CN204190948U

CN204190948U - 一种用于空气质量检测的无线传感器网络系统

Info

Publication number: CN204190948U
Application number: CN201420542318.8U
Authority: CN
Inventors: 马娅婕; 余湧; 梅志坚; 赵蕾; 肖凡
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2024-09-19

Abstract

本实用新型公开了一种用于大气污染检测的无线传感器网络系统，所述传感器网络系统包括多个气体传感器采集装置、GPRS数据传输装置、ZigBee主节点和主单片机，所述气体传感器采集装置和GPRS数据传输装置通过ZigBee网络连接；GPRS数据传输装置和ZigBee主节点分别与主单片机通过串口连接；所述气体传感器采集装置包括气体传感器组、内置A/D转换通道的单片机、ZigBee节点模块和为气体传感器采集装置供电的电源，其中，气体传感器组的输出端依次与单片机的模拟量输入端口相连接，单片机与ZigBee节点模块连接。该系统采用了ZigBee和GPRS无线通信技术，具有成本低、功耗小、无需布线、覆盖范围广、采集数据量大、传输速率高、精确度高、实时在线监测等优点。

Description

一种用于空气质量检测的无线传感器网络系统

技术领域

本实用新型属于空气质量检测技术领域，特别是一种用于空气质量检测的无线传感器网络系统。

背景技术

大气环境是人类赖以生存的重要环境之一。随着社会的快速发展，工业化和城市化进程不断加快，大气环境也受到了严重的影响。由于各种污染物的排放量增加，导致大气中有害气体浓度超标，对人类的生存和发展造成一定的威胁。大气污染已经成为当下一个非常严峻的话题，人们开始更多地关注注空气质量。因此，建立一个完善的大气污染监测系统也显得刻不容缓。

在实际监测工作中随着监测项目的增多，监测范围的扩大，点位的密布，人工监测已难以满足要求。现有的大气污染自动监测网络基本上局限于通过电话线的点对点式的通讯，地区之间缺少利用无线网络实现监测站间的横向联系，尤其是需要多部门合作解决的大气污染问题，较少应用远程无线技术进行解决。目前我国大气污染自动监测系统基本上是靠引进国外技术及设备来完成的，不但价格昂贵，而且跟我国的具体实际结合不够，尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断方面同我们的实际要求相差甚远。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于无线传感器网络的用于大气污染物检测的网络系统。该系统采用了ZigBee和GPRS无线通信技术，完成大气污染连续自动监测系统的改进，具有成本低、功耗小、无需布线、覆盖范围广、采集数据量大、传输速率高、精确度高、实时在线监测等优点。

本实用新型解决上述问题的技术方案为：一种用于大气污染检测的无线传感器网络系统，所述传感器网络系统包括多个气体传感器采集装置、GPRS数据传输装置、ZigBee主节点和主单片机，所述气体传感器采集装置和GPRS数据传输装置通过ZigBee网络连接；GPRS数据传输装置和ZigBee主节点分别与主单片机通过串口连接；其特征在于，

所述气体传感器采集装置包括气体传感器组、内置A/D转换通道的单片机、ZigBee节点模块和为气体传感器采集装置供电的电源，其中，气体传感器组的输出端依次与单片机的模拟量输入端口相连接，单片机与ZigBee节点模块连接。

按上述方案，所述气体传感器组包括SO2气体传感器、NO2气体传感器、O3气体传感器、CO气体传感器和颗粒物PM2.5传感器。

按上述方案，所述单片机的模拟口AD0、AD1、AD2、AD3、AD4依次与SO₂气体传感器的模拟输出端a0、NO₂气体传感器的模拟输出端a1、O₃气体传感器的模拟输出端a2、CO气体传感器的模拟输出端a3、颗粒物PM2.5传感器的模拟输出端a4对应连接。

按上述方案，所述气体传感器采集装置还包括状态选择拨码开关，状态选择拨码开关的端口SW0、SW1、SW2、SW3、SW4依次与单片机的数字I/O口PD2、PD3、PD4、PD5、PD6对应连接。

按上述方案，所述气体传感器采集装置还包括串行时钟芯片，串行时钟芯片的引脚SCL1、SDA1依次与单片机的引脚PD7、PB0对应连接；

按上述方案，所述气体传感器采集装置还包括EEPROM存储芯片，EEPROM存储芯片的引脚SCL2、SDA2依次与单片机的引脚PB1、PB2对应连接；

按上述方案，所述气体传感器采集装置还包括硬件看门狗芯片，硬件看门狗芯片的引脚RES、WDT依次与单片机的引脚RESET、PB3对应连接；ZigBee节点接收并向ZigBee网络主节点发送数据，ZigBee节点的引脚RXD、TXD依次与单片机的引脚TXD、RXD对应连接。

按上述方案，所述GPRS数据传输装置由GPRS模块、SIM卡模块、启动按钮、复位按钮、电源模块、网络状态指示模块和天线组成；其中，GPRS模块的引脚VCC、RST、CLK、GND、DATA依次与SIM卡模块的引脚VCC、RST、CLK、GND、DATA对应连接，GPRS模块的引脚IGT与启动按钮的输出端相连，GPRS模块的引脚RESET与复位按钮的输出端相连，GPRS模块的引脚NET与网络状态指示单元的输出端NET连接，GPRS模块通过天线连接器接口与天线连接。

按上述方案，所述主单片机为双串口单片机，GPRS数据传输装置中GPRS模块的引脚TXD、RXD与主单片机的引脚RXD1、TXD1对应连接，ZigBee主节点的引脚TXD、RXD依次与主单片机的引脚RXD0、TXD0对应连接。

本实用新型装置带来的有益效果是：

1.本装置采用了ZigBee和GPRS无线通信技术，完成对大气污染连续自动监测系统的改进。该系统具有成本低、功耗小、无需布线、覆盖范围广、采集数据量大、传输速率高、精确度高、价格适中和实时在线监测等优点。

2.本装置将每个采集点编号、将各个采集点的数据采集时间、采集数据发送至ZigBee网络的协调器主节点，ZigBee主节点将接收到的数据送到单片机，经过单片机加密、校验与打包处理后一方面存储在EEPROM存储芯片中，必要时可以通过RS232串口将数据读出，保证了经过单片历史数据的可追溯性；另一方面本装置可通过GPRS模块连到无线网络将数据发送到监控中心的计算机，供监测中心实时掌握各个采集点处的污染气体浓度的变化，并根据大气污染气体浓度信息数据库历史数据，判断该采集点处污染气体是否超标，并通知相关部门采取相应措施，这样提高了监测效率，便于监控中心实时掌握污染气体变化；另外，单片机可实时监测GPRS模块发送数据的状态，在空闲时发送“心跳”包，保持网络的联通，并支持GPRS模块掉线后自动重新接入网络，稳定可靠。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的装置的结构示意图；

图2是本实用新型的一个采集装置结构单元示意图；

图3是本实用新型GPRS数据传输装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种用于大气污染检测的无线传感器网络系统，其特点在于该无线传感器网络系统包括多个气体传感器采集装置，每个采集装置包括SO₂气体传感器14、NO₂气体传感器15、O₃气体传感器16、CO气体传感器17、颗粒物PM2.5传感器18、状态选择拨码开关10、单片机3、ZigBee节点（路由器）4、串行时钟芯片11、EEPROM存储芯片12、硬件看门狗芯片13、电源模块1。接收发射端包括ZigBee主节点（协调器）模块5、主单片机6、GPRS数据传输装置7、电源模块9。

如图2所示，每个气体采集装置的单片机3的模拟口AD0、AD1、AD2、AD3、AD4依次与SO₂气体传感器14的模拟量输出端a0、NO₂气体传感器15的模拟量输出端a1、O₃气体传感器16的模拟量输出端a2、CO气体传感器17的模拟量输出端a3、颗粒物PM2.5传感器18的模拟量输出端a4对应连接；状态选择拨码开关10的输出端SW0、WS1、SW2、SW3、SW4依次与单片机3的数字I/O口PD2、PD3、PD4、PD5、PD6对应连接；串行时钟芯片11的引脚SCL1、SDA1依次与单片机3的引脚PD7、PB0对应连接；EEPROM存储芯片12的引脚SCL2、SDA2依次与单片机3的引脚PB1、PB2对应连接；硬件看门狗芯片13的引脚RES、WDT依次与单片机3的引脚RESET、PB3对应连接；ZigBee节点（路由器）4接收并向ZigBee网络主节点5发送数据，ZigBee节点（路由器）4的引脚RXD、TXD依次与单片机3的引脚TXD、RXD对应连接。

图1中ZigBee主节点（协调器）5的引脚TXD、RXD依次与主单片机6的引脚RXD0、TXD0对应连接，GPRS数据传输装置7的引脚TXD、RXD依次与主单片机6的引脚RXD1、TXD1对应连接。

计算机8用于安装有大气污染气体浓度变化的监测软件。

如图3所示，GPRS数据传输装置由GPRS模块7、SIM卡模块19、启动按钮20、复位按钮21、网络状态指示模块22、网络状态指示单元23、和天线24组成。其中，GPRS模块7的引脚VCC、RST、CLK、GND、DATA依次与SIM卡模块19的引脚VCC、RST、CLK、GND、DATA对应连接，GPRS模块7的引脚IGT与启动按钮20的输出端相连，GPRS模块7的引脚RESET与复位按钮21的输出端相连，GPRS模块7的引脚NET与网络状态指示单元23的输出端NET连接，GPRS模块7通过天线连接器接口与天线24连接。

GPRS模块7的引脚TXD、RXD与主单片机6的引脚RXD1、TXD1对应连接；GPRS模块7用于本装置与外部的通信，通过GPRS网络与外部监控中心的计算机8通讯。

由于采用上述技术方案，本申请与现有技术相比，具有如下积极效果：

采用了ZigBee无线传感器网络技术和GPRS无线远程传输技术，构造了一种二者通信优势互补的无线传感网络。各个采集点与ZigBee主节点之间通过ZigBee网络进行无线通信，必要时可增加中继点，无需布线，数据通过GPRS网络传送到监控中心，实现了数据全无线的远距离传输与监控，大大增强了系统的移动性和灵活性。此外，由于采集的是室外的空气状况，外部干扰较多，本装置使用了硬件看门狗芯片，该芯片可以在单片机3工作出现异常时，自动对其进行复位操作，因此大大提高了采集设备的工作稳定性。

本装置采用了ZigBee网络技术，网络为树形网络，一个中心节点和多个终端节点组成一个ZigBee网络。终端节点传感器负责采集数据信息，并通过ZigBee网络把采集的数据信息发送到中心节点，中心节点对数据进处理后通过GPRS网络将数据传送到远程主机，远程控制中心能够实时监控。该系统具备了ZigBee技术的组网速度快、成本比较低、功耗比较小、网络结构简单和实时通讯的特点。为保证监测数据的精确全面，本装置对各个终端节点进行编号，并给终端节点配备内置晶振的高精度串行时钟芯片，芯片自带时钟精度数字调整功能，能长时期提供精准的实时时钟。

终端节点大气污染气体传感器将采集到的气体浓度信息传送到单片机3，经过单片机加密、校验与打包等处理后，一方面存储在EEPROM存储芯片12中，必要时可以通过RS232串口将数据读出，保证了历史数据的可追溯性；另一方面传送给ZigBee路由器节点，通过ZigBee网络传送给ZigBee主节点，ZigBee主节点将收到的数据送入单片机后由GPRS模块以无线方式发送到监控中心的计算机，供监控中心实时掌握采集区域内的大气污染情况，并根据监测中心信息数据库的历史数据，判断该监测区域内大气污染气体浓度是否超标，提高了监测效率，便于监管部门进行管理和采取相应措施。

因此，本装置具有精度高、抗干扰能力强，监控范围广，监测数据精确全面、历史数据可追溯的特点，能提高监测效率，便于相关监管部门实时掌握相关地区的空气质量。

Claims

1.一种用于空气质量检测的无线传感器网络系统，所述传感器网络系统包括多个气体传感器采集装置、GPRS数据传输装置、ZigBee主节点和主单片机，所述气体传感器采集装置和GPRS数据传输装置通过ZigBee网络连接；GPRS数据传输装置和ZigBee主节点分别与主单片机通过串口连接；其特征在于，

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述气体传感器组包括SO2气体传感器、NO2气体传感器、O3气体传感器、CO气体传感器和颗粒物PM2.5传感器。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述单片机的模拟口AD0、AD1、AD2、AD3、AD4依次与SO₂气体传感器的模拟输出端a0、NO₂气体传感器的模拟输出端a1、O₃气体传感器的模拟输出端a2、CO气体传感器的模拟输出端a3、颗粒物PM2.5传感器的模拟输出端a4对应连接。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述气体传感器采集装置还包括状态选择拨码开关，状态选择拨码开关的端口SW0、SW1、SW2、SW3、SW4依次与单片机的数字I/O口PD2、PD3、PD4、PD5、PD6对应连接。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述气体传感器采集装置还包括串行时钟芯片，串行时钟芯片的引脚SCL1、SDA1依次与单片机的引脚PD7、PB0对应连接。

6.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述气体传感器采集装置还包括EEPROM存储芯片，EEPROM存储芯片的引脚SCL2、SDA2依次与单片机的引脚PB1、PB2对应连接。

7.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述气体传感器采集装置还包括硬件看门狗芯片，硬件看门狗芯片的引脚RES、WDT依次与单片机的引脚RESET、PB3对应连接；ZigBee节点接收并向ZigBee网络主节点发送数据，ZigBee节点的引脚RXD、TXD依次与单片机的引脚TXD、RXD对应连接。

8.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述GPRS数据传输装置由GPRS模块、SIM卡模块、启动按钮、复位按钮、电源模块、网络状态指示模块和天线组成；其中，GPRS模块的引脚VCC、RST、CLK、GND、DATA依次与SIM卡模块的引脚VCC、RST、CLK、GND、DATA对应连接，GPRS模块的引脚IGT与启动按钮的输出端相连，GPRS模块的引脚RESET与复位按钮的输出端相连，GPRS模块的引脚NET与网络状态指示单元的输出端NET连接，GPRS模块通过天线连接器接口与天线连接。

9.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于，所述主单片机为双串口单片机，GPRS数据传输装置中GPRS模块的引脚TXD、RXD与主单片机的引脚RXD1、TXD1对应连接，ZigBee主节点的引脚TXD、RXD依次与主单片机的引脚RXD0、TXD0对应连接。