CN202771016U - 基于无线传感网络的交通道路用自动气象站/环境监测站 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种能长期应用于恶劣交通环境、实现监测数据的网络化传输、有效降低了维护成本、可自由增减或变更各个被测参数的基于无线传感网络的交通道路用自动气象站/环境监测站。它包括对气象要素进行监测的气象要素传感器，气象要素传感器的输出经处理器模块与无线发射模块连接；它还包括用于接收无线发射模块发出的气象要素数据、并把气象要素数据通过中继方式传送给上位机的无线接收模块，无线发射模块、无线接收模块组成无线通信模块。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种气象/环境监测装置，具体地说，是一种基于无线传感网络的气象/环境监测装置，尤其适用于交通气象/环境参数的网络化监测。
背景技术
目前，公知的自动气象站能实现对通用气象要素的自动化数据采集，主要包括温度、湿度、风速/风向、气压、雨量等参数的测量，但数据信息的传输仍然采用有线通信的方式（FF现场总线、CAN总线等），甚至部分地区仍然依靠人工实现气象数据的采集，且通信线路的铺设受地理位置与地形条件影响较大，无法对气象/环境参数进行长期、实时、连续的观测。同时，目前国内的自动气象站，大多都无法实现被测参数的自由增减或变更，必须以更换整个自动气象站为代价，具有较高的维护成本。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能长期应用于恶劣交通环境、实现监测数据的网络化传输、有效降低了维护成本、可自由增减或变更各个被测参数的基于无线传感网络的交通道路用自动气象站/环境监测站。
本实用新型的基于无线传感网络的交通道路用自动气象站/环境监测站，包括对气象要素进行监测的气象要素传感器，气象要素传感器的输出经处理器模块与无线发射模块连接；它还包括用于接收无线发射模块发出的气象要素数据、并把气象要素数据通过中继方式传送给上位机的无线接收模块，无线发射模块、无线接收模块组成无线通信模块。
本实用新型有益效果：气象要素传感器对交通气象以及环境参数进行动态采集，气象要素传感器的输出经处理器模块处理后送无线发射模块，处理器模块协调控制各个模块之间的协调工作并接收采集到的数据信息，由无线通信模块对处理后的数据进行组包、封装，并发送到无线接收模块。无线接收模块在接收到各个传感节点的数据后，通过中继转发的形式，将数据发送到上位机，由用户在上位机上接收各个传感节点采集到的数据，实现信息的远距离传输。用户将自动气象站/环境监测站的各个无线传感节点分布在交通道路沿线以及需要监测的地理环境中，特别适用于一些布线困难，人力无法观测的区域。本实用新型克服了现有自动气象站不能实现监测数据网络化传输的不足，提供了一种基于无线传感网络、能长期应用于恶劣交通环境下的网络化自动气象站/环境监测站。该使用新型实现了监测数据的网络化传输，有效降低了维护成本，实现各个参数测量模块的即插即用，可自由增减或变更自动气象站/环境监测站中的各个被测参数，适用于各种交通道路中交 通气象、环境参数的监测。
上述的自动气象站/环境监测站，气象要素传感器包括温湿度传感器、压力传感器、风速/风向传感器、雨量传感器、能见度传感器、PM2.5颗粒物监测传感器中的至少一个。
上述的自动气象站/环境监测站，处理器模块选用STM32F103VB芯片。该处理器基于高性能32位RISC的ARM Cortex-M3内核，最高工作频率为72MHz。片上集成了高速存储器和通过APB总线连接的众多外设和输入输出接口，其中片上存储器Flash最多可达512K，SRAM最多可达64K。此外，所有的设备都提供了标准的通信接口，如2个I2C接口，3个SPI接口和5个USART接口。除此之外，STM32F103VB处理器还集成了2个12位的ADC，1个12位的双通道DAC，11个16位的定时器。由此可见，使用STM32F103VB处理器可以实现较高的指令吞吐量和系统资源。
上述的自动气象站/环境监测站，无线通信模块选用JN51XX芯片，如JN5121、JN5139或JN5148芯片。该芯片是目前无线传感网络通信中应用最多的嵌入式通信芯片。它集成了符合IEEE802.15.4标准的Zigbee通信协议和一个工业级的高效8051控制器，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信芯片。JN5121通信芯片将通信过程分为身份标识、感知、处理和信息传送四个环节，只需要很少的外部元件即可运行。处理器模块和无线通信模块协调工作，既可以通过无线传感网络向上位机以中继的方式发送数据，同时也可以接受来自上位机的控制信息。
上述的自动气象站/环境监测站，它包括与处理器模块连接的输入输出模块，如触摸屏。
上述的自动气象站/环境监测站，向处理器模块供电的电源采用电池，如太阳能充电电池。这样，本实用新型能够长期工作在交通道路等无人值守的恶劣环境下，并且具备较好的可移动性。
上述的自动气象站/环境监测站，它包括与处理器模块电连接的数据存储模块。
附图说明
图1是自动气象站/环境监测站的网络拓扑图。
图2是自动气象站/环境监测站的系统框图。
图3是温度/湿度的传感节点框图。
图4是自动气象站/环境监测站无线通信模块的电路原理图。
图5是自动气象站/环境监测站处理器模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
网络化自动气象站包括6个无线传感节点（温/湿度传感节点、气压传感节点、风速/风向传感节点、雨量传感节点、能见度传感节点和PM2.5浓度传感节点）和1个中心节点。
传感节点由传感器和Zigbee通信芯片组成，用于对交通气象以及环境参数的监测，并对传感器输出的信号进行滤波、放大和模数转换后，由Zigbee通信芯片按照Zigbee无线传感网络通信协议的标准进行封装、组包，并发送到中心节点。
中心节点在接收到数据后进行统一整合处理，以中继的方式发送到上位机。由上位机对采集到的数据进行分析、存储，为交通气象、环境监测提供便捷、准确、可靠的数据。
中心节点在接收到各个传感节点发送的数据包后，通过中继的方式将消息转发，实现数据信息的远距离传输。同时，中心节点作为数据信息汇聚的节点，负责Zigbee网络的初始化，统筹分配短地址，并允许无线传感节点的加入或离开网络，确定域网标识符和网络工作的物理通道，并统筹各个传感节点短地址的分配。
各个无线传感节点在接入网络后，能够获得一定的16位短地址空间。在其通信范围内（陶瓷天线标准功率2Km，高功率4Km,无遮挡），能够允许其他节点加入或者离开网络，分配以及收回短地址，路由和转发数据。
虽然不同的节点在功能角色上有所不同，但其基本的硬件结构是一致的，功能角色的设定由软件代码进行参数配置。无线传感节点由处理器模块、无线通信模块、传感器模块、数据存储模块、电源模块、串口通信模块以及LCD显示模块（选配）组成。
处理器模块：处理器模块选择了STM32F103VB芯片。
无线通信模块：无线通信模块选用JN51XX系列，最为典型的即JN5121。
传感器模块：传感器模块除了包含通用的气象要素传感器外，还包含了部分道路交通和环境监测传感器，主要包括：温湿度传感器、压力传感器、风速/风向传感器、雨量传感器、前向散射能见度传感器、振荡天平法PM2.5颗粒物监测传感器等。各个传感器将采集到的模拟信号经过ADC转换为数字信号，由处理器进行统一协调处理。
数据存储模块：由于自动气象站/环境监测站需要长期工作在无人值守的道路交通环境中，因此除了需要能够对监测数据进行网络化传输外，还需要能够存储大容量的监测数据。在本系统设计过程中，外扩了256M的NandFlash用于存储数据。
电源模块：自动气象站/环境监测站需要长期工作在无人值守的道路交通环境中，甚至部分节点需要布置在人员难以到达的环境中，因此电源的续航能力成为系统正常工作的重要因素。本系统统一采用2节干电池供电，且在通常情况下，处理器均处于休眠模式，由中心节点或定时器唤醒，具有极低的系统功耗。
串口通信模块：在无线传感网络的接收端，无线通信芯片通过串口通信模块与上位机连接，将接收端接收到的数据信息通过串口传输到上位机，由上位机对数据信息进行处理、分析和存储。同时，串口通信模块还作为将嵌入式程序代码下载到处理器芯片以及无线通信芯片的ISP端口。
LCD显示模块（选配）：部分系统为了方便数据的读取以及良好的人机交互界面，可以选用LCD显示模块。LCD显示模块选用型号为TFT480272BS的4.3寸触摸屏，实现人机交互界面的显示以及数据的输入输出。
工作过程：各个传感节点对交通环境参数进行动态采集，数据信息通过Zigbee通信芯片发送到中心节点，中心节点通过中继转发的方式与后台上位机进行远距离通信。同时，中心节点也可以通过无线通信模块接收来自上位机发送的控制信息，控制整个自动气象站的工作。各个无线传感节点能够有效准确的采集数据，抗干扰性强，实现气象监测节点的即插即用，满足恶劣交通道路环境中的工作要求，具有一定的经济效益。
该实用新型为了长期工作在交通道路等无人值守的恶劣环境下，并且为了具备较好的可移动性，在基于无线传感网络的自动气象站/环境监测站中的每个节点都统一使用2节干电池供电，辅以太阳能电池供电。该实用新型采用极低功耗设计模式，绝大部分时间内处理器及通信芯片都工作在休眠模式，通过定时器或上位机指令来唤醒。
随着信息产业的发展，无线传感网络被广泛的应用于交通气象、环境监测等领域。该实用新型将无线传感网络应用于自动气象站/环境监测站，通过Zigbee自组网技术对交通气象/环境监测中关键参数进行实时监测，实现各个监测节点的即插即用，以及数据信息的低成本、网络化传输。各个传感节点对交通气象以及环境参数进行动态采集，处理器协调控制各个模块之间的协调工作并接收采集到的数据信息，由无线通信芯片对处理后的数据进行组包、封装，并发送到中心节点。中心节点在接收到各个传感节点的数据后，通过中继转发的形式，将数据发送到上位机，由用户在上位机上接收各个传感节点采集到的数据，实现信息的远距离传输。该使用新型适用于高速公路沿线、以及环境恶劣、地形复杂，不易布设通信线路的山区道路沿线上环境参数的监测，同时也适用于人员不能到达，以及突发自然灾害下的数据监测场合。本实用新型提供一种基于无线传感网络、能长期应用于恶劣交通环境下的网络化自动气象站/环境监测站。该使用新型实现了监测数据的网络化传输，有效降低了维护成本，实现各个参数测量模块的即插即用，可自由增减或变更自动气象站/环境监测站中的各个被测参数，适用于各种交通道路中交通气象、环境参数的监测。
Claims (10)
1.基于无线传感网络的交通道路用自动气象站/环境监测站，其特征是：它包括对气象要素进行监测的气象要素传感器，气象要素传感器的输出经处理器模块与无线发射模块连接；它还包括用于接收无线发射模块发出的气象要素数据、并把气象要素数据通过中继方式传送给上位机的无线接收模块，无线发射模块、无线接收模块组成无线通信模块。
2.如权利要求1所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：气象要素传感器包括温湿度传感器、压力传感器、风速/风向传感器、雨量传感器、能见度传感器、PM2.5颗粒物监测传感器中的至少一个。
3.如权利要求1所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：处理器模块选用STM32F103VB芯片。
4.如权利要求1所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：无线通信模块选用JN51XX芯片。
5.如权利要求4所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：无线通信模块选用JN5121、JN5139或JN5148芯片。
6.如权利要求1所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：它包括与处理器模块连接的输入输出模块。
7.如权利要求6所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：输入输出模块为触摸屏。
8.如权利要求1所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：向处理器模块供电的电源采用电池。
9.如权利要求8所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：电池为太阳能充电电池。
10.如权利要求1所述的自动气象站/环境监测站，其特征是：它包括与处理器模块电连接的数据存储模块。
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