CN204516010U - 基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统，包括传感器节点，网关节点，监控中心，传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点连接，传感器节点通过网关节点再通过GPRS无线网络与监控中心连接。本实用新型解决了传统环境监控系统在社区内安装复杂、可靠性低、功耗大、设备可维护性差等技术问题,并增加了新的监测功能及预警功能，很好地解决了社区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

基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统

技术领域

本实用新型属于无线远程环境监测及消防预警系统，一种基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统。

背景技术

随着人民生活水平的提高、城市化和房产住宅业的快速发展，城市住宅小区的环境问题越来越受到人们的重视。一方面，社区的环境问题直接影响人们的生活质量和身体健康，舒适良好的社区环境能提高居民的生活质量，有益与居民的身体健康；另一方面，社区的环境还可能隐含一些安全隐患，火灾、天然气泄漏等突发事故，直接影响居民的人身安全及财产安全。因此，为了给社区居民提供一个舒适、安全、和谐的生活环境，我们需要对环境进行实时监控，对可能的突发事故进行监测和预警，并及时的采取相应的处理措施，以保证社区环境的舒适与安全。

另外，为了进一步规范住宅小区智能化建设，建设部特别制定了智能化小区的等级标准，按照其要求，智能化小区必须有安全防范、信息管理、物业管理、信息网络等各子系统组成，而作为最基本的安全需求，智能监控系统在安防上面有着举足轻重的作用。

而且，随着近年来智能化行业的飞速发展，安防系统已由原来特殊行业，专门应用逐渐普及到各行各业，并逐渐渗透到人们的日常中。现阶段各类电子技术蓬勃发展，CPU芯片性能飙升，通信条件和速率不断革新和完善，也为新的技术推广提供最广阔的技术平台。

出于以上对社区环境、安全状况的分析，我们必须得到及时的环境监测数据，准确的监测出空气中一氧化碳、甲烷等有害气体的含量和现场环境的实时温度等信息，并采取有效地安全处理措施，对保护社区居民的身体健康和建设智能化社区都具有重要的意义。保护社区内人们的身体健康，实现社区内环境实时监测和火灾、气体中毒等突发事故的科学预防，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，从而减少了社区事故的发生具有重要的意义。因此研制一种能替代工作人员执行环境监测，并且实时准确的监测社区环境状况，对突发事故进行监测和预警的智能系统显得尤为迫切而必要。

基于无线传感器网络的社区环境监测系统采用多项创新设计，通过在社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。本项目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社区的环境监测问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：解决了传统环境监控系统在社区内安装复杂、可靠性低、功耗大、设备可维护性差等技术问题,并增加了新的监测功能及预警功能，很好地解决了社区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，本实用新型有如下技术方案：

本实用新型的一种基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统，包括传感器节点，网关节点，监控中心，传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点连接，传感器节点通过网关节点再通过GPRS无线网络与监控中心连接。

其中，所述传感器节点包括数据采集装置、数据处理装置、无线传输装置和电源装置，所述电源装置分别与数据采集装置、数据处理装置、无线传输装置连接，数据采集装置与数据处理装置连接，数据处理装置与无线传输装置连接，所述数据采集装置用于实时监测环境温度、湿度、空气质量参数、可燃气体浓度及有毒气体浓度信息，采集的数据经数据处理装置处理后通过无线传输装置传送至监控中心。

其中，所述网关节点包括无线传输装置、处理器装置、GPRS装置和电源装置，所述电源装置分别与无线传输装置、数据处理器装置、GPRS装置连接，无线传输装置与数据处理器装置连接，数据处理器装置与GPRS装置连接。

其中，所述传感器节点、网关节点均采用太阳能电池板充电、锂电池供电。

由于采取了以上技术方案，本实用新型的优点在于：

本实用新型可以对社区环境空气质量参数进行实时或分时采集，并将所采集的数据通过Zigbee无线传感器网络上传至网管节点，再由网关节点经GPRS无线网络上传至监控中心，用户可以在远程实时的观测到社区环境空气质量状况，同时该实用新型采用Zigbee2007/Pro协议栈建立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，能源清洁，绿色环保，且增加了节点的使用寿命，大大的减小了设备维护的难度，提高社区环境监测的便利性、可靠性及可操作性，该实用新型还实现了社区环境安全的消防预警功能，大大减小了火灾，燃气泄漏等突发事件对居民人身及财产安全的损害。

附图说明

图1是本实用新型基于无线传感器网络的智能社区环境监测系统的结构框图

图2是本实用新型传感器节点的结构框图

图3是本实用新型网关节点的结构框图。

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。

参见图1-3：

本实用新型的一种基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统，包括传感器节点，网关节点，监控中心，传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点连接，传感器节点通过网关节点再通过GPRS无线网络与监控中心连接。

所述传感器节点包括数据采集装置、数据处理装置、无线传输装置和电源装置，所述电源装置分别与数据采集装置、数据处理装置、无线传输装置连接，数据采集装置与数据处理装置连接，数据处理装置与无线传输装置连接，所述数据采集装置用于实时监测环境温度、湿度、空气质量参数、可燃气体浓度及有毒气体浓度信息，采集的数据经数据处理装置处理后通过无线传输装置传送至监控中心。

所述网关节点包括无线传输装置、处理器装置、GPRS装置和电源装置，所述电源装置分别与无线传输装置、数据处理器装置、GPRS装置连接，无线传输装置与数据处理器装置连接，数据处理器装置与GPRS装置连接。

所述传感器节点、网关节点均采用太阳能电池板充电、锂电池供电。

如图1是本实用新型基于无线传感器网络的智能社区环境监测系统的结构框图，系统由三部分组成：用于数据采集的传感器节点、用于无线传输的网关节点和进行实时监测的监控中心。

传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元。传感器节点主要功能是实时或分时采集社区环境的空气质量参数、环境温度、环境湿度、有毒气体的浓度及可燃气体浓度数据，并把所采集的数据送至数据处理装置，经数据处理装置转换成数字信号和相应的分析处理，再将数据经无线传输装置发送到网关节点，由网关节点实现Zigbee网络与GPRS网络的协议转换，并将此数据传送到监控中心以便对社区环境状况进行实时监控和数据统计。传感器节点有两种工作模式，工作模式和休眠模式，可由监控中心发送节点控制命令对节点工作模式进行配置，以实现数据的实时或分时采集，对于有毒气体和可燃气体，可对其设定安全浓度阈值，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。

网关节点是无线传感器网络的核心部件，同样具有两种工作模式，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CC2520装置，进行Zigbee无线短距离通信，同时也有与监控中心通过GPRS无线网络进行远程数据传输的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，处理器进行快速处理，将该数据传送给监控中心，数据发送完毕后，此节点立即进入休眠模式。当网关节点收到控制中心发来的命令时，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，并转发给监测中心，一定时间后进入休眠模式。由于处理器处理数据的时间相当快，所以处理器大部分时间是处于休眠模式，减小了系统的功耗。

监控中心可对社区环境空气中可燃气体浓度及有毒气体进行实时监测，对可燃气体浓度及有毒气体浓度超标，存在安全隐患的区域进行标定和报警指示，实现了消防预警。

如图2是本实用新型传感器节点的结构框图，传感器节点共有四部分组成，即数据采集装置、数据处理装置、无线传输装置和电源装置。

数据采集装置：主要功能是采集社区环境信息，其中包括采集环境温度、湿度、空气质量参数、可燃气体浓度及有毒气体浓度信息。在此装置中数据采集装置与数据处理装置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集成AD转换功能的单片机。

数据处理装置：主要功能是对传感器采集的数据进行初步的处理，并将此数据传送到无线传输装置。数据处理装置采用德州仪器(TI)公司TI集成AD的16位RISC混合信号处理器MSP430系列超低功耗单片机。数据处理器内嵌Zigbee2007/Pro协议栈用于组网并对数据传输进行配置和管理，MSP430系列单片机对采集的数据进行初步判断后，将数据传送到无线传输装置，同时，数据处理装置对从无线传输装置接收的监控中心控制命令进行命令处理判断，配置传感器节点工作模式和转发节点命令。

无线传输装置：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，本装置采用德州仪器(TI)公司推出的2.4GHz免授权ISM频带专用的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4无线射频收发器──CC2520，该款CC2520产品具有业界最佳的选择性/共存性及优异的链路预算功能，且兼有可靠性高，低成本，低功耗的特点。无线传输装置接收到数据处理装置的数字信息后，会立即将此数字信息经Zigbee无线传感器自组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装置，并等待处理装置的相应命令。

电源装置：主要功能是给以上三个功能装置提供电能。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。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，并用电池电压测量装置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。采用太阳能电池板充电、锂电池供电。能源清洁，绿色环保，同时节约了成本，减小了设备维护的复杂度，提高了工作人员的工作效率。

如图3是实用新型网关节点结构框图，网关节点包括Zigbee无线传输装置、处理器装置、GPRS装置和电源装置四部分。

无线传输装置：本实用新型仍然采用与传感器节点相匹配的德州仪器(TI)公司推出的射频收发器CC2520。

处理器装置：本实用新型仍然采用德州仪器(TI)公司推出的超低功耗16位RISC混合信号处理器的MSP430系列单片机，并内嵌Zigbee2007/Pro协议栈。

GPRS装置：本实用新型采用的是新一代西门子GSM/GPRS双模装置——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。装置的工作电压为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。装置有AT命令集接口，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：本装置仍采用太阳能电池板充电、锂电池供电。

下面对本本实用新型做进一步描述：

本实用新型采用Zigbee无线传感器网络结合GPRS网络进行数据无线传输；传感器节点及网关节点均采用德州仪器(TI)公司推出的2.4GHz免授权ISM频带专用的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4无线射频收发器──CC2520，通过Zigbee2007协议栈建立无线传感器自组网络，并采用基于渗流理论的Ad Hoc广播路由算法对网络进行优化，减小了网络建立时间，提高了数据传输效率；传感器节点及网关节点所使用的微控制器(MCU)均采用德州仪器(TI)公司集成AD的16位RISC混合信号处理器MSP430系列超低功耗单片机；网关节点中GPRS模块采用新一代西门子GSM/GPRS双模模块MC35I，该模块可以工作在900MHz和1800MHz两个频段；传感器节点采用低功耗传感器，包括温度传感器、湿度传感器、空气质量传感器、可燃气体传感器及有毒气体传感器；电源模块采用太阳能电源装置给节点锂电池充电，锂电池为系统供电的方式，并配有电源管理充电电路对锂电池电压进行监测，电源管理充电电路采用德州仪器(TI)公司的产品；当锂电池电压低于某个阈值时，控制太阳能电池板给锂电池充电，直到锂电池电压高于某个阈值时，切断太阳能电池板对锂电池的充电，解决了监测节点的电源供应问题，实现了采集节点的持续供电；监控中心软件采用C#语言编程，可通过网络控制传感器节点对社区环境数据进行实时采集和分时采集设置，并指示环境质量等级，另外可对社区环境空气中可燃气体浓度及有毒气体进行实时监测，对可燃气体浓度及有毒气体浓度超标，存在安全隐患的区域进行标定和报警指示，实现了消防预警。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统，其特征在于：包括传感器节点，网关节点，监控中心，传感器节点通过Zigbee无线网络与网关节点连接，传感器节点通过网关节点再通过GPRS无线网络与监控中心连接；所述传感器节点包括数据采集装置、数据处理装置、无线传输装置和电源装置，所述电源装置分别与数据采集装置、数据处理装置、无线传输装置连接，数据采集装置与数据处理装置连接，数据处理装置与无线传输装置连接，所述数据采集装置用于实时监测环境温度、湿度、空气质量参数、可燃气体浓度及有毒气体浓度信息，采集的数据经数据处理装置处理后通过无线传输装置传送至监控中心；所述网关节点包括无线传输装置、处理器装置、GPRS装置和电源装置，所述电源装置分别与无线传输装置、数据处理器装置、GPRS装置连接，无线传输装置与数据处理器装置连接，数据处理器装置与GPRS装置连接；数据处理装置采用德州仪器TI公司TI集成AD的16位RISC混合信号处理器MSP430系列单片机，无线传输装置采用德州仪器TI公司推出的2.4GHz免授权ISM频带专用的第二代ZigBee/IEEE802.15.4无线射频收发器，型号CC2520，传感器节点及网关节点均采用德州仪器TI公司推出的2.4GHz免授权ISM频带专用的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4无线射频收发器，型号CC2520，传感器节点及网关节点所使用的微控制器均采用德州仪器TI公司集成AD的16位RISC混合信号处理器MSP430系列超低功耗单片机。

2.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能社区环境检测系统，其特征在于：所述传感器节点、网关节点均采用太阳能电池板充电、锂电池供电。