CN101860077A - 用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统 - Google Patents

用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统 Download PDF

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曾洁
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张丽艳
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Abstract

一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，硬件部分包括CPU微控制器、温度传感器单元、图像传感器单元及相关外围电路，所述的外围电路包括电源模块，复位模块，Flash存储器模块，USB接口单元，UART接口单元，JTAG调试单元，以及GPIO接口和ZigBee无线通讯模块；本发明不需借助公众网络基础设施进行数据传输或转换，可以通过无线传感器网络自身电路和协议完成无线传感器网络的线性组网，实现数据包快速有效的延伸接力传输。

Description

用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统
技术领域
本发明涉及一种电力塔远程监控的无线传感器网络系统。
背景技术
目前，公知的远程监控无线网络系统主要是采用现有公众网络基础设施(如Internet、GPRS等)的无线网络远程监控系统，由微程序控制器(MCU)电路、电源电路、无线通信芯片、RF电路、天线连接件、GPRS通讯模块、以太网接口、接口电路等构成。通过MCU编程实现无线传感器数据与公众网络的数据包转换连接，完成监控数据的远程传输。这种远程监控无线网络能够方便的实现监控数据的广范围信息共享，适用于大容量监控数据的远程管理、控制网络的构建。但需要采用公众网络资源，需要数据传输费用，成本较高；同时要求无线传感器网络节点采集地点有公众网络覆盖，不适合于一些采集节点密集、流量较大、公众网络没有覆盖的地区。
发明内容
为了克服上述远程监控网络需借助公众网络基础设施(如Internet、GPRS等)进行数据传输或转换的缺点，本发明的目的是设计一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，可以通过无线传感器网络自身电路和协议完成无线传感器网络的线性组网、实现数据包快速有效的延伸接力传输。
本发明采用如下的技术方案实现：本发明的硬件部分包括CPU微控制器、温度传感器单元、图像传感器单元等现场信息采集传感器电路及相关外围电路，外围电路包括电源模块，复位模块，Flash存储器模块，USB接口单元，UART接口单元，JTAG调试单元，以及GPIO接口和ZigBee无线通讯模块；软件部分包括ZigBee/802.15.4协议栈程序、主控制程序、数据包处理程序、线性组网协议、数据采集处理程序。所述硬件部分采用C8051F340微处理器，内嵌USB与SPI接口，完成对整个电路的控制；所述软件部分采用标准ZigBee协议栈完成无线通讯模块的网络链接，并对传感器数据采集后的无线传感器网络线性组网，最终完成监控中心与现场传感器采集终端的远程数据传输与控制命令交互。本发明系统核心的传感器信息处理和无线网络协议数据封装都采用软件算法实现，降低了系统成本。系统具备自动监测、突发情况报告、可配置指令监控等优点，实现了电力塔特殊地形的现场信息数据的不间断监控。
所述的图像传感器单元包括模拟信号采集转换电路、图像处理压缩电路、图像缓存电路、UART接口电路。
所述的温度传感器单元包括温度传感器检测电路、驱动外围电路、与微处理器接口电路。
所述的电源模块包括9V、5V、3.3V三种直流电压的输出电路，在电路中设计了防浪涌电压击穿保护电路、LED电源指示电路、可控制电源输出电源管理电路。
所述的CPU微控制器主芯片采用与8051兼容的CIP-51内核芯片C8051F340，3.3V供电，采用内部看门狗监控及RC复位电路，并设计了手动复位电路。所述的ZigBee无线通讯模块采用符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品无线收发器CC2430，自带天线接口电路，采用标准UART接口与MCU连接。
所述的Flash存储器模块由Flash存储芯片、与MCU的标准SPI接口电路组成，Flash存储芯片防掉电数据易失功能。
本发明接口单元包括主控芯片程序在线调试JTAG调试单元，并设计了监控用的UART接口单元及USB接口单元。
所述外围电路还包括LED指示电路，设计了登陆网络指示电路、网络状态指示电路、数据传输状态指示电路。
本发明的软件部分设计了主控程序完成标准ZigBee协议栈的调用与实现，完成与监控中心的数据命令的无线传输；并设计了自动检测网络、登录网络，数据传输转换的线性组网协议。
本发明的有益效果是：不需借助公众网络基础设施进行数据传输或转换，可以通过无线传感器网络自身电路和协议完成无线传感器网络的线性组网、实现数据包快速有效的延伸接力传输。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明总体功能框图。
图2为本发明电路原理图。
图1中，1、CPU微控制器，2、温度传感器单元，3、图像传感器单元，4、电源模块，5、复位模块，6、Flash存储器模块，7、USB接口单元，8、UART接口单元，9、JTAG调试单元，10、ZigBee无线通讯模块，11、后台监控中心。
具体实施方式
在图1中，本发明总体功能结构主要包括CPU微控制器1、温度传感器单元2、图像传感器单元3，外围电路包括电源模块4，复位模块5，Flash存储器模块6，USB接口单元7，UART接口单元8，JTAG调试单元9，以及GPIO接口和ZigBee无线通讯模块10及天线接口等功能模块。所述的电源模块4包括9V、5V、3.3V三种直流电压的输出电路，在电路中设计了防浪涌电压击穿保护电路、LED电源指示电路、可控制电源输出电源管理电路。CPU微控制器1电路主芯片采用与8051兼容的CIP-51内核芯片C8051F340，3.3供电，采用内部看门狗监控及RC复位电路，并设计了手动复位模块5。ZIGBEE无线通讯模块10采用符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品无线收发器CC2430，自带天线接口电路，采用标准UART接口与MCU连接。Flash存储器模块6由Flash存储芯片、与MCU的标准SPI接口电路组成，Flash存储芯片具有防掉电数据易失功能，主要存储图像传感器单元3和温度传感器单元2采集的电力塔数据。接口电路包括主控芯片程序在线调试JTAG调试单元9，并设计了监控用的串行接口UART接口单元8及USB接口单元7。
本发明系统的总体工作过程为：首先电源模块4启动，上电后，复位模块5开始工作输出高电平驱动CPU微控制器1进行初始化开始工作。CPU微控制器1首先配置ZigBee无线通讯模块10，进行各功能寄存器初始化，并在2.4GHz频率选择自己工作信道，通过天线接口发出入网申请信息，进行临近无线网络的搜寻，搜到后进行入网登记，监控中心收到各节点命令后发出确认入网信息。
然后CPU微控制器1通过图像传感器单元3的摄像头和温度传感器单元2的温度传感器DS18B20采集电力塔的图像和温度信息，并先将信息保存到F1ash存储器模块6。同时CPU微控制器1循环监听Zigbee无线通讯模块10的接收信道是否有信息从天线接口进来，当有信息进来，首先判断监控中心发送的命令，并根据命令完成本传感器节点信息的发送或邻近节点信息的转发。
同时，CPU微控制器1采用中断方式通过USB驱动电路和UART驱动电路监听USB接口单元7与UART接口单元8是否需要进行数据传输，如果需要，则通过CPU微控制器1控制各自的驱动电路完成数据传输。
最后，当整个无线网卡系统需要进行软件程序升级，则通过JTAG调试单元9完成代码的升级和调试。
图2是本发明整体电路原理图，首先由电源电路提供+9V、+5V、+3.3V三种直流电压的输出电路，其中J101输出9V直流稳压电路，给U110即摄像头供电；U101为5V直流稳压电路，管脚1为输入端，并在其前端串联保险丝F101，滤波电容C101、C102；管脚2为+5V输出端，并连接到反馈输入端管脚4，输出的+5V连接到U102的管脚2输入端。U102的管脚1连接到微控制器U104管脚41输出端，进行电源输出管理控制，管脚5为输出电压可调端，电阻R101、R102为调节电阻，管脚4为+3.3V输出端，连接到滤波电容C106、C107、C108提供一个稳定的+3.3V输出电压，给U103、U104、U105、U107、U108芯片供电。
其次U104为CPU微控制器芯片，管脚38、39、40分别连接到ZigBee无线通讯模块U103的管脚10、8、7上，采用标准的SPI通信协议完成数据收发的控制，管脚37连接到U103的管脚14提供复位信号电平。
U104CPU微控制器芯片的管脚38、39、40分别连接到Flash存储模块U105的管脚8、1、2上，采用标准的SPI通信协议完成数据存储的控制，管脚33连接到U105的管脚4提供片选电平，管脚32连接到U105的管脚5提供读写控制电平。
U104CPU微控制器芯片的管脚7、8、9、12分别连接到USB驱动接口芯片U106的管脚4、3、2、1上，其中管脚8、9分别为USB数据信号线D+和D-，采用芯片内部程序控制实现USB通信接口的驱动。
U104CPU微控制器芯片的管脚5、6分别连接到UART串行通信驱动接口芯片U108的管脚15、13上，然后经U108的管脚9、16连接到串行接口DB9排针的管脚2、3上实现UART的通信驱动。
U104CPU微控制器芯片的管脚4连接到数字温度传感器DS18B20芯片U111的管脚2上，实现电力塔环境温度的测量。
U104CPU微控制器芯片的管脚28、29、30、31分别连接到图像传感器模块U109的管脚5、4、3、2上，然后经U109的管脚2连接到摄像头U110的信号管脚上实现电力塔图像信息的采集。
U107为主控芯片程序在线调试JTAG接口电路，管脚4连接到微控制器芯片U104的管脚14提供扫描数据传输，管脚7连接到微控制器芯片U104的管脚13提供扫描数据的读取时钟。
R106、C113构成RC低通复位电路，S101为手动复位按键，一端连接到地端，一端连接到微控制器芯片U104的管脚13提供上电低电平复位信号。
本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：硬件部分包括CPU微控制器(1)、温度传感器单元(2)、图像传感器单元(3)及相关外围电路，所述的外围电路包括电源模块(4)，复位模块(5)，Flash存储器模块(6)，USB接口单元(7)，UART接口单元(8)，JTAG调试单元(9)，以及GPIO接口和ZigBee无线通讯模块(10)；所述的CPU微控制器(1)采用C8051F340微处理器，内嵌USB与SPI接口，完成对整个电路的控制；采用标准ZigBee协议栈完成ZigBee无线通讯模块(10)的网络链接，并对传感器数据采集后的无线传感器网络线性组网，完成后台监控中心(11)与现场传感器采集终端的远程数据传输与控制命令交互。
2.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：所述的图像传感器单元(3)包括模拟信号采集转换电路、图像处理压缩电路、图像缓存电路、UART接口电路。
3.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：所述的温度传感器单元(2)包括温度传感器检测电路、驱动外围电路、与微处理器接口电路。
4.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：所述的电源模块(4)包括9V、5V、3.3V三种直流电压的输出电路，在电路中设计了防浪涌电压击穿保护电路、LED电源指示电路、可控制电源输出电源管理电路。
5.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：所述的CPU微控制器(1)主芯片采用与8051兼容的CIP-51内核芯片C8051F340，3.3V供电，采用内部看门狗监控及RC复位电路，并设计了手动复位电路。
6.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：所述的ZigBee无线通讯模块(10)采用符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品无线收发器CC2430，自带天线接口电路，采用标准UART接口与MCU连接。
7.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：所述的Flash存储器模块(6)由Flash存储芯片、与MCU的标准SPI接口电路组成，Flash存储芯片防掉电数据易失功能。
8.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：接口单元包括主控芯片程序在线调试JTAG调试单元(9)，并设计了监控用的UART接口单元(8)及USB接口单元(7)。
9.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：所述外围电路还包括LED指示电路，设计了登陆网络指示电路、网络状态指示电路、数据传输状态指示电路。
10.如权利要求1所述的一种用于防灾害电力塔远程监控的无线传感器网络系统，其特征在于：主控程序完成标准ZigBee协议栈的调用与实现，完成与监控中心的数据命令的无线传输；并设计了自动检测网络、登录网络，数据传输转换的线性组网协议。
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