CN105759001A - 基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术，尤其涉及一种基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统。其解决的技术问题是：传统的水样监测需要取样在实验室进行检测，效率低、成本高，而且不能实现对湖水的连续检测，此外工作人员无法到达的区域，水质将难以监测。本发明的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统将功能相同或不同的传感器构成网络化、智能化的传感网络，提高了监测湖泊各项参数的传感器的监测能力。利用前端设备监测、数据远传通讯和中心系统软件平台来实现采集数据，使监测中心通过简单而又经济的计量手段，实现对整个地区监测点数据进行监测并分析，通过网络实时监测湖泊水资源的水质变化。

Description

基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统

技术领域

本发明涉及无线传感技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术，尤其涉及一种基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统。

背景技术

随着科技的发展，早期的人工监测已经基本被淘汰，传统的做法就是派人到各个监测区域取回水样，然后在实验室里检测。这种监测方法效率低、成本高，而且不能实现对湖水的连续检测，此外工作人员无法到达的区域，水质将难以监测。随着计算机技术和无线传感器网络技术的发展，对大范围区域内的无线监测提供了可能的方法和手段。无线传感器网络是由大量无线传感器节点以自组织方式构成的网络，它具有传感器节点密度高、网络拓扑变化频繁以及节点功率、计算能力和数据存储能力有限等特点，使得无线传感器网络在环境监测军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。

Zigbee技术的使用与发展很大程度上弥补了无线通信市场上低功耗、低成本、低速率的空缺，Zigbee技术发展成功的关键更多的是因为丰富而便捷的应用，并不是技术本身。随着Zigbee技术的深入发展和应用，越来越多的注意力和研究力量将会转到应用的设计、实现互联互通测试和市场的推广等方面。Zigbee技术的关键点是发展一种易布建、低成本、低功耗的无线网络，其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。对Zigbee技术的应用前景预测被非常好。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：传统的水样监测需要取回水样，并在实验室进行检测，监测方法效率低、成本高，而且不能实现对湖水的连续检测，此外工作人员无法到达的区域，水质将难以监测。

本发明的目的是提出了一种基于ZigBee的水管网无线监控系统，这基于ZigBee对供水管网远程无线数据进行采集、传输和监控，系统数据传输效率高，且系统易扩展。此目的是通过如下方式实现的：

一种基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，包括环境监测中心主站、通信网络、现场监测设备，其特征在于，所述现场监测设备为基于ZigBee的无线传感器模组，所述基于ZigBee的无线传感器模组实时监测水质参数，通过通信网络传输给监控中心主站。本系统主要由湖泊水环境监测中心主站、通信网络、现场监测设备三部分组成，利用现场监测设备、数据远传通讯和中心系统软件平台来实现。需要监测的水文参数：水体温度、水体盐度、水体PH值、水体有害金属元素浓度、化学物质含量、水体浮游生物数量、湖泊水位、水面风速与风向、水面温度与湿度等。

进一步地，还包括监测基站，用于对监测的数据进行初步分析；所述ZigBee的无线传感器模组实时监测的水质参数先传输给监测基站、再由监测基站传输给监测中心。

进一步地，所述基于ZigBee的无线传感器模组包括传感器、传感器节点、汇聚接点和网关接点。

进一步地，所述传感器节点包括微处理器单元、一个zigbee通信模块及电源管理模块。

进一步地，所述汇聚节点包括微处理器单元、两个Zigbee通信模块及电源管理模块。

进一步地，所述网关节点包括微处理器单元、一个Zigbee通信模块及电源管理模块。

进一步地，所述ZigBee的无线传感器模组还包括有模/数转换器。

进一步地，所述的Zigbee通信模块为CC2420通信模块。

进一步地，所述的微处理器单元集成有为集成有模/数转换功能的微控制器。

进一步地，所述的微处理器单元为MSP-430F149单片机。

本发明的有益效果是：本发明的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统综合运用了无线传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术和分布式智能信息处理技术，将功能相同或不同的传感器构成网络化、智能化的传感网络，大大提高了监测湖泊各项参数的传感器的监测能力。利用前端设备监测、数据远传通讯和中心系统软件平台来实现。采集数据，使监测中心通过简单而又经济的计量手段，实现对整个地区监测点数据进行监测并分析，通过网络实时监测湖泊水资源的水质变化，可以确保周边大城市的用水安全，进而实现良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的监测流程图。

具体实施方式

一种基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，包括环境监测中心主站、通信网络、现场监测设备，所述现场监测设备为基于ZigBee的无线传感器模组，所述基于ZigBee的无线传感器模组实时监测水质参数，通过通信网络传输给监控中心主站。本发明的基于ZigBee的无线传感器模组包括传感器、传感器节点、汇聚接点和网关接点，本监测系统中的传感器节点是传感网络中最重要的部分，其硬件包括微处理器单元、一个zigbee通信模块及电源管理模块；汇聚节点硬件包括微处理器单元、两个Zigbee通信模块及电源管理模块；网关节点硬件包括微处理器单元、一个Zigbee通信模块及电源管理模块。

用沉箱法把30个已经安装无线电传输设备的传感器沉到湖泊底层，均匀布置，用于监测湖泊底层水体温度、盐度、PH值、有害元素和化学物质等；

用漂浮法把30个已经安装无线电传输设备的传感器均匀分布在湖面，并用装置把它们固定在一定水面范围，并设置水面标识，避免湖面船只碰撞，用于监测湖泊顶层水体温度、盐度、PH值、有害元素、化学物质、浮游生物数量并同时监测水面风速、风向和湖泊水位。

湖泊中的监测点安装无线电设备，岸边监测点采用电缆连接，所有监测点的数据先传送到离湖泊500米（共四个，均匀分布在湖泊四周）的监测基站，进行初步数据处理，把处理后的数据再通过铺设电缆传送到5公里外的监测中心进行分析。

用打桩法把40个传感器装置均匀布置在湖泊岸边，并用电缆把它们连接起来，用于监测湖泊周围的温度、风速风向、湿度、空气物质等。

由于无线传感器网络节点需要将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，可选择一款集成有AD转换功能的微控制器。另外，无线传感器网络节点除完成数据采集功能外，还要完成数据转发和路由功能，因而要有足够的处理能力、程序空间及数据空间。本设计MCU采用的是MSP-430F149单片机，它是TI公司生产的一种16位超低功耗混合信号处理器，称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。其突出优点是低电源电压、超低功耗。由于为FLASH型，所以可以在线对单片机进行调试和下载程序。MSP430F149低频辅助时钟采用32kHz时钟晶振直接驱动，可作为后台实时时钟实现自唤醒功能。集成的高速数字控制振荡器(DCO)频率为8MHz，可作为CPU的主系统时钟(MSLK)源，也可以作为CPU的子系统时钟(SMCLK)源。

本系统中无线传感器网络硬件中的Zigbee通信模块采用低功耗高性能的无线网络模块CC2420来实现，它工作在全球通用的2．4GHz频段。CC2420是一款符合IEEE802．15．4标准的射频收发器，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和灵敏度指数超过IEEE802．15．4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性，利用此芯片开发的无线通信设备支持数传速率高达250kb／s，可实现多点对多点的快速组网。CC2420发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被DAC转换为模拟信号，通过低频滤波器，直接变频到设定的信道上，再由天线发射出去。

本发明中，信息传输主要的软件结构设计中，计算机网络传输原理为主要应用其中的物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层；

物理层（PhysicalLayer）处于OSI参考模型的最低层。物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传送“比特”流。物理层传输的单位是比特（Bit），不去考虑比特流的意义和结构。

数据链路层，在物理层提供比特流传输服务的基础上，数据链路层（DataLinkLayer）通过在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以“帧”为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，保证点到点（point-to-point）可靠的数据传输。

网络层（NetworkLayer）是OSI参考模型中的第三层，它建立在数据链路层所提供的两个相邻节点间数据帧的传送功能之上，将数据从源端经过若干中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。

本设计中，无线传感器网络是一个多路的自组织无线网络，可以实现自动组网，自动路由查询，自动数据采集与传输，软件设计上必须能够实现多跳自组织的功能。另外，传感器节点必须要求极低的功耗，而低功耗除了硬件设计上的低功耗外，更重要的是软件设计的低功耗。

此无线传感器网络终端在开机后首先进行自检，如果自检失败了，则进行硬件故障提示，而且自动关机。在自检通过后，进一步判断工作模式。传感器节点在自检通过后进入接入状态，如果接入失败则进入等待状态。处于等待状态的节点关闭射频收发器以节省功耗，当等待定时器溢出时，节点再次回到接入状态进行新的介入尝试。如果节点接入成功便转入业务状态。处于业务状态的节点，完成数据的采集与传输，对近节点数据的中继转发，新节点入网的介入确认等操作。节点为了实现低功耗，必须在业务状态(活动状态)与休眠状态之间轮换。

软件开发以IAREmbeddednWorkbenchV2．10为平台，采用C语言编写。节点的MSP430系列单片机支持C语言程序设计。适用于MSP430系列的C语言与标准C语言兼容程度高，大大提高了软件开发的工作效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性。软件编程的基本思想是：先对SPI、CC2420控制端口初始化，使能SPI、UART端口，使能ADC，开机后，就可以运行任务程序，实现接收或发送数据及命令了。

本发明的工作流程如下：

（1）数据采集阶段

通过预先埋设的传感器，获取水文参数，所获取参数有：水体温度、水体盐度、水体PH值、水体有害金属元素浓度、化学物质含量、水体浮游生物数量、湖泊水位、水面风速与风向、水面温度与湿度。对于湖泊中配备无线电传输装置的传感器，通过初步数据传唤，把数据传输给无线电发送机，然后把数据传输到湖边500米外的监测基站的无线电接收机进行存储。对于湖泊岸边埋设传感器设备，则把数据通过网络电缆传输到500米外的监测基站中去，并进行存储。在这里，无线电使用基于Zigbee技术组成的传感器网络，其发射功率为0～3．6dBm，传输距离为0~600m，是采用IEEE802．15．4规范的一种经济、高效、低数据速率(<250kb/s)、工作在2．4GHz和868/928MHz的无线技术，网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和链路层标准。完整的zigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成。

（2）监测基站数据第二次处理阶段

由于要实现数据的远距离传输，因此必须先把数据采集端传送过来的数据进行打包处理，通过合适的网络协议，把数据帧通过100M/S网路电缆传送到5公里外的监测中心的路由站点中，然后通过路由把数据分发到已经安装数据处理软件平台的计算机上进行数据的最终处理。

（3）检测中心的最终数据处理

在检测中心的服务器上，安装合适的数据处理软件，通过对数据分拆与处理，把前方传送来的数据进行最终分析，得出结果，把结果再传送到管理中心的终端机上显示。

（4）管理中心实时监控

管理中心根据监测中心送来的报表进行登记、跟踪，与历史数据进行对比，从而确定湖泊的水文数据是否正常，发现不正常则派工作人员前往湖泊就行实地查看和抽样分析，排除险情。

Claims (10)

1.一种基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，包括环境监测中心主站、通信网络、现场监测设备，其特征在于，所述现场监测设备为基于ZigBee的无线传感器模组，所述基于ZigBee的无线传感器模组实时监测水质参数，通过通信网络传输给监控中心主站。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，还包括监测基站，用于对监测的数据进行初步分析；所述ZigBee的无线传感器模组实时监测的水质参数先传输给监测基站、再由监测基站传输给监测中心。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，所述基于ZigBee的无线传感器模组包括传感器、传感器节点、汇聚接点和网关接点。

4.根据权利要求3所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，所述传感器节点包括微处理器单元、一个zigbee通信模块及电源管理模块。

5.根据权利要求3所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，所述汇聚节点包括微处理器单元、两个Zigbee通信模块及电源管理模块。

6.根据权利要求3所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，所述网关节点包括微处理器单元、一个Zigbee通信模块及电源管理模块。

7.根据权利要求4-6任一权利要求所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于：所述ZigBee的无线传感器模组还包括有模/数转换器。

8.根据权利要求4-6任一权利要求所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，所述的Zigbee通信模块为CC2420通信模块。

9.根据权利要求4-6任一权利要求所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，所述的微处理器单元集成有为集成有模/数转换功能的微控制器。

10.根据权利要求9所述的基于ZigBee湖泊水指标实时监测系统，其特征在于，所述的微处理器单元为MSP-430F149单片机。