CN202512124U

CN202512124U - 基于rfid和无线传感网络的水质监测预警系统

Info

Publication number: CN202512124U
Application number: CN2012201357648U
Authority: CN
Inventors: 颜波; 向伟; 刘发贵; 石云
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2022-04-01

Abstract

本实用新型公开了基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，包括监测节点、汇聚节点电源系统和中心控制系统；所述监测节点包括传感器组、射频标签/识别系统、核心处理器和无线收发器，所述RFID读写器与一个RFID电子标签网络相连，RFID标签存储了监测节点的编号和位置信息；所述传感器组包括pH传感器、温度传感器、DO传感器、重金属电化学传感器、水位传感器，用于相应水质数据的采集；所述的中心控制系统包括数据库和监控软件，监控软件又包含短信模块、显示模块、数据库管理模块、控制模块、数据采集模块。本实用新型具有方便、快捷、高效和自动监测水质数据向管理者发送预警信息等优点。

Description

基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统

技术领域

本实用新型涉及RFID技术、无线传感技术的应用领域，具体是指一种基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统。

背景技术

目前，随着淡水养殖业中网箱养殖和水池养殖模式的日益推广和普及，养殖密度不断提高，饲料的投放、疾病防治、水温、水中溶解氧浓度的检测与控制对提高养殖产量与质量非常重要，其中溶解氧浓度检测与控制成为提高养殖密度和产量的关键。

无线传感器网络与射频识别技术是当今信息领域21世纪最有影响力技术和改变世界核心短距离通信技术。其中，RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，它受到国内外研究机构和学者认可，逐步发展成为时下最先进、最具潜力的信息采集技术。所谓传感器网络，可以定义为部署在监控区域内的大量传感器节点所组成的无线网络，该网络能够协作地实时监测、采集和处理节点分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的数据传送到网络中的特定位置。近年来，已经有越来越多的企业和个人致力于在环境监测（特别是水质监测）系统中应用无线传感器网络的研究。通过在监测区域内部署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象信息的采集量化、处理融合和传输应用。但到目前为止，将RFID技术和无线传感技术结合起来应用到水产品养殖环境监测的研究与应用仍是空白。国内目前尚未有发现相关专利和软件著作版权及相关综合技术的公开。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种方便、快捷、高效的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，能够对水产品养殖水质进行实时监测，具体技术方案如下。

一种基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，该系统包括：

多个监测节点，用于收集、处理和发送监测到的水质数据以及监测点编号和位置数据；监测节点之间通过ZigBee网络互联；

汇聚节点，用于汇集从监测节点采集到的数据；汇聚节点与监测节点之间通过ZigBee网络互联；

电源系统，用于对监测节点进行供电；

中心控制系统，用于整个水质监测预警系统的控制和管理；汇聚节点与中心控制系统通过Internet的方式连接。

上述基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统中，每个监测节点包括：

射频标签/识别系统，由RFID和RFID阅读器组成，其中RFID存储监测点的信息；RFID阅读器用于读取、修改RFID电子标签的编码信息；

传感器组，用于采集各项水质数据；

处理器，用于收集、处理RFID数据和水质数据以及发出数据采集指令；

无线收发器，用于将收到的水质数据转换成无线信号发送出去以及将收到的采集指令发给所述处理器；

所述射频标签/识别系统和处理器通过RS-232接口连接；所述的传感器组和处理器通过信号线连接，信号线用于传输水质数据和采集指令以及传感器电能的提供。

上述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统中，所述传感器组包括pH传感器、温度传感器、DO传感器、重金属电化学传感器和水位传感器。

上述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统中，所述无线收发器包括射频系统单芯片和天线。

上述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统中，所述电源系统包括电池。

上述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统中，所述中心控制系统包括计算机。

上述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统中，所述处理器采用TI公司的MSP430F147单片机。

本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点及效果：

(1)本系统中的无线传感器网络融合了RFID技术、传感器技术、信息技术和网络通信技术，各传感器分工协作，自主组网，网络拓扑动态变化，具有随机部署、自组织、分布式结构、智能型、健壮性、成本低、环境适应性强等特点。ZigBee是一种新兴的短距离、低成本和低功耗的无线网络技术，相比于WiFi，Bluetooth等无线网络系统，ZigBee协议的复杂度大大降低。基于ZigBee技术的无线传感网络，具有组网简单、费用低、易扩展、性能稳定等优点；

(2)本系统运用RFID技术，可对监测点进行识别，在中心控制系统软件上可看到每个监测点对应的水质数据和运行情况。如果监测点出了问题，可第一时间进行修整；

(3)监测到的数据通过无线网络/Internet传输到中心控制系统的数据库上，实现对数据的长期可靠存储，并可通过中心控制系统的数据库管理模块调出历史水质数据，方便进行水质的历史情况分析；

(4)本系统通过监测软件进行系统的整体显示、控制等；并可自动设定或者手动获取水质数据。

附图说明

图1是实施方式中基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统的总体系统架构图。

图2是实施方式中监测节点组成图。

图3是实施方式中水质监测预警系统的通信示意图。

图4是水质监测预警系统的水质数据采集、监控预警流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，本监测节点装置包括以下几个部分：

传感器组：由pH传感器、温度传感器、DO传感器、浊度传感器、水位传感器组成，用于相应水质数据的采集；每个监测节点有5个传感器，能监测水质的pH值、溶氧量、温度、浊度、水位以及监测点的编号和位置信息，传感器通过信号线向核心处理器发送监测到水质数据、位置编号和位置信息，然后核心处理器处理收到的信息，并将之通过无线收发器发送出去。各个监测节点之间以自组织多跳的方式通过ZigBee网络进行通信。

射频标签/识别系统：由RFID和RFID阅读器组成；RFID存储监测点的信息；用于读取并修改RFID电子标签的编码信息；

无线收发器：由CC2430芯片和天线组成。CC2430芯片是针对Zigbee的真正单芯片系统(SoC)解决方案。使用CC2430，Zigbee节点仅需很少的外置元件就能快速、廉价的建构自组织无线网络。CC2430收发芯片完全兼容IEEE802.15.4标准，其工作频率范围是：2400~2483.5 MHz；所述的监测节点将分布于池塘的不同位置，设定位置视情况而定。

信号线具有防水性，传感器可通过信号线悬挂在水中。信号线除了具有防水和传送水质数据的功能外，还可以给传感器提供电能；

射频标签/识别系统和监测节点中的核心处理器采用RS-232串口连接。RFID阅读器将读取到的监测点数据发送到核心处理器处理。

本水质监测预警系统的中心控制系统

如图2所示，本中心控制系统包括以下几个部分：

短信模块：通过GSM模块将预警信息以短信的方式发送管理员的手机，方便管理员及时处理；短信内容包括监测点编号、位置、时间、以及预警类型和程度；

显示模块：显示监测点的分布情况，以及每个监测点相对应的编号和位置信息、各项水质数据，方便管理员查看；

数据库管理模块：用于对存储的水质数据进行管理。可以调出历史数据，进行水质的历史情况分析；

控制模块：用于对整个监测系统的控制，包括电源控制、参数初始化控制等；

数据采集模块：控制各个节点进行定时或者临时的数据采集。

如图3所示，本实用新型的水质监测预警系统，所述的监测节点装置之间可通过ZigBee网络自组织以多跳的方式互联，最后将监测到的水质数据、监测节点编号和位置信息发送到汇聚节点模块。

汇聚节点模块：由CC2430芯片和DM9161AEP芯片组成，两个芯片直接通过RS-232串口连接，用于汇集从监测节点采集到的数据，并将数据通过Internet传输到中央控制系统。监测节点间和监测节点与汇聚节点的传输采用IEEE802.15.4/Zigbee协议。所述的汇聚节点位于监测区域的中心位置，以便覆盖到所有的监测节点。汇聚节点的CC2430芯片和DM9161AEP芯片之间通过RS-232串口连接。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，一般通过固定的持续电源供电，它连接ZigBee网络与Internet等外部网络，实现两种协议之间的通信协议转换，监测数据由Internet到达中心控制系统，用户通过中心控制系统对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据；

所述的中心控制系统包括：

数据库：用于存储各个监测点的位置数据和历史水质数据；

监控软件：包含短信模块、显示模块、数据库管理模块、控制模块、数据采集模块；

短信模块：通过GSM模块将预警信息以短信的方式发送管理员的手机，方便管理员及时处理；短信内容包括监测点位置以及预警类型和程度；

显示模块：显示监测点的分布情况，以及每个监测点相对应的编号、位置信息、各项水质数据，方便管理员查看；

数据采集模块：控制各个节点进行定时或者临时的数据采集；

水质监测预警系统的水质数据采集、监控预警流程如图4所示，步骤如下：

1) 中心控制系统发送采集指令。可通过中心控制系统的监控软件实现两种方式的数据采集：自动式和手动式。选用自动式采集，可设定水质数据采集的时间间隔，那么中心控制系统就会按设定好的间隔定时发送采集指令；

2) 汇聚节点转换采集指令。汇聚节点与中心控制系统通过Internet的方式连接；汇聚节点收到采集指令后会经过处理器处理，然后转换成射频信号通过ZigBee网络传送到监测节点；

3) 监测节点的无线收发器收到从汇聚节点发送的采集指令，并将此指令传给监测节点的核心处理器处理；

4) 核心处理器读取无线收发器的采集指令，随后核心处理器控制电源系统对RFID阅读器和传感器组进行供电，并将读取指令发送到RFID阅读器和传感器组。在这里，为了节约用电，监测节点在不进行采集时时处于休眠状态的，只有在采集数据时才进行整个监测节点各模块的供电；

5) RFID阅读器读取监测节点编号、监测节点位置信息，将读取到的信息通过RS-232接口传送到核心处理器；传感器组读取各项水质数据（pH值、溶氧量、温度、浊度、水位），将之通过信号线发送给核心处理器；

6)核心处理器对RFID阅读器和传感器组传来的信息进行处理，使得监测节点编号、节点位置信息和水质数据一一对应，然后将处理好的信息发送到无线收发器；

7) 无线收发器将从核心处理器发来的信息通过射频模块转换成无线信号，通过ZigBee网络以多跳的方式发送到汇聚节点；

8)汇聚节点收集每个监测节点的信息，并将无线信号通过处理器转换成Internet可识别的信号，通过Internet发送到中心控制系统；

9) 中心控制系统分析获得的各项水质数据，如果满足预警预设条件，则通过短信模块自动将预警信息以短信的方式发送管理员的手机，方便管理员及时处理；短信内容包括监测点编号、位置、时间、以及预警类型和程度；如果不满足预警预设条件，则休眠，等待下一个循环。

其中，步骤9)中的预设条件包括各水质类型的预警类型和预警程度规则，见表1所示：

表1 各水质预警类型和程度

本实用新型的水质警情级别分为三种：无警、轻警和重警。当出现轻警或重警时将对管理者通过短信的方式发送警报。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，其特征在于，该系统包括：

电源系统，用于对监测节点进行供电；

2.根据权利要求1所述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，其特征在于，每个监测节点包括：

传感器组，用于采集各项水质数据；

所述射频标签/识别系统和处理器通过RS-232接口连接；所述的传感器组和处理器通过信号线连接。

3.根据权利要求2所述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，其特征在于所述传感器组包括pH传感器、温度传感器、DO传感器、重金属电化学传感器和水位传感器。

4.根据权利要求2所述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，其特征在于所述无线收发器包括射频系统单芯片和天线。

5.根据权利要求1所述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，其特征在于所述电源系统包括电池。

6.根据权利要求1所述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，其特征在于中心控制系统包括计算机。

7.根据权利要求1所述的基于RFID和无线传感网络的水质监测预警系统，其特征在于所述处理器采用TI公司的MSP430F147单片机。