CN103914960A - 水环境无线传感监测网移动节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水环境无线传感监测网移动节点，其包括处理器模块、传感器模块、移动模块、Zigbee无线通信模块和电源模块。处理器模块采用微控制器MC13211作为控制和分析水环境参数数据，并控制Zigbee无线通信模块和传感器模块的工作状态。处理器模块通过MC13211内部集成的A/D转换模块、SPI接口、PWM接口与传感器模块、Zigbee无线通信模块、移动模块相连。电源模块采用锂电池与太阳能电池双电源为节点其它模块供电。该监测节点具有监测范围大、配置灵活、移动、功耗低、成本低廉等特点，可实现对水环境的多点远程多参数实时在线监测。

Description

水环境无线传感监测网移动节点

技术领域

本发明涉及一种水环境无线传感监测网移动节点。属无线通信和嵌入式系统技术领域。

背景技术

国内关于水质参数采集多采用单一参数的水质分析仪，其价格低、操作简单，但不能对水质进行连续监测，劳动强度大，机动性差，数据采集速度慢等问题。无法满足大面积水域，复杂地形水域水质参数监测的需求。因此我们需要找寻一种新的技术，解决大面积、多水域和复杂地形水环境水质参数监测管理。

无线传感器网络作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价微型节点组成的，通过无线通信方式形成一个多跳的自组网络，协作地采集和处理监测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理方式，结合不同的类型的传感器，在环境监测、军事检查、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域有着广阔的应用前景。基于无线传感器网络的水环境实时监测系统是无线床干起网络在在环境监测领域的典型应用。与现有的水环境自动监测系统相比，基于无线传感器网络的水环境实时监测系统具有对生态环境影响小、监测密度高且范围广泛、系统成本低等优点。

水环境无线传感监测网是将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到感兴趣水域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关是一个特殊节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。通常节点受水环境、网络路由、能量等影响失去功能，导致该节点所覆盖区域无法进行监测。因此，提供可操作控制的移动节点，避免因普通节点失效导致监测盲点发生。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的不足，提供一种水环境无线传感监测网移动节点。该监测节点具有监测范围大，配置灵活，功耗低，对自然环境影响小，成本低廉的特点，可实现对水环境的多点远程多参数实时在线监测，及时发现突发性的水质污染事故，以便相关部门能够及时采取措施，查找污染源头，减小污染对农业用水、畜牧业用水以及人们生活用水的影响，对水环境变化的监控和环境保护具有极大的发展前景和现实意义。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

一种水环境无线传感监测网移动节点，包括处理器模块、传感器模块、电源模块、移动模块和Zigbee无线通信模块。所有模块均经过防水处理，电源模块为处理器模块和传感器模块、Zigbee无线通信模块和移动模块供电。

具体来说，所述传感器模块中传感器电路连接水下的pH传感器、盐度传感器和温度传感器，可采集待监测水域的pH值、盐度值和温度，再将采集的pH信号、盐度信号和水温信号转换为0～5V的电压信号并送至处理器模块。

进一步地，所述处理器模块接收传感器发送的电压信号，处理并存储pH信号、盐度信号和水温信号，然后通过Zigbee无线通信模块发送至基站。处理器模块以飞思卡尔公司生产的MC13211芯片为核心，MC13211编写了监测节点的相关程序，包括水质参数的监测采集、节点入网、节点与基站之间的通信和串口通信。从而实现监测节点的功能。

进一步地，所述电源模块包括两部分电源：+3.3V和+5V。其中一部分锂电池输出+12V经过稳压后输出+5V直流电压，给传感器模块、移动模块和存储模块供电。另一部分则通过稳压转换为+3.3V直流电压供电给处理器模块MC13211和Zigbee无线通信模块。为了充分保障监测节点工作的无人值守，采用了锂电池和太阳能电池双电池供电方式，在现有条件下最大限度的提高电池的续航能力，保证节点的生命周期。

进一步地，所述Zigbee无线通信模块设计。各监测节点之间通过Zigbee通信协议组网，并与基站连接，通过命令受基站控制上传数据。基于IEEE802.15.4／zighee协议的网状结构网络是一种多跳的拓扑结构，可以实现网络各节点之间的点对点传输，这种结构相互连接形成网状，网络健壮，容错能力强。

进一步地，所述移动模块采用H桥电路驱动伺服电机的基本结构来实现节点移动。电机的转动调速由微控制器MC13211输出PWM占空比可调波形来控制。H桥电路驱动芯片采用飞思卡尔公司的MC33886小功率直流电机H桥驱动芯片。MC33886内部集成一组全桥驱动电路以及相应的控制模块，输出的最大控制电流是5A，和输出频率小于10KHz的PWM波形。驱动电机采用直流伺服电机，选用RS-380SH型号的伺服电机，它直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。

本发明的优点及效果：与现有技术相比，本发明提供的水环境无线传感监测网移动节点具有可移动、双电源、可编程配置、功耗低，处理器模块通过内部集成的PWM输出到移动模块，控制节点的有目的移动。电源模块采用锂电池和太阳能双电源模式，当锂电池电量耗尽时，太阳能电池为其充电。设计中充分利用微处理器MC13211的内部资源，如PWM、A／D转换、SCI等接口分别连接移动模块、传感器模块及Zigbee无线通信模块，简化电路设计，提高了系统的稳定性、可靠性。通过软件设置相应的参数，达到可配置性，使给节点适合于不同水环境监测需要。

附图说明

图1是本发明水环境无线传感监测网节点的系统结构示意图；

图2是温度传感器的信号调理电路原理连接图；

图3是PH传感器的信号调理电路原理连接图；

图4是盐度传感器的信号调理电路原理连接图；

图5是微控制器MC13211的最小系统参考电路原理连接图；

图6是发射天线和功放调理电路原理连接图；

图7是电源模块电路原理连接图；

图8是移动模块电机驱动电路原理连接图。

具体实施方案

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1是本发明基于无线传感器网络的水环境监测节点的系统结构示意图。该节点设备包括处理器模块、传感器模块、电源模块、移动模块和Zigbee无线通信模块

(1)传感器模块包括传感器和调理电路两部分。

传感器负责采集待监测水域的PH值、盐度值和水温。监测节点安装有pH传感器、盐度传感器和温度传感器，能采集水体的pH值、盐度值和水温，调理电路对采集的数据做线性化、温度补偿等处理。

如图2、3、4所示传感器的调理电路原理连接图，它们分别与图5所示微控制器MC13211的最小系统电路相连接。

(2)处理器模块包括微控制器MC13211、存储器和A／D转换器。

微控制器MC13211是节点的控制核心，如图5所示，它负责控制数据的采集、储存和转发等功能。采集到并处理后的水质参数，并不是立即上传到基站，因此需要按照一定的存储结构暂存在节点本地。水质参数可以采用定时上传的方式，也可以被动接收上位机指令后，按照上位机的要求上传相应的水质参数历史数据。

(3)Zigbee无线通信模块包括发射天线和功放调理电路。

监测网络组建基于Zigbee通信的无线通信。节点之间通过Zigbee无线通信技术进行数据的传输，采用多跳式传输将采集的水质参数汇集到基站，基站通过GPRS通信将汇聚的参数传输至远端数据中心。发射功率放大电路的作用是将无线收发器输入功率放大以达到期望输出功率。由于数据接收和发送均通过同一个天线电路实现，在天线端加一个射频单刀双掷开关实现数据的收发切换。

如图6所示发射天线和功放调理电路原理连接图，它与图5所示微控制器MC13211的最小系统电路相连接。

(4)电源模块包括能量供应和能量管理。

考虑到监测节点需要长期部署在水中，经常更换电池不容易实现，而且人工更换电池还会额外耗费人力物力，增加监测成本，也不利于监测的持续性。所以在监测节点的设计中加入能量管理模块，实时监测电池剩余能量，通过采集节点的剩余能量，对节点各模块进行必要的能量分配，以达到延长节点生命周期和连续不间断监测水域的目的。

如图7所示电源模块电路原理连接图，它能实时监测锂电池电量，并能实现锂电池饿充放电功能。

(5)移动模块的电机驱动。

为了提高整体监测网络的灵活性和机动性，考虑为关键部位的节点、位于监测区域核心位置的节点和承载更多通信任务的节点加装移动模块，使得节点可以在水面上移动一点距离，改变终端节点自身原来的位置。未来可以结合移动路由协议和节点定位算法，合理的变化网络的拓扑结构和路由路径，目的是平衡网络能量的消耗，提高网络的灵活性，一旦发生水质监测数据异常，可以调动装备有移动单元的相关节点靠近数据异常的区域进行再次监测水质数据参数，确保数据可靠，避免误动报警，提高整个监测网的稳定性。

如图8移动模块电机驱动电路原理连接图，它通过H桥电路驱动伺服电机的基本结构来实现节点移动。电机的转动调速由微控制器输出PWM占空比可调波形来控制。

Claims (8)

1.一种水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：包括处理器模块、传感器模块、移动模块、Zigbee无线通信模块和电源模块，电源模块采用锂电池与太阳能电池双电源为处理器模块、传感器模块、Zigbee无线通信模块和移动模块供电。

2.根据权利要求1所述的水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：所述传感器模块包括传感器和调理电路。

3.根据权利要求1所述的水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：所述Zigbee无线通信模块采用MC13211内部集成收发器无线接发送数据。

4.根据权利要求1所述的水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：所述的移动模块采用H桥电路驱动伺服电机，通过PWM接口与处理器模块相连。

5.根据权利要求1所述的水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：所述的处理器模块包括微控制器、A／D转换和存储器。

6.根据权利要求5所述的水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：所述处理器模块通过内部集成的A／D转换接口与传感器模块相连。

7.根据权利要求5所述的水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：所述处理器模块通过内部集成的PWM接口与移动模块相连。

8.根据权利要求5所述的水环境无线传感监测网移动节点，其特征在于：所述存储器为处理器内部集成的，用于存储水环境监测数据。