基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)由透過式無線自組傳感網(wǎng)絡，透過式無線自組傳感網(wǎng)絡各個節(jié)點上甲醛測量終端，以及PC監(jiān)測處理主機三部分組成。本發(fā)明可以實現(xiàn)分辨率為0.01ppm的甲醛濃度測量，傳輸網(wǎng)絡穿透障礙物能力強，實現(xiàn)最遠5000米、多節(jié)點的分布式測量以及大數(shù)據(jù)量的精確采集和存儲分析。
【專利說明】
基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)及方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于環(huán)境測量領域，涉及一種甲醛測量裝置，尤其是一種基于透過式無線 自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 甲醛是一種無色，有強烈刺激性氣味的氣體。易溶于水、醇和醚。甲醛在常溫下是 氣態(tài)，通常以水溶液形式出現(xiàn)。甲醛為較高毒性的物質，在我國有毒化學品優(yōu)先控制名單上 高居第二位。已經被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質，是公認的變態(tài)反應源，也是潛 在的強致癌突變物之一。其濃度在每立方米空氣中達到0.06~0.07mg/m 3時，兒童就會發(fā)生 輕微氣喘。當室內空氣中達到〇. lmg/m3時，就有異味和不適感;達到0.5mg/m3時，可刺激眼 睛，引起流淚;達到〇. 6 mg/m3，可引起咽喉不適或疼痛。濃度更高時，可引起惡心嘔吐，咳嗽 胸悶，氣喘甚至肺水腫;達到30mg/m 3時，會立即致人死亡。因此，對空氣中甲醛的精確測量 成為現(xiàn)在環(huán)境測量的重要方向之一。
[0003] 而隨著射頻無線通信技術的發(fā)展和廣泛應用，無線傳感網(wǎng)絡技術已經應用在甲醛 監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對監(jiān)測區(qū)域甲醛濃度的實時監(jiān)測。但是，傳統(tǒng)的射頻無線收發(fā)芯片需要 節(jié)點終端芯片進行配置，需要占用終端芯片大量資源。因此，通常射頻無線通信模塊都需要 使用專用的配置芯片對射頻無線收發(fā)芯片進行配置或者使用高端芯片作為終端芯片，大大 增加了射頻無線通信網(wǎng)絡節(jié)點的硬件成本。同時，由于射頻無線通信網(wǎng)絡應用廣泛，不同的 開發(fā)團體研發(fā)射頻無線通信網(wǎng)絡時，都需要投入大量的研發(fā)時間來開發(fā)射頻無線收發(fā)芯片 與終端芯片之間的通信接口，極大的增加了研發(fā)成本。公開號為CN204065054U的中國專利， 使用WIFI技術對甲醛進行無線監(jiān)測，使用了相同的網(wǎng)絡協(xié)議，且結構簡單，使用方便。但是 其他主流無線網(wǎng)絡對其同頻干擾較大，數(shù)據(jù)傳輸時誤碼率較高缺少本地信息的處理與儲 存，不利于甲醛濃度的動態(tài)監(jiān)測。而且該系統(tǒng)必須使用WIFI路由器及相關網(wǎng)絡，通信距離較 短，限制了系統(tǒng)的使用場合和監(jiān)測的覆蓋范圍。公開號為CN203012946U的中國專利，將 ZigBee與GPRS技術利用到甲醛監(jiān)測系統(tǒng)中，解決了甲醛監(jiān)測方式繁瑣，專業(yè)性要求高等問 題。但是在實際的操作中，ZigBee技術的穿透性較差，數(shù)據(jù)傳輸距離較近，不利于遠距離大 范圍監(jiān)測。而對于大范圍多節(jié)點的監(jiān)測，GPRS在進行數(shù)據(jù)傳輸時需要消耗大量流量，從而限 制了系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集。公開號為CN202453320U的中國專利，給出了一種分 布式甲醛監(jiān)測的方法，系統(tǒng)能通過多點監(jiān)測、無線傳輸方式實現(xiàn)對居室環(huán)境中甲醛濃度的 有效監(jiān)測及顯示，但該系統(tǒng)僅使用嵌入式的主機進行最終的數(shù)據(jù)采集和處理，對多節(jié)點大 數(shù)據(jù)量的測量無法做到全面的分析和處理。
[0004] 因此，上述現(xiàn)有技術還存在以下問題： 1. 測量節(jié)點少，或者可以測量多節(jié)點但是無法存儲和分析； 2. 采用ZigBee或者WIFI技術的系統(tǒng)通信距離短，而采用GPRS技術的測量系統(tǒng)由于通信 成本問題，無法做到長時間大數(shù)據(jù)量的連續(xù)測量； 3. -般采用點對點傳輸，沒有路由功能，限制測量的距離和范圍； 4.通常采用某一終端作為測量主機，數(shù)據(jù)采集和處理能力弱。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明針對以上測量節(jié)點少、通信距離短以及數(shù)據(jù)處理能力弱等問題，提供一種 基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)及方法，通過把PC監(jiān)測處理主機的串 口有線通信協(xié)議，透過有線串口連接的任務分配器轉換為無線通信協(xié)議，查詢到遠端的甲 醛測量終端中的甲醛濃度信息。在此基礎上，當某些節(jié)點超出任務分配器的無線測量距離， 把某些正常通信的甲醛測量終端作為路由節(jié)點，組網(wǎng)成無線自組傳感網(wǎng)絡，并通過相應的 路由節(jié)點把超出任務分配器測量距離的甲醛測量終端數(shù)據(jù)傳送回PC監(jiān)測處理主機。從而使 PC監(jiān)測處理主機可以透過任務分配器和相應的無線自組傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)最遠5000米、多節(jié) 點的分布式測量以及大數(shù)據(jù)量的精確采集和存儲分析。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)： 一種基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)，包括具有若干網(wǎng)絡節(jié)點的 透過式無線自組傳感網(wǎng)絡、若干甲醛測量終端以及PC監(jiān)測處理主機；甲醛測量終端分布在 透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的若干網(wǎng)絡節(jié)點上，且均通過透過式無線自組傳感網(wǎng)絡與PC監(jiān)測 處理主機進行交互;每個甲醛測量終端包括用于采集甲醛濃度參數(shù)的電化學甲醛傳感器、 用于數(shù)據(jù)采集和通信用的微處理器以及射頻無線收發(fā)模塊。
[0007] 本發(fā)明進一步的改進在于： 所述甲醛測量終端還包括均與微處理器相交互的運算放大器、電源電路、蜂鳴器以及 IXD顯示屏；電化學甲醛傳感器將采集到的信號經過放大后發(fā)送給微處理器，微處理器將甲 醛參數(shù)與報警閥值比較，在甲醛參數(shù)高于報警閥值時向蜂鳴器發(fā)出報警指令，同時將甲醛 參數(shù)實時顯示在IXD顯示屏上。
[0008] 所述微處理器采用ATmegal6A微處理器，運算放大器采用AD8628芯片，電化學甲醛 傳感器采用DART電流型電化學甲醛傳感器，電源采用3.3V直流電源。
[0009] 所述ATmegal6A微處理器，其內部包含甲醛測量終端數(shù)據(jù)采集與傳輸算法。
[0010]所述射頻無線收發(fā)模塊，其射頻發(fā)射芯片采用CC1100E芯片。
[0011] 所述透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸策略，由透過式無線自組傳感網(wǎng)絡組網(wǎng) 策略和透過式無線自組傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢策略組成。
[0012] -種基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸算 法，包括以下步驟： 1) Atmegal6A芯片初始化A\D轉換寄存器、定時器0的寄存器以及定時器2的寄存器，并 初始化LCD液晶屏顯示界面； 2) 定時器0的中斷函數(shù)，每隔32毫秒調用A\D轉換函數(shù)； 3) A\D轉換函數(shù)輸出的數(shù)值經換算以后得到測量的甲醛濃度值； 4) 甲醛濃度值發(fā)送給IXD顯示函數(shù)并在此甲醛測量終端的IXD上顯示； 5) 判斷甲醛濃度是否超標，并改寫定時器2的寄存器值，從而控制脈寬調制信號(PWM) 的輸出，來控制甲醛測量終端是否通過蜂鳴器報警； 6) 檢測是否有相應的數(shù)據(jù)查詢指令； 7) 如果有數(shù)據(jù)查詢指令，并且查詢的是此終端的地址，則把甲醛濃度值并由射頻發(fā)射 芯片通過透過式無線自組傳感網(wǎng)絡發(fā)送到PC監(jiān)測主機中； 8) 如果有數(shù)據(jù)查詢指令，并且查詢的是經此終端路由的甲醛測量終端地址，則此終端 發(fā)送查詢指令，查詢目標終端的甲醛濃度值，并由射頻發(fā)射芯片通過透過式無線自組傳感 網(wǎng)絡發(fā)送到PC監(jiān)測主機中； 9) 如果沒有數(shù)據(jù)查詢指令，或者查詢的不是經此終端路由的甲醛測量終端地址，則此 終端只測量并顯示數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，進入待機狀態(tài)。
[0013] -種透過式無線自組傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，包括以下步驟： 1) 各甲醛測量終端節(jié)點在上電激活、初始化并進入組網(wǎng)狀態(tài)，等待接收來自PC監(jiān)測處 理主機的組網(wǎng)命令； 2) PC監(jiān)測處理主機通過有線的串口，以串口協(xié)議向任務分配器(0x00)發(fā)送組網(wǎng)命令， 任務分配器接收到組網(wǎng)命令后，自動設置為路由節(jié)點，并成為當前層級網(wǎng)絡的路由節(jié)點，以 射頻發(fā)射芯片的協(xié)議，向所有節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)命令； 3 )當前路由節(jié)點依次查詢未組網(wǎng)的節(jié)點地址，當節(jié)點響應時組網(wǎng)成功，成為與當前路 由節(jié)點相連的子節(jié)點，進入待機狀態(tài)，不再響應其它路由節(jié)點組網(wǎng)命令，沒有響應的節(jié)點仍 保持待組網(wǎng)狀態(tài)，等待接收某父路由節(jié)點的組網(wǎng)命令； 4) 組網(wǎng)成功的節(jié)點設置為當前路由節(jié)點的鄰居表，并保存路由路徑和鄰居表并上傳到 與其相對應的父路由節(jié)點； 5) 所有節(jié)點查詢完畢后，更新未組網(wǎng)的節(jié)點地址，組網(wǎng)成功的所有節(jié)點成為新一級的 路由節(jié)點，依次對未組網(wǎng)的節(jié)點進行查詢，若節(jié)點響應，則成為其對應的當前路由節(jié)點的子 節(jié)點，若節(jié)點無響應，仍繼續(xù)保持待組網(wǎng)狀態(tài)，等待接收某父路由節(jié)點的組網(wǎng)命令； 6) 逐級查詢，直到全部待組網(wǎng)地址分配完畢，或未響應的節(jié)點地址不改變?yōu)橹埂?br>[0014] -種透過式無線自組傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢方法，包括以下步驟： 1) PC監(jiān)測處理主機通過有線的串口，以串口協(xié)議向任務分配器(0x00)發(fā)送對目標節(jié)點 OxNN的查詢命令； 2) 任務分配器首先收到查詢指令，并作為當前路由節(jié)點，以射頻發(fā)射芯片的協(xié)議，按照 當前路由節(jié)點的鄰居表信息對其子路徑逐個進行查詢； 3) 若查詢的目標地址節(jié)點OxNN在當前路由節(jié)點的鄰居表中，則直接查詢目標節(jié)點OxNN 的數(shù)據(jù)并將該查詢結果按照原查詢路徑返回PC監(jiān)測處理器，節(jié)點OxNN的甲醛濃度數(shù)據(jù)測量 結束，該節(jié)點進入待機狀態(tài)，等待下一次查詢激活命令； 4) 若目標地址節(jié)點OxNN不在當前路由節(jié)點鄰居表中，便自動設置與當前路由節(jié)點相連 的包含節(jié)點OxNN路徑的下級節(jié)點作為當前路由節(jié)點，對OxNN地址逐級查詢，直到目標地址 OxNN響應為止； 5) 目標地址OxNN的甲醛測量終端，通過原路由路徑以射頻發(fā)射芯片的協(xié)議返回甲醛濃 度值，任務分配器以射頻發(fā)射芯片的協(xié)議接收甲醛濃度值，并轉換為串口協(xié)議發(fā)送給PC監(jiān) 測處理主機； 6) PC監(jiān)測處理主機查詢到目標地址為OxNN的甲醛測量終端節(jié)點的甲醛濃度值，并作出 相應的處理。
[0015] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛監(jiān)測系統(tǒng)，由透過式無線自組傳感 網(wǎng)絡，透過式無線自組傳感網(wǎng)絡各個節(jié)點上甲醛測量終端，以及PC監(jiān)測處理主機(包含負責 采集存儲和處理數(shù)據(jù)上位機系統(tǒng))三部分組成。透過式無線自組傳感網(wǎng)絡可以在某些節(jié)點 超出主機測量距離時，把某些正常通信的甲醛測量終端作為路由節(jié)點，組網(wǎng)成無線自組傳 感網(wǎng)絡，并通過相應的路由節(jié)點把超出任務分配器測量距離的甲醛測量終端數(shù)據(jù)傳送回PC 監(jiān)測處理主機。每個甲醛測量終端節(jié)點在網(wǎng)絡中，既是終端節(jié)點，又具備路由節(jié)點功能，它 無需任何用戶協(xié)議即可實現(xiàn)逐級中繼，擴大了甲醛環(huán)境有效監(jiān)測區(qū)域的范圍，并且能根據(jù) 實際監(jiān)測的需要自動組網(wǎng)，在其網(wǎng)絡結構中不需單獨的路由器或中繼器，穿透障礙物能力 強。因此對比現(xiàn)有的無線甲醛測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)最遠5000米的低成本遠距離大范圍的多節(jié) 點的分布式測量以及大數(shù)據(jù)量的精確采集和存儲分析。
[0016] 透過式無線自組傳感網(wǎng)絡，使PC監(jiān)測主機可以透過任務分配器，使用串口有線通 信協(xié)議發(fā)送相應的無線協(xié)議指令，把傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡當作有線網(wǎng)絡使用。工作時無需 任何用戶協(xié)議，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透過傳輸，降低了不同應用場合的上位機開發(fā)成本，大大降 低了射頻無線通信網(wǎng)絡的硬件和設計研發(fā)成本。
[0017] 甲醛測量終端通過放大精密甲醛傳感器上的Μ級電流，可以精確的測量甲醛在空 氣中的濃度。由于系統(tǒng)采用了 PC監(jiān)測處理主機，因此相比現(xiàn)有技術，可以在PC機中實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的采集存儲和處理，可以做大數(shù)據(jù)量的長時間測量，存儲的數(shù)據(jù)可以方便的用PC機進行處 理分析。而甲醛測量終端通過放大精密甲醛傳感器上的nA級電流，可以精確的測量甲醛在 空氣中的濃度，分辨率為O.Olppm。本發(fā)明可以家庭單機使用，也可以廣泛的應用于分布式 大氣環(huán)境監(jiān)測、大范圍多房間的室內環(huán)境監(jiān)測等領域。
[0018] 【【附圖說明】】 圖1為本發(fā)明的總體設計框圖； 圖2為本發(fā)明透過式無線自組傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸示意圖； 圖3為本發(fā)明甲醛測量終端的結構原理圖； 圖4為本發(fā)明甲醛傳感器測量及放大電路圖； 圖5為本發(fā)明透過式無線自組傳感網(wǎng)絡射頻無線收發(fā)模塊硬件電路圖； 圖6為本發(fā)明甲醛測量終端數(shù)據(jù)采集與傳輸算法流程圖； 圖7為本發(fā)明透過式無線自組傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)策略流程圖； 圖8為本發(fā)明透過式無線自組傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢策略流程圖。
[0019] 【【具體實施方式】】 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述： 一、系統(tǒng)組成 參見圖1，本發(fā)明基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括甲醛 測量終端，透過式無線自組傳感網(wǎng)絡和PC監(jiān)測處理主機三個部分組成。
[0020] 1、甲醛測量終端 微處理器ATmegal6A將甲醛測量終端采集來的甲醛參數(shù)的模擬信號進行放大濾波，經 過A/D轉換，轉化為數(shù)字信號，在LCD液晶屏上實時顯示各節(jié)點甲醛參數(shù)，并與報警閥值比 較。同時，甲醛測量終端，作為透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的節(jié)點，微處理器ATmegal6A還負責 數(shù)據(jù)的無線傳輸。
[0021] 2、透過式無線自組傳感網(wǎng)絡 透過式無線自組傳感網(wǎng)絡由任務分配器和各個甲醛測量終端組成。任務分配器 (0x00)，負責把PC監(jiān)測主機的有線通信串口協(xié)議轉換為相應的無線通信協(xié)議，并發(fā)送組網(wǎng) 或查詢數(shù)據(jù)命令。使PC監(jiān)測主機可以不用考慮各種無線傳輸?shù)膮f(xié)議，透過任務分配器來發(fā) 送指令。各個甲醛測量終端(OxNN)，既作為測量終端又作為透過式無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點?？?以直接返回數(shù)據(jù)，或者作為路由返回相應子節(jié)點的數(shù)據(jù)。
[0022]透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的示意圖，如圖2所示，實現(xiàn)對多點遠距離甲醛監(jiān)測時的 逐級中繼，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗵酚桑瑥亩鴶U大甲醛實時監(jiān)測的范圍。實現(xiàn)透過式無線自 組傳感網(wǎng)絡的自動識別路由、自動網(wǎng)絡維護、自動校驗等功能，保證網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定，數(shù)據(jù) 傳輸可靠。每個測量節(jié)點都可以在其他較遠節(jié)點無法直接與PC監(jiān)測處理主機通信時自動轉 換為路由節(jié)點，從而實現(xiàn)較遠節(jié)點的數(shù)據(jù)路由測量。
[0023] 3、PC監(jiān)測處理主機 PC監(jiān)測處理主機通過無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)出查詢信號的命令，終端收到遠程主機的命令 后把已經處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程主機中，將各個透過式無線自組節(jié)點實時采集來的環(huán)境 參數(shù)進行存儲和處理，并以圖像的形式顯示各時刻的參數(shù)，用戶可以根據(jù)實際監(jiān)測的需要， 通過PC監(jiān)測處理主機對系統(tǒng)報警閥值進行修改。
[0024] 二、甲醛測量終端 1、甲醛測量終端硬件電路 本發(fā)明系統(tǒng)的硬件框圖，如圖3所示，電化學甲醛傳感器發(fā)出的微弱電流信號(nA級電 流）經過AD8628放大電路后被放大，然后對其進行A/D轉換等一系列的處理后再由 Atmegal6A對其進行處理，如果甲醛參數(shù)濃度值高于濃度的國標，那么蜂鳴器就會發(fā)出警 報，同時將濃度參數(shù)值在LCD上實時顯示出來。如果在國標的允許范圍內，那么只顯示濃度 值而不發(fā)出警報。其中，對傳感器輸出的微弱電流，經如圖4所示的放大電路進行信號放大。 此外，ATmegal6A在檢測到數(shù)據(jù)查詢指令時，將甲醛濃度參數(shù)經射頻無線收發(fā)模塊傳送到透 過式無線自組傳感網(wǎng)絡，電路如圖5所示。
[0025] 2、甲醛測量終端數(shù)據(jù)采集與傳輸 如圖6所示。地址為OxNN的甲醛監(jiān)測節(jié)點，其微處理器Atmegal6A對終端的0IXD液晶顯 示器和A/D轉換寄存器、定時器0中斷寄存器、定時器2寄存器等寄存器進行初始化操作。電 化學甲醛傳感器將電解甲醛所產生的電流信號，通過A/D轉化寄存器中的A/D轉換函數(shù)后轉 化成微處理器Atmegal6A可直接處理的數(shù)字信號。微處理器ATmegal6A根據(jù)預先設置的報警 閾值判斷由OxNN節(jié)點的電化學甲醛傳感器產生的電流信號是否滿足報警閾值。若濃度超 標，由ATmegal6A的ΠΜ引腳控制的蜂鳴器則根據(jù)甲醛濃度超標的情況進行報警，待測區(qū)域 甲醛濃度參數(shù)超標越嚴重，蜂鳴器報警的功率越高。若甲醛濃度在正常值得范圍內，蜂鳴器 不工作，待測區(qū)域的甲醛參數(shù)濃度直接顯示在LCD顯示屏上。并且，微處理器通過將采集到 的甲醛數(shù)據(jù)經行處理，將參數(shù)信息暫存在緩存中。當收到來自PC監(jiān)測端的甲醛濃度查詢指 令后，通過透過式無線自組傳感網(wǎng)絡，將監(jiān)測節(jié)點OxNN的甲醛濃度參數(shù)等數(shù)據(jù)傳送到PC監(jiān) 測處理主機。
[0026]三、透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)查詢方法 1、透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng) 如圖7所示，透過式無線自組傳感網(wǎng)絡可以在某些節(jié)點超出主機測量距離時，把某個正 常通信的網(wǎng)絡節(jié)點自動組網(wǎng)為路由節(jié)點，并通過此路由節(jié)點把超出主機測量距離的節(jié)點數(shù) 據(jù)由路由節(jié)點傳送回測量主機。具體的： 各節(jié)點上電激活，完成初始化，進入待機狀態(tài)，等待接收來自PC監(jiān)測處理器的組網(wǎng)命 令。由PC監(jiān)測處理主機透過任務分配器發(fā)起組網(wǎng)命令。任務分配器(0x00)接收到串口傳來 的組網(wǎng)命令后，自動設置為路由節(jié)點，并成為當前層級網(wǎng)絡的路由節(jié)點，發(fā)送無線協(xié)議的組 網(wǎng)命令。
[0027] 當前路由節(jié)點依次查詢與其相連的下級子路徑未組網(wǎng)的節(jié)點地址，當節(jié)點響應 時，組網(wǎng)成功，成為與當前路由節(jié)點直接相連的子節(jié)點，進入待機狀態(tài)，不再響應其他路由 節(jié)點的組網(wǎng)命令。沒有響應的節(jié)點，仍保持待組網(wǎng)狀態(tài)，等待接收某父路由節(jié)點的組網(wǎng)命 令。所有節(jié)點查詢完畢后，更新未組網(wǎng)的節(jié)點地址，組網(wǎng)成功的所有節(jié)點成為新的路由節(jié) 點，對未組網(wǎng)的節(jié)點進行查詢，若節(jié)點響應，則成為其對應的當前路由節(jié)點的子節(jié)點，若節(jié) 點無響應，仍繼續(xù)保持工作接收狀態(tài)，等待接收對應的路由節(jié)點的組網(wǎng)查詢命令。逐級查 詢，直到全部節(jié)點組網(wǎng)成功或全部地址分配完畢為止。組網(wǎng)成功的節(jié)點設置為當前路由節(jié) 點的鄰居表，并保存路由鄰居表上傳到與其相連的父路由節(jié)點。最終，當全部節(jié)點組網(wǎng)成 功，或者未組網(wǎng)的節(jié)點地址不再改變，組網(wǎng)結束。
[0028] 每個節(jié)點都配置了相同形式的數(shù)據(jù)傳輸指令。該傳輸指令由16進制數(shù)碼組成，形 式如FAFBC7 00 01 10 0003 122000 46,其中前6位FAFBC7為引導碼，同時也為該網(wǎng)絡的驗 證碼;00為數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送端節(jié)點地址;01為當前被組網(wǎng)的終端地址。當前地址為00時為任務 分配器;10為功能碼，用于switch程序中選擇相應的執(zhí)行項。在此傳感網(wǎng)絡中用于控制各節(jié) 點的查詢信息接收和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。0003為傳輸數(shù)據(jù)長度碼，規(guī)定地址查詢信息傳輸?shù)臄?shù) 據(jù)有幾個字節(jié)，一次數(shù)據(jù)傳輸最多16bit 256個字節(jié)的數(shù)據(jù)；122000為數(shù)據(jù)值代表組網(wǎng)命 令，即地址查詢傳輸過程中需要的具體數(shù)值。最后兩位46為該條數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ灪?，用來?shù) 據(jù)有效性的校驗，地址、功能碼和數(shù)據(jù)值中所有16進制數(shù)相加，超過FF取后兩個。
[0029] 假設任務分配器(0x00)為一級節(jié)點，0x01-0x06是與任務分配器(0x00)直接相連 的二級節(jié)點，每個二級節(jié)點下面又有若干個與其相連的子節(jié)點組成三級傳感網(wǎng)絡，并按照 此組網(wǎng)方式逐級擴展。
[0030] 下面以要組網(wǎng)的節(jié)點為第三級節(jié)點（0x07)，與其相連的父節(jié)點（已組網(wǎng)成功，兩個 節(jié)點可以通信)地址為0x01為例。組網(wǎng)過程如下，首先PC監(jiān)測處理主機發(fā)出對目標節(jié)點0x07 的組網(wǎng)命令，任務分配器（0x00)收到組網(wǎng)命令，向網(wǎng)絡發(fā)送目標節(jié)點（0x07)組網(wǎng)指令 FAFBC7 00 07 10 0003 122000 52,由于0x07與0x00不直接相連，0x07未響應。則任務分配 器(0x00)，向已組網(wǎng)節(jié)點（0x01)發(fā)送目標節(jié)點（0x07)的組網(wǎng)指令FAFBC7 01 07 10 0003 122000 53,節(jié)點（0x01)收到指令后，轉發(fā)組網(wǎng)指令FAFBC7 01 07 10 0003 122000 53。由 于目標節(jié)點(0x07)與節(jié)點（0x01)可通信，所以目標節(jié)點（0x07)響應組網(wǎng)命令并返回組網(wǎng)成 功指令FAFBC7 07 01 10 0003 000221 53,節(jié)點（0x01)收到指令后，保存鄰居表，向任務分 配器(0x00)發(fā)送指令FAFBC7 07 00 10 0003 000221 52,任務分配器收到指令，保存節(jié)點 路徑，目標節(jié)點(0x07)組網(wǎng)完成。
[0031] 2、透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)查詢 所有節(jié)點組網(wǎng)成功后，PC監(jiān)測處理主機發(fā)出對某個目標節(jié)點OxNN的查詢命令，任務分 配器(0x00)首先收到查詢指令，并作為當前路由節(jié)點，按照當前路由節(jié)點的鄰居表信息對 其子路徑逐個進行查詢。若查詢的目標地址節(jié)點OxNN在當前路由節(jié)點的鄰居表中，則直接 查詢目標節(jié)點OxNN的數(shù)據(jù)并將該查詢結果按照原查詢路徑返回PC監(jiān)測處理器，節(jié)點OxNN的 甲醛濃度數(shù)據(jù)測量結束，該節(jié)點進入待機狀態(tài)，等待下一次查詢激活命令。若目標地址節(jié)點 OxNN不在當前路由節(jié)點鄰居表中，便自動設置與當前路由器節(jié)點相連的下級子路徑的監(jiān)測 節(jié)點作為當前路由節(jié)點，對OxNN地址逐級查詢，直到查詢到目標地址OxNN為止。
[0032]數(shù)據(jù)查詢過程如8所示。假設該無線通信網(wǎng)絡由若干級傳感網(wǎng)絡組成。其中任務分 配器(0x00)為一級節(jié)點，0x01-0x06是與任務分配器(0x00)直接相連的二級節(jié)點，每個二級 節(jié)點下面又有若干個與其相連的子節(jié)點組成三級傳感網(wǎng)絡，并按照此組網(wǎng)方式逐級擴展， 即每個N-1級節(jié)點下面有若干個與其相連的子節(jié)點組成N級傳感網(wǎng)絡。下面以查詢的目標節(jié) 點為三級節(jié)點地址0x07，與其相連的父節(jié)點地址為0x01為例。
[0033] 查詢過程如下，首先PC監(jiān)測處理主機發(fā)出對目標節(jié)點0x07的查詢命令，任務分配 器(0x00)收到查詢命令，根據(jù)組網(wǎng)路徑向與其相連的子節(jié)點（0x01)發(fā)送查詢命令FAFBC7 01 07 10 0003 133000 58,子節(jié)點（0x01)收到查詢指令，由于目標地址0x07在此路由節(jié)點 的鄰居表中，直接發(fā)送指令FAFBC7 01 07 10 0003 133000 58查詢該節(jié)點的甲醛濃度數(shù)據(jù) 并將該查詢結果按照原查詢路徑返回PC監(jiān)測處理主機，節(jié)點（0x07)的甲醛濃度數(shù)據(jù)測量結 束。
[0034]四、實驗結果及分析 在對該分布式甲醛檢測系統(tǒng)進行測試時，選取了 5000米范圍內不同環(huán)境的五間房間， 并對其空氣中的甲醛濃度參數(shù)進行實時采集。其中0x01節(jié)點為實驗室，0x02地址節(jié)點為封 閉的倉庫，0x03地址節(jié)點為封閉的宿舍，0x04地址節(jié)點為通風教室，0x05地址節(jié)點為食堂。 測試結果如表1和表2所示。
[0035] 表1節(jié)點0x01在不同時刻的測量結果表
表2不同節(jié)點在同時刻的測量結果表
如表所示，測量結果如下：由于監(jiān)測地址0x01為較新的實驗室，里面存放著實驗桌椅、 實驗儀器、包裝和化學試劑，該實驗室的甲醛濃度在夜間超過或臨界國家對室內甲醛濃度 的標準值，范圍在〇 .05-0.09ppm。在長時間不通風的情況下，白天有學生做實驗有一定通 風，甲醛濃度降低，但是實驗室處于半密閉狀態(tài)。甲醛濃度仍然較高。
[0036] 由于倉庫實驗室長期處于不通風的狀態(tài)，里面存有較多的實驗家具教學儀器等物 品，使得倉庫中空氣中甲醛濃度也較高，但倉庫中存放的都是年久破舊的物品，甲醛濃度反 而沒有超標。長期通風，人員流動量較大的教室、宿舍、食堂等場所，空氣中甲醛濃度含量處 于正常值范圍。
[0037] 五、基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)的性能分析 該透過式無線自組傳感網(wǎng)絡最多支持255字節(jié)長度的16進制的數(shù)據(jù)包。當測試的距離 和環(huán)境為5000米的平原，將數(shù)據(jù)傳輸信號的調制速率設置為9600bps的固定波特時。該透過 式無線自組傳感網(wǎng)絡的通信誤碼率越為1〇_ 3~1〇_4。在傳輸環(huán)境惡劣的情況下，透過式無線 自組傳感網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳送時會出現(xiàn)輕微的響應延時現(xiàn)象。
[0038] PC監(jiān)測處理主機的上位機，使用labview設計上位機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。VI程序包 括VISA配置串口程序、寫數(shù)據(jù)前延遲、判斷幀完整、讀數(shù)據(jù)前延遲、讀幀數(shù)據(jù)、清空接收發(fā)送 緩沖區(qū)以及數(shù)據(jù)顯示七部分組成。labview前面板支持255個節(jié)點的600秒數(shù)據(jù)的實時連續(xù) 顯示和實時報警，并連續(xù)存儲所有數(shù)據(jù)用于后期查詢。
[0039]本發(fā)明針對目前甲醛測量系統(tǒng)中測量節(jié)點少、通信距離短以及數(shù)據(jù)處理能力弱等 問題，用PC監(jiān)測處理主機作為主要的數(shù)據(jù)采集和處理單元，使用有線串口通信透過任務分 配器轉換為無線通信，在某些節(jié)點超出主機測量距離時，把某些正常通信的網(wǎng)絡節(jié)點自動 轉換為路由節(jié)點，并通過此路由節(jié)點把超出主機測量距離的節(jié)點數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點傳送回 PC監(jiān)測處理主機，從而實現(xiàn)透過式無線自組傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)最遠5000米、多節(jié)點的分布式測 量以及大數(shù)據(jù)量的精確采集和存儲分析。
[0040]以上內容僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按 照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權利要求書 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括具有若干 網(wǎng)絡節(jié)點的透過式無線自組傳感網(wǎng)絡、若干甲醛測量終端以及PC監(jiān)測處理主機；甲醛測量 終端分布在透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的若干網(wǎng)絡節(jié)點上，且均通過透過式無線自組傳感網(wǎng) 絡與PC監(jiān)測處理主機進行交互;每個甲醛測量終端包括用于采集甲醛濃度參數(shù)的電化學甲 醛傳感器、用于數(shù)據(jù)采集和通信用的微處理器以及射頻無線收發(fā)模塊。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)，其特 征在于，所述甲醛測量終端還包括均與微處理器相交互的運算放大器、電源電路、蜂鳴器以 及LCD顯示屏；電化學甲醛傳感器將采集到的信號經過放大后發(fā)送給微處理器，微處理器將 甲醛參數(shù)與報警閥值比較，在甲醛參數(shù)高于報警閥值時向蜂鳴器發(fā)出報警指令，同時將甲 醛參數(shù)實時顯示在IXD顯示屏上。3. 根據(jù)權利要求2所述的基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)，其特 征在于，所述微處理器采用ATmegal6A微處理器，運算放大器采用AD8628芯片，電化學甲醛 傳感器采用DART電流型電化學甲醛傳感器，電源采用3.3V直流電源。4. 根據(jù)權利要求3所述的基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)，其特 征在于，所述ATmegal 6A微處理器，其內部包含甲醛測量終端數(shù)據(jù)采集與傳輸算法。5. 根據(jù)權利要求1所述的基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)，其特 征在于，所述射頻無線收發(fā)模塊，其射頻發(fā)射芯片采用CC1100E芯片。6. 根據(jù)權利要求1所述的基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)，其特 征在于，所述透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸策略，由透過式無線自組傳感網(wǎng)絡組網(wǎng) 策略和透過式無線自組傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢策略組成。7. -種基于透過式無線自組傳感網(wǎng)絡的分布式甲醛檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸算法， 其特征在于，包括以下步驟： 1. Atmegal6A芯片初始化A\D轉換寄存器、定時器0的寄存器以及定時器2的寄存器，并 初始化LCD液晶屏顯示界面； 2) 定時器0的中斷函數(shù)，每隔32毫秒調用A\D轉換函數(shù)； 3. A\D轉換函數(shù)輸出的數(shù)值經換算以后得到測量的甲醛濃度值； 4) 甲醛濃度值發(fā)送給IXD顯示函數(shù)并在此甲醛測量終端的IXD上顯示； 5) 判斷甲醛濃度是否超標，并改寫定時器2的寄存器值，從而控制脈寬調制信號(PTOO 的輸出，來控制甲醛測量終端是否通過蜂鳴器報警； 6) 檢測是否有相應的數(shù)據(jù)查詢指令； 7) 如果有數(shù)據(jù)查詢指令，并且查詢的是此終端的地址，則把甲醛濃度值并由射頻發(fā)射 芯片通過透過式無線自組傳感網(wǎng)絡發(fā)送到PC監(jiān)測主機中； 8) 如果有數(shù)據(jù)查詢指令，并且查詢的是經此終端路由的甲醛測量終端地址，則此終端 發(fā)送查詢指令，查詢目標終端的甲醛濃度值，并由射頻發(fā)射芯片通過透過式無線自組傳感 網(wǎng)絡發(fā)送到PC監(jiān)測主機中； 9) 如果沒有數(shù)據(jù)查詢指令，或者查詢的不是經此終端路由的甲醛測量終端地址，則此 終端只測量并顯示數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，進入待機狀態(tài)。8. -種透過式無線自組傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，其特征在于，包括以下步驟： 1)各甲醛測量終端節(jié)點在上電激活、初始化并進入組網(wǎng)狀態(tài)，等待接收來自PC監(jiān)測處 理主機的組網(wǎng)命令； 2. PC監(jiān)測處理主機通過有線的串口，以串口協(xié)議向任務分配器(0x00)發(fā)送組網(wǎng)命令， 任務分配器接收到組網(wǎng)命令后，自動設置為路由節(jié)點，并成為當前層級網(wǎng)絡的路由節(jié)點，以 射頻發(fā)射芯片的協(xié)議，向所有節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)命令； 3) 當前路由節(jié)點依次查詢未組網(wǎng)的節(jié)點地址，當節(jié)點響應時組網(wǎng)成功，成為與當前路 由節(jié)點相連的子節(jié)點，進入待機狀態(tài)，不再響應其它路由節(jié)點組網(wǎng)命令，沒有響應的節(jié)點仍 保持待組網(wǎng)狀態(tài)，等待接收某父路由節(jié)點的組網(wǎng)命令； 4) 組網(wǎng)成功的節(jié)點設置為當前路由節(jié)點的鄰居表，并保存路由路徑和鄰居表并上傳到 與其相對應的父路由節(jié)點； 5) 所有節(jié)點查詢完畢后，更新未組網(wǎng)的節(jié)點地址，組網(wǎng)成功的所有節(jié)點成為新一級的 路由節(jié)點，依次對未組網(wǎng)的節(jié)點進行查詢，若節(jié)點響應，則成為其對應的當前路由節(jié)點的子 節(jié)點，若節(jié)點無響應，仍繼續(xù)保持待組網(wǎng)狀態(tài)，等待接收某父路由節(jié)點的組網(wǎng)命令； 6) 逐級查詢，直到全部待組網(wǎng)地址分配完畢，或未響應的節(jié)點地址不改變?yōu)橹埂?. 一種透過式無線自組傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢方法，其特征在于，包括以下步驟： 1. PC監(jiān)測處理主機通過有線的串口，以串口協(xié)議向任務分配器(0x00)發(fā)送對目標節(jié)點 OxNN的查詢命令； 2) 任務分配器首先收到查詢指令，并作為當前路由節(jié)點，以射頻發(fā)射芯片的協(xié)議，按照 當前路由節(jié)點的鄰居表信息對其子路徑逐個進行查詢； 3) 若查詢的目標地址節(jié)點OxNN在當前路由節(jié)點的鄰居表中，則直接查詢目標節(jié)點OxNN 的數(shù)據(jù)并將該查詢結果按照原查詢路徑返回PC監(jiān)測處理器，節(jié)點OxNN的甲醛濃度數(shù)據(jù)測量 結束，該節(jié)點進入待機狀態(tài)，等待下一次查詢激活命令； 4) 若目標地址節(jié)點OxNN不在當前路由節(jié)點鄰居表中，便自動設置與當前路由節(jié)點相連 的包含節(jié)點OxNN路徑的下級節(jié)點作為當前路由節(jié)點，對OxNN地址逐級查詢，直到目標地址 OxNN響應為止； 5) 目標地址OxNN的甲醛測量終端，通過原路由路徑以射頻發(fā)射芯片的協(xié)議返回甲醛濃 度值，任務分配器以射頻發(fā)射芯片的協(xié)議接收甲醛濃度值，并轉換為串口協(xié)議發(fā)送給PC監(jiān) 測處理主機； 6. PC監(jiān)測處理主機查詢到目標地址為OxNN的甲醛測量終端節(jié)點的甲醛濃度值，并作出 相應的處理。
【文檔編號】G01N27/26GK106093147SQ201610356254
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】吳迪, 陳大慶, 于洪濤, 陶智, 張曉俊, 肖仲喆, 陸爽, 葛俊杰
【申請人】常熟蘇大低碳應用技術研究院有限公司