專利名稱：基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，特別是一種基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點。
背景技術(shù)：
隨著科技的不斷進步，工業(yè)化程度越來越高，環(huán)境污染問題也變得日益突出，污染事件層出不窮、污染程度越來越嚴重，因此造成的危害也越來越大。而隨著社會經(jīng)濟的進步、生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的要求不斷提高，保護環(huán)境、改善環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)得到世界范圍內(nèi)的廣泛認同。保護環(huán)境不僅關(guān)系到人類的生存與發(fā)展，也關(guān)系到地球上各種生物的生存與發(fā)展。因此需要對環(huán)境狀況進行監(jiān)測，以便能夠及時掌握環(huán)境狀況，發(fā)現(xiàn)污染， 這就需要環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和手段，原有的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備多采用有線傳輸，功能單一，而且效率和準確度都不高，已經(jīng)遠遠不能滿足當今社會對環(huán)境保護的需求。如何加大環(huán)境監(jiān)測的自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平，已經(jīng)成為環(huán)境保護的一個重點問題。而且，近年來，重大環(huán)境事故頻頻出現(xiàn)，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且造成了重大的環(huán)境災(zāi)難。究其原因，一方面是人們的環(huán)境保護意識淡漠，忽視了環(huán)境保護的重要性；另一方面就是環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的落后，導致環(huán)境污染信息不能及時被環(huán)境保護部門掌握，致使污染面積擴大，污染造成的破壞程度加大，污染治理工作進展緩慢，進一步加大了污染事故的負面影響。若能在污染事件發(fā)生之初就及時采取合理有效的措施，防止污染面積擴大，則必然能降低污染造成的破壞程度，減少污染造成的損失。當前的環(huán)境監(jiān)測手段主要有兩種，一種是采用便攜式設(shè)備到現(xiàn)場進行人工采樣， 另一種是建立環(huán)境監(jiān)測站。前者無法實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的遠程實時監(jiān)測，勞動強度大，監(jiān)測周期長，無法反映環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化過程，不宜盡快發(fā)現(xiàn)污染源；而后者固定投資大，建設(shè)周期長，監(jiān)測范圍有限。并且，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，大多功能單一、技術(shù)落后、不具備網(wǎng)絡(luò)化功能，已經(jīng)越來越不能夠滿足當今社會對環(huán)境監(jiān)測的實時性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的需求。而嵌入式技術(shù)的發(fā)展，為先進環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)提供了條件。無線通信技術(shù)的發(fā)展，解決了環(huán)境監(jiān)測節(jié)點分散帶來的組網(wǎng)成本高、組網(wǎng)不便的問題ZigBee、GPRS、CDMA等無線通信技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。作為一種新興技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks, WSN)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。通過在一定范圍內(nèi)部署大量廉價的傳感器節(jié)點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采集一定范圍內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，各個傳感器節(jié)點之間可以進行無線通信，形成一個感知網(wǎng)絡(luò)。與現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測手段相比，基于ZigBee 的無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，具有監(jiān)測密度高，監(jiān)測范圍廣，組網(wǎng)簡單，成本低，實時性好等優(yōu)點，是未來環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，可以實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，提高了監(jiān)測效率和實時性，而且該無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點成本低、功耗低，有效克服了現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測范圍小、實時性差、建設(shè)成本高的缺點。
為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案一種基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，包括電源管理模塊、微處理器模塊、傳感器模塊、ZigBee無線通信模塊、串行通信模塊、以及輔助功能模塊，所述傳感器模塊采集的信息通過ZigBee無線通信模塊向外發(fā)送。作為本發(fā)明的進一步改進，ZigBee無線通信模塊的電路設(shè)計為獨立電路模塊，其通過接口與其它功能模塊連接，并通過SPI總線與微處理器模塊進行通信。進一步的，本發(fā)明所述電源管理模塊采用電池供電，各個功能模塊的電源都由微處理器模塊控制，當某個功能模塊不工作時，可以將該模塊的電源切斷。不僅節(jié)省了能源， 延長了電池的使用壽命，而且降低了系統(tǒng)的維護成本。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計，便于升級維護。在本發(fā)明中，ZigBee無線通信模塊設(shè)計為獨立的電路模塊，這樣不僅簡化了電路的設(shè)計，而且便于產(chǎn)品的維護、升級。如果某個 ZigBee無線通信模塊出現(xiàn)故障，則只需更換該模塊既可，無需更換整個無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點， 降低了系統(tǒng)的維護費用；所述的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點采用電池供電，其部署位置不受電力供應(yīng)的限制，可以方便地部署在電力供應(yīng)不便的偏遠地帶。同時，無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點采用低功耗技術(shù)，在某個功能模塊不工作時，可以暫時切斷該功能模塊的電源，可最大限度地降低電能消耗，延長電池的使用壽命；本發(fā)明的傳感器模塊設(shè)置有多種傳感器，可以實時采集溫度、濕度、光照、氣壓、風速、風向等基本環(huán)境參數(shù)，并實時監(jiān)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，監(jiān)測范圍廣，效率高；本發(fā)明各節(jié)點之間可以通過ZigBee無線通信模塊進行無線通信，可根據(jù)需要，組織成星型、樹型和Mesh型等不同形式的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用范圍更廣，實用性更強。


下面根據(jù)實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明硬件功能模塊圖；圖2是本發(fā)明軟件架構(gòu)圖。圖中11、電源管理模塊；12、微處理器模塊；13、傳感器模塊；14、ZigBee無線通信模塊；15、串行通信模塊；16、輔助功能模塊；21、硬件電路；22、驅(qū)動程序；23、嵌入式實時操作系統(tǒng)；Ml、傳感器數(shù)據(jù)采集程序；對2、數(shù)據(jù)處理程序；對3、無線通訊程序；對4、顯示程序； 對5、其它程序。
具體實施例方式如圖1至2所示，給出了本發(fā)明的一個具體實施例，圖1中，包括一種基于ZigBee 的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，包括電源管理模塊11、微處理器模塊12、傳感器模塊13、ZigBee無線通信模塊14、串行通信模塊15、以及輔助功能模塊16，其中，傳感器模塊13包括多種功能的傳感器溫度/濕度傳感器，光照傳感器，氣壓傳感器，風速/風向傳感器，以及可燃/有害氣體傳感器(如一氧化碳、天然氣、液化氣、酒精等)等各種傳感器。其中，溫度/濕度傳感器、光照傳感器、氣壓傳感器等數(shù)字式傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)可由單片機直接讀??；而模擬式傳感器的輸出是模擬量，不能直接由單片機讀取，需通過單片機自帶的12位ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后，再由單片機進一步地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，從而得到環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。電源管理模塊11采用電池供電，經(jīng)過穩(wěn)壓電路產(chǎn)生5V和3. 3V直流穩(wěn)壓電源給其他模塊供電。微處理器模塊12采用美國TI公司的高性能超低功耗單片機MSP430F5438A， 該單片機集成有FLASH，RAM, EEPROM, ADC,具有豐富的片上資源和接口 ；并具有JTAG調(diào)試接口，可以在線對單片機進行編程，開發(fā)簡單，價格低廉。ZigBee無線通信模塊14采用美國TI公司的ZigBee無線通信芯片CC2480，該芯片內(nèi)部集成有ZigBee無線通信協(xié)議，操作方便，功能強大，開發(fā)周期短，功耗低。本發(fā)明將ZigBee無線通信模塊14設(shè)計為獨立的電路模塊，通過特定的接口與無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的其他功能模塊連接在一起，不僅降低了電路設(shè)計的復(fù)雜度，而且便于升級，降低了維護成本。ZigBee無線通信模塊14通過SP工總線與微處理器模塊12進行通信，接受微處理器模塊12的控制。無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點在完成環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測之后，可以通過ZigBee無線通信模塊14將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)直接或者間接(通過其他無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點中轉(zhuǎn))發(fā)送至中繼節(jié)點。中繼節(jié)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。中繼節(jié)點可以通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，收集一定區(qū)域內(nèi)無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點采集的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)整理打包，按照一定的無線通信協(xié)議，利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。根據(jù)實際需求，ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)可以組織成星型、樹型或Mesh型等不同形式，在這三種形式的網(wǎng)絡(luò)中均可以方便地增加或減少通信節(jié)點，組網(wǎng)簡單、方便。圖2為本發(fā)明的軟件架構(gòu)圖。本發(fā)明通過嵌入式實時操作系統(tǒng)來管理硬件和軟件。首先，為無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的各個功能模塊編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序22 ；驅(qū)動程序22采用匯編語言和C語言來編寫。然后，為無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點移植嵌入式實時操作系統(tǒng)23，并根據(jù)需要對操作系統(tǒng)進行適當?shù)牟眉簟Ｔ诖?，嵌入式實時操作系統(tǒng)23采用uC/OS-II，它是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點，非常適合于嵌入式應(yīng)用。最后，在嵌入式實時操作系統(tǒng)23之上，運行各個應(yīng)用程序，主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序M1，數(shù)據(jù)處理程序 M2，無線通信程序M3，顯示程序244以及其他程序245等。各個應(yīng)用程序均采用C語言開發(fā)。在本發(fā)明中，ZigBee無線通信模塊設(shè)計為獨立的電路模塊，這樣不僅簡化了電路的設(shè)計，而且便于產(chǎn)品的維護、升級。如果某個ZigBee無線通信模塊出現(xiàn)故障，則只需更換該模塊既可，無需更換整個無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，降低了系統(tǒng)的維護費用；所述的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點采用電池供電，其部署位置不受電力供應(yīng)的限制，可以方便地部署在電力供應(yīng)不便的偏遠地帶。同時，無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點采用低功耗技術(shù)，在某個功能模塊不工作時，可以暫時切斷該功能模塊的電源，可最大限度地降低電能消耗，延長電池的使用壽命；本發(fā)明的傳感器模塊設(shè)置有多種傳感器，可以實時采集溫度、濕度、光照、氣壓、風速、風向等基本環(huán)境參數(shù)，并實時監(jiān)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，監(jiān)測范圍廣，效率高；本發(fā)明各節(jié)點之間可以通過ZigBee無線通信模塊進行無線通信，可根據(jù)需要，組織成星型、樹型和Mesh型等不同形式的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用范圍廣，實用性強。
權(quán)利要求
1.一種基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，包括電源管理模塊(11)、微處理器模塊 (12)、傳感器模塊(13) ,ZigBee無線通信模塊(14)、串行通信模塊(15)、以及輔助功能模塊 (16)，其特征在于所述傳感器模塊(13)采集的信息通過ZigBee無線通信模塊(14)向外發(fā)送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，其特征在于，所述 ZigBee無線通信模塊(14)的電路為獨立電路模塊，其通過接口與其它功能模塊連接，并通過SPI總線與微處理器模塊(12)進行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，其特征在于，所述電源管理模塊(11)采用電池供電，各個功能模塊的電源都由微處理器模塊(12)控制，當某個功能模塊不工作時，可以將該模塊的電源切斷。
全文摘要
一種基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，包括電源管理模塊、微處理器模塊、傳感器模塊、ZigBee無線通信模塊、串行通信模塊、以及輔助功能模塊，所述傳感器模塊采集的信息通過ZigBee無線通信模塊向外發(fā)送。本發(fā)明可以對一定范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，提高了監(jiān)測效率和實時性，而且該無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點成本低、功耗低，有效克服了現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測范圍小、實時性差、建設(shè)成本高的缺點。
文檔編號H04W88/02GK102158987SQ201110057978
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者余意, 張建宏, 易建強 申請人:無錫中科京惠自動化技術(shù)有限公司