CN101277431B - 可用于水环境监测的无线传感器网络数据视频基站 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于水环境监测的无线传感器网络数据视频基站。现有的水环境监测方法和设备存在各种问题。本发明的基站采用ARM-DSP双处理器架构，配置ZigBee射频模块和CDMA传输模块。ZigBee射频模块支持2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，可与分布于监测水域内的数据监测节点通信。CDMA传输模块，可实现基站与远程监测中心间的通信。本发明具有传输速率快、通信质量高、功耗小、成本低、网络容量大等特点，满足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，同时满足了视频信号采集处理的抗干扰性与实时性要求，增强了水环境监测的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于水环境监测的无线传感器网络数据视频基站设备，该设备采用ARM-DSP双处理器架构并结合高效的ZigBee、CDMA无线传输技术，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具有对生态环境影响小、监测密度高且范围广、系统成本低等优点。
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，提供了一种传感器网络网关设备-数据视频基站，在基于无线传感器网络的水环境监测系统中，基站与传感器网络、基站与远程监测中心间建立可靠连接，实现数据的双向通信。
具体内容包括：可无线接收数据监测节点上传的水质参数(包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量等)、节点自身的状态信息，可采集重点水域的实时视频信息，并通过无线方式将采集处理后的数据发送至远程监测中心。同时基站可接收远程监测中心发送的控制指令，并根据指令要求完成相应操作(包括CCD摄像机焦距、云台的调整，视频解码器的设置；发送控制指令至传感器网络，配置数据监测节点、查询和收集相关信息等)。
具体技术方案：该基站采用ARM-DSP双处理器架构，配置ZigBee射频模块和CDMA传输模块。ZigBee射频模块支持2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，可与分布于监测水域内的数据监测节点通信。CDMA传输模块，可实现基站与远程监测中心间的通信。
本发明的基站包括ZigBee射频模块CC2420、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的外部总线接口(External Bus Interface，EBI)与DSP处理器TMS320C6412的主机接口(Host Port Interface，HPI)总线连接。
ZigBee射频模块CC2420通过SPI接口与ARM处理器AT91M55800A连接。
CDMA传输模块HUAWEI-CM320通过通用同步/异步串行接收器/发送器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，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。其中，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的外部存储器接口(External Memory Interface，EMIFA)连接。
本发明中的各个模块均采用成熟的现有技术，可以通过购买取得。
有益效果：
1.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网络与数据视频基站的数据双向通信，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。
2.基站设备环境适应性强。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。
3.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。
4.数据处理速度快，功能强。本发明使用32位高性能的ARM、DSP作为处理器。两种处理器的结合，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。
5.电路结构清晰，工作稳定可靠。基站设备各模块功能模块和接口定义清晰，且采用ARM-DSP双处理器架构，其中ARM处理器作为整个基站设备的控制中心，完成数据的采集、处理及传输功能；而DSP处理器负责视频信号的采集处理，两者分工明确，各司其职。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的视频信号流示意图；
图3为基于无线传感器网络的水环境监测系统整体构架示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基站设备作进一步描述。
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的结构示意图，该基站包括ZigBee射频模块CC2420 1、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2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。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AT91M55800A 2-1通信。ARM处理器AT91M55800A的EBI接口与DSP处理器TMS320C6412的HPI总线连接
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，CCD摄像机与模拟视频解码器SAA7111A连接。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摄像机4-1、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摄像机4-1及云台的控制。
ZigBee射频模块CC24201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连接；
CDMA传输模块HUAWEI-CM320 3，用于实现基站设备与远程监测中心之间的通信，通过USART串口与AT91M55800A 2-1连接。
图2所示为本发明的视频信号流示意图。CCD摄像机4-1采集水环境监测现场的视频信息，输出PAL制式的标准模拟视频信号，经由视频传输线传输至视频解码器SAA7111A 4-2，其输出为数字视频信号，同时输出同步信号及时钟信号，CPLD逻辑控制单元EPM7128 4-3接收数字视频信号并控制双帧存储器IDT71V416 4-4(SRAM1 4-4-1，SRAM2 4-4-2)的轮换存储，具体的：SAA7111A 4-2输出一帧视频数据，将其存储于SRAM14-4-1中，而此时DSP处理器TMS320C6412 2-2正从SRAM2 4-4-2中读取视频数据并进行处理，当存完一帧视频数据后，SAA7111A 4-2通过EPM7128 4-3向TMS320C6412 2-2中断引脚发送中断信号。TMS320C64122-2接收并响应中断后，在中断程序中设置状态变量并通过EPM7128 4-3作一次地址、数据总线切换，将TMS320C6412 2-2的数据、地址总线连至刚存完一帧数据的帧存储器SRAM1 4-4-1)中(同时将EPM7128 4-3的数据、地址总线切换至另一帧存储器SRAM2 4-4-2中)，TMS320C6412 2-2查询中断程序中设置的状态变量，若满足要求，则从刚存完一帧数据的SRAM1 4-4-1中读取数据至片内RAM中并作处理，以H.264标准格式压缩编码后通过HPI接口传输至ARM处理器AT91M55800A 2-1中，最后经由CDMA传输模块HUAWEI-CM320 3发送至远程监测中心10。
在整个监测系统中，数据视频基站8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。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，分布于子区域7中的数据监测节点5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通过ZigBee网络6以多跳方式最终上传至数据视频基站8。基站8经由CC2420 1接收水环境参数和传感器网络6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8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6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10。远程监测中心10接收基站8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8。而基站8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10简单的控制要求。
本发明提供的数据视频基站设备，作为整个水环境监测系统的网关设备，实现了监测区域与监测中心间数据的双向通信。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子区域7，系统架构可分为三个层次：子区域内数据监测节点5、子区域内数据视频基站8(本发明提供的基站)、远程监测中心10。其中，在子区域7中构建基于ZigBee无线技术的传感器网络：ZigBee网络6，每个子区域配置一个ZigBee射频模块CC2420 1和CDMA传输模块HUAWEI-CM320 3的数据视频基站8，对分布在子区域7中ZigBee网络6中的多个数据监测节点5进行数据采集和状态监测，并通过CDMA网络9将采集的实时数据传送至远程监测中心10。此外，数据视频基站8通过HUAWEI-CM320 3，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10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。
作为整个水环境监测的数据传输枢纽，工作过程如下：每个子区域7中部署多个基于ZigBee无线技术的数据监测节点5，并通过传感器采集水温、PH值、溶解氧含量、浊度、电导率等参数，以一跳或多跳方式通过ZigBee网络6与数据视频基站8通信，基站8负责收集子区域中数据监测节点5采集的水环境参数，以及ZigBee网络6自身状态信息，并根据ZigBee协议拆解封装，同时对得到的数据进行简单的分析和处理，例如判断是否超限、是否需要报警等，最后经由HUAWEI-CM320 3将水环境参数或报警信息经CDMA网络9发送至远程监测中心10。基站8也可接收远程监测中心10发送的控制指令，经解码后，根据指令要求完成相应的控制操作，例如CCD摄像机4-1焦距、云台的调整；SAA7111A 4-2的设置；发送控制指令至ZigBee网络6，配置数据监测节点5、查询和收集相关数据等。
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1.可用于水环境监测的无线传感器网络数据视频基站，包括ZigBee射频模块CC2420、CDMA传输模块HUAWEI-CM320、视频信号采集模块和微处理器模块，其特征在于：
所述的微处理器模块采用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的外部总线接口与DSP处理器TMS320C6412的主机接口总线连接；
所述的ZigBee射频模块CC2420通过串行外设接口与ARM处理器AT91M55800A连接；
所述的CDMA传输模块HUAWEI-CM320通过通用同步/异步串行接收器/发送器串口与ARM处理器AT91M55800A连接；
所述的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的外部存储器接口连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU ZIXIANG ELECTROMECHANICAL CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: HANGZHOU ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY UNIV Effective date: 20131018 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 310018 HANGZHOU, ZHEJIANG PROVINCE TO: 226600 NANTONG, JIANGSU PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131018 Address after: 226600 Nanyang village, Haian Development Zone, Haian County, Nantong City, Jiangsu province 3 Patentee after: JIANGSU SHENXIANG ELECTROMECHANICAL Co.,Ltd. Address before: Hangzhou City, Zhejiang province 310018 Jianggan District Xiasha Higher Education Park No. 2 street Patentee before: HANGZHOU DIANZI University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100721 |