CN103714684A

CN103714684A - 一种zigbee模块与433M射频模块结合的环境监测网络组网方法和装置

Info

Publication number: CN103714684A
Application number: CN201410009008.4A
Authority: CN
Inventors: 刘宪华; 陈浩扬; 李家琪; 曾中梁
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2014-01-06
Publication date: 2014-04-09

Abstract

本发明涉及一种zigbee模块与433M射频模块结合的环境监测网络组网方法和装置；一个网络系统由一个终点，若干个站点和若干个采样点组成；终点和站点组成网络拓扑图的主链路；终点必须有433M射频模块和GPRS模块，是数据的汇集点，并将数据通过GPRS网络传送到远程的服务器；站点必须装有433M射频模块和Zigbee模块(如果设计此站点有自己的Zigbee网络时)，它通过Zigbee模块负责收集周围的节点采集到的数据，通过433M射频模块将收集到的数据发送到下一站点去；采样点必须装有zigbee模块和传感器模块，它是数据的直接来源，通过Zigbee模块发送到自己所属的站点。本发明的方法可以有效增大环境监控网络的范围，适用于海洋、湖泊等。

Description

一种zigbee模块与433M射频模块结合的环境监测网络组网方法和装置

技术领域

本发明属于环境监测和物联网技术领域，涉及一种利用单片机自动控制zigbee模块、433M射频模块和GPRS模块组网，将各个传感器的采样数据传送到指定服务器上的方法。

背景技术

环境在线监控是最早开展物联网探索和实践并大力推进的领域之一。在点线面源的合适点位上安装各种自动监测仪器仪表和数据采集传输仪，通过各种通讯信道与环境监控中心的通信服务器相连，实现在线实时通讯，这样传感器感知的点位环境状态就被源源不断地送到环保部门，并存储在海量数据库服务器上，以供环保信息化各种应用系统使用。

环境在线监控因实时性强，数据安全可靠，系统自动化程度高等优点，可以及时和方便地发现环境数据的异常，而常规环境管理因技术手段受限和成本高昂无法做到。而通信网络对整个监控系统的性能与成本影响很大。目前应用在物联网组网的常用模块有Zigbee，它的技术已比较成熟，具有低功耗、自组网的优点。然而它的信号覆盖距离近，不适用在大范围距离通信上，尽管可以通过增加路由来增大通信距离，但路由节点多也迅速抬高了组网成本。433M射频通信模块通信距离一般在1.2Km以上，甚至可达10Km，适用于远距离通信，但它一般用于点对点传输，如果要多机通信，需要用户自行设计和编写复杂的传输协议。如果能将两者的优点互补，那么物联网的组网方式将更灵活，更加适用于大范围的环境监测。目前，国内还没有出现将433M射频模块和Zigbee模块联合组网的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：开发一种可以把Zigbee模块和433M射频模块组合在一起的灵活的通信网络，弥补现有物联网需要大量模块才能大范围组网的缺点，降低海洋环境监测的成本和组网复杂度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种zigbee模块与433M射频模块结合的环境监测网络组网方法，要求如下：

（1）一个网络系统由一个终点，若干个站点和若干个采样点组成；终点和站点组成网络拓扑图的主链路；

（2）终点必须有433M射频模块和GPRS模块，是数据的汇集点，并将数据通过GPRS网络传送到远程的服务器；

（3）站点必须装有433M射频模块和Zigbee模块，它通过Zigbee模块负责收集周围的节点采集到的数据，通过433M射频模块将收集到的数据发送到下一站点去；

（4）采样点必须装有zigbee模块和传感器模块，它是数据的直接来源，通过Zigbee模块发送到自己所属的站点。

本发明的一个系统中只有一条折线形的主链路，由433M射频模块实现联网；链路上的站点是双向通信，根据站点之间的通信距离，射频模块选择100mW到3000mW之间的功率，距离从1.2Km到10Km。

站点的Zigbee模块设置成Coordinator类型，而属于这个站点的采样点的Zigbee模块必须是设置成与此站点同一个网络ID的Router类型。

对于整个系统来说，数据采样和数据传送这两块任务是分开工作的，以时间为联系，如果到了采集数据的时间就开始采集数据，到了数据传送的时间就开始传送数据。；采集和传送数据的时间由程序设定。

本发明的一种zigbee模块与433M射频模块结合的环境监测网络组网装置：装置包括单片机系统、zigbee模块、433M射频模块、GPRS通信模块、电源模块、时钟电路、SD卡存储模块、液晶显示模块、温度传感器和其他传感器组成，其中所述单片机采用STC89C52RC系列，是控制整个系统的核心；其中所述zigbee模块、433M射频模块完成组网，GPRS通信模块负责把数据传送到指定远程服务器上；传感器根据需要加装在单片机的外围电路上；时钟电路负责给各个站点提供时间基准；SD卡完成对数据的存储和备份。

本发明的终点它一般设置在陆地上，是数据的汇集点；站点也可根据需要在自身安装传感器模块。采样点受Zigbee模块组网距离的限制，它应安装在其所属的站点附近（小功率的Zigbee模块是160m以内）。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

本发明的方法可以有效增大环境监控网络的范围，适用于海洋、湖泊等；

本发明的方法相比只使用Zigbee组网的网络，具有更灵活的组网方式，使用的通信模块数目少，更低的成本；

相比大量使用GPRS模块的组网方案，本发明只使用1个GPRS模块，成本更低廉，也需要终点处有GPRS信号，不要求整个系统都有GPRS信号，适合更多应用场景；

本发明中设计了适用于433M射频模块的点对点通信协议，保证数据的可靠传输；

本发明所需的器件技术都已成熟，容易买到。

附图说明

图1zigbee模块与433M射频模块结合组网的原理图；

图2信号在各站点间的传输流程图；

图3站点的模块组成；

图4采样点读取传感器数据流程图；

图5系统数据传送的工作流程图；

图6SD卡堆栈设计；

图7在某海岛和海湾实施组网构成图。

具体实施方式

下面结合具体实施方案方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，并且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

图2以Ａ终点和BCD3个站点组成的一个系统为例，说明Ａ如何完成收集BCD3点数据的过程（每次启动系统时，各站点会先通过各自的zigbee模块把自己周围的采样点的数据汇集起来）。

首先，由Ａ点发起对B点的数据请求，B点响应后将自己的数据传输给Ａ点，然后B点向C点发起请求数据。C点响应后将自己的数据传输给B点，再向D点请求数据，D点响应后向C点传输自己的数据。这一个阶段完成后，相当于B的数据给了Ａ，C的数据给了B，D的数据给了C。

同理，第二阶段后，Ａ点将从Ｂ点中获得Ｃ的数据，Ｂ点将从Ｃ点中获得Ｄ的数据。

第3阶段后，Ａ点将从Ｂ点获得Ｄ的数据。

3个阶段完成后，就实现了将整个系统的数据发送到Ａ点。

图3是站点的模块构成。一个网络系统是由终点，站点和采样点这三种节点组成，他们的模块组成很相似。一般来说，站点除了温度等传感器、AD采样模块外，图3中的其他模块都是必须的（因为温度等传感器、AD采样模块是用于对环境采样的，而站点不一定要对环境数据采样）。

终点、采样点也具有与站点相似的模块组成。例如，终点则是在站点（图3）的基础上增加了GPRS模块和除去了Zigbee模块、AD采样模块、温度等传感器；采样点则在图3的基础上除去了433M射频通信模块。

对于整个系统来说，数据采样和数据传送这两块任务是分开进行的，以时间为联系，DS1302时钟电路正是为每个节点提供了时间的功能，不管是终点，站点和采样点，都必须有它。如果到了采集数据的时间节点就开始采集数据，到了数据传送的时间节点就开始传送数据。采集和传送数据的时间可以由程序设定，例如指定每一小时采集数据，每天正午12点传送数据。

另外要注意的是，站点的Zigbee模块必须是设置成Coordinator类型，而属于这个站点的采样点的Zigbee模块必须是设置成与此站点同一个网络ID的Router类型。因为一个站点只能收集一个Zigbee网络的数据，故只有一个Coordinator和多个Router。而一个Coordinator最多能支持9330个Router，足够一般使用，无需担心Zigbee组网受到限制。

图4描述了采样点读取传感器数据的工作流程图。当采样点到达指定的采样时间后，单片机会按程序指定的顺序读取各个传感器的数据数次（多次读取数据有助于消除采样时的偶然误差）。然后时间、采样点（或站点）编号、温度、其他传感器数据等都将被写入SD卡中存储起来。如果到了指定发送时间，则系统进入到数据发送阶段。

如图5所示，系统进入到数据发送阶段后，首先启动的将是Zigbee模块。每个站点和属于它的采样点属于同一个Zigbee网络，不同的Zigbee网络之间不会造成通信干扰。Zigbee模块有自组网功能，上电一段时间后即可组网，开始传送数据。站点B将向整个网络发出信令，表示站点索要数据。采样点在等待过程中如果不能收到这条信令，那么站点将重复发送信令，直接采样点接收到此信令并返回确认帧。如果采样点接收到这条信令，则会返回一条确认帧给站点，让站点做好接收数据的准备，接着采样点开始发送SD卡中的最新数据给站点。由于Zigbee网络是多点通信，为了避免多个采样点同时对站点发送数据，程序里设定了不同的采样点有不同的延迟数据发送时间，这样能够避免数据冲撞。此阶段结束了即表示Zigbee网络的数据传送已经结束，系统开始进入433M网络通信阶段。

433M通信网络建立连接前，与Zigbee网络的流程相似，也有设计重复发送信令和确认帧。而与Zigbee网络不同的是，433M射频模块是点对点通信，不存在多个点同时发送数据造成数据冲撞的情况，故不需要设计延迟发送。433M网络建立连接后，下一级站点将从自己的SD卡中读取数据发送到上一级站点或者终点中。

图6是SD卡堆栈设计。SD卡存储和读取的最小单位是sector,1sector=512字节，而每一次采样的数据占用一个sector。使用2G大小的SD卡，设计使用第512到4000000个sector。此堆栈为向下生长型，栈底是第66049个sector。中间的第513～66048sector是数据缓存区，用于暂存数据传送阶段中来自其他站点的数据。若每半小时采样一次数据，每次传感器重复采样10次数，每半天发送一次数据，则每个站点的数据量是24hour*2*10times/hour=480times，缓存区的66536个sectors足够使用。

利用本发明组网监测监测某海岛和海湾的水质情况，检测点选在B、D、E、F、G。如图7在各点安置相应设备。

A点是终点，无需安装传感器模块和Zigbee模块，但必须有433M射频模块和GPRS模块。A的选址必须有良好的GPRS信号覆盖，这样采集到的数据才能通过GPRS模块传到远程服务器上。

B点安装传感器等模块和433M射频模块，无需Zigbee模块。B点采集的数据将存于B的SD卡中，等待上传。

C点必须安装433M射频模块和Zigbee模块。由于不要求采集C点的环境数据，故无需安装传感器模块。

D点必须安装433M射频模块和Zigbee模块。由于要求采集D点的环境数据，故需安装传感器模块。

BC、CD之间的距离在4km—5km之间，CE、DF、DG距离在1km之内且环境开阔，故各点装置启动后发送接收信号均良好，433M射频模块和Zigbee模块都可以正常组网。位于海上的站点和采样点可以装在浮标里，浮标底部用绳索与海床固定，漂浮于海面上。

此实例中，由于离岛没有常住人口，没有GPRS信号覆盖，不适合将海岛的监测数据直接通过GPRS传送。且岛与海岸相隔较远，单靠Zigbee模块无法实现将海岛的监测数据传到海岸上。通过本发明中利用433M射频模块和Zigbee模块优势互补的组网方案，实现低成本、低能耗、高可靠性的组网。

Claims

1.一种zigbee模块与433M射频模块结合的环境监测网络组网方法，其特征是：

（3）站点必须装有433M射频模块，而如果设计此站点有自己的Zigbee网络时就必须装有Zigbee模块，站点通过Zigbee模块负责收集周围的节点采集到的数据，通过433M射频模块将收集到的数据发送到下一站点去；

2.如权利要求1所述的方法，其特征是站点在自身安装传感器模块。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是一个系统中只有一条折线形的主链路，由433M射频模块实现联网；链路上的站点是双向通信，根据站点之间的通信距离，射频模块选择100mW到3000mW之间的功率，距离从1.2Km到10Km。所有的433M射频模块都必须设置成同一个网络ID，这样才能相互通信。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是站点的Zigbee模块设置成Coordinator类型，而属于这个站点的采样点的Zigbee模块必须是设置成与此站点同一个网络ID的Router类型。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是对于整个系统来说，数据采样和数据传送这两块任务是分开工作的，以时间为联系，如果到了采集数据的时间就开始采集数据，到了数据传送的时间就开始传送数据。；采集和传送数据的时间由程序设定。

6.一种zigbee模块与433M射频模块结合的环境监测网络组网装置，其特征在于：装置包括单片机系统、zigbee模块、433M射频模块、GPRS通信模块、电源模块、时钟电路、SD卡存储模块、液晶显示模块、温度传感器和其他传感器组成，其中所述单片机采用STC89C52RC系列，是控制整个系统的核心；其中所述zigbee模块、433M射频模块完成组网，GPRS通信模块负责把数据传送到指定远程服务器上；传感器根据需要加装在单片机的外围电路上；时钟电路负责给各个站点提供时间基准；SD卡完成对数据的存储和备份。