CN103167635A - 监测大棚环境的ZigBee无线传感网络系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测大棚环境的ZigBee无线传感网络系统和方法，本发明方案是每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点，其中有一个是汇聚节点，传感器节点和汇聚节点均有数据采集和无线传输功能，汇聚节点有更强的数据存储能力，负责所在大棚的组网管理以及与用户管理节点的信息交互；用户管理节点担当任务管理功能，通过无线与各个大棚的汇聚节点建立信息交互，完成命令下达及数据采集管理等。本发明具有部署方便、低功耗，系统处理能力强等特点。

Description

监测大棚环境的ZigBee无线传感网络系统和方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络领域，特别涉及一种监测大棚环境的ZigBee传感网络系统和方法。

背景技术

无线传感器网络是当前信息技术的前沿之一。无线传感器网络是由大量具有通信、数据采集和处理、协同合作等功能的传感器节点组合而成，其目的是提供相应的信息采集和信息处理，为人类的生产和生活提供基本的信息处理技术。传感网络节点通过通信方式形成自组织的网络系统，通过网络的协作，以及对数据的感知、采集和处理，从而完成设计所要求的、网络覆盖区域中感知对象的信息获取和处理，并将信息和处理结果发送给观察者。目前，在无线传感器网络应用中，节点的设计及其组网技术，仍然是传感网络的重要核心问题，采用Zigbee技术实现终端节点的自发交互，动态感知与主动适配的互联技术多用在工业自动化控制、物联网等领域，对于构建农作物生产大棚的环境监测传感网络及其组网技术开发则较少涉及。

中国专利CN101140695A公开了“基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控系统”，其中该发明的“无线监控网络包括无线传感器节点、无线执行器驱动节点、温室无线路由节点、温室无线中央控制器”等，该网络结构，特别是需要大量布局的传感器节点网络结构较为复杂，使得各节点的功耗高、成本大；继该发明之后，CN102103385A中又公开了一种：“无线远程温室自动监控系统”，该系统“包括传感节点、汇聚节点和调控节点”等部分，在需要大量布局的传感器节点增加了太阳能供电等模块，使得成本系统成本进一步加大，系统笨重，较不便于安装及应用。

发明内容

本发明的目的在于与已有技术相比，提供一种系统结构更为合理、系统处理能力强、功耗及成本更低，且便于安装和操作的监测大棚环境的ZigBee传感网络系统。

本发明的另一目的在于提供一种方便实用、功能强大的基于ZigBee无线传感网络系统监测大棚环境的监测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点，其中有一个是汇聚节点，传感器节点和汇聚节点均有数据采集和无线传输功能，汇聚节点有更强的数据存储能力，负责所在大棚的组网管理以及与用户管理节点的信息交互；用户管理节点担当任务管理功能，通过无线与各个大棚的汇聚节点建立信息交互，完成命令下达及数据采集管理等。据此，本发明提出了一种监测大棚环境的ZigBee无线传感网络系统，该系统包括：

——传感器节点：每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点，采集和发送部署节点所在位置的环境数据信息；

更进一步地，所述传感器节点是由ZigBee单片机与电源模块、按键模块、天线、JTAG接口模块、温湿度传感器模块及光强传感器模块连接构成；

——汇聚节点：每个大棚在部署上述传感器节点时，至少部署一个汇聚节点，用于本大棚内传感器节点的组网管理、与传感器节点的信息交互；汇聚节点所在位置的环境数据信息采集；与用户管理节点的信息交互以及储存与该汇聚节点相关的信息；

更进一步地，所述汇聚节点是由ZigBee单片机与电源模块、按键模块、天线、JTAG接口模块、存储器模块、温湿度传感器模块及光强传感器模块连接构成。

——用户管理节点：通过无线通信与各个大棚汇聚节点建立信息交互，完成命令下达与数据采集、处理和显示；

更进一步地，所述用户管理节点是由ZigBee单片机与电源模块、按键模块、天线、JTAG接口模块、存储器模块、显示模块构成；

更进一步地，所述用户管理节点还包括连接上位机的UART-USB转换模块；

以上，所述的ZigBee单片机采用STM32W108单片机。

所述的温湿度传感器模块可以由温湿度传感器，例如SHTxx系列与STM32W108单片机连接构成。

所述的光强传感器模块可以由光强度传感器，例如TSL256x系列与STM32W108单片机连接构成。

所述的存储器模块可以由存储器芯片，例如AT24Cxxx系列与STM32W108单片机连接构成。

所述的显示模块可以由显示器件，例如两个EDM1190A与STM32W108单片机连接构成。

本发明还阐述了一种大棚环境的ZigBee无线传感网络监测方法，包括以下步骤：

步骤一，每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点，采集和发送部署节点所在位置的环境数据信息；

步骤二，每个大棚在部署上述传感器节点时，至少部署一个汇聚节点，用于本大棚内传感器节点的组网管理、与传感器节点的信息交互；汇聚节点所在位置的环境数据信息采集；与用户管理节点的信息交互以及储存与该汇聚节点相关的信息；

步骤三，通过无线通信与各个大棚汇聚节点建立信息交互，完成命令下达与数据采集、处理和显示。

更进一步地，通过UART/USB模块与上位机相连，以便处理及传输数据。

本发明与现有技术相比有如下的有益效果：本发明中的传感器节点、汇聚节点和用户管理节点之间的信息交互均为无线网络连接，系统部署方便；由于本发明所有部署的节点均采用STM32W108单片机及外围电路构成，该单片机具有32位ARM Cortex-M3内核，有强大的处理能力，并有广泛的ARM开发工具及支持；该单片机内部带有功率放大器，无需外部功放就可以实现较远距离的通信；该单片机还固化了802.15.4MAC、ZigBee等协议栈，更方便用户使用。本发明中的传感器节点、汇聚节点等电路结构简单，所采用的元器件性能高且成本低，当部署节点较多时，成本优势显著，同时，与已有技术相比，系统的处理能力更强。

附图说明

图1本发明网络系统及方法的示意图；

图2本发明网络中传感器节点结构示意图；

图3本发明网络中汇聚节点结构示意图；

图4本发明网络中用户管理节点结构示意图；

图5本发明传感器节点和汇聚节点中温湿度传感器模块连接结构示意图；

图6本发明传感器节点中光强度传感器模块连接结构示意图；

图7本发明汇聚节点中光强度传感器模块及存储器模块连接结构示意图；

图8是本发明用户管理节点中显示模块连接结构示意图；

图9是本发明传感器节点主程序工作流程；

图10是本发明传感器节点数据采集时工作流程图；

图11是本发明汇聚节点组网时工作流程图；

图12是本发明汇聚节点采集与交互时工作流程图；

图13是本发明用户管理节点工作流程图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下实施方式的变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明网络系统的示意图，它包括：

被监测大棚1，或者被监测温室；

每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点2，采集和发送部署节点所在位置的环境数据信息；

每个大棚在部署上述传感器节点时，至少部署一个汇聚节点3，用于本大棚内传感器节点2的组网管理、与传感器节点2的信息交互；汇聚节点3所在位置的环境数据信息采集；与用户管理节点4的信息交互以及储存与该汇聚节点3相关的信息；

用户管理节点4通过无线通信与各个大棚汇聚节点建立信息交互，完成命令下达与数据采集和处理和显示；

用户管理节点4还可与上位机连接，以方便数据处理、储存及传输等操作。

如图2所示，为本发明网络中传感器节点2的结构示意图，所述传感器节点2是由ZigBee单片机204与电源模块201、按键模块202、天线203、JTAG接口模块205、温湿度传感器模块206及光强传感器模块207连接构成；

如图3所示，为本发明网络系统中汇聚节点3的结构示意图，所述汇聚节点3是由ZigBee单片机304与电源模块301、按键模块302、天线303、JTAG接口模块305、存储器模块308、温湿度传感器模块306及光强传感器模块307连接构成；

如图4所示，为本发明网络系统中用户管理节点4的结构示意图，所述用户管理节点4是由ZigBee单片机404与电源模块401、按键模块402、天线403、JTAG接口模块405、存储器模块408、显示模块410连接构成；用户管理节点4还可包括连接上位机的UART-USB转换模块409。

如图5所示，为本发明传感器节点2中所述的温湿度传感器模块206以及汇聚节点3中温湿度传感器模块306分别与ZigBee单片机204和304对应连接的结构示意图，其中所述的ZigBee单片机204和304均采用STM32W108单片机，温湿度传感器模块206以及306均可以由温湿度传感器，例如SHT11、SHT15或SHT17等之一与STM32W108单片机连接构成。

如图6所示，为本发明传感器节点2中光强度传感器模块207与ZigBee单片机204连接的结构示意图，其中ZigBee单片机204同图5所述的STM32W108单片机，光强度传感器模块207可以由光强度传感器，例如TSL2560或TSL2561之一与STM32W108单片机连接构成。

如图7所示，为本发明汇聚节点3中光强度传感器模块307及存储器模块308与ZigBee单片机304对应连接的结构示意图，其中ZigBee单片机304亦同图5所述的STM32W108单片机，光强度传感器模块307可以由光强度传感器，例如TSL25610或TSL2561与STM32W108单片机连接构成，存储器模块308可以由存储器芯片，例如AT24C256、AT24C512、AT24C1024等之一与STM32W108单片机连接构成。

如图8所示，为本发明用户管理节点4中显示模块连接结构示意图，可以由显示器件，例如两个EDM1190A与STM32W108单片机连接构成。

如图9所示，为本发明传感器节点2的主程序工作流程图。依上述图1至图8完成本系统的硬件连接、并开时工作后，传感器节点2主程序的工作流程是：初始化→扫描网络→查找本大棚汇聚节点组网信号→加入本大棚网络→睡眠等待事件处理。其中，STM32W108单片机有睡眠模式，它保证了系统的低功耗，并且在睡眠状态下，STM32W108单片机经过一定的步骤可灵活地使系统回到运行状态。

如图10所示，为本发明传感器节点2数据采集时工作流程图，工作过程依次为：唤醒睡眠→命令接受及处理→传感器数据采集→与汇聚节点信息交互→进入睡眠。

如图11所示，为本发明汇聚节点组网时工作流程图，依次为：初始化→与用户管理节点信息交互→网络命令处理→组播本地身份→确认节点加入网络→睡眠等待事件处理；

如图12所示，为本发明汇聚节点3采集与交互数据时工作流程图，工作过程依次为：唤醒睡眠→命令接受及处理→与传感器节点信息交互→传感器数据采集→与用户管理节点信息交互→进入睡眠。

如图13所示，为本发明用户管理节点主程序工作流程图，工作过程依次为：初始化→与上位机(PC机)信息交互→按键处理→显示处理→命令处理→与各汇聚节点信息交互，并循环。

再如图1所示，本发明还阐述了一种大棚环境的ZigBee无线传感网络监测方法，包括以下步骤：

步骤一，每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点2，采集和发送部署节点所在位置的环境数据信息；

步骤二，每个大棚在部署上述传感器节点2时，至少部署一个汇聚节点3，用于本大棚内传感器节点的组网管理、与传感器节点2的信息交互；汇聚节点3所在位置的环境数据信息采集；与用户管理节点4的信息交互以及储存与该汇聚节点3相关的信息；

步骤三，通过无线通信与各个大棚汇聚节点3建立信息交互，完成命令下达与数据采集、处理和显示。

更进一步地，如图1和图4所示，通过UART-USB模块与上位机相连，以便处理及传输数据。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种监测大棚环境的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于该系统包括：

传感器节点：每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点，采集和发送部署节点所在位置的环境数据信息；

汇聚节点：每个大棚在部署上述传感器节点时，至少部署一个汇聚节点，用于本大棚内传感器节点的组网管理、与传感器节点的信息交互；汇聚节点所在位置的环境数据信息采集；与用户管理节点的信息交互以及储存与该汇聚节点相关的信息；

用户管理节点：通过无线通信与各个大棚汇聚节点建立信息交互，完成命令下达与数据采集、处理和显示。

2.根据权利要求1所述的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于，

所述传感器节点是由ZigBee单片机与电源模块、按键模块、天线、JTAG接口模块、温湿度传感器模块及光强传感器模块连接构成；

所述汇聚节点是由ZigBee单片机与电源模块、按键模块、天线、JTAG接口模块、存储器模块、温湿度传感器模块及光强传感器模块连接构成；

所述用户管理节点是由ZigBee单片机与电源模块、按键模块、天线、JTAG接口模块、存储器模块、显示模块构成。

3.根据权利要求1和2所述的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于，所述的ZigBee单片机采用STM32W108单片机。

4.根据权利要求1-3所述的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于，所述温湿度传感器模块是由SHTxx系列传感器与STM32W108单片机连接构成。

5.根据权利要求1-3所述的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于，所述光强传感器模块是由TSL256x系列传感器与STM32W108单片机连接构成。

6.根据权利要求1-3所述的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于，所述存储器模块是由AT24Cxxx系列与STM32W108单片机连接构成。

7.根据权利要求1-3所述的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于，所述显示模块是由两个四位数显示模块EDM1190A与STM32W108单片机连接构成。

8.根据权利要求1-3所述的ZigBee无线传感网络系统，其特征在于，所述用户管理节点还包括连接上位机的UART-USB转换模块。

9.一种监测大棚环境的ZigBee无线传感网络监测方法，包括以下步骤：

步骤一，每个大棚在若干适当位置上部署传感器节点，采集和发送部署节点所在位置的环境数据信息；

步骤二，每个大棚在部署上述传感器节点时，至少部署一个汇聚节点，用于本大棚内传感器节点的组网管理、与传感器节点的信息交互；汇聚节点所在位置的环境数据信息采集；与用户管理节点的信息交互以及储存与该汇聚节点相关的信息；

步骤三，通过无线通信与各个大棚汇聚节点建立信息交互，完成命令下达与数据采集、处理和显示。

10.根据权利要求9所述的ZigBee无线传感网络监测方法，其特征在于，还包括通过UART-USB转换连接上位机步骤，用于处理及传输数据。

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