CN101620771A - 远程无线环境实时数据采集方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境监测系统，具体是一种远程无线环境实时数据采集方法和装置，该装置包括：一管理工作站，至少一ZigBee无线传感器网络，无线传感器网络包括一协调器节点，协调器节点连接有至少一路由器节点，路由器节点连接有至少一功能模块，协调器节点通过RS232接口与管理工作站连接。本发明采用先进的ZigBee无线传感器网络系统开发出具有低成本、可靠性高、便捷、通用性强的特点，能够对室外环境信息进行远程无线实时的采集。

Description

远程无线环境实时数据采集方法和装置

技术领域

本发明涉及环境监测系统，具体是一种远程无线环境实时数据采集方法和装置。

背景技术

纵观市场上的环境数据采集系统，按照技术类型可以分为以下几类：(1)：分散采集型：所有的传感器分散在不同的区域独立工作，各个传感器之间没有相互通信，不存在相互间的协作，无网络通信能力，不能实现数据的集中采集与管理，系统没有自动化工作的能力；(2)现场总线型：各个传感器通过现场总线(如：CAN总线、LonWORKS、PROFIBUS和工业以太网等)连接到上位管理计算机上，这种结构的系统类似DCS系统，可以实现数据的自动采集与管理，系统具有较强的自动化能力，由于这种系统存在布线问题，因此并非适用于所有应用场合，并且还存在成本控制的问题；(3)无线传感器网络型：这种技术方式可以克服现场总线型系统所存在的问题，各个节点可以通过无线链路实现信息的互通，同时实现与上位管理计算机的连接。从目前的实际情况来看，采用无线传感器网络是当前技术条件下较为经济可行的方式。在上位计算机管理软件方面，现在比较流行有VisualBasic、Visual C、JSP、C#等。这些开发工具是面向通用环境的，对开发者的要求较高，界面的友好度、美化程度都依赖于开发者自身的经验，且初学者短时间内很难开发出简单易用的管理系统。而且这些开发工具网页发布比较复杂，不易实现系统的远程访问与管理。

发明内容

针对上述的缺点，本发明提供了一种采用无线传感器网络的方式实现、能采集各种数据并存储、处理的环境实时数据采集方法和实现装置。

本发明提供的远程无线环境实时数据采集方法，包括如下步骤：

1)功能模块采集环境数据，传输给ZigBee网络中的终端节点，终端节点对数据进行组帧、加密、数据验证、帧校验、帧发送的处理、在查询到通讯信道空闲后，将数据发送给路由器节点；

2)路由器节点接收到终端节点传输来的数据，首先进行数据包缓冲，随后校验数据、确认数据包完整，再分解数据帧，获取数据帧里的源地址信息和有效数据，然后再重新组帧、加密，再进行空闲信号评估和链路质量指示，最后在信道空闲时，将数据发送给协调器节点；

3)协调器节点接收到路由器节点发送来的数据，进行包缓冲、校验，确认数据包完整后，再拆帧，提取出源地址信息和有效数据，然后再把各个终端节点采集的数据排队，重新按照RS232协议组帧、加密、校验，再通过RS232接口把数据实时传送给管理工作站；

4)管理工作站通过RS232接口接收协调器节点传输来的数据，进行数据缓冲、校验数据包，确认数据包完整后，解码、拆帧、提取源地址信息和有效数据，然后存储进入数据存储装置。

实现上述方法的远程无线环境实时数据采集装置，包括：

一管理工作站，用于对数据进行缓冲、校验数据包，解码、拆帧、提取源地址信息和有效数据，并将数据存储进入数据存储装置；

至少一ZigBee无线传感器网络，无线传感器网络包括一协调器节点，协调器节点连接有至少一路由器节点，路由器节点连接有至少一功能模块，协调器节点通过RS232接口与管理工作站连接，其中，

功能模块包括一微处理器，微处理器连接有一射频芯片、一太阳能供电模块、一数据存储模块、一扩展接口模块、一无线网络通讯模块、一传感器模块和一传感器信号调理电路，其中传感器模块和传感器信号调理电路实现数据采集，射频芯片和无线网络通讯模块实现无线网络通讯，微处理器对采集到得数据进行处理、控制各个模块的运行；

路由器节点包括一微处理器，微处理器连接有一射频模块、一太阳能供电模组、一数据存储模块、一扩展电路接口模块；

协调器节点包括一微处理器，微处理器连接有一射频模块、一太阳能供电模组、一数据存储模块、一扩展电路接口模块。

本发明采用低成本、低功耗、低传输速率的ZigBee无线网络技术，实现设备的智能化操作，由于ZigBee技术具有自组织性和自愈功能，因此家庭内设备可以任意移动；基于ZigBee技术的无线传感器网络采用沿树路由算法，这种算法不存在路由发现过程，节点收到分组后可以立即将分组传输给下跳节点，这样就不需要维护路由表，降低了对节点存储能力的要求，也降低了节点成本。

所述管理工作站还预留了扩展通讯接口，比如可以连接有打印装置和短信发送装置。

所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器、二氧化氮传感器，上述传感器能实现各种环境参数的实时采集。

本发明具有以下优点：(1)采用先进的ZigBee无线传感器网络系统开发出具有低成本、可靠性高、便捷、通用性强的特点，能够对室外环境信息进行远程无线实时的采集。(2)提出的无线传感器网络通信树形路由算法，拓展了网络的覆盖范围，降低了对节点存储能力的要求，因而降低了节点成本。(3)采用先进的电化学式气体传感器和性能优异的数据调理模块开发出通用环境信息检测模块，具有通用性强、测量精度高的特点。(4)开发出的太阳能电池供电系统解决了户外恶劣环境供电难的问题。(5)采用虚拟仪器技术和标准的主流网络数据库，在LabVIEW的环境下调用ACCESS和MATLAB完成数据的存储和处理，具有环境数据显示以及超标报警功能，并可指定任意时间段对历史数据进行查询，还可以根据用户需要输出环境数据历史发展趋势。

附图说明

图1为本发明实施例的硬件连接拓扑图；

图2为本发明实施例中功能模块节点结构原理框图；

图3为本发明实施例中路由器节点和协调器节点结构原理框图；

图4为本发明实施例中微控制器PIC18LF4620与无线射频芯片CC2420的电路连接原理图；

图5为本发明实施例中基于CC2420的无线通讯模块的硬件电路；

图6为本发明实施例中异步串行通信接口电路图；

图7为本发明实施例中电源管理模块电路图；

图8为本发明实施例中传感器信号调理电路图。

具体实施方式

下面以非限定的实施例进一步解释、说明本技术方案。

一种远程无线环境实时数据采集装置，如图1所示，包括：

一管理工作站，用于对数据进行缓冲、校验数据包，解码、拆帧、提取源地址信息和有效数据，并将数据存储进入数据存储装置；

一ZigBee无线传感器网络，无线传感器网络包括一协调器节点，协调器节点连接有n个路由器节点，路由器节点连接有至少一功能模块，协调器节点通过RS232接口与管理工作站连接，其中，

功能模块如图2所示，包括一微处理器，微处理器连接有一射频芯片、一太阳能供电模块、一数据存储模块、一扩展接口模块、一无线网络通讯模块、一传感器模块和一传感器信号调理电路，其中传感器模块和传感器信号调理电路实现数据采集，射频芯片和无线网络通讯模块实现无线网络通讯，微处理器对采集到得数据进行处理、控制各个模块的运行；

路由器节如图3所示，点包括一微处理器，微处理器连接有一射频模块、一太阳能供电模组、一数据存储模块、一扩展电路接口模块；

协调器节点如图3所示，包括一微处理器，微处理器连接有一射频模块、一太阳能供电模组、一数据存储模块、一扩展电路接口模块。

其中，管理工作站可以采用虚拟仪器技术和标准的主流网络数据库来实现，在LabVIEW的环境下调用ACCESS和MATLAB完成数据的存储和处理，这是容易实现的。

ZigBee标准中规定一个ZigBee无线网络一般包含三种设备：协调器、路由器、终端节点。各种节点对硬件配置的要求也不同，其中协调器作为网络中枢，对ROM的要求最大，路由器其次，对ROM要求最小的是终端节点，另外，作为协调器的节点还要预留与上位机通信的串口，各功能节点也要有完成具体功能的实现电路设计。ZigBee网络的节点硬件主要包括无线通讯模块、微处理器模块、串口收发模块、功能电路模块和电源模块等五个部分。

无线通讯模块可以采用无线射频芯片CC2420、而微处理器可以采用PIC18LF4620。如图4所示，为无线射频芯片CC2420与微处理器PIC18LF4620的接口电路图。微处理器是整个系统的核心，是ZigBee协议的载体，因此微处理器的选型必须能够提供足够大的存储(包括数据和程序存储器)空间，以便用于协议栈的移植以及用户上层应用程序开发。一般协调器和路由器ROM空间为64kb左右，而终端节点应该在32kb左右。考虑到无线射频芯片CC2420采用SPI总线作为其数据和控制信号的传输接口，选用带标准SPI总线接口的微处理器PIC18LF4620。

PIC18LF4620内部资源非常丰富，具有A/D转换和CAN总线接口，同时具有3986B的RAM，64KB的FLASH，完全满足协调器、路由器和终端节点对存储器空间的需要。微处理器的工作电压只有3.3V，具有运行、空闲、休眠三种工作模式，可以通过工作模式的切换降低传感器节点的功耗，延长整个网络的使用寿命。由于其非常高的性价比，在智能仪表、医疗设备、保安系统等领域己经取得了广泛的应用。其主要由以下部分组成：

(1)20个中断源，1个中断优先使能，可以为中断源分配高或低优先级。

(2)36个I/O端口(端口A，B，C，D，E)。

(3)4个定时器(定时器0可选择为8位或16位，定时器1、3为16位，定时器2为8位)。

(4)1个CCP(Capture/Compare/PWM)模块和1个ECCP(EnhancedCapture/Compare/PWM)模块。

(5)MSSP(Master Synchronous Serial Port)模式的串行口通信以及EUSART(Enhanced Universal Synchronous ReceiverTransmitter)串行口通信模式。

(6)并行通信接口。

(7)包括看门狗和上电等多种复位功能。10位A/D(模拟数字转换器)。

而图5是基于CC2420的无线通讯模块的硬件电路，CC2420是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz的IEEE802.15.4的无线收发芯片。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用0.18um的CMOS工艺生产，具有很高的集成度。该芯片体积小、功率低，非常适合家庭及楼宇自动化、工业监控等应用系统。CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶体等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段上工作。CC2420只提供一个SPI接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据两方面的工作。许多单片机都集成了SPI控制器，例如Atmega128、PIC18LF4620、MSP430等都可以非常方便的与CC2420配合使用。简单的外围电路和处理器接口，使得CC2420可以运用在非常廉价的设备上。CC2420的选择性和敏感指数都超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kbps，可实现点对多点的快速组网。CC2420内部使用1.8V的工作电压，因而功耗很低，适合于电池供电的设备；外部数字I/O接口使用3.3V的电压，这样可以保持和3.3V逻辑器件的兼容性。它在片上集成了一个直流稳压器，能够把3.3V的电压转换成1.8V的电压。因此对于3.3V电源供电的设备不需要额外的电压转换电路就能正常工作。CC2420只需要极少的外围元器件就能正常工作，它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。首先对于晶振时钟电路，芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用16MHz晶振时，其电容值约为22pF。另外当使用外部时钟时，直接从XOSC16_Q1引脚引入，XOSC16_Q2引脚保持悬空；如果使用内部晶体振荡器，晶体接在XOSC16_Q1和XOSC16_Q2引脚之间。CC2420要求时钟源的精确度应该在±40ppm以内。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50欧姆，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。

图6是异步串行通信接口电路图，异步收发器在整个远程无线环境实时监测系统中起着数据承上启下的作用，虚拟仪器系统通过串口可以向网络协调器发送命令，然后由网络协调器再通过无线传感器网络向各功能节点发送命令；也可通过串口向虚拟仪器系统传送各功能节点采集到的信息。并且，在程序调试期间，还可利用串口方便的跟踪系统运行期间的状态或出现的错误。在实施例中，采用的是SP3232EEN作为串口收发芯片，只需要极少的外围电路，并能实现可靠的数据传输。

图7为电源管理模块电路。电源部分采用7805稳压芯片和LP2981-3.3稳压芯片分别输出5V和3.3V电压。LP2981-3.3的输出电流达到100mA，对线性负载具有较好的动态跟随能力，完全满足系统的需求。

图8为传感器信号调理电路。由于感器的输出信号为毫伏级的微弱信号，需要进行微弱信号调理电路的设计。传感器信号调理的基本流程是：传感器的物理量信号转换为电信号，通过放大滤波后，送入A/D转换器，转换为数字信号进行处理。信号调理电路包括前级放大、二级放大、信号预处理(滤波、整流、幅度调节)，信号最后进入A/D转换器，在信号调理的各个环节都会引入噪声。

前置电路的主要噪声源是：运放的电压噪声、电流噪声和电阻的热噪声。根据运放噪声的特点，选用具有自稳零特点的运放可大大减弱1/f噪声，具有极小的输入失调电压。前置放大部分由于运放带宽的限制，放大倍数有可能不够，而且一些做前置放大的运放的带载能力低，所以需要二级放大。二级放大部分需要选择低噪声、高带宽的运放。信号内部噪声随着信号放大也被放大，需要消除这部分噪声，这就需要设置滤波器环节，选择合适的滤波器和参数。

一些A/D转换器只能输入正电压信号，对于含有负电压的交流信号，整流是常用的办法。整流电路的运放应当具有快速的反相恢复时间，低的输入失调电压，合适的带宽。

因此，本发明在ZigBee无线传感器网络的基础上使用LabVIEW完成数据的采集，然后在LabVIEW的环境下调用ACCESS和MATLAB完成数据的存储和处理。各ZigBee无线网络功能子节点，扩展了有害气体传感器(如：一氧化氮、一氧化碳、二氧化硫和硫化氢)，在底层无线传感器网络的功能子节点上完成对有害气体的检测。上层管理工作站通过串口发送命令给无线传感器网络的主协调器来启动传感器，各功能子节点读取传感器的检测值，并把这个值传送到协调器节点。各种检测数据通过ZigBee网络采集到以后上传至协调器节点后，协调器节点接收到数据以后通过串口将数据传送到LabVIEW再进行进一步的处理。在LabVIEW上实现数据的存储、处理，并在管理工作站的前面板上显示处理的结果。如果有必要的话，还可以通过简单的设置在Web页上发布前面板，方便用户远程查看。对于授权用户还可以在互联网上远程控制整个系统的工作状态。

Claims (4)

1.一种远程无线环境实时数据采集方法，其特征在于包括如下步骤：

1)功能模块采集环境数据，传输给ZigBee网络中的终端节点，终端节点对数据进行组帧、加密、数据验证、帧校验、帧发送的处理、在查询到通讯信道空闲后，将数据发送给路由器节点；

2)路由器节点接收到终端节点传输来的数据，首先进行数据包缓冲，随后校验数据、确认数据包完整，再分解数据帧，获取数据帧里的源地址信息和有效数据，然后再重新组帧、加密，再进行空闲信号评估和链路质量指示，最后在信道空闲时，将数据发送给协调器节点；

3)协调器节点接收到路由器节点发送来的数据，进行包缓冲、校验，确认数据包完整后，再拆帧，提取出源地址信息和有效数据，然后再把各个终端节点采集的数据排队，重新按照RS232协议组帧、加密、校验，再通过RS232接口把数据实时传送给管理工作站；

4)管理工作站通过RS232接口接收协调器节点传输来的数据，进行数据缓冲、校验数据包，确认数据包完整后，解码、拆帧、提取源地址信息和有效数据，然后存储进入数据存储装置。

2.实现权利要求1所述方法的远程无线环境实时数据采集装置，其特征在于包括：

一管理工作站，用于对数据进行缓冲、校验数据包，解码、拆帧、提取源地址信息和有效数据，并将数据存储进入数据存储装置；

至少一ZigBee无线传感器网络，无线传感器网络包括一协调器节点，协调器节点连接有至少一路由器节点，路由器节点连接有至少一功能模块，协调器节点通过RS232接口与管理工作站连接，其中，

功能模块包括一微处理器，微处理器连接有一射频芯片、一太阳能供电模块、一数据存储模块、一扩展接口模块、一无线网络通讯模块、一传感器模块和一传感器信号调理电路，其中传感器模块和传感器信号调理电路实现数据采集，射频芯片和无线网络通讯模块实现无线网络通讯，微处理器对采集到得数据进行处理、控制各个模块的运行；

路由器节点包括一微处理器，微处理器连接有一射频模块、一太阳能供电模组、一数据存储模块、一扩展电路接口模块；

协调器节点包括一微处理器，微处理器连接有一射频模块、一太阳能供电模组、一数据存储模块、一扩展电路接口模块。

3.根据权利要求3所述的远程无线环境实时数据采集装置，其特征在于：所述管理工作站还连接有打印装置和短信发送装置。

4.根据权利要求2或3所述的远程无线环境实时数据采集装置，其特征在于：所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器、二氧化氮传感器。

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