CN101789168A - 污染源应急监测无线传感器网络 - Google Patents

Abstract

污染源应急监测无线传感器网络，是多个被随机布置在各个监测区域的无线传感器网络节点基于ZigBee技术组成网络；所述无线传感器网络节点组成星状拓扑和点对点对等拓扑的混合拓扑结构；所述无线传感器网络节点包括电源模块、数据采集模块、微控制器模块、无线通信模块；所述无线传感器网络节点可根据需要动态配置成协调器、路由器或终端设备；所述的无线传感器网络节点只与相邻的节点进行通信，数据传送依照多跳的转发方式进行，转发是由节点协作完成的，每个节点既是信息的发送者，也是信息的接收者。本发明具有铺设方便、可移动性强、自组织和数据传输安全等特点。

Description

污染源应急监测无线传感器网络

技术领域

本发明涉及一种用于污染源应急监测的无线传感器网络。

背景技术

随着我国工农业生产和经济建设的快速发展，环境污染事故，尤其是重大突发性环境污染事故不仅在发生次数上，而且在污染危害程度上均有增加的趋势。环境污染事故不仅具有突发性、严重性、危害的持续性、累积性等特点，而且涉及污染物的种类与事故的表现形式极其复杂，如剧毒农药和有毒化学品泄漏排放造成的环境空气、水体和土壤的污染；易燃易爆物火灾、泄漏造成的空气、水体污染；溢油造成的大面积水体污染，以及含大量有机物质的城市污水与工业废水的集中排放造成的水体污染等。这些突发污染事件给人民生命财产带来了极大的威胁，因此需要通过科技手段来预警突发状况，将破坏降到最低程度。

目前，对环境突发事件的处理，主要有两类，一类是环保部门领导通过电话对突发事件现场进行工作部署，专家在环境污染发生后第一时间赶赴现场，通过仪表对污染物、污染程度、污染范围进行评估，制定相关的应对策略。第二类是通过对一些商用车进行改装，在车上安装一些环境检测和分析仪表，在环境污染发生后，将车开到现场，通过有线仪表对环境污染进行相关的监测，从而对环境污染进行防治。但是环境污染具有突发性，污染源会在短时间内迅速扩散，而且具有一定的危险性。现有的处理方法不能让专家及监测人员及时了解污染事故的现场状况，不能及时、正确地处理污染事故，而且有线仪表布线成本高，不方便携带、移动。

发明内容

本发明要解决环境污染监控设备在发生事故时不能及时正确地被处理、并且成本高、不便于携带移动的缺点，提供一种布设方便、便于携带和移动，并且能够及时传输污染数据的污染源应急监测无线传感器网络。

本发明的技术方案：

污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：多个被随机布置在各个监测区域的无线传感器网络节点基于ZigBee技术组成网络；

所述无线传感器网络节点组成星状拓扑和点对点对等拓扑的混合拓扑结构；

所述无线传感器网络节点包括电源模块、数据采集模块、微控制器模块、无线通信模块；

所述无线传感器网络节点可根据需要动态配置成协调器、路由器或终端设备；作为终端设备的无线传感器网络节点通过数据采集模块采集环境监控数据，经微控制器模块存储、处理后将采集的数据通过无线通信模块发送给作为协调器和路由器的其他节点，再传送到监控中心；作为路由器的无线传感器网络节点具有判断网络地址和选择路径的功能，需要对其他节点传来的环境监控数据进行整合分析，然后完成数据转发、路由发现和路由维护等任务；作为协调器的无线传感器网络节点是整个网络的控制中心，实现设备注册和访问控制等基本的网络管理功能；

所述的无线传感器网络节点只与相邻的节点进行通信，数据传送依照多跳的转发方式进行，转发是由节点协作完成的，每个节点既是信息的发送者，也是信息的接收者。

进一步，所述的节点处理通信冲突的方式设定为：因通信冲突而导致丢包时，考虑到重发的效率问题，节点不会向范围内的其他节点广播重发的数据，而是依据路由算法选择一条通信良好的路径进行转发重发的数据，路径上的节点会记录重发的次数，一旦重发次数达到限定值时，就认为此路径无效，然后选择其他的路径进行转发，直到重发成功；如果没有一条路径重发成功，则抛弃这个数据包，并把此信息通知协调器。

再进一步，所述的网络是动态可变化的，节点的移动、加入和退出只会引起整个网络结构的改变，但不会影响其他节点的正常工作，也不会影响数据的传输，具有自我组织和自我修复的能力。

进一步，所述无线传感器网络节点可构成多个子网络，所述子网络可容纳多达300个无线传感器网络节点。

进一步，所述无线通讯模块采用XBee-PRO无线模块，所述无线通讯模块与所述微控制器模块连接；

进一步，所述数据采集模块包括带USB接口、RS232接口的数据采集模块和带传感器接口的数据采集模块，所述带USB接口、RS232接口的数据采集模块连接在微控制器模块上，所述带传感器接口的数据采集模块连接在无线通信模块上。

进一步，所述微控制器模块采用C8051F340微控制器。

进一步，所述电源模块根据使用环境的不同设有三种不同的电源接口，所述电源接口包括普通的5V稳压电源接口、USB的5V电源供电接口、干电池的3V电池组接口。

本发明是由多个传感器网络节点通过自组织方式组建而成，构成分布式、远程环境监测网络。

本发明所述的无线传感器网络按照ZigBee标准可以动态配置成有三种类型的节点：协调器、路由器和终端设备。根据不同的应用需求，无线传感器网络可以构建星状拓扑和点对点对等拓扑等网络，其中星状拓扑网络信息传递通过协调器完成，容易实现但对协调器负担过重；点对点对等拓扑网络节点可自行建立和维护，具有强大的自组织、自愈能力但需要耗费大量的网络资源。整个无线传输网络是一个动态的网络，具有以下特征：每个节点可以随处移动，节点间也相互不受干扰；节点一启动，就可以快速、自动的组成一个独立的网络；由于网络中节点的通信距离有限，在一定范围内只能与它相邻的节点进行通信，所以网络需要支持“多跳”。在应急车监测系统中，简单的星状拓扑和点对点对等拓扑不能满足整个网络的需要，因此选用这两种网络的混合拓扑结构。在污染源现场，为了完成环境数据的采集与传输，大量的无线传感器网络节点被随机布置在各个监测区域，这就使得整个无线传输网络的节点规模呈数量级增长，每个子网可容纳多达300个污染源无线传感器节点。由于节点发射功率和地形等限制，节点的覆盖范围有限，当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，就需要中间节点的转发。本发明的无线传感器网络节点数据转发是由节点协作完成的，而不是由专用的路由设备完成的，每个节点即是信息的发送者，也是信息的接收者，这种转发机制称之为“多跳”。“多跳”解决了节点传输距离的限制，同时还可以优化传输路径，提高传输质量。本网络“多跳”跳数最多可达255，基本满足环境监测数据的传输任务。在监测数据传输过程中为防止数据泄漏，在发送端对数据进行了AES 128位加密，当传输完成后上位机利用密钥对加密的数据包解密，还原信息内容。

在污染源监测系统中，污染源现场环境往往复杂多变，由于地形、天气等因素的影响，环境监测人员通常不能及时地对监测系统做出合理的调配和维护，这时就需要整个无线传感器网络具备良好的稳定性，可以应对多种突发状况，完成环境数据的采集与传输。本发明的无线传感器网络节点布局紧密，各器件受环境因素影响小，抗干扰能力强，可工作在各种复杂的环境下。

本发明的有益效果：网络节点具有铺设方便、可移动性强、自组织和数据传输安全等特点，整个网络的工作频率是2.4GHz，RF数据传输速率是250Kbit/s，传输输出功率低于100毫瓦，网络节点最多可达到65535，覆盖范围达到100m(室内)，1.6km(室外)；网络节点允许动态配置的，每个节点都可以作为路由器来转发数据，监测数据可以通过多条路径达到网络协调器，不会因为某个污染源采样节点的退出而影响其他节点的数据传输。

附图说明

图1是本发明的硬件框图。

图2是本发明电源模块原理图。

图3是本发明数据采集接口原理图。

具体实施方式

参照图1-3，污染源应急监测无线传感器网络，是多个被随机布置在各个监测区域的无线传感器网络节点基于ZigBee技术组成网络；

所述无线传感器网络节点组成星状拓扑和点对点对等拓扑的混合拓扑结构；

所述无线传感器网络节点包括电源模块1、数据采集模块、微控制器模块4、无线通信模块5；

所述无线传感器网络节点可根据需要动态配置成协调器、路由器或终端设备；作为终端设备的无线传感器网络节点通过数据采集模块采集环境监控数据，经微控制器模块4存储、处理后将采集的数据通过无线通信模块5发送给作为协调器和路由器的其他节点，再传送到监控中心；作为路由器的无线传感器网络节点具有判断网络地址和选择路径的功能，需要对其他节点传来的环境监控数据进行整合分析，然后完成数据转发、路由发现和路由维护等任务；作为协调器的无线传感器网络节点是整个网络的控制中心，实现设备注册和访问控制等基本的网络管理功能；

所述的无线传感器网络节点只与相邻的节点进行通信，数据传送依照多跳的转发方式进行，转发是由节点协作完成的，每个节点既是信息的发送者，也是信息的接收者。

所述的节点处理通信冲突的方式设定为：因通信冲突而导致丢包时，考虑到重发的效率问题，节点不会向范围内的其他节点广播重发的数据，而是依据路由算法选择一条通信良好的路径进行转发重发的数据，路径上的节点会记录重发的次数，一旦重发次数达到限定值时，就认为此路径无效，然后选择其他的路径进行转发，直到重发成功；如果没有一条路径重发成功，则抛弃这个数据包，并把此信息通知协调器。

所述的网络是动态可变化的，节点的移动、加入和退出只会引起整个网络结构的改变，但不会影响其他节点的正常工作，也不会影响数据的传输，具有自我组织和自我修复的能力。

所述无线传感器网络节点可构成多个子网络，所述子网络可容纳多达300个无线传感器网络节点。

所述无线通讯模块5采用XBee-PRO无线模块，所述无线通讯模块5与所述微控制器模块4连接；

所述数据采集模块包括带USB接口、RS232接口的数据采集模块3和带传感器接口的数据采集模块2，所述带USB接口、RS232接口的数据采集模块3连接在微控制器模块4上，所述带传感器接口的数据采集模块2连接在无线通信模块5上。

所述微控制器模块4采用C8051F340微控制器。

所述电源模块1根据使用环境的不同设有三种不同的电源接口，所述电源接口包括普通的5V稳压电源接口、USB的5V电源供电接口、干电池的3V电池组接口。

由于使用环境的条件限制，应急污染源监测系统的传感器网络节点要求提供稳定的电源供电，而不要求传感器网络节点长时间的工作，所以供电模块需要提供室内和室外两种状况下的能量供给，本发明提供三种不同的电源接口：普通的5V稳压电源接口(室内条件下使用)，USB的5V电源供电接口(接计算机时使用)和1-2节7号干电池的3V电池组接口(室外条件下没有电源情况下使用)。由于中央处理器和无线收发模块对于电源电压都有要求，本实施例在选用中央处理器和无线收发器时特地选用工作电压相近的芯片，这样只需要把外部的供电电压统一调整到器件所要求的工作电压即可。参见图2的电源电路图，本实施例选用的器件工作电压为3.3V，芯片选用AS1117-3.3，可以将外部5V电压或USB电压降至3.3V，为无线传感器网络节点供电；为了室外条件下没有电源情况下提供电源，芯片选用L6920，此芯片可以将1-2节干电池的电压升至3.3V。电路中利用L6920的低电压指示特性，可以在电池低电压情况下点亮指示灯报警。电池供电方式可以保证节点正常工作2年左右。

本实施例采用了Silicon Labs公司的C8051F340微控制器，该芯片具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核，在速度功能等方面完全优于8051芯片，是当前8位机中品质顶尖的产品。C8051F340微控制器还具有以下特点：功耗低，工作电压3.3V；芯片具有两个串口，串口0直接与无线通讯模块相连接，串口1提供给仪表或PC机通讯使用；片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件，并能方便地通过数字交叉开关将内部数字系统资源定向到外部I/O口上；高达25MIPS的执行速度，强大的模拟信号处理和资源控制功能；64KByte的可编程Flash和4352Byte(256+4KByte)的RAM；提供全速非侵人式的在线系统调试；芯片采用流水线技术，70％指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，为有关监控电路的监控与切换创造了非常有利的条件；片内的看门狗电路，电源监视电路等可靠的安全机制保证了电路工作的稳定。选择C8051F340作为节点的微控制器，不但因为其功耗低、存储器容量满足设计要求，而且还在于它所需要的外围功能电路少、接口简洁、封装性好。

本发明的无线通讯模块采用Digi公司生产的XBee-PRO无线模块，该模块是基于ZigBee技术的无线模块。XBee-PRO模块具有功耗低、集成度高、传输距离较远、稳定性好、接口简单等许多优点。该模块设计满足IEEE802.15.4标准，工作频率2.4GHz，模块的基本性能参数如下：发送功率10mW，接收灵敏度-102dBm，室内传输距离100m，室外传输距离1.6Km，RF数据传输率250Kbps；在3.3V电源下，发送电流295mA，接收电流45mA；在网络性能方面，具有DSS(直接序列扩频)功能，可以组成对等网、点对点及点对多点网络，12个软件可选的直接序列信道，每个信道具有65535个可用网络地址等。XBee-PRO模块内部有集成的串口接口，它与微控制器C8051F340串口0相连接，微控制器通过指令控制无线模块。

本发明的传感器模块电路图，见图3，选用美国TI公司生产的精密仪表放大器INA118，它具有精度高、低功耗、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大，INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度。放大电路的最大偏移电压为50μV，最大温漂为0.5μV/℃，最小共模抑制比为110dB，电源电压范围为±1.35V～±18V，±单位增益时为25μs，可以工作在温度范围为-40℃～85℃的环境下。由于污染源现场存在着各种干扰，尤其是共模干扰比较严重，所以普通单端运算放大器无法对信号进行准确的放大，采用INA118设计的数据采集接口具备了精度高、频带宽、共模抑制比特性，很适合完成污染源信号的放大任务。

本发明提供环境监测设备常用的两种接口：USB接口和RS232接口，为了防止浪涌冲击和ESD冲击等干扰，提高节点的稳定性，USB的保护电路采用安森美公司的NUP2202W1，最大反向浪涌电流达到28A，可以有效地延长节点的使用寿命。

本发明模块提供2种不同的软件操作模式：AT/透明操作模式和API操作模式。AT/透明操作模式通过便捷的参数配置即可实现数据的传输与命令模式的进入。API操作模式主要应用于较复杂的网络传输，可以通过改变目标地址来实现点对多点的数据传输任务，传输速率较之AT/透明操作模式快，传输结束后返回确认信息(已发送，发送失败)，模块接收数据时还可以接收到发送端模块的发送信息(源地址，网络地址，目标地址等)，协调器可以对节点进行远程参数配置，实现整个网络信息系统的在线参数配置。软件设计中使用基于复杂无线传感器网络的API操作模式。两种软件操作模式在模块内部的处理基本一致，主要包括初始化、数据监测和休眠处理三个过程。一般情况下节点的工作流程节点的初始化主要包括定时器初始化、I/O口初始化、串口初始化和USB初始化。传感器网络节点平时处于休眠模式，此时整个节点较少消耗能量，当环境监测设备采集到数据时，节点退出休眠模式，并尝试把数据发送出去，处于空闲状态后又回到休眠模式。当建立复杂的无线传感器网络时，每个节点还需要担负数据转发和数据处理等多种任务。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：多个被随机布置在各个监测区域的无线传感器网络节点基于ZigBee技术组成网络；

所述无线传感器网络节点组成星状拓扑和点对点对等拓扑的混合拓扑结构；

所述无线传感器网络节点包括电源模块、数据采集模块、微控制器模块、无线通信模块；

所述无线传感器网络节点可根据需要动态配置成协调器、路由器或终端设备；作为终端设备的无线传感器网络节点通过数据采集模块采集环境监控数据，经微控制器模块存储、处理后将采集的数据通过无线通信模块发送给作为协调器和路由器的其他节点，再传送到监控中心；作为路由器的无线传感器网络节点具有判断网络地址和选择路径的功能，需要对其他节点传来的环境监控数据进行整合分析，然后完成数据转发、路由发现和路由维护等任务；作为协调器的无线传感器网络节点是整个网络的控制中心，实现设备注册和访问控制等基本的网络管理功能；

所述的无线传感器网络节点只与相邻的节点进行通信，数据传送依照多跳的转发方式进行，转发是由节点协作完成的，每个节点既是信息的发送者，也是信息的接收者。

2.根据权利要求1所述的污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：所述的节点处理通信冲突的方式设定为：因通信冲突而导致丢包时，考虑到重发的效率问题，节点不会向范围内的其他节点广播重发的数据，而是依据路由算法选择一条通信良好的路径进行转发重发的数据，路径上的节点会记录重发的次数，一旦重发次数达到限定值时，就认为此路径无效，然后选择其他的路径进行转发，直到重发成功；如果没有一条路径重发成功，则抛弃这个数据包，并把此信息通知协调器。

3.根据权利要求1或2所述的污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：所述的网络是动态可变化的，节点的移动、加入和退出只会引起整个网络结构的改变，但不会影响其他节点的正常工作，也不会影响数据的传输，具有自我组织和自我修复的能力。

4.根据权利要求3所述的污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：所述无线传感器网络节点可构成多个子网络，所述子网络可容纳多达300个无线传感器网络节点。

5.根据权利要求4所述的污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：所述无线通讯模块采用XBee-PRO无线模块，所述无线通讯模块与所述微控制器模块连接。

6.根据权利要求5所述的污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：所述数据采集模块包括带USB接口、RS232接口的数据采集模块和带传感器接口的数据采集模块，所述带USB接口、RS232接口的数据采集模块连接在微控制器模块上，所述带传感器接口的数据采集模块连接在无线通信模块上。

7.根据权利要求6所述的污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：所述微控制器模块采用C8051F340微控制器。

8.根据权利要求7所述的污染源应急监测无线传感器网络，其特征在于：所述电源模块根据使用环境的不同设有三种不同的电源接口，所述电源接口包括普通的5V稳压电源接口、USB的5V电源供电接口、干电池的3V电池组接口。

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