。各個現場環境監測節點31均可以通過ZigBee無線通信模塊314直接或間接與該中繼節點21進行無線通信。根據與中繼節點21通信方式的不同，現場環境監測節點31可以分為三類其一類現場環境監測節點31a可通過ZigBee無線通信模塊314直接與中繼節點21通信，將自身的環境監測數據發送給中繼節點21 ；其二類現場環境監測節點31b距離中繼節點21較遠，無法直接與中繼節點21通信，其首先將環境監測數據發送給其他現場環境監測節點31c，再由該節點將環境監測數據發送給中繼節點21 ；第三類現場環境監測節點31c可以與中繼節點21直接通信，不僅可以將自身的環境監測數據發送給中繼節點21 還負責將其它距離中繼節點21較遠的現場環境監測節點31b的環境監測數據發送給中繼節點21。如圖5所示，如果組成星型ZigBee無線通信網絡，則中繼節點21處於中央位置， 各個現場環境監測節點31a分布在中繼節點21的周圍，均是上述第一類節點，可直接與中繼節點21進行無線通信。各現場環境監測節點31a均可將環境監測數據直接發送至中繼節點21，再由中繼節點21將這個區域內的環境監測數據，通過GPRS無線通信模塊213，利用現有的移動通信網絡發送至中央監控中心11。如圖6所示，如果組成樹型ZigBee無線通信網絡，則中繼節點21處於樹型無線通信網絡的根節點位置。現場環境監測節點31a可通過ZigBee無線通信模塊314與中繼節點21直接進行無線通信，將環境監測數據直接發送給中繼節點21。而距中繼節點21較遠的上述第二類現場環境監測節點31b，無法將環境監測數據直接發送給中繼節點21，因此， 該節點首先將環境監測數據發送至離中繼節點較近的第三類節點31c，然後再由此節點將環境監測數據轉發給中繼節點21。在樹型ZigBee無線通信網絡中，上述第三類現場環境監測節點31c不僅可將自己的環境監測數據發送至中繼節點21，還扮演著數據中轉站的角色。最終，中繼節點21將這個區域內的環境監測數據整理之後，通過GPRS無線通信模塊 213，利用現有的移動通信網絡，按照一定的無線通信協議發送至中央監控中心11。如圖7所示，現場環境監測節點31和中繼節點21亦可以組織成Mesh型ZigBee 無線通信網絡。在Mesh型ZigBee無線通信網絡中，其一類現場環境監測節點31a可通過 ZigBee無線通信模塊314與中繼節點21直接進行無線通信，可直接將環境監測數據發送給中繼節點21。現場環境監測節點31b可首先將環境監測數據發送至現場環境監測節點 31c，再由現場環境監測節點31c將環境監測數據轉發至中繼節點21。在Mesh型ZigBee無線通信網絡中，任意兩個節點之間均可以通信，通信路徑更多，通信更加可靠。同理，中繼節點21在收集這個區域內各現場環境監測節點31的環境監測數據之後，將數據打包整理，而後通過GPRS無線通信模塊213，利用現有的移動通信網絡，按照一定的無線通信協議發送至中央監控中心11。本發明採用模塊化結構，組網簡單，技術可靠，實時性強，性價比高，可擴展性好， 可實時監測多種環境參數，提高了環境監測的效率，降低了成本。
權利要求
1.一種基於ZigBee&GPRS的無線環境監測網絡，包括由中央監控計算機(111)和 GPRS無線通信模塊(112)組成的中央監控層(1)、由多個中繼節點組成的中繼層(2) 和由多個現場環境監測節點(31)組成的現場監測層( 其特徵在於，所述中繼節點集成有GPRS無線通信模塊(213)和ZigBee無線通信模塊Q14)；所述現場環境監測節點 (31)集成有傳感器模塊(313)、ZigBee無線通信模塊(314)。
2.根據權利要求1所述的一種基於ZigBee&GPRS的無線環境監測網絡，其特徵在於，所述中繼節點的電源管理模塊011)都採用電池供電。
3.根據權利要求1所述的一種基於ZigBee&GPRS的無線環境監測網絡，其特徵在於，採用模塊化設計思路，將ZigBee無線通信電路和GPRS無線通信電路均設計為獨立的電路模塊，通過接口與中繼節點的其他功能模塊連接在一起。
全文摘要
一種基於ZigBee&GPRS的無線環境監測網絡，包括由中央監控計算機和GPRS無線通信模塊組成的中央監控層、由多個中繼節點組成的中繼層和由多個現場環境監測節點組成的現場監測層，所述中繼節點集成有GPRS無線通信模塊和ZigBee無線通信模塊；所述現場環境監測節點集成有傳感器模塊、ZigBee無線通信模塊。本發明採用模塊化結構，組網簡單，技術可靠，實時性強，性價比高，可擴展性好，可實時監測多種環境參數，提高了環境監測的效率，降低了成本。
文檔編號G08C17/02GK102164176SQ20111005797
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月11日 優先權日2011年3月11日
發明者餘意, 張建宏, 易建強 申請人:無錫中科京惠自動化技術有限公司