CN102387519B - 基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，包括传感器、模拟信号处理模块、数字信号缓冲模块、ZigBee模块；模拟信号处理模块的输入连接传感器，模拟信号处理模块和数字信号缓冲模块的输出分别与ZigBee模块的输入相连，ZigBee模块的输出与可控电源模块的控制端相连，可控电源模块的输出分别与其它模块的电源连接，为其供电。本发明针对数据正常、数据异常但稳定、数据不断变化三种状态，分别采用不同的数据通信频率与中心进行通信，向监控中心发送数据。其参数可由远程监控中心发命令进行修改。本发明专利具有智能化程度高、参数设置灵活方便、采集信息丰富、现场部署方便、节能效果好、电池寿命长的特点。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种无线传感技术的智能型监测节点，具体地说是一种基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置。
背景技术
对于现场信息的采集，以往多采用工业总线传输，如对于模拟传感器信号，由于信号小，通常由信号放大器、变送器等现场设备对信号进行放大、调理，转换为4～20mA电流环进行远程传输，对于传输距离近的场合，也有转化为0～5V/0～10V电压进行传输的；对于设备状态、报警等开关量信号，通常由继电器输出触点信号直接传输，也有智能化程度高的设备将模拟信号、数字信号进行处理、编程，再通过RS485/RS422、CAN、ProfiBUS、LonWorks等工业总线进行远程传输。然而，对于水环境（江、河、湖、泊、水库、海洋等）、空气环境等监测监控系统，存在着布线成本高、施工不方便、易受破坏等因素，实时监测一直难以广泛推广。由于ZigBee具有无线传输、低功耗、自组网（星型、片状、网状型等拓扑结构）、网络扩充性强等特点，而且，ZigBee芯片除了自带IEEE802.15.4通信协议外，还具有高性能的8051微控制器、数据加密处理、电池监测、温度监测等功能，以及丰富的I/O口、A/D、USART等接口，ZigBee技术与传感器的结合可促进无线传感器技术和物联网技术在环境监测、交通管理、道路管理、医疗卫生、工农业生产、智能家居、抗灾抢险、仓储管理、物流运输、国防军事等领域发展。
目前,市面上基于ZigBee的节点装置数据发送基本上分为2种方式，一种是数据采集一次、发送一次；另一种方式，为了节能，当数据正常时，连续采集n次发送一次，当数据异常时，采集一次、发送一次。第二种方式有所改进，但数据仍然比较频繁。
发明内容
本发明专利的目的是针对现有的技术缺陷，提供一种基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，该设备可以有效地实现节点与基站的无线连接和高效节能功能。
本发明专利的技术方案是：
一种基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是它包括多个模拟传感器、多个数字传感器、模拟信号处理模块、数字信号缓冲模块、ZigBee模块、电池、电源稳压模块和可控电源模块；所述的多个模拟传感器采集被监测对象的相应参数，各模拟传感器的信号输出端与模拟信号处理模块的信号输入端相连，多个数字传感器采集被监测对象的状态信息，各数字传感器的信号输出端与数字信号缓冲模块的信号输入端相连，模拟信号处理模块和数字信号缓冲模块的信号输出端分别与ZigBee模块的对应信号输入端相连，ZigBee模块的控制信号输出端与可控电源模块的控制输入端相连；电源稳压模块的电压输入端与电池的正极相连，其电压输出端分别与ZigBee模块的电源端和可控电源模块的电压输入端相连，可控电源模块的电压输出端分别与模拟信号处理模块和数字信号缓冲模块的对应电源端连接，为其供电。
所述模拟信号处理模块包括模拟信号调理电路和A/D转换电路，模拟信号调理电路的信号输入端与各传感器的模拟信号输出端相连，模拟信号调理电路的信号输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端相连，A/D转换电路的数字信号输出端与ZigBee模块的信号输入端相连。
所述的传感器包括温湿度传感器、PH值传感器、电导率传感器、浊度传感器、溶解氧传感器、液位传感器、位移传感器、流量传感器、压力传感器、CO2传感器、CO传感器、NH3传感器、粉尘传感器和光照传感器。
所述的数字传感器包括油污传感器、入侵报警器、光电开关
所述的ZigBee模块可以采用CC2530芯片，可控电源模块可采用REG101型芯片，电源稳压模块可采用ADP2503稳压块，模拟信号处理模块可采用ADS1234芯片，数字信号缓冲模块可采用74HC04芯片。
本发明专利的有益效果：
本发明专利有效克服了现有无线传感器节点装置数据发送比较频繁，耗电量大的问题，本发明专利具有智能化程度高、参数设置灵活方便、采集信息丰富、现场部署方便、节能效果好、电池寿命长等特点。
附图说明
图1是本发明专利的结构示意图
图2是本发明专利的工作流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步的说明。
如图1所示，一种基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，包括多个模拟传感器、多个数字传感器、模拟信号处理模块、数字信号缓冲模块、ZigBee模块、电池、电源稳压模块和可控电源模块；所述的多个模拟传感器采集被监测对象的相应参数，各模拟传感器的信号输出端与模拟信号处理模块的信号输入端相连，多个数字传感器采集被监测对象的状态信息，各数字传感器的信号输出端与数字信号缓冲模块的信号输入端相连，模拟信号处理模块和数字信号缓冲模块的信号输出端分别与ZigBee模块的对应信号输入端相连，ZigBee模块的控制信号输出端与可控电源模块的控制输入端相连；电源稳压模块的电压输入端与电池的正极相连，其电压输出端分别与ZigBee模块的电源端和可控电源模块的电压输入端相连，可控电源模块的电压输出端分别与模拟信号处理模块和数字信号缓冲模块的对应电源端连接，为其供电。
所述模拟信号处理模块包括模拟信号调理电路和A/D转换电路，模拟信号调理电路的信号输入端与各传感器的模拟信号输出端相连，模拟信号调理电路的信号输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端相连，A/D转换电路的数字信号输出端与ZigBee模块的信号输入端相连。
所述的传感器包括温湿度传感器、PH值传感器、电导率传感器、浊度传感器、溶解氧传感器、液位传感器、位移传感器、流量传感器、压力传感器、CO2传感器、CO传感器、NH3传感器、粉尘传感器和光照传感器。
所述的数字传感器包括油污传感器、入侵报警器、光电开关。
所述的ZigBee模块可以采用CC2530芯片，可控电源模块可采用REG101型芯片，电源稳压模块可采用ADP2503型稳压块，模拟信号处理模块可采用ADS1234芯片，数字信号缓冲模块可采用74HC04芯片。
如图2所示，本发明的工作流程包括以下步骤：
（a）参数设定，包括传感器采集数据的采样周期T、数据差值阈值D∆1/ D∆2（∆1/∆2为数据差值的绝对值，∆1为当前数据与正常数据相比、∆2为当前数据与前一数据相比）、数据发送频率f1/f2/f3（f1为数据正常时的发送频率，f2为数据异常但处于稳定状态时的发送频率，f3为数据不断发生变化时的发送频率，f1<f2<f3），数据变化斜率阀值K；
（b）定时唤醒时，打开可控电源模块，对传感器信息进行采集，并对数据进行处理、存储；
（c）判断当前数据是否是正常数据，如∆1< D∆1，则表示数据正常，以f1频率向监控中心发送数据；如∆1≥D∆1，则判断数据斜率是否大于阀值K，即∆2≥D∆2？，如∆2≥D∆2，表示数据在不断发生变化，则以f3频率向监控中心发送数据；如∆2<D∆2，表示数据异常但处于稳定状态，以f2频率向监控中心发送数据；
（d）接收监控中心下发的新的参数，修改参数设定；
（e）清空已发送数据，并关闭可控电源模块；
（f）进入休眠状态。
所述的基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是步骤（a）中，对应于不同的应用环境，设置的参数不同。
所述的基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是步骤（b）中，模拟传感器采集被监测环境的相应参数，模拟传感器输出的模拟信号经模拟信号处理模块调理、A/D转换后发送至ZigBee模块；数字传感器采集被监测环境的状态信号，数字传感器输出的数字信号经数字信号缓冲模块后发送至ZigBee模块。
Claims (6)
1.一种基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是它包括多个模拟传感器、多个数字传感器、模拟信号处理模块、数字信号缓冲模块、ZigBee模块、电池、电源稳压模块和可控电源模块；所述的多个模拟传感器采集被监测对象的相应参数，各模拟传感器的信号输出端与模拟信号处理模块的信号输入端相连，多个数字传感器采集被监测对象的状态信息，各数字传感器的信号输出端与数字信号缓冲模块的信号输入端相连，模拟信号处理模块和数字信号缓冲模块的信号输出端分别与ZigBee模块的对应信号输入端相连，ZigBee模块的控制信号输出端与可控电源模块的控制输入端相连；电源稳压模块的电压输入端与电池的正极相连，其电压输出端分别与ZigBee模块的电源端和可控电源模块的电压输入端相连，可控电源模块的电压输出端分别与模拟信号处理模块和数字信号缓冲模块的对应电源端连接，为其供电；
ZigBee模块中的工作流程包括以下步骤：
（a）参数设定，包括各传感器采集数据的采样周期T、数据差值阈值D∆1和 D∆2、数据发送频率f1、f2和f3，数据变化斜率阀值K；
其中，D∆1为当前数据与正常数据相比的最大差值的绝对值、D∆2为当前数据与前一数据相比的最大差值的绝对值；f1为数据正常时的发送频率，f2为数据异常但处于稳定状态时的发送频率，f3为数据不断发生变化时的发送频率，f3超过数据差值阈值D∆2，f1<f2<f3；
（b）定时唤醒ZigBee模块，打开可控电源模块，各传感器对相应信息进行采集，由ZigBee模块对数据进行处理、存储；
（c）ZigBee模块判断当前数据是否是正常数据，如果当前数据与正常数据相比的差值∆1<D∆1，则表示数据正常，以f1频率向监控中心发送数据；如∆1≥D∆1，则判断数据斜率是否大于阀值K，即判断当前数据与前一数据相比的差值∆2是否大于等于D∆2，如果∆2≥D∆2，表示数据在不断发生变化，则以f3频率向监控中心发送数据；如∆2<D∆2，表示数据异常但处于稳定状态，以f2频率向监控中心发送数据；
（d）接收监控中心下发的新的参数，修改参数设定；
（e）清空已发送数据，并关闭可控电源模块；
（f）进入休眠状态。
2.根据权利要求1所述的基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是所述模拟信号处理模块包括模拟信号调理电路和A/D转换电路，模拟信号调理电路的信号输入端与各传感器的模拟信号输出端相连，模拟信号调理电路的信号输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端相连，A/D转换电路的数字信号输出端与ZigBee模块的信号输入端相连。
3.根据权利要求1所述的基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是所述的模拟传感器包括温湿度传感器、PH值传感器、电导率传感器、浊度传感器、溶解氧传感器、液位传感器、位移传感器、流量传感器、压力传感器、CO2传感器、CO传感器、NH3传感器、粉尘传感器和光照传感器。
4.根据权利要求1所述的基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是所述的数字传感器包括油污传感器、入侵报警器、光电开关。
5.根据权利要求1所述的基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是步骤（a）中，对应于不同的应用环境，设置的参数不同。
6.根据权利要求1所述的基于数据通信频率自适应调节技术的智能节能型监测节点装置，其特征是步骤（b）中，模拟传感器采集被监测环境的相应参数，模拟传感器输出的模拟信号经模拟信号处理模块调理、A/D转换后发送至ZigBee模块；数字传感器采集被监测环境的状态信号，数字传感器输出的数字信号经数字信号缓冲模块后发送至ZigBee模块。
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