CN202353607U

CN202353607U - 基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统

Info

Publication number: CN202353607U
Application number: CN2011204123303U
Authority: CN
Inventors: 王钢; 白晶; 刘德君; 王忠礼; 山传文; 曹艳
Original assignee: Beihua University
Current assignee: Beihua University
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-10-26

Abstract

本实用新型涉及一种无线通信和监控系统，本实用新型公开了一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，包括若干个传感器节点、网关节点、基站监控中心、远程数据服务器，所述若干个传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点通信连接，网关节点通过GPRS无线网络与基站监控中心通信连接，基站监控中心与远程数据服务器通信连接。本实用新型解决了传统环境监控系统可靠性低的问题，而且增加了新的监测功能，很好地解决了化工环境实时监测的问题，在条件恶劣和无人坚守的环境监测和事件跟踪中显示了很大的应用价值。

Description

基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种无线通信和监控系统。具体涉及一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统。

背景技术

随着我国经济的快速增长，化学工业也在飞速发展，但由于化工生产设备相对落后，管理水平欠缺，环境监测系统未完善等原因，引起的化工事故频繁发生，造成重大的经济损失和人员伤亡，环境问题也日益恶化。

针对我国化工区环境现状，我们必须得到全面的监测数据，及时准确的监测出空气污染物的浓度信息，采取有效地处理措施，在可持续发展生产中具有重要的研究意义。保护人们的身体健康，实现化工区发生事故前的科学预防，事故后科学处理，最大限度地减少人员伤亡和经济财产的损失，对减少化工区事故的发生具有重要的意义。因此研制一种能在突发空气污染物泄漏或恶劣环境下，替代工作人员执行环境监测，同时能得到准确及时数据等的系统显得尤为的迫切而必要。

基于无线传感器网络的化工区环境监测系统采用多项创新设计，通过在化工区形成了一个立体的监测网，为环保部门工作的展开提供依据，这对环境的保护将起到很大作用。本系统采用无线传感器网络技术，它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术和分布式信息处理技术等，能够使这些先进技术协同地实时监测和采集网络覆盖区域中各种环境监测对象的信息，并进行处理，处理后的信息通过无线传输方式发送给终端设备。传感器能保证数据的精确采集，无线通信技术能保证数据的可靠、及时的传送等，这种技术能够很好地解决目前化工区的环境监测问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，从而解决了传统环境监控系统可靠性低的问题，而且增加了新的监测功能，很好地解决了化工环境实时监测的问题，在条件恶劣和无人坚守的环境监测和事件跟踪中显示了很大的应用价值。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，包括若干个传感器节点、网关节点、基站监控中心、远程数据服务器，所述若干个传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点通信连接，网关节点通过GPRS无线网络与基站监控中心通信连接，基站监控中心与远程数据服务器通信连接。

其中，所述传感器节点包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源装置，电源装置分别与数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元连接，数据采集单元与数据处理单元连接，数据处理单元与数据传输单元连接。

其中，所述网关节点包括Zigbee数据传输装置、处理器装置、GPRS装置和电源装置，其中，电源装置分别与Zigbee数据传输装置、处理器装置、GPRS装置连接，Zigbee数据传输装置与处理器装置连接，处理器装置与GPRS装置连接。

其中，所述电源装置包括太阳能电池板、充电锂电池，太阳能电池板与充电锂电池。

由于采取了以上技术方案，本实用新型的优点在于：

本实用新型能够及时准确的监测出空气污染物含量的数据，并将数据通过GPRS无线传输方式上传至远程数据服务器，实时的观测到空气污染物浓度数据；同时该实用新型采用Zigbee无线传感器自组网络，根据自组网络的特点增加与删除节点无需对系统进行重新配置，并且单个节点采用太阳能电池板充电锂电池供电，节能环保，同时增加了节点的使用寿命，大大的减小了设备维护的难度，提高了化工生产中安全预防，突发事故处理的效率。

附图说明

图1是本实用新型的系统构架方框图；

图2是本实用新型传感器节点的系统构架方框图；

图3是本实用新型网关节点系统构架方框图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型的基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，由若干个传感器节点、网关节点、基站监控中心、远程数据服务器组成，所述若干个传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点通信连接，网关节点通过GPRS无线网络与基站监控中心通信连接，基站监控中心与远程数据服务器通信连接。

所述传感器节点是无线传感器网络的基本组成部分。传感器节点主要功能是定时采集社区环境中有害气体的浓度、可燃气体浓度、温度等信息，并把该信息经A/D转换器转换成数字信号，发送到网关节点，最终将此数据传送到基站监控中心以便远程数据服务器的实时监控和进行数据统计。当采集数据比数据设定值高时，即数据超标时，不论此节点处于何种工作模式下，此节点会立即进入工作模式，向上级发送超标数据，以便监控中心采取有效措施进行处理。

所述网关节点是化工区气体浓度监测系统的重要装置，有两种工作模式，即工作模式和休眠模式，主要负责传感器节点与基站监控中心的信息连接。网关节点中设有与传感器节点中匹配的CC2420装置，进行无线短距离通信，同时也有与基站监控中心进行远程无线传输的MC35i装置。当网关节点收到传感器节点发来的数据时，网关节点进入工作模式，网关节点的处理器进行快速处理，将该数据传送给基站监控中心，数据发送完毕后，网关节点立即进入休眠模式。当网关节点收到远程数据服务器发来的命令时，网关节点进入工作模式，经处理器处理后，将命令发送给相应的传感器节点，等待接收传感器节点的信息数据，并转发给基站监控中心，一定时间后进入休眠模式，由于系统需要实时数据传输，所以本实用新型只有一种模式-工作模式。

如图2是本实用新型传感器节点的系统构架，传感器节点共有四大部分组成，即数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源装置。

数据采集单元：主要功能是采集空气污染物浓度信息，其中包括采集氮氧化合物(NO2)、二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)有害气体污染物。在此单元中传感器与处理器之间采用传感器接口实现连接，避免了当传感器使用寿命终止而此节点报废的状况。考虑到传感器采集到的信息为模拟量，因此需要在选择处理器时采用自带A/D转换功能的单片机。

数据处理单元：主要功能是对传感器采集的数据进行初步的处理，并将此数据传送到数据传输单元。此单元由处理器、内存、应用程序及报警指示灯构成。处理器采用的是ARM Cortex-M3系列单片机。ARM Cortex-M3系列单片机对数据进行初步判断后，将数据传送到数据传输单元，如果此数据超标即出现环境污染事故，报警指示灯会作出反应，相应的指示灯变亮。四盏指示灯的颜色分别为：蓝、绿、黄、红四种，顺次表示其所对应二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氢四种有害气体。同时，本单元可以数据传输单元接收到经网关节点转发的远程数据服务器控制命令，进行命令处理判断，使此节点进入工作模式，进行数据采集，向上级发送采集的信息。

数据传输单元：主要功能是传输数据或接收命令。考虑到无线传感器网络在通信方面的功耗问题，本单元采用德州仪器(TI)公司的zigbee无线收发芯片CC2420。数据传输单元接收到数据处理单元的数字信息后，会立即将此数字信息经zigbee无线网络传送给网关节点。如果此节点收到网关节点传送的命令时，会将此命令转入数据处理单元，并等待处理单元的相应命令。

电源装置，主要功能是给以上三个功能单元提供电能。由于我们所设计的传感器节点为低功耗的设备，采用太阳能电池板充电锂电池供电。这样节约了成本，方便了设备的维护，减少了工作人员的工作量。

如图3是本实用新型网关节点系统构架，网关节点包括Zigbee数据传输装置、处理器装置、GPRS装置和电源装置四部分。

Zigbee数据传输装置，仍然采用Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器——CC2420芯片，CC2420只需要极少的外围元器件，它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。

处理器装置，本实用新型采用的是ARM Cortex-M3系列单片机，ARMCortex-M3是一个32位的核，ARM Cortex-M3的优势应该在于低功耗、低成本、高性能，Coretx-M3处理器有2种工作状态。Thumb状态：这是16位和32位“半字对齐”的Thumb和Thumb-2指令的执行状态。调试状态：处理器停止并进行调试，进入该状态。

GPRS装置，本实用新型采用的是新一代西门子GSM/GPRS双模模块-MC35i，MC35i是Siemens公司推出的，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3.3～4.8V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W(900M)和1W(1800M)。该装置包括了前期版本TC35的所有功能，同时新增加了快速的GPRS技术，采用GPRS分时复用的CLASS 8标准，具有始终在线的功能且理论上传输速率最高可达171.2kb/s，通信传输时延较小，最长不超过3s。模块有AT命令集(见附录5)接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

电源装置，通过本节点的设计指标参数可知，本节点的耗能较大，如果按照传统做法采用普通干电池供电，由于电池容量有限，即使节点本身功耗极小，电池漏电流的存在也将大大缩短电池的寿命，特别是在较潮湿的环境中使用而未采用一定保护措施，或电池本身的质量问题等造成电池的自身放电，节点也将由于能量耗尽而很快失效。考虑到在化工区污染区域环境中或多或少地总有直射光或反射光，这就使得利用太阳能对节点供电成为可能。由于存在太阳能的非连续性和节点工作连续性的矛盾，不能直接利用太阳能对节点进行供电，所以节点采用太阳能电池板充电锂电池供电，并用电池电压测量单元对充电电池电压进行监测，当低于某个阈值时，控制太阳能电池板给充电电池充电，直到电压高于某值时，切断太阳能电池板对充电电池的充电。这种充电可以是断续的，即太阳能电池板的电压足以给充电电池充电时就自动给充电电池充电，直到监测到电压高于某值。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims

1.一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，其特征在于：包括若干个传感器节点、网关节点、基站监控中心、远程数据服务器，所述若干个传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点通信连接，网关节点通过GPRS无线网络与基站监控中心通信连接，基站监控中心与远程数据服务器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，其特征在于：所述传感器节点包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源装置，电源装置分别与数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元连接，数据采集单元与数据处理单元连接，数据处理单元与数据传输单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，其特征在于：所述网关节点包括Zigbee数据传输装置、处理器装置、GPRS装置和电源装置，其中，电源装置分别与Zigbee数据传输装置、处理器装置、GPRS装置连接，Zigbee数据传输装置与处理器装置连接，处理器装置与GPRS装置连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于Zigbee网络和GPRS网络的化工区环境监测系统，其特征在于：所述电源装置包括太阳能电池板、充电锂电池，太阳能电池板与充电锂电池。