专利名称：嵌入式智能安全监控设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及重大危险源的监测技术领域，尤其涉及一种嵌入式智能安 全监控设备，用于实现对重大危险源的安全监测。
背景技术：
无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通
信技术，是继因特网之后将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT热 点技术，它能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过 嵌入式系统对信息处理，以及自组织网络多跳中继方式将信息传送到终端 用户，从而实现"无处不在的计算"的理念。
节点是传感器网络的基本组成单元。在不同应用中，传感器网络节点 的组成不尽相同，但它们的基本结构是一样的，主要包括电池、电源管理 电路、传感器、信号调节电路、A/D转换器件、存储器、微处理器和射频 模块等。传感器节点的处理器模块用于操作、存储和处理本身采集的数据 以及其他节点发来的数据，无线通信模块负责和其他传感器节点进行无线 通信、交换控制消息和收发采集数据，能量供应模块为传感器节点提供运 行所需的能量，本发明中还有定位系统用来确定传感器节点的位置，有移 动单元使得传感器节点可以在待监测地域中移动。
手持巡检仪的ARM芯片中选用的核心处理器为Intel XScale PXA270，它是一款性价比极高的处理器，具有性能高、功耗低、功能强 大等特点，可以运行嵌入式Linux或WinCE操作系统。它的这些优良的特
点使它在很多的领域得到了广泛的应用。
ARM中界面的编写使用了 Qt，它是一个跨平台的0++图形用户界面 库，它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功 能。Qt是完全面向对象的，很容易扩展，并且允许真正地组件编程。它具 有优良的跨平台特性、面向对象的机制、丰富的API、支持2D/3D图形渲染、支持OpenGL等特点，使它成为制作友好图形界面的首选。
相对于原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是--种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连 接。它具有"实时在线"、"按量计费"、"快捷登录"、"高速传输"、"自如切 换"等的优点。
ZIGBEE是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。ZIGBEE 技术从诞生到现在只有几年的时间。它是在2002年由英国Irwensys、日本 三菱电气、美国Motorola、荷兰Philips等几家公司宣布成立ZIGBEE联盟， 合力推动ZIGBEE技术的。到了 2004年底，ZIGBEE1.0版标准正式公布。 从2004年底到2006年不到两年时间，ZIGBEE技术己经由最初的十多家 公司发展到有全世界150多家知名厂商加盟的商业团体。在众多厂商的追 捧之下，ZIGBEE技术正呈现出蓬勃发展的态势。
形象化的描述ZIGBEE:它是一种简单的东西，其核心是多信道无线 通信装置和微控制器，他们都被集成在一两块半导体芯片上，封装在如同 小指甲盖大小的塑料制品里面。使用ZIGBEE技术实现的产品， 一般釆用 廉价的8位微处理器，将无线射频收发模块集成在一块芯片上，外围接上 几个阻容和晶振等器件，再连接一些A/D、 D/A、 1/0接口及控制电路，即 组成了诸如各种智能控制节点、无线传感器网络节点的核心控制模块。当 然，只有这些硬件电路还是远远不够的，还需要在其上加载合适的无线通 信软件和控制程序，才能组成完整的控制模块。为此，现在也把这类带有 ZIGBEE协议栈及无线收发模块的单片机称为"无线单片机"，就是这个道 理。
发明内容
(一) 要解决的技术问题 本发明的主要目的在于提供一种尺寸小、功耗低、可靠性高、使用方
便的嵌入式智能安全监控设备，以实现对重大危险源的安全监测。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种嵌入式智能安全监控设备，该设备包括
一手持巡检仪，用于向固定终端发送指令，接收并显示固定终端发送 的数据信息;
多个固定终端，用于实时地或者根据接收自手持巡检仪的指令，监测 和采集危险源数据信息，对釆集的数据信息进行处理后发送给手持巡检 仪，以及存储采集的危险源数据信息；
该手持巡检仪与该多个固定终端之间通过串口或ZIGBEE方式进行通信。
上述方案中，该手持巡检仪采用高速Intel XScalePXA270处理器，并 扩展了多个接口 ，该扩展接口至少包括ZIGBEE接口 、 GPRS接口 、 TCP/IP 接口和RS232接口。
上述方案中，该手持巡检仪包括一用于提供GPRS服务的GPRS模块。 所述GPRS模块提供的GPRS服务至少包括接打电话和收发短信息。
上述方案中，该手持巡检仪包括一触摸显示屏，具有友好的界面，用 于实现人机交互，实现可视化操作。
上述方案中，该固定终端包括
数据釆集模块，用于实时地或者根据接收自手持巡检仪的指令，监测 和采集危险源数据信息，并将采集的数据信息输出给运算放大器；
运算放大器，用于对数据采集模块采集的数据信息进行放大，并输出 给数据处理模块；
数据处理模块，用于对运算放大器输入的数据信息进行数模转换，并 将转换后的数据信息输出给无线收发器或串口转换电路；
无线收发器，用于将接收自数据处理模块的数据信息通过ZIGBEE方
式发送出去；
串口转换电路，用于将接收自数据处理模块的数据信息通过串口方式 发送出去；
电源，用于为数据采集模块、运算放大器、数据处理模块、无线收发 器和串口转换电路提供电能。
上述方案中，所述数据处理模块采用CC2431芯片，该CC2431芯片 内部集成有14位分辨率的A/D转换器，对釆集的信号进行数模转换；所述串口转换电路选用MAXIM的3.0 5.5V的低供电电压，数据速率为 120kbps的RS232收发器MAX3243,完成固定终端与手持巡检仪之间的 电平转换及数据发送、接受、请求、清除功能。
上述方案中，该固定终端进一步具有主动报警功能，当某一个固定终 端监测到的当前数据超过设定的阈值时，将主动向所述手持巡检仪报警， 实现实时监测。
上述方案中，该多个固定终端与该手持巡检仪都包含有CC2431片上 系统，用于实现该多个固定终端与该手持巡检仪之间通过ZIGBEE协议组 网。
(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果-
1、 本发明提供的这种嵌入式智能安全监控设备，具有尺寸小、功耗 低、可靠性高、使用方便的特点，能够实现对重大危险源的安全监测。
2、 本发明提供的这种嵌入式智能安全监控设备，提供了有线和无线 两种方式的数据传输。有线传输采用串口 RS232协议，无线传输主要基于 无线传感器网络，采用ZIGBEE协议。
3、 本发明选用TI公司的2431作为微控制及射频收发芯片，进行网 络节点的硬件设计，能将监测到的数据通过串口或者ZIGBEE通信方式发 送给用户，以便用户做出相应的处理。
4、 本发明提供的这种嵌入式智能安全监控设备，手持巡检仪小巧、 方便、功耗低，可以交流供电和电池供电，方便使用。手持巡检仪有触摸 显示屏，有友好的界面，用户可以根据自己的需要进行可视化的操作。手 持巡检仪还可以提供GPRS服务，可以拨打电话、发送SMS短消息到指 定的手机，这实现危险源的监测。
5、 本发明提供的这种嵌入式智能安全监控设备，固定终端也有主动 报警功能，当某一个固定终端监测到的当前数据超过设定的阈值时，会主 动向手持巡检仪报警，有利于实时监测。
图1是本发明提供的嵌入式智能安全监控设备的组成逻辑框图； 图2是本发明提供的嵌入式智能安全监控设备中固定终端的结构示意
图3是本发明提供的嵌入式智能安全监控设备中手持巡检仪的结构示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的嵌入式智能安全监控设备的组成逻 辑框图，该设备包括一个手持巡检仪和多个固定终端。其中，手持巡检仪 用于向固定终端发送指令，接收并显示固定终端发送的数据信息。固定终 端用于实时地或者根据接收自手持巡检仪的指令，监测和采集危险源数据 信息(如温湿度、有害气体的浓度等)，对采集的数据信息进行处理后发 送给手持巡检仪，以及存储采集的危险源数据信息。该手持巡检仪与该多 个固定终端之间通过串口或ZIGBEE方式进行通信。该多个固定终端与该 手持巡检仪都包含有CC2431片上系统，用于实现该多个固定终端与该手 持巡检仪之间通过ZIGBEE协议组网。
图1中，固定终端用于监测危险源，并把监测到的数据发送给用户的 手持巡检仪。手持巡检仪可以査看并分析从固定终端发来的数据，若出现 异常，则做出处理。手持巡检仪也可以向固定终端发送命令来获取用户所 关心的终端参数值以及工作状态等。固定终端与手持巡检仪之间可以通过 串口或者无线ZIGBEE技术进行通信。
如图2所示，图2是本发明提供的嵌入式智能安全监控设备中固定终 端的结构示意图。该固定终端包括数据采集模块、运算放大器、数据处理 模块、无线收发器、串口转换电路，以及电源。
其中，数据采集模块用于实时地或者根据接收自手持巡检仪的指令， 监测和采集危险源数据信息，并将采集的数据信息输出给运算放大器。运 算放大器用于对数据采集模块采集的数据信息进行放大，并输出给数据处理模块。数据处理模块用于对运算放大器输入的数据信息进行数模转换， 并将转换后的数据信息输出给无线收发器或串口转换电路。无线收发器用
于将接收自数据处理模块的数据信息通过ZIGBEE方式发送出去，串口转
换电路用于将接收自数据处理模块的数据信息通过串口方式发送出去。电 源用于为数据采集模块、运算放大器、数据处理模块、无线收发器和串口 转换电路等功能单元提供电能。
所述数据处理模块采用CC2431芯片，该CC2431芯片内部集成有14 位分辨率的A/D转换器，对采集的信号进行数模转换。
所述串口转换电路选用MAXIM的3.0 5.5V的低供电电压，数据速率 为120kbps的RS232收发器MAX3243，完成固定终端与手持巡检仪之间 的电平转换及数据发送、接受、请求、清除功能。
该固定终端进一步具有主动报警功能，当某一个固定终端监测到的当 前数据超过设定的阈值时，将主动向所述手持巡检仪报警，实现实时监测。
图2中，使用本发明进行危险源监测时，固定终端的数据采集模块负 责数据的采集和数据转换，通过运算放大器对采集的信号进行放大， CC2431内部集成了 14位分辨率的A/D转换器，对采集的信号进行数模转 换。串口转换电路选用了MAXIM的低供电电压(3.0 5.5V)，数据速率为 120kbps的RS232收发器MAX3243，完成固定终端与手持巡检仪之间的
电平转换及数据发送、接受、请求、清除等功能。
如图3所示，图3是本发明提供的嵌入式智能安全监控设备中手持巡 检仪的结构示意图。该手持巡检仪采用高速Intel XScalePXA270处理器， 并扩展了多个接口，该扩展接口至少包括ZIGBEE接口、 GPRS接口、 TCP/IP接口和RS232接口。该手持巡检仪进一步包括一用于提供GPRS 服务的GPRS模块，所述GPRS模块提供的GPRS服务至少包括接打电 话和收发短信息。
上述手持巡检仪进一步包括一触摸显示屏，具有友好的界面，用于实 现人机交互，实现可视化操作。用户可以也通过手持巡检仪的触摸屏实现 人机交互，修改相关参数。
图3中，手持巡检仪ARM使用了高速的Intel XScale PXA270处理器， 并扩展了多个接口 ，它可以通过串口或者ZIGBEE协议与固定终端通信。手持巡检仪有触摸显示屏，有友好的界面，用户可以根据自己的需要进行 可视化的操作。
ZIGBEE通信模块采用CC2431片上系统。CC2431是TI公司推出的 用来实现嵌入式ZIGBEE应用的片上系统。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZIGBEE协议。CC2431片上系统的功能模块集成了 CC2420RF收 发器、增强工业标准的8051MCU、 128K闪存、8KB SRAM等高性能模块， 并内置了 ZIGBEE协议栈。加上超低能耗，使得它可以用很低的费用构成 ZIGBEE节点，具有很强的市场竞争力。
移动手持巡检仪与传感器节点都使用了 CC2431片上系统。在移动手 持巡检仪，用户通过基于ARM处理器的人机交互界面选择相应的操作， ARM处理器通过处理后，将该操作转化成约定的命令格式，发送给 CC2431。 CC2431收到相应的命令之后，通过无线收发模块将命令发送给 传感器节点。在传感器节点，该节点上的CC2431无线模块在接收到无线 信号时，判断接收到的命令类型，执行相应的操作。同时，传感器端的 CC2431还可以通过片上集成的ADC转换器将有传感器传来的模拟电压信 号转化成数据信号，在需要的时候发送给手持巡检仪。
本发明采用了一种基于CC2431的无线传感器网络节点设计。节点集 成了电源模块、CC243K天线以及丰富的用户接口。手持巡检仪的ARM 芯片中嵌入了 Linux嵌入式操作系统。我们在PC机Linux操作系统中使 用了QT编写用户界面，然后移植到手持巡检仪中。该手持巡检仪小巧、 方便、功耗低，可以交流供电和电池供电，方便使用。
危险源监测网络的手持巡检仪与传感器节点的固定终端之间的无线 数据通信采用ZIGBEE技术。手持巡检仪是ZIGBEE网络的协调器，当手
持巡检仪向传感器网络发出搜索设备的请求时，同时向网络中发出绑定请 求，网络中所有能够收到协调器绑定请求的作为ZIGBEE终端设备的传感 器响应这个绑定请求，同协调器绑定在一起，实现了 ZIGBEE组网过程。 完成ZIGBEE组网过程后，手持巡检仪可以发送用户命令，然后通过无线 的方式转发出去，实现了手持巡检仪对无线传感器节点的控制。这些控制 的功能包括要求传感器上传当前的监测值，设置传感器的相关参数等等。 本发明提供的嵌入式智能安全监控设备，具有尺寸小、功耗低、可靠性高的特点，能够方便的使用该系统进行危险源的监测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 己，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种嵌入式智能安全监控设备，其特征在于，该设备包括一手持巡检仪，用于向固定终端发送指令，接收并显示固定终端发送的数据信息；多个固定终端，用于实时地或者根据接收自手持巡检仪的指令，监测和采集危险源数据信息，对采集的数据信息进行处理后发送给手持巡检仪，以及存储采集的危险源数据信息；该手持巡检仪与该多个固定终端之间通过串口或ZIGBEE方式进行通信。
2、 根据权利要求1所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在于， 该手持巡检仪采用高速Intel XScale PXA270处理器，并扩展了多个接口 ， 该扩展接口至少包括ZIGBEE接口、 GPRS接口、 TCP/IP接口和RS232接口。
3、 根据权利要求2所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在于， 该手持巡检仪进一步包括用于提供GPRS服务的GPRS模块。
4、 根据权利要求3所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在于， 所述GPRS模块提供的GPRS服务至少包括接打电话和收发短信息。
5、 根据权利要求2或3所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在 于，该手持巡检仪进一步包括触摸显示屏，具有友好的界面，用于实现人 机交互，实现可视化操作。
6、 根据权利要求1所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在于， 该固定终端包括数据采集模块，用于实时地或者根据接收自手持巡检仪的指令，监测 和采集危险源数据信息，并将采集的数据信息输出给运算放大器；运算放大器，用于对数据采集模块采集的数据信息进行放大，并输出 给数据处理模块；数据处理模块，用于对运算放大器输入的数据信息进行数模转换，并 将转换后的数据信息输出给无线收发器或串口转换电路；无线收发器，用于将接收自数据处理模块的数据信息通过ZIGBEE方式发送出去；串口转换电路，用于将接收自数据处理模块的数据信息通过串口方式 发送出去；电源，用于为数据采集模块、运算放大器、数据处理模块、无线收发 器和串口转换电路提供电能。
7、 根据权利要求6所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在于， 所述数据处理模块采用CC2431芯片，该CC2431芯片内部集成有14位分辨率的A/D转换器，对采集的信号进行数模转换；所述串口转换电路选用MAXIM的3.0 5.5V的低供电电压，数据速率 为120kbps的RS232收发器MAX3243,完成固定终端与手持巡检仪之间 的电平转换及数据发送、接受、请求、清除功能。
8、 根据权利要求6所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在于， 该固定终端进一步具有主动报警功能，当某一个固定终端监测到的当前数 据超过设定的阈值时，将主动向所述手持巡检仪报警，实现实时监测。
9、 根据权利要求1所述的嵌入式智能安全监控设备，其特征在于， 该多个固定终端与该手持巡检仪都包含有CC2431片上系统，用于实现该 多个固定终端与该手持巡检仪之间通过ZIGBEE协议组网。
全文摘要
本发明公开了一种嵌入式智能安全监控设备，该设备包括一手持巡检仪，用于向固定终端发送指令，接收并显示固定终端发送的数据信息；多个固定终端，用于实时地或者根据接收自手持巡检仪的指令，监测和采集危险源数据信息，对采集的数据信息进行处理后发送给手持巡检仪，以及存储采集的危险源数据信息；该手持巡检仪与该多个固定终端之间通过串口或ZIGBEE方式进行通信。本发明提供的这种嵌入式智能安全监控设备，具有尺寸小、功耗低、可靠性高、使用方便的特点，能够实现对重大危险源的安全监测。
文档编号G08B21/00GK101599209SQ200810114390
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月4日 优先权日2008年6月4日
发明者欢 丁, 张文生, 张旭莉, 葛宝珊, 博 赵 申请人:中国科学院自动化研究所