CN101730301A - 一种无线传感器网络及基于该传感器网络的水质监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线传感器网络及基于该传感器网络的水质监测系统，该无线传感器网络包括用于测量环境参数无线传感器节点和汇节点；无线传感器节点是多个，无线传感节点和汇节点通过无线方式连接。本发明提供的无线传感网络，将现代无线通信技术和有线通信技术进行有效结合，形成一整套环境监测系统，克服传统监控方案的不足，具有实用性和先进性的优势。

Description

一种无线传感器网络及基于该传感器网络的水质监测系统

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络，以及基于该传感器网络的水质监测系统。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network)是一个热点的研究领域，它在森林防火、水质监控等环境监测及军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络具有传感器节点密度高，网络组网方便，以及节点的功耗低等特点。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，其网络标准基于IEEE 802.15.4。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee仂、议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，其中物理层遵循IEEE 802.15.4协议，控制RF收发器工作，采用扩频通信，信号传输距离为室内50m，室外150m。MAC层：遵循IEEE 802.15.4协议，负责设备间无线数据链路，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地址寻址。网络层建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。应用层：应用支持层维持器件的功能属性，根据服务和需求使多个器件之间进行通信。无线传感网络系统作为最新推出的技术，虽然已被广泛应用于工业、国防等领域。

目前，Zigbee技术在国外已经在家庭网络、控制网络、手机移动终端等领域有了一定的应用，但是现有Zigbee技术构成的网络每个接入点所能接纳的传感器的节点数远远低于协议所标称的255个，为了达到传感器网络密集覆盖的目的，就必须进行复杂的组网，这不仅增加了网络的复杂性，还增加了网络整体的功耗，降低了传感器节点的寿命。

水质监测是水资源环境管理与保护的重要基础，是保护水环境的重要手段。对于水质的监测和治理关系到各行各业的生产和人民的生活。目前我国的水质检测仍然存在很多问题，一是各级水质监测中心的采样能力不足，监测频率低，水质监测实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡。二是机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低。三是自动水质监测站数量太少。缺乏自动测报能力，难以获得重点水功能区主要水质监测的实时无线传感器网络(wireless sensor network)是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络，它在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和其它商业领域有着广泛的应用前景。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种无线传感网络，将现代无线通信技术和有线通信技术进行有效结合，形成一整套环境监测系统，克服传统监控方案的不足，具有实用性和先进性的优势。

本发明的技术解决方案是：一种无线传感器网络，其特征在于：该系统包括用于测量环境参数无线传感器节点和汇节点；所述无线传感器节点是多个，所述无线传感节点和汇节点通过无线方式连接。

上述汇节点是多个，所述汇节点和无线传感器节点是一对一或者一对多的方式连接。

上述无线传感器节点包括Zigbee模块、硬件检测模块和处理器，所述硬件检测模块、处理器和Zigbee模块依次相连接；所述硬件检测模块检测传感器节点所在的环境，将信息传送给Zigbee模块，所述Zigbee模块利用自身的控制芯片对信息进行处理后，以无线的方式传送给汇节点。

上述汇节点包括Zigbee模块、16位微控制器和数据存储模块；所述Zigbee模块和16位微控制器之间通过异步串行口连接；所述数据存储模块连接于16位微控制器。

上述该无线传感器网络还包括中心网络协调器，所述中心网络协调器通过无线方式和汇节点连接。

上述中心网络协调器包括监控模块、配置模块和数据管理模块，所述配置模块、监控模块和数据管理模块依次相连，所述监控模块通过通信串口与汇节点通信。

一种基于上述无线传感网络的水质监测系统，其特征在于：所述水质监测系统包括水质监测基站和控制中心站服务器；所述水质监测基站将监测数据上传至控制中心站服务器；所述控制中心站服务器包括无线传感器网络和水质监测数据处理模块，所述水质监测基站通过无线传感器网络和水质监测数据处理模块连接。

上述监测系统是分层结构，所述无线传感器网络中一个汇节点分别和多个传感器节点连接，所述传感器节点传输数据给汇节点，数据融合后传给数据传输模块。

上述水质监测基站和控制中心站服务器的通讯方式是以太网、GPRS或者PSTN modem拨号。

本发明采用的无线传感网络技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，其综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等等。通过各类集成化的微型传感器，无线传感网络节点协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，再通过嵌入式系统对信息进行处理，最后通过随机自组织的无线通信网络，以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。

由于采用无线传输，无线传感网络克服了许多传统有线网络传输信息的弊病。一方面，在一些物理障碍和特殊环境下，有线网络是不可能实现的。另一方面，与传统的模拟无线通讯相比，数字无线通讯已通过事实证明其所具有的巨大优势。

另外，该无线技术对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制，同时还开发了链路安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

本发明的无线传感器网络有以下优点：

1、本发明基于每个传感器节点和汇节点之间通信量较小的特点，提出了一种基于需求时唤醒的星型网络拓扑模式，传感器节点在监测的环境发生变化时，能自动醒来和汇节点进行通信并上报相关信息；否则工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节约传感器节点功耗并拒绝接受非法的连接访问请求，大大降低了接入汇节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。

2、本发明应用的Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0-10dbm，通信距离为50-100m，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。

2、时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

3、安全性高：提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。

4、网络容量大：每个网络最多可支持255个设备，也就是说，每个设备可以与另外254台设备相连接，同时，网络的高冗余性保证了整个网络在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。

5、优良的网络拓扑能力：无线传感节点可以自动形成有组织、有结构、自形成、自恢复的网络。无线传感网络的组建免除了传统网络的烦琐的配置过程。任何新加入网络中的节点设备只要处于无线通讯范围内，可自动加入已有网络，并自动形成信息路由路径，将信息传到有效接收者。同时在节点设备硬件成本足够低的情况下，这些节点可组建成一个高冗余的网络，从而保证网络强大的出错自恢复的能力。

6、建网及维护成本低：综合以上传感器网络的特性，可以看出，建网所需要的人工费用是很低的。任何一个经过授权的传感设备只要放在网络的无线信号覆盖范围内，就可自动加入网络工作，无须任何安装配置。高度智能化最大程度上降低了网络维护所需的人力和时间，加上网络节点本身价格低廉，使得智能无线传感网络的维护成本极低。

本发明提出的监测系统的有以下优点：

1、监测参数的多样性、专业性：水质监测基站主要负责采集水样并通过各种水质监测仪器对水样的各种参数进行监测，包括PH值、DO、浊度、水温、电导、氨氮、TOC、COD等基本参数。

2、实时性、智能化：本发明结合了先进的嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术能够实现水质微环境的参数的实时监测，并能自动的收集各种传感参数，实现环境监测的实时、智能化。

3、Zigbee网络是低功耗、低成本、高可靠性的无线传感器网络，应用该网络的水质监测系统更有效、方便、可靠的实现了水质的各种数据的采集和处理。

4、强大的数据库系统：本发明利用了计算机、数据库等技术，实现一个集数据解析，数据管理、数据综合展示为一体的多功能、高度集成、面向水质环境监测的数据服务系统。同时系统还具有强大的历史数据存储、查询功能，为用户提供了全面可靠的数据服务。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的无线传感器节点的结构示意图；

图3是本发明的汇节点的结构示意图；

图4是本发明的中心网络协调器的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种无线传感器网络，包括Zigbee中心网络协调器1、汇节点2、Zigbee无线传感器节点3；汇节点2是多个具有路由功能的无线节点；无线网桥连接Zigbee无线网络与以太网，是检测中心网络的核心部分，负责无线传感器网络节点和设备节点的管理。本发明是基于每个传感器节点3和汇节点2之间通信量较小的特点，提出了一种基于需求时唤醒的星型网络拓扑模式，需求时唤醒的基本思想就是传感器节点3在监测的环境发生变化时，传感器节点3能自动醒来和汇节点进行通信，并上报相关信息：否则工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节约传感器节点3功耗并拒绝接受非法的连接访问请求，大大降低了接入汇节点2时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。

对于一个完整的无线传感器节点3，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0～3.6dbm，通信距离为50-100m，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，可自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，本发明提出的无线传感器网络的节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在传感器网络数据通信时，Zigbee建立一次连接的时间约为20ms，这样短的连接时间可以大大减少传感器节点上报给汇节点数据碰撞的概率。在网络安全方面，本发明提出的无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。

参见图2，本发明提供了的无线传感器网络的无线传感器节点3的硬件结构由Zigbee模块33(MC13192和MC9S08两部分所组成)、硬件检测模块31和处理器32组成。硬件检测模块31、处理器32和Zigbee模块33依次相连接；Zigbee模块33利用自身的控制芯片对信息进行处理后，以无线的方式传送给汇节点2。硬件检测模块31检测传感器节点3所在的环境，当环境发生变化时，触发Zigbee模块33的I/O中断将信息传送给Zigbee模块33，模块从睡眠状态唤醒，模块利用自身的控制芯片对信息进行处理后，再以无线的方式传送给汇节点2。

参见图3，分布在传感器网络中的汇节点2主要用于接收传感器节点3的数据上报，并将其进行融合处理，传给数据传输模块21，通过internet网络传递给中心网络协调器，Zigbee无线传感器网络中的汇节点2的硬件由Zigbee模块33、16位微控制器22、数据传输模块21等组成。Zigbee模块33和16位微控制器22之间的连接是通过异步串行口实现的，它们之间的通信速度为38.4kBaud，由于传感器网络中分布着多个汇节点2，因此16位微控制器22要利用软件中断实现对不同ID汇节点2上传数据轮询扫描，使汇节点2的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。数据传输模块21是符合IEEE802.15.4/Zigbee的无线通信单元，此单元用于数据的无线传输和通信。汇节点2在此传感器网络中充当的是传感器节点和internet网络之间的网关。

参见图4，中心网络协调器由监控模块42、配置模块41、数据管理模块43这三个部分组成。它通过internet网络与多个汇节点2间接连接在一起，监控模块42通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点2上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同的汇节点2实现对传感器节点3的间接、实时性的监控和数据采集。

本发明提出的无线传感器网络系统软件结构如下所述：Zigbee协议栈由一系列分层结构组成，每一层为上一层提供服务。数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其它功能服务。每种服务实体通过服务接入点(SAP)为上层提供接口。PHY层和MAC层由IEEE 802.15.4标准组制定。物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口。提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线信道上收发数据。物理管理层维护一个由物理层相关数据组成的数据库。Zigbee协议基于802.15.4标准提供了网络层和应用支持层及应用层框架。Zigbee网络层提供加入和离开网络机制、对数据进行加密以及帧路由等功能。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，主要完成两个功能：①寻找源节点和目的节点间的优化路径；②将数据分组沿着优化路径转发。为了能够高效利用能量，减少通信量，Zigbee网络允许树形路由选择，即树形结构选址。有了树形路由选择，设备不必保存占有庞大内存的路由表或者进行额外的空中下载操作来发现路径，从而减小了网络流量。为避免错误信息超过一定长度的过渡路由而产生额外的流量，Zigbee路由允许路由器去发现捷径。路由算法采用AODV(Ad Hoe On demand distance veaor)算法。每个路由器维护一张路由表，并定期与其邻居路由器交换路由信息，根据最小路由矢量更新自己的路由表。应用层框架定义监护网络节点协议。无线网关连接内部无线网络与外部有线以太网，网关采用16位微处理器系列实现。在Zigbee协议帧的基础上，建立无线网关的通信协议，包括设备编号、数据流方向、数据信息等。开机上电后.系统自检，硬件初始化，与远程监护服务器连接后进入数据流中继服务，实现数据协议的转换等功能。远程服务器接受连接后，随时接收传输的数据。并根据需要分类保存到数据库服务器。

本发明提出了一种基于该无线传感网络的水质监测系统，该系统是基于Zigbee协议，由大量的无线传感器节点3、汇节点2和数据传输模块21组成的分层式系统。基于簇(Cluster)的分层结构具有天然的分布式处理能力，簇头就是分布式处理中心即本发明无线传感器网络的一个汇节点2，每个簇成员(传感器节点3)都把数据传给簇头，数据融合后直接传给数据传输模块21。汇节点2和传感器节点3之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点3负责对数据的感知和处理并传送给汇节点2；控制中心通过internet网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。

水质监测系统的实现方式：

1、水质监测基站：水质监测基站主要负责采集水样并通过各种水质监测仪器对水样的各种参数进行监测，包括PH值、DO、浊度、水温、电导、氨氮、TOC、COD等基本参数。并且对这些基本参数数据进行缓存。按照一定时间设定通过各种通讯方式上传到控制中心站服务器。同时可以接受控制中心站服务器的控制。在和中心服务器的通讯方式上采用以太网作为主通讯通道，采用GPRS或者PSTN modem拨号作为备用通信通道，一旦主通讯通道发生故障不能上传数据时控制器可以通过拨号方式采用备用通讯通道上传数据，这样就可以保证数据能够及时准确地上传蝴。在同参数采集设备的通讯上，Flex3500有5个RS232串口和2个RS485串口，并且有多路模拟量和数字量的I/O，用户可以灵活的配置采集设备的通讯来完成水质参数的采集。

2、控制中心站服务器：控制中心站服务器为配置较高的PC服务器，安装了本发明所提出的无线传感器网络和水质监测数据处理软件，负责上传数据的存储和分析，并设置了相应的服务，其它联网的客户机可以浏览监控各水质监测站的监测数据和工作状态。控制中心站服务器的软件系统可以采用组态网或者其它组态软件开发。

本发明在Zigbee无线传感器网络的基础上，提出了基于Zigbee协议的无线传感器水质监测网络系统，并在无线网络平台上进行了水质参数检测收集和分析测试。实验验证了通过该系统进行远程无线水质监测的可行性。本发明提出的水质监测系统包含控制中心站系统、监测基站系统两大部分。中心站系统由前端计算机、应用软件组成并与N台计算机组成局域网。前端计算机通过可接收来自基站系统的数据和向基站系统发出来自中心站的指令。基站系统与中心站通信，并接受来自异构水质传感器的数据信号。在本系统中，一个中心站系统可监控若干个基站系统，从而组成一个庞大的水质无线计算机自动监控网络。根据设计的zigbee无线水质监测网络平台，对各种偏远环境下的水质参数进行连续采集，并在监控中心服务器上实时显示。Zigbee网络是低功耗、低成本、高可靠性的无线传感器网络，其在无线远程环境检测中有着广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种无线传感器网络，其特征在于：该系统包括用于测量环境参数无线传感器节点和汇节点；所述无线传感器节点是多个，所述无线传感节点和汇节点通过无线方式连接。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：所述汇节点是多个，所述汇节点和无线传感器节点是一对一或者一对多的方式连接。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：所述无线传感器节点包括Zigbee模块、硬件检测模块和处理器，所述硬件检测模块、处理器和Zigbee模块依次相连接；所述硬件检测模块检测传感器节点所在的环境，将信息传送给Zigbee模块，所述Zigbee模块利用自身的控制芯片对信息进行处理后，以无线的方式传送给汇节点。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：所述汇节点包括Zigbee模块、16位微控制器和数据存储模块；所述Zigbee模块和16位微控制器之间通过异步串行口连接；所述数据存储模块连接于16位微控制器。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的无线传感器网络，其特征在于：该无线传感器网络还包括中心网络协调器，所述中心网络协调器通过无线方式和汇节点连接。

6.根据权利要求5所述的无线传感器网络，其特征在于：所述中心网络协调器包括监控模块、配置模块和数据管理模块，所述配置模块、监控模块和数据管理模块依次相连，所述监控模块通过通信串口与汇节点通信。

7.一种基于上述无线传感网络的水质监测系统，其特征在于：所述水质监测系统包括水质监测基站和控制中心站服务器；所述水质监测基站将监测数据上传至控制中心站服务器；所述控制中心站服务器包括无线传感器网络和水质监测数据处理模块，所述水质监测基站通过无线传感器网络和水质监测数据处理模块连接。

8.根据权利要求7所述的基于上述无线传感网络的水质监测系统，其特征在于：所述监测系统是分层结构，所述无线传感器网络中一个汇节点分别和多个传感器节点连接，所述传感器节点传输数据给汇节点，数据融合后传给数据传输模块。

9.根据权利要求8所述的基于上述无线传感网络的水质监测系统，其特征在于：所述水质监测基站和控制中心站服务器的通讯方式是以太网、GPRS或者PSTN modem拨号。

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