CN108963359A - 一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括至少一个NI WSN节点、NI网关、温度采集模块、可变电压源、干电池组以及上位机，NI网关通过可变电压源进行供电，NI WSN节点通过干电池组进行供电，NI WSN节点用于采集干电池组的电流以及电压，温度采集模块用于采集干电池组的当前温度状态，NI WSN节点采集的电流及电压和温度采集模块采集的温度均通过NI网关发送到上位机内，再通过上位机内的软件系统进行换算后通过可视化界面显示在上位机的显示屏上。能够解决现有无线传感器网络在工作时，WSN节点由于电池原因发生故障的问题，检测精度高，安全性能强。

Description

一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络及监控系统，具体涉及一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统。

背景技术

随着网络技术的日趋成熟，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)作为计算、通信和传感器各项技术相结合的产物，提升了人类在信息获取、传输和处理方面的能力。无线传感器网络的使用方面非常之多，尤其是在环境、人体健康以及农业监控方面有着重要的作用。但是无线传感器网络数据采集的节点通常使用的都是干电池组，因此时常出现电池没电或者电池温度过高影响传感器节点使用等等情况。所以无线传感器网络除了需要采集并监控外在的信息之外，还需要一套可以监控本身传感器网络节点电池监控系统，以保证传感器网络的完整和正常使用。我们判断干电池组的工作状态通常通过干电池组的电压、电流(或者内阻抗)以及干电池组的温度，所以我们采集各个节点干电池组的这三种参数即可判断干电池组的状态。

美国国家仪器公司在无线传感网络技术与产品方面做得非常出色，其传感器节点简单易用、可靠、性价比高。我们基于NI公司的WSN节点，提供了WSN节点电池电量自监控系统。

发明内容

为了解决现有技术中存在的某种或某些技术问题，本发明提供一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，能够解决现有无线传感器网络在工作时，WSN节点由于电池原因发生故障的问题，结构简单，操作简便，控制方便，检测精度高，安全性能强。

为解决上述现有的技术问题，本发明采用如下方案：

一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括至少一个NI WSN节点、NI网关、温度采集模块、可变电压源、干电池组以及上位机，所述NI网关通过所述可变电压源进行供电，所述NI WSN节点通过所述干电池组进行供电，所述NI WSN节点用于采集所述干电池组的电流以及电压，所述温度采集模块用于采集所述干电池组的当前温度状态，所述NI WSN节点采集的电流及电压和所述温度采集模块采集的温度均通过所述NI网关发送到所述上位机内，再通过所述上位机内的所述软件系统进行换算后通过可视化界面显示在所述上位机的显示屏上。

进一步地，所述NI WSN节点为NI WSN—3202模拟输出节点、NI WSN—3214可编程桥路和应变计节点、NI WSN—3226可编程电压/RTD组合节点、NI WSN—3230可编程单端口RS232节点、NI WSN—3212热电偶输入节点和NI WSN—3231可编程单端口RS485节点中的一种，所述NI WSN节点为2～6个，其中一个所述NI WSN节点为NI WSN—3212热电偶输入节点，所述NI WSN—3212热电偶输入节点用于采集多个其他所述NI WSN节点以及自身的干电池组的状态。

进一步地，所述温度采集模块为J型热电偶，多个所述J型热电偶分别采集各所述NI WSN节点的温度，所述温度采集模块与所述NI WSN—3212热电偶输入节点的引脚连接。

进一步地，所述NI WSN—3212热电偶输入节点可以采集自身包括其他所述NI WSN节点中的所述干电池组的温度。

进一步地，所述NI网关为NI WSN—9791网关，所述NI网关采用以太网将各个所述NI WSN节点采集到的电压、电流、温度信号进行汇总，发送给上位机。

进一步地，所述可变电压源的输出电压为12V稳压电源。

进一步地，所述软件系统包括基于NI WSN—15.0开发环境下的labVIEW软件和具有报警功能的电池自监控系统，所述电池自监控系统包括电池组电压监控和报警、电池组电流监控和报警、以及电池组温度监控和报警。

进一步地，所述labVIEW软件在所述上位机的显示器上显示界面步骤如下：步骤一、用户登录界面，所述用户登录界面上包含有用户在所述用户登录界面输入正确的账号及密码；

步骤二、电池状态监控界面，所述用户登录录界面登录成功后方可进入所述电池状态监控界面，所述电池自监控系统中采集的数据通过所述电池状态监控界面显示在所述上位机的显示屏上。

进一步地，所述电池状态监控界面包括用于设定所述干电池组的电压、电流和温度上下限阈值的设置界面、用于对各所述NI WSN节点的电压、电流、温度当前检测数据进行分别显示的检测界面，各所述NI WSN节点的上下限性能阈值输入所述设置界面中进行设定，所述检测界面中显示的值与所述设置界面中的值进行对比，如果采集到的电压、电流和温度这三者的数值高于或者低于所述设置界面设定的阈值时，所述电池自监控系统中的报警模块就会发出报警以便提醒用户。

进一步地，所述电池组电压监控和报警、电池组电流监控和报警以及电池组温度监控和报警中的所述报警报均包通过其控制的报警器和显示在界面上的安全指示灯，当采集到的电压、电流和温度这三者的数值高于或者低于所述设置界面设定的阈值时，所述警报器会响起报警以提醒用户，所述警报器包括三种不同分贝或者音调的声音，分别对应电压、电流、温度报警信号，所述安全指示灯为双色，如果各所述NI WSN节点采集的数值位于正常范围时，安全指示灯为绿色，若出现异常，安全指示灯为变红，所述电池状态监控界面还包括时间显示界面。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

现有的无线传感器网络不具有节点电池组状态监控，直到节点出现故障，用户才能够发现，本发明很好的弥补了这一空缺，让用户在使用无线传感器网络时，避免因为干电池组发生故障，导致节点停止工作，且可以很好的对状态不好的节点进行更换电池，以及停止无线传感器网络使用，进行降温，监控界面直观明了，并且配合异常指示灯以及各自的报警声，用户可以很清楚迅速的发现并解决故障。

附图说明

图1为本发明专利的硬件系统的结构示意图；

图2为本发明专利NI WSN—3212热电偶输入节点的结构图；

图3为本发明专利的用户登录界面示意图；

图4为本发明专利的电池状态监控界面示意图；

图5为本发明专利的监控系统程序图；

图6为本发明专利软件系统的结构示意图；

图中：干电池组1、NI WSN—3212热电偶输入节点2、NI WSN—3231可编程单端口RS485节点3、NI WSN—3230可编程单端口RS232节点4、NI WSN—3226可编程电压/RTD组合节点5、NI WSN—3214可编程桥路和应变计节点6、NI WSN—3202模拟输出节点7、NI WSN节点8、可变电压源9、上位机10、NI网关11、温度采集模块12、用户登录界面13、电池状态监控界面14、时间显示界面15、检测界面16、设置界面17、安全指示灯18、以及电池组温度监控和报警19、电池组电流监控和报警20、电池组电压监控和报警21。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1～6所述，一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括至少一个NI WSN节点8、NI网关11、温度采集模块12、可变电压源9、干电池组1以及上位机10，所述NI网关11通过所述可变电压源9进行供电，所述NI WSN节点8通过所述干电池组1进行供电，所述NI WSN节点8用于采集所述干电池组1的电流以及电压，所述温度采集模块12用于采集所述干电池组1的当前温度状态，所述NI WSN节点8采集的电流及电压和所述温度采集模块12采集的温度均通过所述NI网关11发送到所述上位机10内，再通过所述上位机10内的所述软件系统进行换算后通过可视化界面显示在所述上位机10的显示屏上；所述NI WSN节点8为NI WSN—3202模拟输出节点7、NI WSN—3214可编程桥路和应变计节点6、NI WSN—3226可编程电压/RTD组合节点5、NI WSN—3230可编程单端口RS232节点4、NI WSN—3212热电偶输入节点2和NI WSN—3231可编程单端口RS485节点3中的一种，所述NI WSN节点8为2～6个，其中一个所述NI WSN节点8为NI WSN—3212热电偶输入节点2，所述NI WSN—3212热电偶输入节点2用于采集多个其他所述NI WSN节点8以及自身的干电池组1的状态；所述温度采集模块12为J型热电偶，多个所述J型热电偶分别采集各所述NI WSN节点8的温度，所述温度采集模块12与所述NI WSN—3212热电偶输入节点2的引脚连接；所述NI WSN—3212热电偶输入节点2可以采集自身包括其他所述NI WSN节点8中的所述干电池组1的温度；所述NI网关11为NI WSN—9791网关，所述NI网关11采用以太网将各个所述NI WSN节点8采集到的电压、电流、温度信号进行汇总，发送给上位机10；所述可变电压源9的输出电压为12V稳压电源；所述软件系统包括基于NI WSN—15.0开发环境下的labVIEW软件和具有报警功能的电池自监控系统，所述电池自监控系统包括电池组电压监控和报警21、电池组电流监控和报警20、以及电池组温度监控和报警19；所述labVIEW软件在所述上位机10的显示器上显示界面步骤如下：步骤一、用户登录界面13，所述用户登录界面13上包含有用户在所述用户登录界面13输入正确的账号及密码；步骤二、电池状态监控界面14，所述用户登录录界面13登录成功后方可进入所述电池状态监控界面14，所述电池自监控系统中采集的数据通过所述电池状态监控界面14显示在所述上位机10的显示屏上；所述电池状态监控界面14包括用于设定所述干电池组1的电压、电流和温度上下限阈值的设置界面17、用于对各所述NI WSN节点8的电压、电流、温度当前检测数据进行分别显示的检测界面16，各所述NI WSN节点8的上下限性能阈值输入所述设置界面17中进行设定，所述检测界面16中显示的值与所述设置界面17中的值进行对比，如果采集到的电压、电流和温度这三者的数值高于或者低于所述设置界面17设定的阈值时，所述电池自监控系统中的报警模块就会发出报警以便提醒用户；所述电池组电压监控和报警21、电池组电流监控和报警20以及电池组温度监控和报警19中的所述报警报均包通过其控制的报警器和显示在界面上的安全指示灯18，当采集到的电压、电流和温度这三者的数值高于或者低于所述设置界面17设定的阈值时，所述警报器会响起报警以提醒用户，所述警报器包括三种不同分贝或者音调的声音，分别对应电压、电流、温度报警信号，所述安全指示灯18为双色，如果各所述NI WSN节点8采集的数值位于正常范围时，安全指示灯18为绿色，若出现异常，安全指示灯18为变红，所述电池状态监控界面14还包括时间显示界面15。

在实际使用过程中，基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统由硬件系统和软件系统两块组成，其中硬件系统包括了至少一个NI WSN节点8、NI网关11、温度采集模块12、可变电压源9、干电池组1以及上位机10，其中每个NI WSN节点8均通过干电池组1进行供电，而NI网关11通过可变电压源9进行供电，NI WSN节点8具有自监控功能，能够实时对各自的干电池组1的电压和电流进行检测，同时与温度采集模块12配合，通过温度采集模块12对各干电池组1进行温度的检测，所述NI WSN节点8采集的电流及电压和所述温度采集模块12采集的温度均通过所述NI网关11汇总后再发送软件系统，最后在Windows开发环境下，利用NI所研发的LabVIEW编程语言进行可视化界面编程设计，进而通过所述上位机10进行显示给用户，所述上位机10为笔记本电脑、平板电脑或者台式机，软件系统方面选取labVIEW2012版本、NI WSN—15.0开发环境以及设计的电池自监控系统，所述的LabVIEW2012是NI公司开发的编程语言，在上位机10上通过LabVIEW对整个无线传感器网络及监控，并设计可视化监控界面，对数据进行分组，实现数据的直观化、便捷化，所述的NI WSN—15.0开发环境是LabVIEW针对无线传感器网络开发的编程环境，安装之后可以在LabVIEW上对各节点串口进行编程，从而实现了实现数据的采集、传输、处理和控制等功能，实现节点功能的直观化、分组管理的便捷化，干电池组1为4节5号干电池一组。

进一步的，所述NI WSN节点8为NI WSN—3202模拟输出节点7、NI WSN—3214可编程桥路和应变计节点6、NI WSN—3226可编程电压/RTD组合节点5、NI WSN—3230可编程单端口RS232节点4、NI WSN—3212热电偶输入节点2和NI WSN—3231可编程单端口RS485节点3中的一种，所述NI WSN节点8为2～6个，其中一个所述NI WSN节点8为NI WSN—3212热电偶输入节点2，采用多个NI WSN节点8时，所述NI WSN—3212热电偶输入节点2用于采集多个其他所述NI WSN节点8以及自身的干电池组1的状态，用型号为NI WSN—3212的热电偶输入节点对其他节点的温度进行采集，一个WSN—3212热电偶输入节点可以采集多个其他型号的节点以及自身干电池组1的状态，每一个节点采集自身的电池组的电流以及电压，最后在Windows开发环境下，利用NI所研发的LabVIEW编程语言进行可视化界面编程设计，实现数据的采集、传输、处理和控制等功能，实现节点功能的直观化、分组管理的便捷化。

进一步的，所述NI WSN节点8为6个时，六种节点均可以采集自身的电流和电压，NIWSN—3212热电偶输入节点2可以采集自身包括其他节点电池组的温度，各个节点将采集的电压、电流以及温度信号发送给NI网关11，由NI网关11将所有信息汇总后发送给系统信息数据处理，现有的无线传感器网络不具有节点电池组状态监控，直到节点出现故障，用户才能够发现。本发明很好的弥补了这一空缺，让用户在使用无线传感器网络时，避免因为干电池组1发生故障，导致节点停止工作。可以很好的对状态不好的节点进行更换电池，以及停止无线传感器网络使用，进行降温。本监控界面直观明了，并且配合异常指示灯以及各自的报警声，用户可以很清楚迅速的发现并解决故障。

进一步的，所述NI网关11的信号为NI WSN—9791网关，需要12V电源进行供电，通过以太网将各个NI WSN节点8采集到的电压、电流、温度信号进行汇总，并发送给上位机10，稳定性更好，传输速度更快。

进一步的，对于温度采集模块12选用J型热电偶，当温度采集模块12为J型热电偶时，多个所述J型热电偶可分别采集各所述NI WSN节点8的温度，所述温度采集模块12与所述NI WSN—3212热电偶输入节点2的引脚连接，采用J型热电偶具有线性度好、灵敏度较高、稳定性和均匀性较好、价格便宜等优势。NI WSN—3212热电偶输入节点2配合J型热电偶采集所有节点电池组温度信号，传送给WSN-9791网关，网关将信号汇总，通过以太网将信息传送给上位机10，在上位机10上我们使用labVIEW进行编程和系统界面设计，实现WSN节点干电池组1自监控功能。NI WSN—3212热电偶输入节点2中TC0+(1)、TC0-(2)连接一个J型热电偶，一个J型热电偶采集一个NI WSN节点8电池组的温度，TC1+、TC1-，TC2+、TC2-等等引脚也是同样步骤。

进一步的，所述电池自监控系统包括电池组电压监控和报警21、电池组电流监控和报警20、以及电池组温度监控和报警19，其中的报警为报警模块，具有报警功能，电池自监控系统通过labVIEW软件可视化的显示在了上位机10上，其中在上位机10的显示器上显示界面步骤如下：步骤一、用户登录界面13，所述用户登录界面13上包含有用户在所述用户登录界面13输入正确的账号及密码；输入正确的账户和密码后可进入第二步，步骤二为电池状态监控界面14，所述用户登录录界面13登录成功后方可进入所述电池状态监控界面14，所述电池自监控系统中采集的数据通过所述电池状态监控界面14显示在所述上位机10的显示屏上。

其中所述的电池状态监控界面14包括用于设定所述干电池组1的电压、电流和温度上下限阈值的设置界面17、通过设置界面17用户可以输入所述NI WSN节点8的电压、电流、温度的上下限阈值，而检测界面16用于将各所述NI WSN节点8的电压、电流和温度的检测数据可视化的显示在当前界面中，并通过系统进行自动对比，当任意一个NI WSN节点8的三个检测数值大于或者小于设置界面17设定的值时，通过其对应的报警器和安全指示灯18进行报警提示，以便提醒用户，让用户第一时间了解是哪个参数发生了问题。

其中所述警报器响起报警以提醒用户时，警报器包括三种不同分贝或者音调的声音，分别对应电压、电流、温度报警信号，以便用户通过声音进行直观的快速判断，从而做出最快的有效措施，所述安全指示灯18为双色，如果各所述NI WSN节点8采集的数值位于正常范围时，安全指示灯18为绿色，若出现异常，安全指示灯18为变红，更符合人体习惯报警器和安全指示灯18的组合，能够很迅速的找出是发生故障的节点，以及节点三个参数中哪一个参数发生了故障，所述电池状态监控界面14还包括时间显示界面15，能够很好的和其他两个界面配合。

现有的无线传感器网络不具有节点电池组状态监控，直到节点出现故障，用户才能够发现。本发明很好的弥补了这一空缺，让用户在使用无线传感器网络时，避免因为干电池组1发生故障，导致节点停止工作。可以很好的对状态不好的节点进行更换电池，以及停止无线传感器网络使用，进行降温。本监控界面直观明了，并且配合异常指示灯以及各自的报警声，用户可以很清楚迅速的发现并解决故障。

其中图5为基于LabVIEW的NI WSN节点电池自监控系统程序图，由于每个节点都会有相应的102、103和104部分，本申请没有足够的空间去完全展示，所以选择了一个节点的程序图。101时间显示、102电压采集、103温度采集、104电流采集，这里本申请把三个参数的上下限也放入与三者当前数值进行比较，当当前数值大于或者小于上下限，就会进入启动警报声步骤，警报声响起。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：所述硬件系统包括至少一个NI WSN节点、NI网关、温度采集模块、可变电压源、干电池组以及上位机，所述NI网关通过所述可变电压源进行供电，所述NI WSN节点通过所述干电池组进行供电，所述NI WSN节点用于采集所述干电池组的电流以及电压，所述温度采集模块用于采集所述干电池组的当前温度状态，所述NI WSN节点采集的电流及电压和所述温度采集模块采集的温度均通过所述NI网关发送到所述上位机内，再通过所述上位机内的所述软件系统进行换算后通过可视化界面显示在所述上位机的显示屏上。

2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述NI WSN节点为NI WSN—3202模拟输出节点、NI WSN—3214可编程桥路和应变计节点、NIWSN—3226可编程电压/RTD组合节点、NI WSN—3230可编程单端口RS232节点、NI WSN—3212热电偶输入节点和NI WSN—3231可编程单端口RS485节点中的一种，所述NI WSN节点为2～6个，其中一个所述NI WSN节点为NI WSN—3212热电偶输入节点，所述NI WSN—3212热电偶输入节点用于采集多个其他所述NI WSN节点以及自身的干电池组的状态。

3.根据权利要求2所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述温度采集模块为J型热电偶，多个所述J型热电偶分别采集各所述NI WSN节点的温度，所述温度采集模块与所述NI WSN—3212热电偶输入节点的引脚连接。

4.根据权利要求4所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述NI WSN—3212热电偶输入节点可以采集自身包括其他所述NI WSN节点中的所述干电池组的温度。

5.根据权利要求3所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述NI网关为NI WSN—9791网关，所述NI网关采用以太网将各个所述NI WSN节点采集到的电压、电流、温度信号进行汇总，发送给上位机。

6.根据权利要求5所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述可变电压源的输出电压为12V稳压电源。

7.根据权利要求5所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述软件系统包括基于NI WSN—15.0开发环境下的labVIEW软件和具有报警功能的电池自监控系统，所述电池自监控系统包括电池组电压监控和报警、电池组电流监控和报警、以及电池组温度监控和报警。

8.根据权利要求7所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述labVIEW软件在所述上位机的显示器上显示界面步骤如下：

步骤一、用户登录界面，所述用户登录界面上包含有用户在所述用户登录界面输入正确的账号及密码；

步骤二、电池状态监控界面，所述用户登录录界面登录成功后方可进入所述电池状态监控界面，所述电池自监控系统中采集的数据通过所述电池状态监控界面显示在所述上位机的显示屏上。

9.根据权利要求8所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述电池状态监控界面包括用于设定所述干电池组的电压、电流和温度上下限阈值的设置界面、用于对各所述NI WSN节点的电压、电流、温度当前检测数据进行分别显示的检测界面，各所述NI WSN节点的上下限性能阈值输入所述设置界面中进行设定，所述检测界面中显示的值与所述设置界面中的值进行对比，如果采集到的电压、电流和温度这三者的数值高于或者低于所述设置界面设定的阈值时，所述电池自监控系统中的报警模块就会发出报警以便提醒用户。

10.根据权利要求9所述的一种基于LabVIEW的WSN节点电池自监控系统，其特征在于：所述电池组电压监控和报警、电池组电流监控和报警以及电池组温度监控和报警中的所述报警报均包通过其控制的报警器和显示在界面上的安全指示灯，当采集到的电压、电流和温度这三者的数值高于或者低于所述设置界面设定的阈值时，所述警报器会响起报警以提醒用户，所述警报器包括三种不同分贝或者音调的声音，分别对应电压、电流、温度报警信号，所述安全指示灯为双色，如果各所述NI WSN节点采集的数值位于正常范围时，安全指示灯为绿色，若出现异常，安全指示灯为变红，所述电池状态监控界面还包括时间显示界面。