CN101730284A

CN101730284A - 基于传感器网络的空气质量监测设备

Info

Publication number: CN101730284A
Application number: CN200910154922A
Authority: CN
Inventors: 蒋鹏; 阮斌锋; 陈岁生; 柴利
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2010-06-09

Abstract

本发明涉及一种基于传感器网络的空气质量监测设备。现有的监测设备仪器类型多样，数据不具有通用性，本发明包括空气质量监测节点、基站和监测中心。监测节点通过自组方式构成网络，基站接收监测节点采集的空气质量参数，对数据处理后保存，并通过GPRS网络发送至远程监测中心。空气质量监测节点包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee射频模块。基站电源管理模块、基站微处理器模块、ZigBee射频模块和GPRS传输模块。本发明不受地理环境的约束，可以监测大范围区域的空气质量变化情况。

Description

基于传感器网络的空气质量监测设备

技术领域

本发明属于无线通信和嵌入式系统技术领域，具体涉及一种基于传感器网络的空气质量监测设备。

背景技术

环境与发展是当今国际社会普遍关注的重大问题。研究与开发空气质量监测设备，可以了解和评价空气质量状况，更好地保护环境。

目前，全国各地陆续建立了现代化的空气质量监测站，对环境保护起了巨大的推动作用。但也面临着如下问题：1)监测站点仪器类型多样，数据采集设备繁多，不具有通用性，且相互间兼容性差，没有规范的通信协议；2)现场监测数据通常以有线方式传至监测中心，通信方式落后，监测网络管理水平低下。

随着计算机、网络、无线通信等技术的发展，建设网络化、智能化的新一代空气质量实时监测设备成为可能。无线传感器网络(Wireless SensorNetworks，WSNs)作为一项新兴的技术，提供了一种全新的信息获取和处理途径。无线传感器网络是由低成本、低功耗的微型传感器节点通过自组织通信形成的分布式网络。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给观察者。WSNs可以广泛应用于军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、灾难预测与救助等领域。基于无线传感器网络构建空气质量监测系统是无线传感器网络在环境监测方面的典型应用。与现有的空气质量监测设备相比，基于无线传感器网络的空气质量监测设备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。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于传感器网络的空气质量监测设备。

本发明所采用的技术方案为：

基于传感器网络的空气质量监测设备包括基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点、基于ZigBee和通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)无线技术的基站和利用GPRS网络实现与基站通信的监测中心。该类网络适用于采集点需多点密集布署的场合。

各个监测节点通过自组方式构成网络，基站接收监测节点采集的空气质量参数，对数据处理后保存，并通过GPRS网络发送至远程监测中心。同时，远程监测中心也可以通过基站给现场的监测节点发送命令，实现数据、指令的反向传输，以达到远程控制的目的。

所述的基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee射频模块。

所述的电源管理模块包括电压为12V的YSD-12450锂电池、以LM2596-3.3为核心的电压转换电路和以LM2596-12为核心的电压转换电路，锂电池为3.3V电压转换电路和12V电压转换电路提供电源；3.3V电压转换电路分别为微处理器模块、ZigBee射频模块供电；12V电压转换电路为空气质量参数采集模块供电；3.3V电压转换电路和12V电压转换电路均采用成熟产品；

所述的空气质量参数采集模块包括温湿度变送器、气压变送器、二氧化硫变送器、一氧化氮变送器、二氧化氮变送器和I/V转换电路；

温湿度变送器信号输出端与I/V转换电路的第一通道连接，气压变送器信号输出端与I/V转换电路的第二通道连接，二氧化硫变送器信号输出端与I/V转换电路的第三通道连接，一氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第四通道连接，二氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第五通道连接；

所述的微处理器模块的控制端与12V电压转换电路连接，微处理器模块的电源端与3.3V电压转换电路连接，微处理器模块的A/D转换器与I/V转换电路连接；

所述的基于ZigBee和GPRS无线技术的基站包括基站电源管理模块、基站微处理器模块、ZigBee射频模块和GPRS传输模块。

基站电源管理模块包括：电池、3.3V基站电压转换电路模块、基站微处理器模块、ZigBee射频模块和GPRS传输模块。

电池为3.3V基站电压转换电路模块提供电源，3.3V基站电压转换电路模块分别与基站微处理器模块、ZigBee射频模块以及GPRS传输模块连接；

基站微处理器模块通过SPI接口与ZigBee射频模块信号连接，基站微处理器模块通过USART串口与GPRS传输模块信号连接。

所述的利用GPRS网络实现与基站通信的监测中心包括监测软件和数据库。监测软件提供完整的监测界面，实现历史数据查询、实时数据显示、数据分析、报警状态查询等功能。监测中心负责监测整个空气环境状况的变化，实现对现场的有效监测和管理。

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空气质量参数，数据采集覆盖范围广。可实时采集、传输多种空气质量参数(包括温度、湿度、气压、二氧化硫、氮氧化物含量等)，传感器节点部署方便，不受地理环境的约束，可以监测大范围区域的空气质量变化情况。

2、数据通信能力强、网络覆盖范围广。本发明采用新兴的ZigBee技术实现传感器节点之间以及传感器网络与基站间的数据通信，并且通过GPRS网络实现基站与远程监测中心的数据双向通信。

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、将长期的环境参数存储至监测中心数据库，方便用户监测与分析。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点示意图；

图3为本发明中基于ZigBee和GPRS无线技术的基站结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，本发明架构可分为三个层次：系统区域内数据监测节点1、系统区域内基站2和远程监测中心3。

在区域中构建基于ZigBee无线技术的传感器网络：在该区域的任一个子区域内布署多个数据监测节点1形成ZigBee网络，每个子区域配置一个基站2，对分布于子区域ZigBee网络中的多个数据监测节点1进行数据采集和状态监测，并通过GPRS网络将采集的实时数据传送至远程监测中心3。基站2通过协议转换将传感器网络即ZigBee网络与GPRS网络两个异构网络连接在一起，充当两者之间的网关。远程监测中心3接收实时空气质量参数，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。

如图2所示，基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点包括电源管理模块1-1、空气质量参数采集模块1-2、微处理器模块1-3和ZigBee射频模块1-4。

电源管理模块1-1包括：电压为12V的YSD-12450锂电池，作为电源1-1-1，标称容量为4.5Ah；以LM2596-12为核心的电压转换电路模块1-1-2，为空气质量参数采集模块1-2中的温湿度变送器1-2-1、气压变送器1-2-2、二氧化硫变送器1-2-3、一氧化氮变送器1-2-4、二氧化氮变送器1-2-5和I/V转换电路1-2-6提供12V电压；以LM2596-3.3为核心的电压转换电路模块1-1-3，为微处理器模块1-3和ZigBee射频模块1-4提供3.3V电压。

空气质量参数采集模块1-2包括：温湿度变送器1-2-1、气压变送器1-2-2、二氧化硫变送器1-2-3、一氧化氮变送器1-2-4、二氧化氮变送器1-2-5和I/V转换电路1-2-6。多种空气质量参数变送器可采集多种空气质量参数(包括温度、湿度、气压、二氧化硫、氮氧化物含量等)，使用的变送器主要有温湿度变送器KGC 3/9(温度量程为-20～80℃，精度为±0.3℃，输出4～20mA电流；湿度量程为0～100％rh，精度为±2％rh，输出4～20mA电流)，气压变送器HD9408TBARO(量程为600～1100mbar，精度为±0.4mbar，输出4～20mA电流)，二氧化硫变送器MIC-100-SO2(量程为0～100ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)，一氧化氮变送器NBG80-NO(量程为0～500ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)，二氧化氮变送器NBG80-NO2(量程为0～500ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)。I/V转换电路1-2-6以LM324为核心搭建而成。多种空气质量参数变送器输出6路4～20mA电流信号，通过I/V转换电路1-2-6转换为6路0～3.3v的电压信号，送入微处理器模块1-3的A/D转换器，完成空气质量参数采集。

微处理器模块1-3采用MSP430F1611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空气质量参数采集模块1-2传输的空气质量参数信号。微处理器模块1-3通过SPI接口与ZigBee射频模块1-4互连，实现空气质量参数的接收和发送。微处理器模块1-3还利用单刀单掷开关ISL43110控制以LM2596-12为核心的电压转换电路模块1-1-2，在节点不采集空气质量参数的情况下，停止电压转换电路模块1-1-2对多种空气质量参数变送器和I/V转换电路1-2-6供电，以降低节点能耗。

ZigBee射频模块1-4通过SPI接口与微处理器模块1-3互连，用于实现网络中节点与节点间的通信，并实现与基站ZigBee射频模块2-3的通信。

如图3所示，基于ZigBee和GPRS无线技术的基站包括基站电源管理模块2-1、基站微处理器模块2-2、ZigBee射频模块2-3和GPRS传输模块2-4。

基站电源管理模块2-1包括：电压为3.6V的LS14500C电池，作为电源2-1-1；以LM2596-3.3为核心的电压转换电路模块2-1-2为基站微处理器模块2-2、ZigBee射频模块2-3以及GPRS传输模块2-4提供3.3V电压。

基站微处理器模块2-2通过SPI接口与ZigBee射频模块2-3互连，通过USART串口与GPRS传输模块2-4互接。

ZigBee射频模块2-3通过SPI接口与微处理器模块2-2互连，用于实现基站与数据监测节点间的通信。

GPRS传输模块2-4用于实现基站与远程监测中心3之间的通信，通过USART串口与微处理器模块2-2互连。

本发明的工作过程为：基于传感器网络的空气质量监测设备的数据流、状态流、命令流传输情况如下。在监测过程中，分布于区域中的数据监测节点1通过变送器采集温度、湿度、气压、二氧化硫、氮氧化物含量等空气质量参数，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1-4通过ZigBee网络以多跳方式最终上传至基站2的ZigBee射频模块2-3。基站2经由ZigBee射频模块2-3接收空气质量参数和传感器网络的状态信息，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。远程监测中心3接收基站2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2。而基站2接收到指令后，经解码做出相应的控制操作。例如，发送控制指令至传感器网络，配置相关数据监测节点1，满足远程监测中心3简单的控制要求。

Claims

1.基于传感器网络的空气质量监测设备，包括基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点、基于ZigBee和通用分组无线业务无线技术的基站和利用GPRS网络实现与基站通信的监测中心，其特征在于：

多个空气质量监测节点自组网与基站无线连接，基站通过GPRS网络与监测中心无线连接；

基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee射频模块，电源管理模块为空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee射频模块供电，空气质量参数采集模块与微处理器模块信号连接，微处理器模块与ZigBee射频模块信号连接；

基于ZigBee和GPRS无线技术的基站包括基站电源管理模块、基站微处理器模块、ZigBee射频模块和GPRS传输模块；基站电源管理模块包括电池、3.3V基站电压转换电路模块、基站微处理器模块、ZigBee射频模块和GPRS传输模块；电池为3.3V基站电压转换电路模块提供电源，3.3V基站电压转换电路模块分别与基站微处理器模块、ZigBee射频模块以及GPRS传输模块连接；基站微处理器模块通过SPI接口与ZigBee射频模块信号连接，基站微处理器模块通过USART串口与GPRS传输模块信号连接；

利用GPRS网络实现与基站通信的监测中心包括监测软件和数据库。

2.根据权利要求1所述的基于传感器网络的空气质量监测设备，其特征在于：

所述的电源管理模块包括电压为12V的YSD-12450锂电池、以LM2596-3.3为核心的电压转换电路和以LM2596-12为核心的电压转换电路，锂电池为3.3V电压转换电路和12V电压转换电路提供电源；3.3V电压转换电路分别为微处理器模块、ZigBee射频模块供电；12V电压转换电路为空气质量参数采集模块供电；

所述的微处理器模块的控制端与12V电压转换电路连接，微处理器模块的电源端与3.3V电压转换电路连接，微处理器模块的A/D转换器与I/V转换电路连接。