CN107295700A - 一种基于彝族ZigBee无线传感网络的空气质量监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于彝族ZigBee无线传感网络的空气质量监测系统，采集节点用于空气质量信息的采集并将处理后数据通过ZigBee收发模块Ⅰ发送给组网节点；组网节点通过ZigBee收发模块Ⅱ与ZigBee网关的ZigBee收发模块Ⅲ连接，用于收集并上传采集节点数据给ZigBee网关及将ZigBee网关命令通告各采集节点；ZigBee网关通过通信模块与控制中心连接，用于将各组网节点数据上传给控制中心及将控制中心命令传递给组网节点；控制中心用于处理最终上传数据，并且可以由用户直接下达操作命令给采集节点、组网节点和/或ZigBee网关。本发明具有组网灵活、覆盖范围广、成本及功耗低的特点。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种具有组网灵活、覆盖范围广、成本及功耗低的基于彝族ZigBee无线传感网络的空气质量监测系统。
背景技术
无线传感器网络(WSN，wireless sensOr network)是近年来发展较快的一项无线网络技术，通过散布在监测区域内的传感器节点进行感知和实时监测环境区域，实现人与监测区域的无缝连通。彝族ZigBee技术是短距无线传感器网络中的一种，彝族 ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，由于其近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等优点，被广泛的应用于智能家居、智能楼宇、工业控制、消费电子等各个领域，占据了三分之二的家庭自动化市场。随着彝族ZigBee技术的不断完善，它将成为当今最先进的数字化无线技术，应用前景十分广阔。
随着城市化进程的发展和人民物质生活质量的提高，大众对空气质量越来越关注。而由于环境、建筑、工业及交通运输业的不断发展，大量的有害物质被排放到空气中，改变了空气的正常组成，使空气质量变坏。因此，对城市等空间空气质量进行监测以便进一步管理便势在必行。
现有的空气质量监测方法主要分为两种：1)采用便携式空气质量监测仪人工采样数据后上报，或者人工采集空气样板送给实验室分析；2)采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的空气质量自动监测系统。前者无法对空气质量的参数远程实时监测，存在监测周期长、劳动强度大、数据采集慢等问题，无法反映空气质量的动态变化，不易及早发现污染源并报警。而后者虽能较好解决上述存在的问题，但由于需要预先在各监测传感器以及控制器间铺设电缆，故有布线施工量大、工期长、成本高、功耗高、增加传感器复杂、监测范围有限、易对监测区域造成破环等缺点。当然，也有采用基于蓝牙、WIFI、GPRS等无线传感器与监测子站连接，虽然解决或部分解决了布线施工量大、工期长、增加传感器复杂、监测范围有限、易对监测区域造成破环等难题，但由于蓝牙、WIFI、GPRS等无线模块成本和功耗高，虽然不需要考虑信号线的布设，但传感器仍然需要布电源线，造成传感器的增加仍然稍显复杂，监控区域仍然有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有组网灵活、覆盖范围广、成本及功耗低的基于彝族ZigBee无线传感网络的空气质量监测系统。
本发明的目的是这样实现的：包括采集节点、组网节点、ZigBee网关、控制中心；
所述采集节点用于空气质量信息的采集并将处理后的数据通过其ZigBee收发模块Ⅰ发送给组网节点；
所述组网节点通过其ZigBee收发模块Ⅱ与ZigBee网关的ZigBee收发模块Ⅲ连接，用于收集并上传采集节点的数据给ZigBee网关，以及将ZigBee网关的命令通告各采集节点；
所述ZigBee网关通过通信模块与控制中心连接，用于将控制区内各组网节点的数据上传给控制中心，以及将控制中心的命令传递给各组网节点；
所述控制中心用于处理最终上传数据，并且可以由用户直接下达操作命令给采集节点、组网节点和/或ZigBee网关。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、由于采用短距离、低成本、低功耗的ZigBee无线通信技术，解决了布线施工量大、工期长、成本高、功耗高、可移植性差的问题。
2. 通过采用基于ZigBee无线通信技术的空气质量监测传感器，可现实多种空气质量参数的监测和传感器的灵活布置。
3. 通过采用低功耗基于ZigBee无线通信技术的采集节点、组网节点和ZigBee网关，特别是配合采用低功耗的CC2530片上处理器模块，整体运行速度块、功耗低，能够有效降低维护工作量和维护成本。
附图说明
图1为本发明之网络拓扑图；
图2为本发明原理示意图；
图中：1-采集节点，2-组网节点，3-ZigBee网关，4-控制中心。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
如图1和2所示，本发明包括采集节点1、组网节点2、ZigBee网关3、控制中心4；
所述采集节点1用于空气质量信息的采集并将处理后的数据通过其ZigBee收发模块Ⅰ发送给组网节点2；
所述组网节点2通过其ZigBee收发模块Ⅱ与ZigBee网关3的ZigBee收发模块Ⅲ连接，用于收集并上传采集节点1的数据给ZigBee网关3，以及将ZigBee网关3的命令通告各采集节点1；
所述ZigBee网关3通过通信模块与控制中心4连接，用于将控制区内各组网节点2的数据上传给控制中心4，以及将控制中心4的命令传递给各组网节点2；
所述控制中心4用于处理最终上传数据，并且可以由用户直接下达操作命令给采集节点1、组网节点2和/或ZigBee网关3。
所述采集节点1包括处理器模块Ⅰ、ZigBee收发模块Ⅰ、电源管理模块Ⅰ、空气质量采集模块，所述处理器模块Ⅰ分别与ZigBee收发模块Ⅰ、空气质量采集模块连接，用于采集数据的处理并控制处理后数据的上传及数据接收，所述电源管理模块Ⅰ分别与处理器模块Ⅰ、ZigBee收发模块Ⅰ、空气质量采集模块连接为其供电。
所述空气质量采集模块包括温湿度监测传感器、气压监测传感器、臭氧监测传感器、二氧化硫监测传感器、二氧化氮监测传感器、一氧化碳监测传感器和/或粉尘监测传感器。
所述组网节点2包括处理器模块Ⅱ、ZigBee收发模块Ⅱ、电源管理模块Ⅱ，所述处理器模块Ⅱ与ZigBee收发模块Ⅱ连接，所述电源管理模块Ⅱ分别与处理器模块Ⅱ、ZigBee收发模块Ⅱ连接为其供电。
所述组网节点2还包括空气质量采集模块。
所述组网节点2还包括空气质量采集模块用于空气质量信息的采集并将处理后的数据通过其ZigBee收发模块Ⅱ发送给其它组网节点2或直接发送给ZigBee网关3。
所述ZigBee网关3包括处理器模块Ⅲ、ZigBee收发模块Ⅲ、通信模块、电源管理模块Ⅲ、数据存储模块，所述处理器模块Ⅲ分别与ZigBee收发模块Ⅲ、通信模块、数据存储模块连接，所述电源管理模块Ⅲ分别与处理器模块Ⅲ、ZigBee收发模块Ⅲ、通信模块连接为其供电。
所述通信模块为以太网通信模块、GPRS通信模块或串行通信模块。
所述控制中心4通过读写串口与ZigBee网关3的通信模块连接实现利用ZigBee通道对各采集节点1进行轮询操作。
所述电源管理模块由外接电源供电。
所述采集节点1、组网节点2和/或ZigBee网关3的处理器模块为CC2530片上系统。
本发明工作原理及工作过程：
本发明采用以ZigBee无线传感器网络为基础的随机部署、自动组网、低成本、低功耗的ZigBee无线通信技术，通过采集节点、组网节点、ZigBee网关间的ZigBee无线通信，可实时采集、传输多种空气质量参数；ZigBee网关通过太网通信模块、GPRS通信模块或串行通信模块与控制中心4连接，实现空气质量的实时监控；而且传感器部署方便，不受地理环境的约束，可以监测大范围水域的空气质量变化情况；采集节点、组网节点和ZigBee网关各部件采用符合工业级标准的器件，在野外恶劣的环境条件下具有较强的适应能力；本发明采用CC2530高性能处理器，提高了数据处理以及数据传输能力，同时增强了系统可靠性并有利于今后的系 统升级和功能更新。综上所述，本发明具有组网灵活、覆盖范围广、成本及功耗低的特点。
如图 1和2所示，空气质量监测系统中有三种节点，分别是采集节点1、组网节点2、ZigBee网关3。采集节点1是网络拓扑结构中的叶节点，仅与它的父节点即组网节点2相互通讯；组网节点2是能够提供路由服务的网络设备，能够实现网络数据包的转发；同时，组网节点2也能够充当采集节点1使用；ZigBee网关3的主要功能是建立网络及接收前两个节点发送来的数据包，控制中心4连接至ZigBee网关3并显示监测数据。在监测区域内部署一定数量的采集节点1和组网节点2，通过自组织方式形成无线网络，以多跳中继方式将采集到的数据传送给ZigBee网关3，ZigBee网关3通过以太网、GPRS或RS-232与上位机相连，最终在控制中心4上动态显示空气质量的监测数据。
Claims (10)
1.一种基于彝族ZigBee无线传感网络的空气质量监测系统，其特征在于包括采集节点（1）、组网节点（2）、ZigBee网关（3）、控制中心（4）；
所述采集节点（1）用于空气质量信息的采集并将处理后的数据通过其ZigBee收发模块Ⅰ发送给组网节点（2）；
所述组网节点（2）通过其ZigBee收发模块Ⅱ与ZigBee网关（3）的ZigBee收发模块Ⅲ连接，用于收集并上传采集节点（1）的数据给ZigBee网关（3），以及将ZigBee网关（3）的命令通告各采集节点（1）；
所述ZigBee网关（3）通过通信模块与控制中心（4）连接，用于将控制区内各组网节点（2）的数据上传给控制中心（4），以及将控制中心（4）的命令传递给各组网节点（2）；
所述控制中心（4）用于处理最终上传数据，并且可以由用户直接下达操作命令给采集节点（1）、组网节点（2）和/或ZigBee网关（3）。
2.根据权利要求1所述空气质量监测系统，其特征在于所述采集节点（1）包括处理器模块Ⅰ、ZigBee收发模块Ⅰ、电源管理模块Ⅰ、空气质量采集模块，所述处理器模块Ⅰ分别与ZigBee收发模块Ⅰ、空气质量采集模块连接，用于采集数据的处理并控制处理后数据的上传及数据接收，所述电源管理模块Ⅰ分别与处理器模块Ⅰ、ZigBee收发模块Ⅰ、空气质量采集模块连接为其供电。
3.根据权利要求2所述空气质量监测系统，其特征在于所述空气质量采集模块包括温湿度监测传感器、气压监测传感器、臭氧监测传感器、二氧化硫监测传感器、二氧化氮监测传感器、一氧化碳监测传感器和/或粉尘监测传感器。
4.根据权利要求1所述空气质量监测系统，其特征在于所述组网节点（2）包括处理器模块Ⅱ、ZigBee收发模块Ⅱ、电源管理模块Ⅱ，所述处理器模块Ⅱ与ZigBee收发模块Ⅱ连接，所述电源管理模块Ⅱ分别与处理器模块Ⅱ、ZigBee收发模块Ⅱ连接为其供电。
5.根据权利要求4所述空气质量监测系统，其特征在于还包括空气质量采集模块用于空气质量信息的采集并将处理后的数据通过其ZigBee收发模块Ⅱ发送给其它组网节点（2）或直接发送给ZigBee网关（3）。
6.根据权利要求1所述空气质量监测系统，其特征在于所述ZigBee网关（3）包括处理器模块Ⅲ、ZigBee收发模块Ⅲ、通信模块、电源管理模块Ⅲ、数据存储模块，所述处理器模块Ⅲ分别与ZigBee收发模块Ⅲ、通信模块、数据存储模块连接，所述电源管理模块Ⅲ分别与处理器模块Ⅲ、ZigBee收发模块Ⅲ、通信模块连接为其供电。
7.根据权利要求1或6所述空气质量监测系统，其特征在于所述通信模块为以太网通信模块、GPRS通信模块或串行通信模块。
8.根据权利要求6所述空气质量监测系统，其特征在于所述控制中心（4）通过读写串口与ZigBee网关（3）的通信模块连接实现利用ZigBee通道对各采集节点（1）进行轮询操作。
9.根据权利要求6所述空气质量监测系统，其特征在于所述电源管理模块由外接电源供电。
10.根据权利要求1所述空气质量监测系统，其特征在于所述采集节点（1）、组网节点（2）和/或ZigBee网关（3）的处理器模块为CC2530片上系统。
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