水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，無法全面反映水環(huán)境變化趨勢(shì)，本實(shí)用新型目的是提供一種穩(wěn)定高效的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)用新型包括處理器模塊、傳感器模塊、移動(dòng)模塊、Zigbee無線通信模塊和電源模塊。處理器模塊采用微控制器MC13211作為控制和分析處理水環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并控制Zigbee無線通信模塊和傳感器模塊的工作狀態(tài)。處理器模塊通過MC13211自身集成的A／D轉(zhuǎn)換模塊與傳感器模塊相連，通過內(nèi)部集成的SPI串行接口與Zigbee無線通信模塊相連，內(nèi)部集成存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)水環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。電源模塊采用鋰電池與太陽能電池雙電源為處理器模塊、傳感器模塊、Zigbee無線通信模塊和移動(dòng)模塊供電。移動(dòng)模塊使得水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)功能，提高整體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和機(jī)動(dòng)性。該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有監(jiān)測(cè)范圍大，配置靈活，功耗低，受自然環(huán)境影響小，成本低廉的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的多點(diǎn)遠(yuǎn)程多參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)性的水質(zhì)污染事故。
【專利說明】水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。屬無線通信和嵌入式系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]國內(nèi)關(guān)于水質(zhì)參數(shù)采集多采用單一參數(shù)的水質(zhì)分析儀，其價(jià)格低、操作簡單，但不能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，機(jī)動(dòng)性差，數(shù)據(jù)采集速度慢等問題。無法滿足大面積水域，復(fù)雜地形水域水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的需求。因此我們需要找尋一種新的技術(shù)，解決大面積、多水域和復(fù)雜地形水環(huán)境水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)管理。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型節(jié)點(diǎn)組成的，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作地采集和處理監(jiān)測(cè)區(qū)域中的感知對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者。它的出現(xiàn)產(chǎn)生了一種全新的信息獲取和處理方式，結(jié)合不同的類型的傳感器，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事檢查、智能家居、智能交通、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是無線床干起網(wǎng)絡(luò)在在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。與現(xiàn)有的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小、監(jiān)測(cè)密度高且范圍廣泛、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)是將大量傳感器節(jié)點(diǎn)(數(shù)量從幾百到幾千個(gè))拋撒到感興趣水域，節(jié)點(diǎn)通過自組織快速形成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，可以通過Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。通常節(jié)點(diǎn)受水環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)路由、能量等影響失去功能，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū)域無法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，提供可操作控制的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，避免因普通節(jié)點(diǎn)失效導(dǎo)致監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)發(fā)生。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有監(jiān)測(cè)范圍大，配置靈活，功耗低，對(duì)自然環(huán)境影響小，成本低廉的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的多點(diǎn)遠(yuǎn)程多參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)性的水質(zhì)污染事故，以便相關(guān)部門能夠及時(shí)采取措施，查找污染源頭，減小污染對(duì)農(nóng)業(yè)用水、畜牧業(yè)用水以及人們生活用水的影響，對(duì)水環(huán)境變化的監(jiān)控和環(huán)境保護(hù)具有極大的發(fā)展前景和現(xiàn)實(shí)意義。
[0006]本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，包括處理器模塊、傳感器模塊、電源模塊、移動(dòng)模塊和Zigbee無線通信模塊。所有模塊均經(jīng)過防水處理，電源模塊為處理器模塊和傳感器模塊、Zigbee無線通信模塊和移動(dòng)模塊供電。
[0008]具體來說，所述傳感器模塊中傳感器電路連接水下的pH傳感器、鹽度傳感器和溫度傳感器，可采集待監(jiān)測(cè)水域的PH值、鹽度值和溫度，再將采集的pH信號(hào)、鹽度信號(hào)和水溫信號(hào)轉(zhuǎn)換為O?5V的電壓信號(hào)并送至處理器模塊。[0009]進(jìn)一步地，所述處理器模塊接收傳感器發(fā)送的電壓信號(hào)，處理并存儲(chǔ)pH信號(hào)、鹽度信號(hào)和水溫信號(hào)，然后通過Zigbee無線通信模塊發(fā)送至基站。處理器模塊以飛思卡爾公司生產(chǎn)的MCl3211芯片為核心，MCl3211編寫了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)程序，包括水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)采集、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)與基站之間的通信和串口通信。從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能。
[0010]進(jìn)一步地，所述電源模塊包括兩部分電源:+3.3V和+5V。其中一部分鋰電池輸出+12V經(jīng)過穩(wěn)壓后輸出+5V直流電壓，給傳感器模塊、移動(dòng)模塊和存儲(chǔ)模塊供電。另一部分則通過穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換為+3.3V直流電壓供電給處理器模塊MC13211和Zigbee無線通信模塊。為了充分保障監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)工作的無人值守，采用了鋰電池和太陽能電池雙電池供電方式，在現(xiàn)有條件下最大限度的提高電池的續(xù)航能力，保證節(jié)點(diǎn)的生命周期。
[0011]進(jìn)一步地，所述Zigbee無線通信模塊設(shè)計(jì)。各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee通信協(xié)議組網(wǎng)，并與基站連接，通過命令受基站控制上傳數(shù)據(jù)?；贗EEE802.15.4 / zighee協(xié)議的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，這種結(jié)構(gòu)相互連接形成網(wǎng)狀，網(wǎng)絡(luò)健壯，容錯(cuò)能力強(qiáng)。
[0012]進(jìn)一步地，所述移動(dòng)模塊采用H橋電路驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速由微控制器MC13211輸出PWM占空比可調(diào)波形來控制。H橋電路驅(qū)動(dòng)芯片采用飛思卡爾公司的MC33886小功率直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)芯片。MC33886內(nèi)部集成一組全橋驅(qū)動(dòng)電路以及相應(yīng)的控制模塊，輸出的最大控制電流是5A，和輸出頻率小于IOKHz的PWM波形。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流伺服電機(jī)，選用RS-380SH型號(hào)的伺服電機(jī)，它直接拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)它又受控制信號(hào)的直接控制進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
[0013]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型提供的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有可移動(dòng)、雙電源、可編程配置、功耗低，處理器模塊通過內(nèi)部集成的PWM輸出到移動(dòng)模塊，控制節(jié)點(diǎn)的有目的移動(dòng)。電源模塊采用鋰電池和太陽能雙電源模式，當(dāng)鋰電池電量耗盡時(shí)，太陽能電池為其充電。設(shè)計(jì)中充分利用微處理器MC13211的內(nèi)部資源，如PWM、A / D轉(zhuǎn)換、SCI等接口分別連接移動(dòng)模塊、傳感器模塊及Zigbee無線通信模塊，簡化電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。通過軟件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，達(dá)到可配置性，使給節(jié)點(diǎn)適合于不同水環(huán)境監(jiān)測(cè)需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路原理連接圖；
[0016]圖3是PH傳感器的信號(hào)調(diào)理電路原理連接圖；
[0017]圖4是鹽度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路原理連接圖；
[0018]圖5是微控制器MC13211的最小系統(tǒng)參考電路原理連接圖；
[0019]圖6是發(fā)射天線和功放調(diào)理電路原理連接圖；
[0020]圖7是電源模塊電路原理連接圖；
[0021 ]圖8是移動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理連接圖。
具體實(shí)施方案
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0023]圖1是本實(shí)用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該節(jié)點(diǎn)設(shè)備包括處理器模塊、傳感器模塊、電源模塊、移動(dòng)模塊和Zigbee無線通信模塊
[0024](I)傳感器模塊包括傳感器和調(diào)理電路兩部分。
[0025]傳感器負(fù)責(zé)采集待監(jiān)測(cè)水域的PH值、鹽度值和水溫。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝有pH傳感器、鹽度傳感器和溫度傳感器，能采集水體的PH值、鹽度值和水溫，調(diào)理電路對(duì)采集的數(shù)據(jù)做線性化、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚怼?br> [0026]如圖2、3、4所示傳感器的調(diào)理電路原理連接圖，它們分別與圖5所示微控制器MC13211的最小系統(tǒng)電路相連接。
[0027](2)處理器模塊包括微控制器MC13211、存儲(chǔ)器和A / D轉(zhuǎn)換器。
[0028]微控制器MC13211是節(jié)點(diǎn)的控制核心，如圖5所示，它負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。采集到并處理后的水質(zhì)參數(shù)，并不是立即上傳到基站，因此需要按照一定的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)暫存在節(jié)點(diǎn)本地。水質(zhì)參數(shù)可以采用定時(shí)上傳的方式，也可以被動(dòng)接收上位機(jī)指令后，按照上位機(jī)的要求上傳相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)。
[0029](3) Zigbee無線通信模塊包括發(fā)射天線和功放調(diào)理電路。
[0030]監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組建基于Zigbee通信的無線通信。節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，采用多跳式傳輸將采集的水質(zhì)參數(shù)匯集到基站，基站通過GPRS通信將匯聚的參數(shù)傳輸至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心。發(fā)射功率放大電路的作用是將無線收發(fā)器輸入功率放大以達(dá)到期望輸出功率。由于數(shù)據(jù)接收和發(fā)送均通過同一個(gè)天線電路實(shí)現(xiàn)，在天線端加一個(gè)射頻單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)切換。
[0031]如圖6所示發(fā)射天線和功放調(diào)理電路原理連接圖，它與圖5所示微控制器MC13211的最小系統(tǒng)電路相連接。
[0032](4)電源模塊包括能量供應(yīng)和能量管理。
[0033]考慮到監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要長期部署在水中，經(jīng)常更換電池不容易實(shí)現(xiàn)，而且人工更換電池還會(huì)額外耗費(fèi)人力物力，增加監(jiān)測(cè)成本，也不利于監(jiān)測(cè)的持續(xù)性。所以在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中加入能量管理模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池剩余能量，通過采集節(jié)點(diǎn)的剩余能量，對(duì)節(jié)點(diǎn)各模塊進(jìn)行必要的能量分配，以達(dá)到延長節(jié)點(diǎn)生命周期和連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)水域的目的。
[0034]如圖7所示電源模塊電路原理連接圖，它能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池電量，并能實(shí)現(xiàn)鋰電池餓充放電功能。
[0035](5)移動(dòng)模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
[0036]為了提高整體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，考慮為關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)、位于監(jiān)測(cè)區(qū)域核心位置的節(jié)點(diǎn)和承載更多通信任務(wù)的節(jié)點(diǎn)加裝移動(dòng)模塊，使得節(jié)點(diǎn)可以在水面上移動(dòng)一點(diǎn)距離，改變終端節(jié)點(diǎn)自身原來的位置。未來可以結(jié)合移動(dòng)路由協(xié)議和節(jié)點(diǎn)定位算法，合理的變化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由路徑，目的是平衡網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，一口發(fā)生水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，可以調(diào)動(dòng)裝備有移動(dòng)單元的相關(guān)節(jié)點(diǎn)靠近數(shù)據(jù)異常的區(qū)域進(jìn)行再次監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)參數(shù)，確保數(shù)據(jù)可靠，避免誤動(dòng)報(bào)警，提高整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的穩(wěn)定性。
[0037]如圖8移動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理連接圖，它通過H橋電路驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速由微控制器輸出PWM占空比可調(diào)波形來控制。
【權(quán)利要求】
1.一種水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:包括處理器模塊、傳感器模塊、移動(dòng)模塊、Zigbee無線通信模塊和電源模塊，電源模塊采用鋰電池與太陽能電池雙電源為處理器模塊、傳感器模塊、Zigbee無線通信模塊和移動(dòng)模塊供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述傳感器模塊包括傳感器和調(diào)理電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述Zigbee無線通信模塊采用MC13211內(nèi)部集成收發(fā)器無線接發(fā)送數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述的移動(dòng)模塊采用H橋電路驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，通過PWM接口與處理器模塊相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述的處理器模塊包括微控制器、A / D轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述處理器模塊通過內(nèi)部集成的A / D轉(zhuǎn)換接口與傳感器模塊相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述處理器模塊通過內(nèi)部集成的PWM接口與移動(dòng)模塊相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水環(huán)境無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述存儲(chǔ)器為處理器內(nèi)部集成的，用于存儲(chǔ)水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK203721023SQ201420127923
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】林志貴, 劉英平, 趙可, 楊子原, 王旭陽 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)