CN201869373U - 大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置 - Google Patents

大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置 Download PDF

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吴明赞
杨立新
徐随山
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Abstract

大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置，包括Zigbee通信模块、微处理器模块、远程数据获取模块和电源模块，Zigbee通信模块、远程数据获取模块分别与微处理器模块双向连接，电源模块向其余三个模块提供电源。本实用新型可广泛应用于大面积水产养殖水质监测无线传感器网络网关节点，自身提供不间断电源，可以大大地提高特大面积水质监测无线传感器网络传输速率，可靠性高，实时传输，同时满足低功耗的要求。

Description

大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置
技术领域
本实用新型应用于江河、湖泊与水库等特大面积水产养殖水质监测，为一种大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置。
背景技术
在特大面积水产养殖的水质监测中，由于要同时且实时监测水产养殖中水质的温度、PH值、电导率（盐分），硝酸根离子浓度，氨根离子浓度，化学需氧量（BOD）与生物化学需氧量七种参数，当监测点布置的无线传感器节点数目达到一定数量时，必须提高网关节点的传输速度，增强网关节点的可靠性与抗干扰能力。
发明内容
    本实用新型要解决的问题是：大面积水质监测无线传感器网络需要具有高传输速度、高可靠性以及抗干扰能力的网关节点。
本实用新型的技术方案为：大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置，包括Zigbee通信模块、微处理器模块、远程数据获取模块和电源模块，Zigbee通信模块、远程数据获取模块分别与微处理器模块双向连接，电源模块向其余三个模块提供电源。
电源模块包括太阳能光电池、风能发电机、锂电池、超级电容器和超级电容器开关电路，太阳能光电池连接锂电池、Zigbee通信模块、微处理器模块和远程数据获取模块，锂电池连接Zigbee通信模块、微处理器模块和远程数据获取模块；风力发电机连接超级电容器，超级电容器通过超级电容器开关电路连接锂电池、Zigbee通信模块、微处理器模块和远程数据获取模块。
超级电容器开关电路由开关切换电路、超级电容器放电升压电路、超级电容器电压比较电路和单片机电路，超级电容器的输出端通过超级电容器电压比较电路连接单片机电路，单片机电路的输出连接开关切换电路的输入，超级电容器通过开关切换电路、超级电容器放电升压电路连接锂电池和Zigbee通信模块、微处理器模块和远程数据获取模块。
微处理器模块采用ARM9处理器为微处理器，远程数据获取模块由GPRS芯片构成。
本实用新型可广泛应用于大面积水产养殖水质监测无线传感器网络网关节点，它有如下的积极效果。
1）采用ARM9为微处理器设计的无线传感器网络的网关节点，可以大大地提高特大面积水质监测无线传感器网络传输速率；
2）本实用新型可以实现自供电，以太阳能光电池为主能源进行供电，同时向锂电池充电，以微型风力发电机作为辅助能源，向超级电容器充电，当超级电容器两端电压达到高阈值电压时开始作为主能源向网关节点供电，并快速地向锂电池充电。
3）提出基于GPRS的无线传感器网关节点的设计方案，能够使获得监测数据的成本低，可靠性高，实时传输，同时满足低功耗的要求。
附图说明
图1为本实用新型结构框图。
图2为本实用新型电源模块的示意图。
具体实施方式
如图1，本实用新型包括Zigbee通信模块1、微处理器模块2、远程数据获取模块3和电源模块4，Zigbee通信模块1、远程数据获取模块3分别与微处理器模块2双向连接，电源模块4向其余三个模块提供电源。
本实用新型由Zigbee通信模块1接收水质监测无线传感器传输来的水质参数数据，该模块主要由CC 2430射频收发模块为主组成，CC2430内嵌入固化的Zigbee协议，将接收到的数据送入微处理器模块2，处理器选用ARM9处理器，处理器应用Linux操作系统，处理器驱动远程数据获取模块3，远程数据获取模块3由GPRS芯片构成，实现与Internet网联接。电源模块4负责供给各组成模块的电源，保证其正常工作，该模块由太阳能光伏电池和风能发电机组成的双生能器件以及由锂电池和超级电容器组成的双储能器件，电源模块除保证网关节点正常工作外，还高效、合理将能量进行存储，实现网关节点的长寿命工作。
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的描述。
Zigbee通信模块1选用CC 2430射频收发器，CC2430芯片采用了CC 2420收发模块的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32KB/64KB/128KB可编程内存和8KB的RAM，还包括模拟数字转换器（8个ADC），多个定时器（Timer），AES-128协同处理器，看门狗定时器（watchdog-timer），32KHZ晶振的休眠模式定时器，上电复位电路（Power-on-Reset），掉电检测电路（Brow-out-Detection），以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用CMOS工艺生产，工作时电流损耗为27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的场合应用。外围电路参考图详见该芯片的数据手册。
微处理器模块2选用Atmel公司的一款内嵌32位ARM920T核的高速ARM处理器AT91RM9200作为中心处理器，具有高性能、低功耗、低成本特点，其指令处理速度可以高达200MI/s（兆指令/秒），能满足无线传感器网关节点的高速传输要求，它又是一款工业级微控制器，能够适应网关节点在工作环境恶劣的要求，保证网关节点工作的稳定性。同时AT91RM9200上可以移植标准的Linux操作系统，减少了网关节点软件的开发难度并增强了它的可移植性，有利于软件的二次开发。
远程数据获取模块3将网络中的数据及时可靠地传到监控中心，本实用新型采用GPRS（通用分组无线业务）实现与Internet网络联接，该方式具有永远在线、快速登陆、按流量计费等优势。实施例中采用Simoom公司生产的GPRS通信芯片SIM100E，该芯片具有标准的AT命令接口，为GSM语言、短信息以及GPRS数据业务提供无线接口。其提供速率为300-115200bit/s。通过标准RS-232串口，使用AT命令完成对模块的操作，实现数据的无线拨号GPRS连接。
电源模块4包括太阳能光电池5、风能发电机6、锂电池7、超级电容器14和超级电容器开关电路，超级电容器开关电路由开关切换电路13、超级电容器放电升压电路10、超级电容器电压比较电路12和单片机电路11六部分组成，如图 2 所示，太阳能光电池5连接锂电池7，并通过稳压电路9向本实用新型其它模块供电，锂电池7连接本实用新型其它模块；风力发电机6连接超级电容器14，超级电容器14通过超级电容器开关电路连接锂电池7和本实用新型其它模块，超级电容器开关电路中，超级电容器14连接超级电容器电压比较电路12和开关切换电路13，超级电容器电压比较电路12连接单片机电路11，单片机电路11控制开关切换电路13的通断，超级电容器14的电能通过开关切换电路13、超级电容器放电升压电路10提供给锂电池7或本实用新型其它模块。
电源模块4的工作原理为：当有太阳光时，太阳能光电池5通过稳压电路9为本实用新型的其它模块供电，同时将多余的能量存储到锂电池7中。风能发电机6输出的能量向超级电容器14充电。随着超级电容器14中电量的增多，其两端的电压不断升高，当电压达到超级电容器电压比较电路12设置的高阈值电压时，超级电容器电压比较电路12接通，单片机电路11开始工作，然后单片机电路11控制开关切换电路13 接通，使超级电容器14开始放电，即通过超级电容器放电升压电路10为本实用新型供电，同时快速地向锂电池7充电。当超级电容器14两端的电压经过放电降低到超级电容器电压比较电路12设置的低阈值电压时，超级电容器电压比较电路12断开，单片机电路11停止工作，进而使开关切换电路 13 断开，超级电容器14停止放电，超级电容器开关电路回到最初的工作状态。当太阳能光电池5输出的电压非常低时，且风能发电机6也因风力不足而不能继续向超级电容器14充电，此时由锂电池7中存储的能量为本实用新型各模块供电。
超级电容器开关电路的单片机采用了低功耗的能量策略:只有在超级电容器放电的这段时间里单片机才开始工作，这极大的降低了整个系统的能耗，从而增加了无线传感器网关节点的连续工作时间。

Claims (4)

1.大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置，其特征是包括Zigbee通信模块（1）、微处理器模块（2）、远程数据获取模块（3）和电源模块（4），Zigbee通信模块（1）、远程数据获取模块（3）分别与微处理器模块（2）双向连接，电源模块（4）向其余三个模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置，其特征是电源模块（4）包括太阳能光电池（5）、风能发电机（6）、锂电池（7）、超级电容器（14）和超级电容器开关电路，太阳能光电池（5）连接锂电池（7）、Zigbee通信模块（1）、微处理器模块（2）和远程数据获取模块（3），锂电池（7）连接Zigbee通信模块（1）、微处理器模块（2）和远程数据获取模块（3）；风力发电机（6）连接超级电容器（14），超级电容器（14）通过超级电容器开关电路连接锂电池（7）、Zigbee通信模块（1）、微处理器模块（2）和远程数据获取模块（3）。
3.根据权利要求2所述的大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置，其特征是超级电容器开关电路由开关切换电路（13）、超级电容器放电升压电路（10）、超级电容器电压比较电路（12）和单片机电路（11），超级电容器（14）的输出端通过超级电容器电压比较电路（12）连接单片机电路（11），单片机电路（11）的输出连接开关切换电路（13）的输入，超级电容器（14）通过开关切换电路（13）、超级电容器放电升压电路（10）连接锂电池（7）和Zigbee通信模块（1）、微处理器模块（2）和远程数据获取模块（3）。
4.根据权利要求1或2或3所述的大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置，其特征是微处理器模块（2）的微处理器为ARM9处理器，远程数据获取模块（3）由GPRS芯片构成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103645661A (zh) * 2013-12-03 2014-03-19 力合科技（湖南）股份有限公司 一种用于仪器功耗管理的电源装置
CN105933395A (zh) * 2016-04-12 2016-09-07 时建华 一种地下室防火系统构建方法
CN111447663A (zh) * 2020-04-03 2020-07-24 长沙军民先进技术研究有限公司 一种基于水体环境监测的无线网关节点及方法

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