CN201750563U - 基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置 - Google Patents

基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置 Download PDF

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本实用新型公开了一种基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，包括设置于仓库的测点处的第一无线传感器网络节点～第八无线传感器网络节点，分别被配置为终端节点或路由节点并构成网络，还包括sink节点，所述若干无线传感器节点与sink节点之间通过无线传输，sink节点连接主控计算机，每个所述无线传感器节点包括电源模块、采集模块、数据处理模块和通信模块，所述电源模块分别连接采集模块、数据处理模块和通信模块，所述数据处理模块和通信模块互相连接，所述采集模块的输出与数据处理模块的输入连接。本实用新型可实时、准确、全面了解仓库环境烟雾、温度、湿度等状态。

Description

基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置 
技术领域
本实用新型属于电子信息领域，具体地说涉及一种基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置。 
背景技术
传感器由于体积或成本方面的要求，覆盖范围小、测量精确度较差，单个传感器一般只能覆盖有限的监测区域。若要准确、可靠地监测物理世界必须要综合多个传感器的测量值。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的产生与发展，使得将多种传感器集成为一体，制造小型化、低成本、多功能的传感器节点成为可能。为了实现对物理世界远程监控，每个传感器节点都需要具有将其采集到的监测数据发送给远程监控中心的能力。 
无线传感器网络系统是一种无基础设施的网络，综合了传感器、嵌入式计算、无线通信、分布式信息处理、微电子制造和软件编程等多项技术，是由大量无处不在的具有特定功能的廉价微型传感器节点通过自组织的无线通信方式而形成一个多跳的、自组织监控网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统，能协作地实时监测、感知和采集网络所监控区域内感兴趣的各种环境或监测对象的信息，并对这些监测信息进行处理，获得详尽准确的信息，然后传送给用户终端。 
现有的仓库环境状态监测系统，无论是集中式还是分布式系统，均需要将传感器提供的信号通过相应的有线电缆传输至数据处理中心。使用这种有线网络存在诸多缺点。 
1、由于电缆的限制，不能实现对仓库某特定区域环境参数的接触式检测； 
2、为了能够准确的监测仓库各区域环境参数的变化，需要在各个区域安装多个烟雾传感器、温度传感器、温湿度传感器这样整个仓库内需要安装大量的烟雾传感器、温度传感器、湿度传感器，大量电缆线引出困难，增加了布线成本； 
3、仓储内部的传感器不可避免地会发生老化或出现故障，导致监测参数的损失； 
4、一般的监测系统设计完成后，增加、调整传感器比较困难，传感器配置的改变有可能需要修改系统软件源程序。 
一旦上述情况的发生，就会导致不能实时、准确、全面的了解仓库环境的情况。 
发明内容
本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种能实时、准确、全面了解仓库环境的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测系统。 
本实用新型实现上述目的的技术方案是，一种基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，包括设置于仓库的测点处的第一无线传感器网络节点、第二无线传感器网络节点、第三无线传感器网络节点、第四无线传感器网络节点、第五无线传感器网络节点、第六无线传感器网络节点、第七无线传感器网络节点和第八无线传感器网络节点，分别被配置为终端节点或路由节点并构成网络，其改进点在于：还包括一个sink节点，所述第一无线传感器网络节点、第二无线传感器网络节点、第三无线传感器网络节点、第四无线传感器网络节点、第五无线传感器网络节点、第六无线传感器网络节点、第七无线传感器网络节点、第八无线传感器网络节点与sink节点之间均通过无线相互连接，所述sink节点连接主控计算机，所述第一无线传感器网络节点、第二无线传感器网络节点、第三无线传感器网络节点、第四无线传感器网络节点、第五无线传感器网络节点、第六无线传感器网络节点、第七无线传感器网络节点和第八无线传感器网络节点的硬件组成部分包括第一电源模块、采集模块、第一数据处理模块和第一通信模块，所述第一电源模块分别连接采集模块、第一数据处理模块和第一通信模块，所述第一数据处理模块和第一通信模块互相连接，所述第一通信模块为无线收发模块，所述采集模块的输出与第一数据处理模块的输入连接，所述sink节点包括第二通信模块、第二数据处理模块和第二电源模块，所述第二电源模块分别连接第二数据处理模块和第二通信模块，所述第二数据处理模块和第二通信模块互相连接，所述第二通信模块为无线收发模块。 
所述采集模块由烟雾采集单元、温湿度采集单元和温度采集单元组成。 
所述烟雾采集单元包括烟雾传感器U3、连接电阻R12和电阻R13，所述电阻R12和电阻R13组成分压电路，所述烟雾传感器U3连接有接插件JP1，所述接插件JP1连接第一电源模块。 
所述温湿度采集单元包括数字温湿度集成传感器U4，所述数字温湿度集成传感器分别连接限流电阻R4和滤波电容C11。 
所述温度采集单元包括低压温度传感器U5和滤波电容C。 
所述第一数据处理模块具有2.4GHz射频电路、CPU、ROM存储器、RAM存储器、AES加密算法加速器和储存程序的E2PROM，兼容2.4GHzIEEE802.15.4协议无线收发模块，所述RAM存储器支持网络路由。 
所述第二数据处理模块具有2.4GHz射频电路、CPU、ROM存储器、RAM存储器、AES加密算法加速器和储存程序的E2PROM，兼容2.4GHzIEEE802.15.4协议无线收发模块，所述RAM存储器支持网络路由。 
所述第一电源模块包括开关模块SW3、二极管D5和电池BT1，所述开关模块SW3的输入端接电池BT1的正极且接二极管D5的负极，所述电池 BT1的负极和二极管D5的正极均接地。 
所述第二电源模块包括开关模块SW3、二极管D5和电池BT1，所述开关模块SW3的输入端接电池BT1的正极且接二极管D5的负极，所述电池BT1的负极和二极管D5的正极均接地。 
所述第一通信模块与第一数据处理模块集成在一起，所述第二通信模块与第二数据处理模块集成在一起。 
本实用新型的有益效果是： 
1、采用无线传感器网络技术对仓库环境实施远程、非接触式、网络化和实时在线监测，保障仓库环境处于所需状态，工作人员可通过上网查询，实时了解仓库环境状态，这种监测方式准确、实时、方便且实用性强。由于传感器网络节点数量大，分布密度高，因此传感器网络具有数据采集量大，精度高的特点。传感器网络节点还具有计算能力、存储能力和无线通信能力。 
2、无线传感器网络节点之间能够自组织形成网络，传感器网络节点将采集的数据发送给自己的本簇节点，由本簇节点进行数据处理后再发送给上一级簇头节点，对采集来的数据进行处理，得出所测参数的大小，并通过Sink(无线网关)节点送到主控计算机，仓库环境状态监控中心可以通过主控计算机访问数据，还可以向无线传感器网络发布命令，实现数据的无线传输，监控中心配置主控计算机并运行监控软件为管理员提供对现场仓库环境状态的监测数据查询和操作，实现在线监测与控制。 
3、无线传感器网络允许节点有一定的故障率，网络拓扑结构具有动态性且具有容错能力，一旦有传感器失效，可通过协议来适应网络拓扑结构的动态变化，网络也将自动重新组网，可以在节点间进行协同监控，能够保证监测系统不间断工作。 
附图说明
图1是本实用新型的无线传感器网络节点原理图； 
图2是本实用新型的组网架构图； 
图3是图1中第一电源模块15或第二电源模块15’的电路原理图； 
图4是图1中采集模块14中的烟雾采集单元电路原理图； 
图5为图1中采集模块14中的温湿度采集单元电路原理图； 
图6为图1中采集模块14中的温度采集单元电路原理图。 
图7为sink节点的原理图。 
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细描述。 
如图1～7所示，本实用新型的采集数据的第一无线传感器网络节点1至第八无线传感器网络节点8均安装在仓库内温度、湿度、烟雾等信息采集点处。一种基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，包括设置于仓库的测点处的第一无线传感器网络节点1、第二无线传感器网络节点2、 第三无线传感器网络节点3、第四无线传感器网络节点4、第五无线传感器网络节点5、第六无线传感器网络节点6、第七无线传感器网络节点7和第八无线传感器网络节点8，分别被配置为终端节点或路由节点并构成网络，还包括一个sink节点9，所述第一无线传感器网络节点1、第二无线传感器网络节点2、第三无线传感器网络节点3、第四无线传感器网络节点4、第五无线传感器网络节点5、第六无线传感器网络节点6、第七无线传感器网络节点7、第八无线传感器网络节点8与sink节点9之间均通过无线相互连接，所述sink节点9连接主控计算机10，所述第一无线传感器网络节点1、第二无线传感器网络节点2、第三无线传感器网络节点3、第四无线传感器网络节点4、第五无线传感器网络节点5、第六无线传感器网络节点6、第七无线传感器网络节点7和第八无线传感器网络节点8的硬件组成部分包括第一电源模块15、采集模块14、第一数据处理模块13和第一通信模块12，所述第一电源模块15分别连接采集模块14、第一数据处理模块13和第一通信模块12，所述第一数据处理模块13和第一通信模块12互相连接，所述第一通信模块12为无线收发模块，所述采集模块14的输出与第一数据处理模块13的输入连接，所述sink节点9包括第二通信模块12’、第二数据处理模块13’和第二电源模块15’，所述第二电源模块15’分别连接第二数据处理模块13’和第二通信模块12’，所述第二数据处理模块13’和第二通信模块12’互连，所述第二通信模块12’为无线收发模块。 
所述采集模块14由烟雾采集单元、温湿度采集单元和温度采集单元组成。 
所述烟雾采集单元包括烟雾传感器U3、连接电阻R12和电阻R13，所述电阻R12和电阻R13组成分压电路，所述烟雾传感器U3连接有接插件JP1，所述接插件JP1连接第一电源模块15。 
所述温湿度采集单元包括数字温湿度集成传感器U4，所述数字温湿度集成传感器分别连接限流电阻R4和滤波电容C11。 
所述温度采集单元包括低压温度传感器U5和滤波电容C。 
所述第一数据处理模块13具有2.4GHz射频电路、CPU、ROM存储器、RAM存储器、AES加密算法加速器和储存程序的E2PROM，兼容2.4GHzIEEE802.15.4协议无线收发模块，所述RAM存储器支持网络路由。 
所述第二数据处理模块13’具有2.4GHz射频电路、CPU、ROM存储器、RAM存储器、AES加密算法加速器和储存程序的E2PROM，兼容2.4GHzIEEE802.15.4协议无线收发模块，所述RAM存储器支持网络路由。 
所述第一电源模块15包括开关模块SW3、二极管D5和电池BT1，所述开关模块SW3的输入端接电池BT1的正极且接二极管D5的负极，所述电池BT1的负极和二极管D5的正极均接地。 
所述第二电源模块15’包括开关模块SW3、二极管D5和电池BT1，所述开关模块SW3的输入端接电池BT1的正极且接二极管D5的负极，所述 电池BT1的负极和二极管D5的正极均接地。 
所述第一通信模块12与第一数据处理模块13集成在一起，所述第二通信模块12’与第二数据处理模块13’集成在一起。可选用集数据处理模块与通信模块于一体的型号为JN5139的芯片。 
所述数据处理模块13中的芯片集成一个32位处理器，具有2.4GHz射频电路和MAC协议的CPU，兼容2.4GHz IEEE802.15.4协议无线收发模块，内置的ROM存储集成了点对点通信和网状网络通信的完整协议，内置的RAM存储可支持网络路由，储存程序的E2PROM，通信模块12为无线发送模块，为Sink(无线网关)节点通信模块。内置的RAM存储可支持网络路由和控制器功能，内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器减小功耗和处理器的负载。 
上述节点装置的各数据采集节点按无线传感器网络构建，不需要从检测点铺设通信电缆至监控中心，网络具有容错能力，允许无线传感器网络节点有一定的故障率，一旦有传感器失效，网络将自动重新组网，能够保证监测装置不间断工作。 
现场数据采集节点之间，主要通过多跳式路由通信方式传输和转发控制命令以及各采集节点的参数信息及节点位置信息，现场数据采集节点具有自动获得最佳路由的算法和路由表的动态建立。可以通过第三方网关设备无缝介入公网，实现控制中心和现场节点的远程通信。 
如图2所示，现场的第一无线传感器网络节点1～第八无线传感器网络节点8分别被配置为一定数目的终端节点或路由节点，并构成网络，将各第一无线传感器网络节点1～第八无线传感器网络节点8安装在仓库的测点处，各第一无线传感器网络节点1～第八无线传感器网络节点8搜集监测区域的温度、湿度、烟雾等信息，终端节点主要负责数据的采集，路由节点负责数据的中转和传输，第一无线传感器网络节点1～第八无线传感器网络节点8与Sink节点9之间通过无线传输，将所有第一无线传感器网络节点1～第八无线传感器网络节点8采集的数据汇总传输到Sink节点9，然后通过Sink节点9将数据上传至与其连接的主控计算机10。各终端节点可以自动根据网络情况进行调整，并获得最佳的路由传输路径，确保数据的可靠传输。Sink节点9获取的数据发送到主控计算机10，由主控中心进行统一的数据处理和管理调度等工作。 
如图3，本装置采用电池供电，通过电源BTI的ps7s533芯片进行稳压，并在电池接入端并联一个二极管D5防止电池反接烧毁电路。参照图4，采集模块14由烟雾采集单元、温湿度采集单元和温度采集单元组成。 
如图4所示，烟雾采集主要采用烟雾传感器U3，U3连接接插件JP1，为烟雾传感器U3提供电源，该类型传感器还可以同时采集丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等，通过电阻R的分压，将输出的模拟电压信号送至与其连接的处理模块的ADC4进行标定，再通过相应的转换公式计算，求得采集到 的烟雾含量。所述烟雾传感器可选用MQ-2型号。 
如图5所示，温湿度采集电路采用数字温湿度集成传感器U4，U4采集到的温湿度值通过2引脚送到处理模块的DIO12引脚，完成数据传输。所述数字温湿度集成传感器可选用SHT10型号。 
如图6所示，温度采集电路主要采用低压温度采集传感器U5，U5将采集到的模拟温度信号送至与其连接的处理模块的ADC1进行标定。所述低压温度采集传感器可选用TMP36GZ型号。 
数据处理模块、通信模块、数据采集模块中的数字温湿度集成传感器和低压温度传感器的工作电源可由两节AA电池提供(约为2.7V-3V)；数据采集模块中的烟雾传感器的工作电压为5V，使用升压电路例如使用MAX756升压芯片，把两节AA电池的电压(约3V)升至5V，再运用稳压二极管IN5817使得输出电压为5V。 

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，包括设置于仓库的测点处的第一无线传感器网络节点(1)、第二无线传感器网络节点(2)、第三无线传感器网络节点(3)、第四无线传感器网络节点(4)、第五无线传感器网络节点(5)、第六无线传感器网络节点(6)、第七无线传感器网络节点(7)和第八无线传感器网络节点(8)，分别被配置为终端节点或路由节点并构成网络，其特征在于：还包括一个sink节点(9)，所述第一无线传感器网络节点(1)、第二无线传感器网络节点(2)、第三无线传感器网络节点(3)、第四无线传感器网络节点(4)、第五无线传感器网络节点(5)、第六无线传感器网络节点(6)、第七无线传感器网络节点(7)、第八无线传感器网络节点(8)与sink节点(9)之间均通过无线相互连接，所述sink节点(9)连接主控计算机(10)，所述第一无线传感器网络节点(1)、第二无线传感器网络节点(2)、第三无线传感器网络节点(3)、第四无线传感器网络节点(4)、第五无线传感器网络节点(5)、第六无线传感器网络节点(6)、第七无线传感器网络节点(7)和第八无线传感器网络节点(8)的硬件组成部分包括第一电源模块(15)、采集模块(14)、第一数据处理模块(13)和第一通信模块(12)，所述第一电源模块(15)分别连接采集模块(14)、第一数据处理模块(13)和第一通信模块(12)，所述第一数据处理模块(13)和第一通信模块(12)互相连接，所述第一通信模块(12)为无线收发模块，所述采集模块(14)的输出与第一数据处理模块(13)的输入连接，所述sink节点(9)包括第二通信模块(12’)、第二数据处理模块(13’)和第二电源模块(15’)，所述第二电源模块(15’)分别连接第二数据处理模块(13’)和第二通信模块(12’)，所述第二数据处理模块(13’)和第二通信模块(12’)互相连接，所述第二通信模块(12’)为无线收发模块。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述采集模块(14)由烟雾采集单元、温湿度采集单元和温度采集单元组成。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述烟雾采集单元包括烟雾传感器U3、连接电阻R12和电阻R13，所述电阻R12和电阻R13组成分压电路，所述烟雾传感器U3连接有接插件JP1，所述接插件JP1连接第一电源模块(15)。
4.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述温湿度采集单元包括数字温湿度集成传感器U4，所述数字温湿度集成传感器分别连接限流电阻R4和滤波电容C11。
5.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述温度采集单元包括低压温度传感器U5和滤波电容C。
6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测 节点装置，其特征在于：所述第一数据处理模块(13)具有2.4GHz射频电路、CPU、ROM存储器、RAM存储器、AES加密算法加速器和储存程序的E2PROM，兼容2.4GHz IEEE802.15.4协议无线收发模块，所述RAM存储器支持网络路由。
7.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述第二数据处理模块(13’)具有2.4GHz射频电路、CPU、ROM存储器、RAM存储器、AES加密算法加速器和储存程序的E2PROM，兼容2.4GHz IEEE802.15.4协议无线收发模块，所述RAM存储器支持网络路由。
8.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述第一电源模块(15)包括开关模块SW3、二极管D5和电池BT1，所述开关模块SW3的输入端接电池BT1的正极且接二极管D5的负极，所述电池BT1的负极和二极管D5的正极均接地。
9.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述第二电源模块(15’)包括开关模块SW3、二极管D5和电池BT1，所述开关模块SW3的输入端接电池BT1的正极且接二极管D5的负极，所述电池BT1的负极和二极管D5的正极均接地。
10.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的仓库环境状态在线监测节点装置，其特征在于：所述第一通信模块(12)与第一数据处理模块(13)集成在一起，所述第二通信模块(12’)与第二数据处理模块(13’)集成在一起。 
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