CN101881762A - 一种基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，包括监测服务器，所述监测服务器通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的二氧化碳监测装置，所述二氧化碳监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的二氧化碳监测传感器、无线射频收发模块；所述电源模块为整个二氧化碳监测装置提供电能；所述多个二氧化碳监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯。本发明通过无线传感器网络的多跳机制，对复杂环境和场所的二氧化碳含量进行大范围统一监控，并利用分析算法提高二氧化碳测量的准确性，克服了大范围二氧化碳实时、精确监测难度大的问题，适用于各类大范围复杂环境。
Description
技术领域
本发明属于大气环境监测技术领域，涉及一种大气二氧化碳监测系统，尤其是一种在复杂环境下基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统。
背景技术
大气是环境污染的一个主要因素，由于其高流通性和扩散性，容易形成波及全球并对整个生态系统产生影响的危害，成为当前人类面临的重大环境问题。研究表明在过去一百多年间，人类通过燃烧矿物燃料及其他活动向大气中过量排放以二氧化碳为主的温室气体是导致气候变化的主要原因。对于环境中二氧化碳含量的监测是掌握气候变化规律、控制温室气体排放的重要途径。目前对复杂环境，如森林、牧场、园区等场所的二氧化碳含量监测一般采用特殊的仪器是用人工方法逐点进行，不能进行大范围、实时、连续的测量，测量的准确性较低、范围较小、时效性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，该系统通过无线传感器网络的多跳机制，对复杂环境和场所的二氧化碳含量进行大范围统一监控，不但能够提高二氧化碳测量的准确性，而且能够克服大范围二氧化碳实时、精确监测难度大的问题，使其能够适用于各类大范围复杂环境。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，包括监测服务器，其特征在于：所述监测服务器通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的二氧化碳监测装置，所述二氧化碳监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的二氧化碳监测传感器、无线射频收发模块；所述电源模块为整个二氧化碳监测装置提供电能；所述多个二氧化碳监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯。
上述监测服务器是PC，该PC的信号收发接口连接有无线信号收发装置。
上述微处理器是msp430。
上述无线射频收发模块是基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信集成电路。
上述二氧化碳监测传感器由二氧化碳传感探头、红外信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述二氧化碳传感探头的信号输出端与红外信号处理转换模块的信号输入端连接，红外信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端为作为整个二氧化碳监测传感器的信号输出端连接到微处理器上。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过二氧化碳监测传感器对环境中二氧化碳气体的信息进行测量；采用无线射频收发模块与二氧化碳监测传感器通过微处理器连接，将收集到的信息发送给即监测服务器；监测服务器将各个二氧化碳监测装置的数据组织在一起对整个被监控区域的二氧化碳情况进行监测。由于本发明通过无线传感器网络的多跳机制，对复杂环境和场所的二氧化碳含量进行大范围统一监控，并在监测服务器上利用分析算法提高二氧化碳测量的准确性，克服了大范围二氧化碳实时、精确监测难度大的问题，适用于各类大范围复杂环境。
附图说明
图1为本发明的整个系统结构框图；
图2为本发明的二氧化碳监测传感器结构框图；
图3为图2中信号收发控制模块的集成电路图；
图4为图2中红外信号处理转换模块集成电路图；
图5为图2中整流抗干扰控制模块集成电路图；
图6为基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信集成电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，该种基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，包括一监测服务器，该监测服务器通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的二氧化碳监测装置，该种二氧化碳监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的二氧化碳监测传感器、无线射频收发模块。其中电源模块为整个二氧化碳监测装置提供电能，所述多个二氧化碳监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯。以上的监测服务器可以采用PC实现，该PC的信号收发接口连接有无线信号收发装置，用于与其他二氧化碳监测装置进行无线通信。以上二氧化碳监测装置中的微处理器可以采用msp430。无线射频收发模块是基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信集成电路。
如图2所示：上述的二氧化碳监测传感器由二氧化碳传感探头、红外信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成。二氧化碳传感探头的信号输出端与红外信号处理转换模块的信号输入端连接，红外信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，整流抗干扰电路的信号输出端为作为整个二氧化碳监测传感器的信号输出端连接到微处理器上。以下具体描述组成二氧化碳监测传感器的各部分电路：
如图3为信号收发控制模块的集成电路图，该电路由一个IC以及连接于该IC外围电路上的第一至第六电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，第一、二、三电容C1、C2、C3，二极管VD5，第一至第四指示灯HL1、HL2、HL3、HL4，整流桥VD1-VD4，第一、二开关S1、S2，第一至第四晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4，其连接关系如图所示，第一至第四晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4以及第一至第四指示灯HL1、HL2、HL3、HL4分别两两串联后形成四条支路的并联电路，各晶闸管的控制极连接到IC的第八至第十一端子上，第一至第四指示灯HL1、HL2、HL3、HL4的一端相互连接并接到整流桥VD1-VD4的正极输出端；第一至第四晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4的阴极连接后同时接到IC的第十三端子和整流桥VD1-VD4的负极输出端；VD5、R1、R2串联后由VD5的正极端连接到整流桥VD1-VD4的正极输出端，R2的一端连接到IC的第一端子；第一电容C1一端连接到R1和R2之间，另一端连接到整流桥负极输出端，第二电容C2和稳压管VS形成的并联电路一端连接到R2一端，另一端连接到整流桥VD1-VD4的负极输出端；三极管V与HA形成的并联电路再与第三电阻R3连接成串联电路，其中第三电阻R3的一端连接到R1和R2之间；三极管V的基极与第六电阻R6串联后连接到IC的第四端子上；三极管V的发射极与HA的一端连接后接到整流桥VD1-VD4的负极输出端；第一、二开关S1、S2并联且其一端分别连接到IC的第五、六端子上，另一端连接后连到整流桥VD1-VD4的负极输出端；第三电阻R3一端连接整流桥VD1-VD4的负极输出端，另一端连接到IC第七端子上。
参见图4，该图是红外信号处理转换模块的集成电路图，其主要由DC/DC芯片、AD620A、ISO122P以及外围电路组成，电路的连接关系如图所示。
如图5是整流抗干扰电路图，该电路以A CD71061为处理核心，ACD71061的管脚上连接有必要的辅助电路元器件，形成一整流抗干扰的集成电路。
如图6是基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信集成电路，该电路以芯片CC2420为核心，加上连接于其外围的辅助电路元器件以及天线，形成了能够进行无线收发信息的功能模块。
综上所述，本发明是一种用于对大范围环境进行二氧化碳含量监测的无线传感器网络系统。本发明包含多个自组织多跳无线传感器网络，这些网络节点通过无线方式与后台处理系统(即监测服务器)关联，组成大范围二氧化碳监测系统。在二氧化碳监测装置上电之后，其处于一个网络节点上，该二氧化碳监测装置会尝试与其他已经接入网络的二氧化碳监测装置进行通信，并根据网络定义的数据传输路由方式纳入网络，并建立自身路由表信息。路由表指明了该节点为了将数据发送至后台处理系统需要传输的下一跳节点编号。
运行于各节点上的二氧化碳监测装置硬件上的后台服务程序会获取微处理器收到的数据信息，并对信息进行分析存储。二氧化碳监测传感器通过与微处理器连接，向微处理器提供数据，微处理器通过无线射频收发模块将数据向其他节点进行发送，并利用多跳方式最终传送至后台处理系统。处于各节点上的二氧化碳监测装置能够接受后台处理系统发送的控制指令，动态调整传感数据收集的频率。
二氧化碳监测装置在接入网络之后，可以接纳其他节点加入网络。在自己传输数据的同时，也能够做为其他节点的中继传输数据。后台处理系统能够对收集到的数据进行分析、处理及存储。后台处理系统对所收到的数据进行整理，对由于节点故障或传输故障出现的异常数据进行过滤；根据二氧化碳监测装置所处节点位置及其回传的数据生成相应的统计图表；对正常回传的数据进行存储，以利于后续使用。本发明的后台处理系统能够通过人工发送指令，动态设置二氧化碳数据采集的频率。
本发明的工作原理如下：
作为后台处理系统的监测服务器启动后，其数据收发模块处于监听模式，不断收集各网络节点上的二氧化碳监测装置回传的数据。同时，当后台处理系统发送更新数据采集频率时，以广播方式向网络内的其他节点发送这一指令。当有节点上的二氧化碳监测装置加电后，不断广播自身可用的消息，其他节点上的二氧化碳监测装置接受到这一消息后，将这一节点加入其邻居列表中。同时，根据缺省的路由协议更新其路由表。节点中二氧化碳监测装置的二氧化碳监测传感器部分根据缺省设置的采样频率不断收集环境中的二氧化碳数据信息，通过微处理器的处理，将数据通过无线射频收发模块发送给路由表中的下一跳节点。
当某一节点接收到其他节点发送的数据信息后，根据自身路由表信息，将这一数据发送至路由表中指定的下一跳节点。
当数据传输至后台处理系统的无线收发模块后，后台处理系统的微处理器将数据通过USB接口传输至后台服务程序。后台服务程序进行数据分析、处理与存储。
Claims (5)
1.一种基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，包括监测服务器，其特征在于：所述监测服务器通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的二氧化碳监测装置，所述二氧化碳监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的二氧化碳监测传感器、无线射频收发模块；所述电源模块为整个二氧化碳监测装置提供电能；所述多个二氧化碳监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，其特征在于：所述监测服务器是PC，该PC的信号收发接口连接有无线信号收发装置。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，其特征在于：所述微处理器是msp430。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，其特征在于：所述无线射频收发模块是基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信集成电路。
5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的大范围二氧化碳监测系统，其特征在于：所述二氧化碳监测传感器由二氧化碳传感探头、红外信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述二氧化碳传感探头的信号输出端与红外信号处理转换模块的信号输入端连接，红外信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端为作为整个二氧化碳监测传感器的信号输出端连接到微处理器上。
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