CN101261261B - 基于ZigBee无线技术的水环境监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ZigBee无线技术的水环境监测系统。目前监测多采用有线传输方式，布线困难、成本高。本发明包括分布在水环境监测的区域中的多个水环境监测节点和一个数据视频基站。水环境监测节点是基于ZigBee无线技术，包括节点微处理器模块、节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片、电源管理模块和水质参数采集模块。数据视频基站采用ARM-DSP双处理器架构，包括基站ZigBee射频模块CC2420射频芯片、CDMA传输模块HUAWEI-CM320、视频信号采集模块和微处理器模块。本发明可同时采集多种水质参数，数据通信能力强、网络覆盖范围广，并且可实现视频信号的实时采集、处理和无线传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于ZigBee无线技术的水环境监测系统，该系统包括基于ZigBee无线技术的水环境监测节点和采用ARM-DSP双处理器架构并结合高效的ZigBee、CDMA无线传输技术的数据视频基站设备。属于无线通信和嵌入式系统技术领域。
背景技术
水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，我国水资源紧缺、水污染严重，如何高效、实时、准确地获取水环境参数，研究开发网络化、智能化的水环境实时监测系统已成为迫切需要。
现有的水环境监测方法主要分为两种：1)采用便携式水质监测仪人工采样、实验室分析的方式；2)采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境自动监测系统。前者无法对水环境参数远程实时监测，存在监测周期长、劳动强度大、数据采集慢等问题，无法反映水环境动态变化，不易及早发现污染源并报警。后者虽能较好解决上述存在的问题，但由于有预先铺设电缆和建立多个监测子站的施工要求，故有系统成本高、监测水域范围有限、易对监测区域造成破环等缺点。
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价微型节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，协作地采集和处理监测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理模式，结合不同类型的传感器，在环境监测、军事侦查、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域有着广阔的应用前景。基于无线传感器网络的水环境实时监测系统是无线传感器网络在环境监测方面的典型应用。与现有的水环境自动监测系统相比，基于无线传感器网络的水环境监测系统对生态环境影响小、监测密度高且范围广、系统成本低。
目前，基于无线传感器网络的水环境实时监测系统，国外比较典型的代表有美国Heliosware公司的EMNET系统和澳大利亚CSIRO的Fleck系统。EMNET系统可测量水压、PH值、电导率、溶解氧等参数，无线通信频段为900MHz，速率为9.8kbps；Fleck系统主要测量的指标是：PH值、水温、电导率，无线通信频率为433MHz，速率72kbps。上述两种系统可采集参数种类较少、不提供对水环境的视频监测功能、通信速率低、产品体积较大、功耗较高，仅适合用作研究，目前尚不能作为实用系统在现场使用。
基于无线传感器网络的监测系统通常包括传感器节点、数据基站、监测中心。大量传感器节点部署在监测区域中，以自组方式构成网络，传感器节点采集感兴趣的环境信息并路由至数据基站，由数据基站通过有线或无线方式送至远程监测中心，用户通过监测中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测内容以及收集监测数据。通常情况下，监测区域类型多样、环境复杂，有线传输方式存在布线困难、成本高等缺点，很难满足数据传输的要求，而无线传输则具有组网简单方便、成本低、不受地理环境影响等优点，可很好地实现监测系统中数据传输的要求。目前在无线接入方式上，新兴的ZigBee和CDMA无线传输技术具有高通信速率、高质量、低成本等优点，与其它无线传输技术相比，具有更高的性价比。数据采集基站作为整个监测网络的网关设备，是整个系统的通信枢纽，随着嵌入式技术、无线通信技术、传感技术的飞速发展，具有稳定高效的无线通信能力、更强数据处理能力及环境适应能力，已成其发展趋势。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于ZigBee无线技术的水环境监测系统。
本发明的基于ZigBee无线技术的水环境监测系统，包括分布在水环境监测区域中的多个水环境监测节点和一个数据视频基站。
所述的水环境监测节点是基于ZigBee无线技术，包括节点微处理器模块、节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片、电源管理模块和水质参数采集模块；节点微处理器模块分别与水质参数采集模块中的放大电路以及节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片连接；电源管理模块分别与其他模块连接，为其供电。其中
节点微处理器模块采用MSP430F149低功耗处理器，用于控制节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片与传感器网络节点、以及网关基站间的通信，并对采集的水环境参数作简单的分析与处理。
节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片通过SPI接口与节点微处理器模块互连；节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片支持2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，用于实现无线传感器网络的数据监测节点与基站设备间的通信。
电源管理模块采用两节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源，通过电压转换电路产生3.3V和5V电压，为节点上各个模块供电。
水质参数采集模块采用水质参数传感器，用于完成水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量的数据采集；水质参数传感器输出的微弱电压、电流信号通过放大电路，转变为标准电压信号；节点微处理器模块对放大电路输出的标准信号进行分析和处理，完成多种水质参数的采集。
所述的数据视频基站采用ARM-DSP双处理器架构，包括基站ZigBee射频模块CC2420射频芯片、CDMA传输模块HUAWEI-CM320、视频信号采集模块和微处理器模块。其中
微处理器模块采用ARM-DSP双处理器架构，包括ARM处理器AT91M55800A和DSP处理器TMS320C6412，ARM处理器AT91M55800A的EBI接口与DSP处理器TMS320C6412的HPI总线连接。
基站ZigBee射频模块CC2420射频芯片通过SPI接口与ARM处理器AT91M55800A连接。
CDMA传输模块HUWEI-CM320通过USART串口与ARM处理器AT91M55800A连接。
视频信号采集模块包括CCD摄像机、模拟视频解码器SAA7111A、两片双帧存储器IDT71V416和CPLD逻辑控制单元EPM7128；CCD摄像机与模拟视频解码器SAA7111A连接，模拟视频解码器SAA7111A与CPLD逻辑控制单元EPM7128连接；两片双帧存储器IDT71V416分别通过分离的地址线和数据线与CPLD逻辑控制单元EPM7128连接；EPM7128与DSP处理器TMS320C6412的EMIFA接口连接。
水环境监测节点之间利用节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片完成无线通信，每个水环境监测节点的节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片通过多跳方式与数据视频基站的基站ZigBee射频模块CC2420射频芯片信号连接，通信符合2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，构成基于ZigBee无线技术的传感器网络。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明可同时采集多种水质参数、数据采集覆盖范围广。可实时采集、传输多种水质参数(包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量等)。传感器节点部署方便，不受地理环境的约束，可以监测大范围水域的水质变化情况。
2.数据通信能力强、网络覆盖范围广。本发明采用新兴的ZigBee技术实现无线传感器节点之间以及无线传感器网络与数据视频基站间的数据通信，并且通过CDMA网络实现基站与远程监测中心的数据双向通信。应用新兴、高效的无线通信技术，使得基站系统的通信具有传输速率快、通信质量高、功耗小、成本低、网络容量大等特点，实现了水环境监测系统中水环境参数和视频信息实时传输的需要。
3.系统各个设备环境适应性强。基站各部件均采用符合工业级标准的器件，在野外恶劣的环境条件下具有较强的适应能力。
4.实现视频信号的实时采集、处理和无线传输。采用专用视频解码器+DSP+CLPD结构，并采用双帧存储器轮换存储方式，满足了视频信号采集处理的抗干扰性与实时性要求，且通过双CDMA传输模块实现了高效传输。视频信号的采集处理扩展了基站功能，增强了水环境监测的能力。
5.数据处理速度快，功能强。本发明使用各种高性能处理器，充分利用了其各自的性能优势，提高了数据处理以及数据传输能力，同时增强了系统可靠性并有利于今后的系统升级和功能更新。
6.系统成本低：相对于现有的水环境自动监测系统和人工采样实验室分析方法，设备和人工的费用大大降低。
附图说明
图1为本发明中数据视频基站示意图；
图2为本发明中水环境监测节点示意图；
图3为本发明的水环境监测系统一实施例的整体构架示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的监测系统作进一步描述。
图1为本发明提供的可用于水环境监测的无线传感器网络数据视频基站设备的结构原理框图，该基站设备包括基站ZigBee射频模块CC24201、CDMA传输模块HUAWEI-CM320 3、视频信号采集模块4以及微处理器模块2四部分。各模块中均采用现有成熟技术。其中，
微处理器模块采用ARM-DSP双处理器架构，包括ARM处理器AT91M55800A 2-1和DSP处理器TMS320C6412 2-2两部分。其中AT91M55800A 2-1用于控制CC2420 1与传感器网络、HUAWEI-CM320 3与远程监测中心10之间的通信，并对采集的水环境参数作分析与处理。TMS320C6412 2-2完成视频信号的采集、压缩编码以及与AT91M55800A2-1通信。TMS320C6412 2-2通过HPI接口与AT91M55800A 2-1EBI接口互连。
视频信号采集模块包括CCD摄像机4-1，模拟视频解码器SAA7111A4-2，双帧存储器IDT71V416 4-4(两片：SRAM1 4-4-1，SRAM2 4-4-2)和CPLD逻辑控制单元EPM7128 4-3三部分。其中，SAA7111A用于完成模拟视频信号的数字化，同时输出时钟与同步信号，其输出端与EPM7128 4-3相连；IDT71V416 4-4用于实现视频数据的高速缓存，以分离的地址线与数据线与EPM7128 4-3相连；EPM7128 4-3主要实现将采集的视频数据存入IDT71V416 4-4，并完成对整个视频信号采样、传输的协调工作，与TMS320C6412 2-2的EMIFA接口相连。视频信号采集模块4结合TMS320C6412 2-2用于实现监测区域视频信息的采集与处理功能。具体的：TMS320C6412 2-2实现将采集的视频数据以H.264格式压缩编码，以及完成SAA7111A 4-2的配置，CCD摄像头、云台的控制。其中TMS320C6412 2-2通过I2C总线实现对SAA7111A 4-2的配置，并通过UART串口实现对CCD摄像头及云台的控制。
基站ZigBee射频模块CC2420 1用于实现基站设备与无线传感器网络的数据监测节点间的通信。通过SPI接口与AT91M55800A 2-1互连；
CDMA传输模块HUWEI-CM320 3，用于实现基站设备与远程监测中心10间的通信，通过USART串口与AT91M55800A 2-1互连。
图2为本发明提供的可用于水环境监测的无线传感器网节点设备的整体结构示意图，该基站设备包括电源管理模块5、水质参数采集模块6、微处理器模块7以及节点ZigBee射频模块CC2420 8四部分。各模块中均采用现有成熟技术。其中，
电源管理模块5包括：两节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源5-1，标称容量为2.7Ah；以LM2596-5.0为核心的电压转换电路模块5-2，为水质参数采集模块6中的水质参数信号放大电路6-2提供5V电压；以LM2596-3.3为核心的电压转换电路模块5-3，为微处理器模块7和ZigBee射频模块CC2420 8提供3.3V电压。
水质参数采集模块6包括：多种水质参数传感器6-1和水质参数信号放大电路6-2。多种水质参数传感器6-1可采集多种水质参数(包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量)，使用E+H公司的水质参数传感器(PH值传感器OrbiSint W CPS 11，溶解氧含量传感器OxyMax W COS41，电导率传感器ConduMax W CLS12，浊度传感器TurbiMax W CUS 31，温度传感器使用PH值传感器上自带的Pt100温度传感器)。水质参数信号放大电路6-2以运算放大器TLC2252为核心搭建而成。多种水质参数传感器6-1输出毫伏级微弱电压信号，通过水质参数信号放大电路6-2转换为5路0到3.3v的电压信号，送入微处理器模块7的A/D转换器，完成水质参数采集。
微处理器模块7采用MSP430F149微处理单元。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作，其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设。其中，多路12位的A/D转换器用来采集和处理水质参数采集模块6传输来的水质参数信号。微处理器模块7通过SPI接口与ZigBee射频模块CC2420 8互连，实现水质参数的接收和发送。同时，微处理器模块7与水质参数采集模块6中的温度传感器通信，对水质参数传感器的温度漂移进行温度补偿。微处理器模块7还利用单刀单掷开关ISL43110控制以LM2596-5.0为核心的电压转换电路模块5-2，在节点不采集水质参数的情况下，停止电压转换电路模块5-2对水质参数信号放大电路6-2供电，以降低节点能耗。
节点ZigBee射频模块CC2420 8用于实现无线传感器网络中节点与节点间的通信，并实现与基站ZigBee射频模块CC2420 1的通信。通过SPI接口与微处理器模块7互连；
图3为基于无线传感器网络的水环境监测系统整体架构示意图。将整个待监测水域划分为若干个系统区域11，系统架构可分为三个层次：系统区域内数据监测节点9、系统区域内数据视频基站12、远程监测中心14。
其中，在区域11中构建基于ZigBee无线技术的传感器网络：ZigBee网络10，每个区域配置一个数据视频基站12，对分布在区域11中的ZigBee网络10中的多个数据监测节点9进行数据采集和状态监测，并通过CDMA网络13将采集的实时数据传送至远程监测中心14。数据视频基站12通过协议转换将传感器网络即ZigBee网络6与CDMA网络9两个异构网络连接在一起，充当两者之间的网关。此外，数据视频基站12通过HUAWEI-CM3203，构建针对主要监测区域的视频监测系统(为增加视频信息的传输速率采用两片CDMA传输模块)。远程监测中心14接收实时视频信息和水环境参数，提供用户人性化的监控界面，并拥有强大的数据管理和分析功能。
水环境监测系统的数据流、状态流、命令流传输情况如下。在监测过程中，分布于区域11中的数据监测节点9通过传感器采集水温、PH值、溶解氧含量、浊度、电导率等水环境参数，并将网络自身的状态信息以定时发送方式，使用节点ZigBee射频模块CC2420 8通过ZigBee网络6以多跳方式最终上传至数据视频基站12的基站ZigBee射频模块CC2420 1。基站12经由CC2420 1接收水环境参数和传感器网络10的状态信息，进行简单的分析和处理后，产生是否超限、是否需要报警等信息。同时，数据视频基站12通过视频信号采集模块4，采集主要监测区域的视频信号，并最终将采集的水环境参数、视频信息以及传感器网络10状态信息连同分析处理后的报警信息，经由HUAWEI-CM320 3发送至远程监测中心14。远程监测中心14接收基站12上传的各种信息，分析处理相关数据，并根据监测需要发送控制指令至基站12。而基站12接收到指令后，经解码做出相应的控制操作，例如，通过UART串口对自身CCD摄像机4-1焦距、云台的调整；通过I2C对SAA7111A 4-2的设置；发送控制指令至传感器网络6，配置相关数据监测节点5等，满足远程监测中心14简单的控制要求。
Claims (1)
1.基于ZigBee无线技术的水环境监测系统，包括分布在水环境监测区域中的多个水环境监测节点和一个数据视频基站，其特征在于：
所述的水环境监测节点是基于ZigBee无线技术，包括节点微处理器模块、节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片、电源管理模块和水质参数采集模块；节点微处理器模块分别与水质参数采集模块中的放大电路以及节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片连接；电源管理模块分别与其他模块连接，为其供电；其中
节点微处理器模块采用MSP430F149低功耗处理器，用于控制节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片与水环境监测节点、以及数据视频基站间的通信，并对采集的水环境参数作简单的分析与处理；
节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片通过SPI接口与节点微处理器模块互连；节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片支持2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，用于实现无线传感器网络的数据监测节点与基站设备间的通信；
电源管理模块采用两节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源，通过电压转换电路产生3.3V和5V电压，为节点上各个模块供电；
水质参数采集模块采用水质参数传感器，用于完成水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量的数据采集；水质参数传感器输出的微弱电压、电流信号通过放大电路，转变为标准电压信号；节点微处理器模块对放大电路输出的标准信号进行分析和处理，完成多种水质参数的采集；
所述的数据视频基站采用ARM-DSP双处理器架构，包括基站ZigBee射频模块CC2420射频芯片、CDMA传输模块HUAWEI-CM320、视频信号采集模块和微处理器模块；其中
微处理器模块采用ARM-DSP双处理器架构，包括ARM处理器AT91M55800A和DSP处理器TMS320C6412，ARM处理器AT91M55800A的EBI接口与DSP处理器TMS320C6412的HPI总线连接；
基站ZigBee射频模块CC2420射频芯片通过SPI接口与ARM处理器AT91M55800A连接；
CDMA传输模块HUWEI-CM320通过USART串口与ARM处理器AT91M55800A连接；
视频信号采集模块包括CCD摄像机、模拟视频解码器SAA7111A、两片双帧存储器IDT71V416和CPLD逻辑控制单元EPM7128；CCD摄像机与模拟视频解码器SAA7111A连接，模拟视频解码器SAA7111A与CPLD逻辑控制单元EPM7128连接；两片双帧存储器IDT71V416分别通过分离的地址线和数据线与CPLD逻辑控制单元EPM7128连接；EPM7128与DSP处理器TMS320C6412的EMIFA接口连接；
水环境监测节点之间利用节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片完成无线通信，每个水环境监测节点的节点ZigBee射频模块CC2420射频芯片通过多跳方式与数据视频基站的基站ZigBee射频模块CC2420射频芯片信号连接，通信符合2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，构成基于ZigBee无线技术的传感器网络。
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