專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及基于該傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及基于該傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network)是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域，它在森林 防火、水質(zhì)監(jiān)控等環(huán)境監(jiān)測及軍事、醫(yī)療健康、家庭智能監(jiān)控和其他商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng) 用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有傳感器節(jié)點(diǎn)密度高，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，以及節(jié)點(diǎn)的功耗低等特 點(diǎn)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技 術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE 802.15.4。主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種 設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。ZigBee仂、議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其中物理層遵循IEEE 802. 15. 4協(xié)議，控制RF收發(fā)器工作，采用 擴(kuò)頻通信，信號傳輸距離為室內(nèi)50m，室外150m。MAC層遵循IEEE 802. 15. 4協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè) 備間無線數(shù)據(jù)鏈路，支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備為16位地址尋址。網(wǎng)絡(luò)層建 立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)，對節(jié)點(diǎn)分配地址，保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng) 絡(luò)的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的AES-128對通信加密。應(yīng)用層應(yīng)用支持層維持 器件的功能屬性，根據(jù)服務(wù)和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為最新 推出的技術(shù)，雖然已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防等領(lǐng)域。目前，Zigbee技術(shù)在國外已經(jīng)在家庭網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)移動終端等領(lǐng)域有了一 定的應(yīng)用，但是現(xiàn)有Zigbee技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)每個(gè)接入點(diǎn)所能接納的傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn) 低于協(xié)議所標(biāo)稱的255個(gè)，為了達(dá)到傳感器網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋的目的，就必須進(jìn)行復(fù)雜的組網(wǎng)， 這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，還增加了網(wǎng)絡(luò)整體的功耗，降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。水質(zhì)監(jiān)測是水資源環(huán)境管理與保護(hù)的重要基礎(chǔ)，是保護(hù)水環(huán)境的重要手段。對于 水質(zhì)的監(jiān)測和治理關(guān)系到各行各業(yè)的生產(chǎn)和人民的生活。目前我國的水質(zhì)檢測仍然存在很 多問題，一是各級水質(zhì)監(jiān)測中心的采樣能力不足，監(jiān)測頻率低，水質(zhì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測儀器 設(shè)備老化，大型分析儀器配備不平衡。二是機(jī)動監(jiān)測能力不足，移動水質(zhì)分析監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室配 備數(shù)量太少，現(xiàn)場監(jiān)測能力低。三是自動水質(zhì)監(jiān)測站數(shù)量太少。缺乏自動測報(bào)能力，難以獲 得重點(diǎn)水功能區(qū)主要水質(zhì)監(jiān)測的實(shí)時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network)是由大 量的傳感器節(jié)點(diǎn)采用無線自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它在環(huán)境監(jiān)測、軍事、醫(yī)療健康、家庭智 能監(jiān)控和其它商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中所存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)， 將現(xiàn)代無線通信技術(shù)和有線通信技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，形成一整套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，克服傳統(tǒng) 監(jiān)控方案的不足，具有實(shí)用性和先進(jìn)性的優(yōu)勢。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于該系統(tǒng)包括 用于測量環(huán)境參數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)；所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)是多個(gè)，所述無線傳感節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)通過無線方式連接。上述匯節(jié)點(diǎn)是多個(gè)，所述匯節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)是一對一或者一對多的方式連 接。上述無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括Zigbee單元、硬件檢測單元和處理器，所述硬件檢測單 元、處理器和Zigbee單元依次相連接；所述硬件檢測單元檢測傳感器節(jié)點(diǎn)所在的環(huán)境，將 信息傳送給Zigbee單元，所述Zigbee單元利用自身的控制芯片對信息進(jìn)行處理后，以無線 的方式傳送給匯節(jié)點(diǎn)。上述匯節(jié)點(diǎn)包括Zigbee單元、16位微控制器和數(shù)據(jù)存儲單元；所述Zigbee單元 和16位微控制器之間通過異步串行口連接；所述數(shù)據(jù)存儲單元連接于16位微控制器。上述該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還包括中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，所述中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過無線方 式和匯節(jié)點(diǎn)連接。上述中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器包括監(jiān)控單元、配置單元和數(shù)據(jù)管理單元，所述配置單元、監(jiān) 控單元和數(shù)據(jù)管理單元依次相連，所述監(jiān)控單元通過通信串口與匯節(jié)點(diǎn)通信。一種基于上述無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包 括水質(zhì)監(jiān)測基站和控制中心站服務(wù)器；所述水質(zhì)監(jiān)測基站將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至控制中心站服 務(wù)器；所述控制中心站服務(wù)器包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理單元，所述水質(zhì)監(jiān) 測基站通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理單元連接。上述監(jiān)測系統(tǒng)是分層結(jié)構(gòu)，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)分別和多個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)連接，所述傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)給匯節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合后傳給數(shù)據(jù)傳輸單元。上述水質(zhì)監(jiān)測基站和控制中心站服務(wù)器的通訊方式是以太網(wǎng)、GPRS或者PSTN modem撥號。本實(shí)用新型采用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息 處理技術(shù)等等。通過各類集成化的微型傳感器，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和 采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，再通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，最后通過隨機(jī)自組 織的無線通信網(wǎng)絡(luò)，以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。由于采用無線傳輸，無線傳感網(wǎng)絡(luò)克服了許多傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的弊病。一 方面，在一些物理障礙和特殊環(huán)境下，有線網(wǎng)絡(luò)是不可能實(shí)現(xiàn)的。另一方面，與傳統(tǒng)的模擬 無線通訊相比，數(shù)字無線通訊已通過事實(shí)證明其所具有的巨大優(yōu)勢。另外，該無線技術(shù)對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直 接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每 個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則 沒有限制，同時(shí)還開發(fā)了鏈路安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種 利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其它節(jié)點(diǎn)獲得。本實(shí)用新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型基于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)之間通信量較小的特點(diǎn)，提出了一種 基于需求時(shí)喚醒的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｊ剑瑐鞲衅鞴?jié)點(diǎn)在監(jiān)測的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，能自動醒來 和匯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信并上報(bào)相關(guān)信息；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測信道，以節(jié)約 傳感器節(jié)點(diǎn)功耗并拒絕接受非法的連接訪問請求，大大降低了接入?yún)R節(jié)點(diǎn)時(shí)消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網(wǎng)絡(luò)容量。2、本實(shí)用新型應(yīng)用的Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出O-lOdbm，通信距離 為50-100m，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設(shè)備可自動調(diào)整設(shè)備的發(fā) 射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量。2、時(shí)延短通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間。3、安全性高提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)可 以靈活確定其安全屬性。4、網(wǎng)絡(luò)容量大每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，也就是說，每個(gè)設(shè)備可以與另外 254臺設(shè)備相連接，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的高冗余性保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在個(gè)別節(jié)點(diǎn)停止工作的情況下仍 然可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。5、優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰o線傳感節(jié)點(diǎn)可以自動形成有組織、有結(jié)構(gòu)、自形成、自 恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建免除了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的煩瑣的配置過程。任何新加入網(wǎng)絡(luò)中 的節(jié)點(diǎn)設(shè)備只要處于無線通訊范圍內(nèi)，可自動加入已有網(wǎng)絡(luò)，并自動形成信息路由路徑，將 信息傳到有效接收者。同時(shí)在節(jié)點(diǎn)設(shè)備硬件成本足夠低的情況下，這些節(jié)點(diǎn)可組建成一個(gè) 高冗余的網(wǎng)絡(luò)，從而保證網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的出錯自恢復(fù)的能力。6、建網(wǎng)及維護(hù)成本低綜合以上傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，可以看出，建網(wǎng)所需要的人工 費(fèi)用是很低的。任何一個(gè)經(jīng)過授權(quán)的傳感設(shè)備只要放在網(wǎng)絡(luò)的無線信號覆蓋范圍內(nèi)，就可 自動加入網(wǎng)絡(luò)工作，無須任何安裝配置。高度智能化最大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)所需的人 力和時(shí)間，加上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身價(jià)格低廉，使得智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本極低。本實(shí)用新型提出的監(jiān)測系統(tǒng)的有以下優(yōu)點(diǎn)1、監(jiān)測參數(shù)的多樣性、專業(yè)性水質(zhì)監(jiān)測基站主要負(fù)責(zé)采集水樣并通過各種水質(zhì) 監(jiān)測儀器對水樣的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，包括PH值、DO、濁度、水溫、電導(dǎo)、氨氮、T0C、C0D等基 本參數(shù)。2、實(shí)時(shí)性、智能化本實(shí)用新型結(jié)合了先進(jìn)的嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通 信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)微環(huán)境的參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能自動的收集各種傳感參數(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境 監(jiān)測的實(shí)時(shí)、智能化。3,Zigbee網(wǎng)絡(luò)是低功耗、低成本、高可靠性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì) 監(jiān)測系統(tǒng)更有效、方便、可靠的實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)的各種數(shù)據(jù)的采集和處理。4、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本實(shí)用新型利用了計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)集數(shù)據(jù) 解析，數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)綜合展示為一體的多功能、高度集成、面向水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)服務(wù) 系統(tǒng)。同時(shí)系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢功能，為用戶提供了全面可靠的數(shù)據(jù)服 務(wù)。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的匯節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型的中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本實(shí)用新型提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括Zigbee中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 1、匯節(jié)點(diǎn)2、Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)3 ；匯節(jié)點(diǎn)2是多個(gè)具有路由功能的無線節(jié)點(diǎn)；無線網(wǎng) 橋連接Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)，是檢測中心網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的管理。本實(shí)用新型是基于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)3和匯節(jié)點(diǎn)2之間通信量較小的特 點(diǎn)，提出了一種基于需求時(shí)喚醒的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｊ?，需求時(shí)喚醒的基本思想就是傳感器 節(jié)點(diǎn)3在監(jiān)測的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)3能自動醒來和匯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并上報(bào)相關(guān) 信息否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測信道，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)3功耗并拒絕接受 非法的連接訪問請求，大大降低了接入?yún)R節(jié)點(diǎn)2時(shí)消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器 網(wǎng)絡(luò)容量。對于一個(gè)完整的無線傳感器節(jié)點(diǎn)3，需要具有小尺寸、低功耗、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)， Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出0 3. 6dbm，通信距離為50_100m，具有能量檢測和 鏈路質(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測結(jié)果，可自動調(diào)整發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下， 最小地消耗設(shè)備能量，本實(shí)用新型提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)時(shí)，功耗電流 約為30uA。在傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信時(shí)，Zigbee建立一次連接的時(shí)間約為20ms，這樣短的連 接時(shí)間可以大大減少傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)給匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)碰撞的概率。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，本實(shí)用 新型提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在Zigbee技術(shù)上，采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。參見圖2，本實(shí)用新型提供了的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)3的硬件結(jié)構(gòu) 由Zigbee單元33 (MC13192和MC9S08兩部分所組成)、硬件檢測單元31和處理器32組成。 硬件檢測單元31、處理器32和Zigbee單元33依次相連接；Zigbee單元33利用自身的控 制芯片對信息進(jìn)行處理后，以無線的方式傳送給匯節(jié)點(diǎn)2。硬件檢測單元31檢測傳感器節(jié) 點(diǎn)3所在的環(huán)境，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，觸發(fā)Zigbee單元33的I/O中斷將信息傳送給Zigbee 單元33，單元從睡眠狀態(tài)喚醒，單元利用自身的控制芯片對信息進(jìn)行處理后，再以無線的方 式傳送給匯節(jié)點(diǎn)2。參見圖3，分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯節(jié)點(diǎn)2主要用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)上 報(bào)，并將其進(jìn)行融合處理，傳給數(shù)據(jù)傳輸單元21，通過internet網(wǎng)絡(luò)傳遞給中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯節(jié)點(diǎn)2的硬件由Zigbee單元33、16位微控制器22、數(shù)據(jù) 傳輸單元21等組成。Zigbee單元33和16位微控制器22之間的連接是通過異步串行口實(shí) 現(xiàn)的，它們之間的通信速度為38. 4kBaud,由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布著多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)2，因此16 位微控制器22要利用軟件中斷實(shí)現(xiàn)對不同ID匯節(jié)點(diǎn)2上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描，使匯節(jié)點(diǎn)2的 數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過微控制器處理后傳出。數(shù)據(jù)傳輸單元21是符合IEEE802. 15. 4/ Zigbee的無線通信單元，此單元用于數(shù)據(jù)的無線傳輸和通信。匯節(jié)點(diǎn)2在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中 充當(dāng)?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和internet網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。參見圖4，中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由監(jiān)控單元42、配置單元41、數(shù)據(jù)管理單元43這三個(gè)部 分組成。它通過internet網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)2間接連接在一起，監(jiān)控單元42通過對通信 串口的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對分布式匯節(jié)點(diǎn)2上報(bào)信息的及時(shí)接收、解析、處理以及發(fā)送控制信 令給不同的匯節(jié)點(diǎn)2實(shí)現(xiàn)對傳感器節(jié)點(diǎn)3的間接、實(shí)時(shí)性的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。本實(shí)用新型提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如下所述Zigbee協(xié)議棧由一系列分層結(jié)構(gòu)組成，每一層為上一層提供服務(wù)。數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供 其它功能服務(wù)。每種服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為上層提供接口。PHY層和MAC層由 IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)組制定。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口。提供物 理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。物理管理層 維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。Zigbee協(xié)議基于802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)層 和應(yīng)用支持層及應(yīng)用層框架。Zigbee網(wǎng)絡(luò)層提供加入和離開網(wǎng)絡(luò)機(jī)制、對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以 及幀路由等功能。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，主要完成 兩個(gè)功能①尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；②將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)。為 了能夠高效利用能量，減少通信量，Zigbee網(wǎng)絡(luò)允許樹形路由選擇，即樹形結(jié)構(gòu)選址。有 了樹形路由選擇，設(shè)備不必保存占有龐大內(nèi)存的路由表或者進(jìn)行額外的空中下載操作來發(fā) 現(xiàn)路徑，從而減小了網(wǎng)絡(luò)流量。為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產(chǎn)生額外的流 量，Zigbee路由允許路由器去發(fā)現(xiàn)捷徑。路由算法采用AODV(Ad Hoe On demand distance veaor)算法。每個(gè)路由器維護(hù)一張路由表，并定期與其鄰居路由器交換路由信息，根據(jù)最小 路由矢量更新自己的路由表。應(yīng)用層框架定義監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議。無線網(wǎng)關(guān)連接內(nèi)部無線 網(wǎng)絡(luò)與外部有線以太網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)采用16位微處理器系列實(shí)現(xiàn)。在Zigbee協(xié)議幀的基礎(chǔ)上，建 立無線網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議，包括設(shè)備編號、數(shù)據(jù)流方向、數(shù)據(jù)信息等。開機(jī)上電后.系統(tǒng)自檢， 硬件初始化，與遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器連接后進(jìn)入數(shù)據(jù)流中繼服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換等功能。 遠(yuǎn)程服務(wù)器接受連接后，隨時(shí)接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。并根據(jù)需要分類保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。本實(shí)用新型提出了一種基于該無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于 Zigbee協(xié)議，由大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)3、匯節(jié)點(diǎn)2和數(shù)據(jù)傳輸單元21組成的分層式系統(tǒng)。 基于簇(Cluster)的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心即本 實(shí)用新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)2，每個(gè)簇成員(傳感器節(jié)點(diǎn)3)都把數(shù)據(jù)傳給簇頭， 數(shù)據(jù)融合后直接傳給數(shù)據(jù)傳輸單元21。匯節(jié)點(diǎn)2和傳感器節(jié)點(diǎn)3之間通過Zigbee技術(shù)實(shí) 現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點(diǎn)3負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送 給匯節(jié)點(diǎn)2 ；控制中心通過internet網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制 和管理。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式1、水質(zhì)監(jiān)測基站水質(zhì)監(jiān)測基站主要負(fù)責(zé)采集水樣并通過各種水質(zhì)監(jiān)測儀器對水 樣的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，包括PH值、DO、濁度、水溫、電導(dǎo)、氨氮、T0C、C0D等基本參數(shù)。并且 對這些基本參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。按照一定時(shí)間設(shè)定通過各種通訊方式上傳到控制中心站服 務(wù)器。同時(shí)可以接受控制中心站服務(wù)器的控制。在和中心服務(wù)器的通訊方式上采用以太網(wǎng) 作為主通訊通道，采用GPRS或者PSTN modem撥號作為備用通信通道，一旦主通訊通道發(fā)生 故障不能上傳數(shù)據(jù)時(shí)控制器可以通過撥號方式采用備用通訊通道上傳數(shù)據(jù)，這樣就可以保 證數(shù)據(jù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地上傳蝴。在同參數(shù)采集設(shè)備的通訊上，F(xiàn)lex3500有5個(gè)RS232串口 和2個(gè)RS485串口，并且有多路模擬量和數(shù)字量的1/0，用戶可以靈活的配置采集設(shè)備的通 訊來完成水質(zhì)參數(shù)的采集。2、控制中心站服務(wù)器控制中心站服務(wù)器為配置較高的PC服務(wù)器，安裝了本實(shí) 用新型所提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件，負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)的存儲和分析， 并設(shè)置了相應(yīng)的服務(wù)，其它聯(lián)網(wǎng)的客戶機(jī)可以瀏覽監(jiān)控各水質(zhì)監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)和工作狀
7態(tài)?？刂浦行恼痉?wù)器的軟件系統(tǒng)可以采用組態(tài)網(wǎng)或者其它組態(tài)軟件開發(fā)。 本實(shí)用新型在Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了基于Zigbee協(xié)議的無線 傳感器水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并在無線網(wǎng)絡(luò)平臺上進(jìn)行了水質(zhì)參數(shù)檢測收集和分析測試。實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證了通過該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線水質(zhì)監(jiān)測的可行性。本實(shí)用新型提出的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包 含控制中心站系統(tǒng)、監(jiān)測基站系統(tǒng)兩大部分。中心站系統(tǒng)由前端計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件組成并與 N臺計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)。前端計(jì)算機(jī)通過可接收來 自基站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和向基站系統(tǒng)發(fā)出來 自中心站的指令?；鞠到y(tǒng)與中心站通信，并接受來自異構(gòu)水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)信號。在本 系統(tǒng)中，一個(gè)中心站系統(tǒng)可監(jiān)控若干個(gè)基站系統(tǒng)，從而組成一個(gè)龐大的水質(zhì)無線計(jì)算機(jī)自 動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)設(shè)計(jì)的zigbee無線水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺，對各種偏遠(yuǎn)環(huán)境下的水質(zhì)參數(shù)進(jìn) 行連續(xù)采集，并在監(jiān)控中心服務(wù)器上實(shí)時(shí)顯示。Zigbee網(wǎng)絡(luò)是低功耗、低成本、高可靠性的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其在無線遠(yuǎn)程環(huán)境檢測中有著廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于該網(wǎng)絡(luò)包括用于測量環(huán)境參數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)；所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)是多個(gè)，所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)通過無線方式連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述匯節(jié)點(diǎn)是多個(gè)，所述匯節(jié) 點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)是一對一或者一對多的方式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括 Zigbee單元、硬件檢測單元和處理器，所述硬件檢測單元、處理器和Zigbee單元依次相 連接；所述硬件檢測單元檢測傳感器節(jié)點(diǎn)所在的環(huán)境，將信息傳送給Zigbee單元，所述 Zigbee單元利用自身的控制芯片對信息進(jìn)行處理后，以無線的方式傳送給匯節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述匯節(jié)點(diǎn)包括Zigbee單 元、16位微控制器和數(shù)據(jù)存儲單元；所述Zigbee單元和16位微控制器之間通過異步串行 口連接；所述數(shù)據(jù)存儲單元連接于16位微控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于該無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)還包括中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，所述中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過無線方式和匯節(jié)點(diǎn)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器包括監(jiān) 控單元、配置單元和數(shù)據(jù)管理單元，所述配置單元、監(jiān)控單元和數(shù)據(jù)管理單元依次相連，所 述監(jiān)控單元通過通信串口與匯節(jié)點(diǎn)通信。
7.一種基于上述權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所 述水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括水質(zhì)監(jiān)測基站和控制中心站服務(wù)器；所述水質(zhì)監(jiān)測基站將監(jiān)測數(shù)據(jù)上 傳至控制中心站服務(wù)器；所述控制中心站服務(wù)器包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理 單元，所述水質(zhì)監(jiān)測基站通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理單元連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，其 特征在于所述監(jiān)測系統(tǒng)是分層結(jié)構(gòu)，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)分別和多個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)連接，所述傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)給匯節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合后傳給數(shù)據(jù)傳輸單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述水質(zhì)監(jiān)測基站和控制中心站服務(wù)器的通訊方式是以太網(wǎng)、GPRS或者PSTN modem撥號。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及基于該傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括用于測量環(huán)境參數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)；無線傳感器節(jié)點(diǎn)是多個(gè)，無線傳感節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)通過無線方式連接。本實(shí)用新型提供的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)代無線通信技術(shù)和有線通信技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，形成一整套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)監(jiān)控方案的不足，具有實(shí)用性和先進(jìn)性的優(yōu)勢。
文檔編號G01N33/18GK201623860SQ20092024566
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者鄧宏 申請人:西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司