专利名称：基于ZigBee&GPRS的无线环境监测网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线环境监测领域，特别是一种基于&GPRS的无线环境监测网络。
背景技术：
随着社会经济的发展，工业化进程的不断推进，环境污染问题变得越来越突出。环境污染事件层出不穷，污染程度日趋严重，造成的危害也越来越大。面对日益严峻的环境压力，环境监测的需求已越来越迫切。环境保护已成为一个世界性的课题，得到了世界范围的广泛认同与重视。环境的好坏不仅关系到社会经济的可持续发展，而且直接影响到人类生活的水平，甚至关系到人类及地球上所有其他生物能否长期生存。如何加大环境监测力度， 提高环境监测的自动化、智能化和网络化水平已成为目前环境监测的主要问题。近年来，环境污染事故频频发生，如有毒气体泄露、有毒废水的随意排放造成河水、土地污染，危险化学品运输车发生交通事故引起危险品泄漏、爆炸等，这些环境事故不仅造成了大量的财产损失，也对事故现场人民群众的生产、生活秩序造成了严重影响，对自然环境和人民群众的身心健康造成了极大的危害，其破坏程度难以估计。这些环境污染事故之所以会造成如此巨大的损失，关键在于不能及时、准确地对污染事件进行实时监测，不能将污染信息进行快速的传播，致使污染治理工作难以进行进，而加大了污染事故的负面影响。嵌入式技术的发展，为研发先进的环境监测设备提供了越来越多的解决方案。 无线移动通信技术的发展，解决了环境监测节点分散造成的组网不便的问题，基于GPRS、 CDMA、ZigBee等无线通信技术的传感器网络已得到越来越广泛的应用。通过检索，发现与本发明相关的现有技术为，杭州电子科技大学蒋鹏等人的中国专利“基于ZigBee无线技术的水环境监测系统”[申请号200810060362. 4]中的描述，涉及一种基于ZigBee无线技术的水环境监测系统，其自述为该发明涉及一种基于ZigBee无线技术的水环境监测系统。该发明包括分布在水环境监测的区域中的多个水环境监测节点和一个数据视频基站。水环境监测节点是基于ZigBee无线技术，包括节点微处理器模块、节点ZigBee射频模块CCM20射频芯片、电源管理模块和水质参数采集模块。数据视频基站采用ARM-DSP双处理器架构，包括基站ZigBee射频模块CCM20射频芯片、CDMA传输模块HUAWEI-CM320、视频信号采集模块和微处理器模块。该发明可同时采集多种水质参数，数据通信能力强、网络覆盖范围广， 并且可实现视频信号的实时采集、处理和无线传输。该专利技术的不足之处在于①环境参数仅限于水质监测，适用范围比较狭窄；②该系统只是将水质参数通过基站发送出去，不涉及对水质参数的分析，不便于环境监测人员对水质的分析；③该系统没有设计人机交互层软件，不便于环境监测人员对监测数据的处理、分析。
发明内容
本发明克服了现有技术的缺陷，提供一种组网简单、造价低廉、性能优越、操作方便的无线环境监测网络系统和方法，可以进行多方面的综合环境监测，使环境监测变得更加准确、快速、方便。本发明通过以下技术方案实现一种基于ZigBee&GPRS的无线环境监测网络，包括由中央监控计算机和GPRS无线通信模块组成的中央监控层、由多个中继节点组成的中继层和由多个现场环境监测节点组成的现场监测层，所述中继节点集成有GPRS无线通信模块和ZigBee无线通信模块；所述现场环境监测节点集成有传感器模块、ZigBee无线通信模块。现场环境监测节点的传感器模块主要包括温度/湿度传感器、光照传感器、气压传感器、风速/风向传感器、以及部分可燃/有害气体传感器(如一氧化碳、天然气、液化气、酒精等)，其可以实时采集环境监测数据，然后通过ZigBee无线通信模块直接或间接将环境监测数据发送至中继节点。中继节点不仅集成有ZigBee无线通信模块而且集成有GPRS无线通信模块，可以通过ZigBee无线通信模块与各个现场环境监测节点进行无线通信，直接或间接接收各个现场环境监测节点的环境监测数据，并将这些环境监测数据整理打包之后，按照一定的通信协议通过GPRS无线通信模块，利用现有的移动通信网络，将环境监测数据实时发送至中央监控中心，实现环境监测数据的远程无线传输。作为本发明的进一步改进，所述中继节点的电源管理模块都采用电池供电，避免了大量的线路铺设，可以方便地部署到野外的监测，点节约了成本，提高了效率。作为本发明的另一改进，采用模块化设计思路，将ZigBee无线通信电路和GPRS无线通信电路均设计为独立的电路模块，通过特定的接口与中继节点的其他功能模块连接在一起。本发明相对于传统的环境监测方案具有显著的进步，首先是将ZigBee无线通信模块设计为独立的电路模块，既降低了现场环境监测节点和中继节点电路设计的复杂度， 又可以降低成本，便于升级、维护。如果某个ZigBee无线通信模块出现故障，则只需更换该模块既可，无需更换整个现场环境监测节点或中继节点。同理，GPRS无线通信模块亦设计为独立的电路模块。采用模块化设计不仅可以降低成本、简化设计的复杂度，而且便于系统的升级、维护；其次采用电池供电，安装方便。在本发明中，现场环境监测节点和中继节点均采用电池供电。这样，现场环境监测节点和中继节点的安装位置可以不受电力供应的限制， 可以方便地部署在电力供应不便的偏远地带。同时，现场环境监测节点和中继节点均采用低功耗技术，在某些功能模块不工作时，可以暂时切断这些功能模块的电源，以降低电能消耗，而且两种节点的微处理器均可以工作在多种低功耗模式，最大限度地降低功耗，延长电池的使用寿命；第三，本发明可以监测多种环境参数，可扩展性好。现场环境监测节点可实时采集温度、湿度、光照、气压、风速、风向等基本环境参数，并实时监测大气中的部分可燃气体、有害气体(如一氧化碳、天然气、液化气、酒精等)的种类以及浓度；第四，本发明组网方便。现场监测层组网采用ZigBee无线通信方式，可以根据实际需要，方便地组织成星型、 树型或Mesh型等不同形式的ZigBee无线通信网络。这些ZigBee无线通信网络均可以方便地增加或减少通信节点，组网极为灵活方便；第五，本发明利用现有的移动通信网络进行远程通信，可靠性高，成本低。本发明的远程无线通信采用GPRS无线通信方式，利用现有的移动通信网络，实现环境监测数据的远程传输，无需自己组建远程通信网络，成本低，可靠性高，建设周期短。
下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。图1是本发明的无线环境监测网络架构示意图；图2是本发明的中继节点功能示意图；图3是本发明的现场环境监测节点功能示意图；图4是本发明的中央监控软件功能框图；图5是本发明的星型ZigBee无线通信网络示意图；图6是本发明的树型ZigBee无线通信网络示意图；图7是本发明的Mesh型ZigBee无线通信网络示意图。图中1、中央监控层；2、中继层；3、现场监测层；4、GPRS无线通信；5、ZigBee无线通信； 11、中央监控中心；111、中央监控计算机；112、中央GPRS无线通信模块；21、中继节点；31、 现场环境监测节点；211、电源管理模块；212、微处理器模块；213、GPRS无线通信模块；214、 ZigBee无线通信模块；215、辅助功能模块；311、电源管理模块；312、微处理器模块；313、传感器模块；314、ZigBee无线通信模块；315、辅助功能模块；41、数据接收；42、数据处理；43 数据显示；44、数据存储；45、数据分析；46、命令发送。
具体实施例方式如图1至7所示，给出了本发明一个具体实施例，图中，该无线环境监测网络主要包括三层中央监控层1、中继层2、现场监测层3，其中，现场监测层3由各个现场环境监测节点31组成，中继层2由各个中继节点21组成，中央监控层1由中央监控中心11组成；中央监控中心11又由中央监控计算机111和中央GPRS无线通信模块112组成。各中继节点 21可以通过ZigBee无线通信5收集一定区域内各个现场环境监测节点31的环境监测数据然后通过GPRS无线通信4，利用现有的移动通信网络，将该区域的环境监测数据发送至中央监控中心11。中央监控中心11可以通过中央GPRS无线通信模块112，接收各个中继节点21发送来的环境监测数据，进而对数据进行处理、分析。如图2所示，中继节点21主要由电源管理模块211、微处理器模块212、GPRS无线通信模块213、ZigBee无线通信模块214和辅助功能模块215等组成。中继节点21接收一定范围内现场环境监测节点31的环境监测数据，将环境监测数据打包整理之后，按照一定的无线通信协议，通过GPRS无线通信4，利用现有的移动通信网络，发送至中央监控中心 11，实现环境监测数据的远程无线传输。电源管理模块211采用电池供电，经过稳压电路产生5V和3. 3V直流电源，为其他功能模块供电。微处理器模块212采用高性能低功耗微处理器，集成有FLASH、RAM、EEPR0M，具有JTAG调试接口，可以在线编程，开发简单价格低廉。 辅助功能模块215主要包括IXD显示、小键盘、报警等功能可实现环境监测数据的显示、人机交互、实时报警等功能。ZigBee无线通信模块214和GPRS无线通信模块213均设计为独立的电路模块，通过特定的接口，与中继节点21的其他功能模块进行连接，不仅简化了电路设计的复杂度，而且便于升级、维护。中继节点21可以通过ZigBee无线通信模块214与各个现场环境监测节点31进行无线通信，直接或间接接收各个现场环境监测节点31的环境监测数据，并将这些环境监测数据整理打包之后，按照一定的通信协议通过GPRS无线通信模块213，利用现有的移动通信网络，将环境监测数据实时发送至中央监控中心11。如图3所示，现场环境监测节点31主要由电源管理模块311、微处理器模块312、 传感器模块313、ZigBee无线通信模块314、和辅助功能模块315等组成。现场环境监测节点31实时采集环境监测数据，然后通过ZigBee无线通信5，直接或间接将环境监测数据发送至中继节点21。电源管理模块311采用电池供电，经过稳压电路产生5V和3. 3V直流电源，为现场环境监测节点31的其他功能模块供电。微处理器模块312采用超低功耗单片机， 集成有FLASH、RAM、EEPROM、ADC具有JTAG调试接口，可以在线对单片机进行编程，开发简单价格低廉。传感器模块313主要包括温度/湿度传感器、光照传感器、气压传感器、风速/ 风向传感器、以及部分可燃/有害气体传感器(如一氧化碳、天然气、液化气、酒精等)。其中，温度/湿度传感器、光照传感器、气压传感器等数字式传感器的监测数据可由单片机直接读取，而可燃/有害气体传感器等模拟式传感器的输出量是模拟量，需通过单片机自带的ADC将模拟量转换为数字量再由单片机进行处理，得到环境监测数据。各个功能模块的电源均由单片机控制，如果某个功能模块暂时不需要工作，则单片机可以将该功能模块的电源暂时切断，以降低损耗，延长电池使用寿命。中央监控计算机111通过RS232串行通信接口与中央GPRS无线通信模块112通信。该中央GPRS无线通信模块112接收各个中继节点21发送来的监测数据，然后将监测数据发送至中央监控计算机111，其上运行有环境监控软件。如图4所示，该环境监控软件主要具有数据接收41、数据处理42、数据显示43、数据存储44、数据分析45、命令发送46等功能。该环境监测软件对监测数据处理之后，实时地在显示器上显示，并将监测数据以文件的形式保存在存储器上，以便于日后查询。并且，该环境监控软件亦提供数据分析功能，通过分析、对比当前的环境监测数据与过去的环境监测数据，分析环境变化趋势，发现环境污染信息，给出环境保护建议，帮助环境监测人员做出决策。另外，该环境监控软件亦提供命令发送功能，环境监测人员可以方便地向各个现场环境监测节点31或中继节点21发送控制命令，如更改现场环境监测节点31的采样周期等。若要对某个区域的环境进行实时监测，则需要在该区域的适当位置部署一定数量的现场环境监测节点31，实时监测各种环境参数。而现场环境监测节点31之间的距离可根据需要设定，从几米到IOOOm均可(ZigBee无线通信距离与发射功率直接相关)，并在适当位置部署一个中继节点21。中继节点21与各个现场环境监测节点31可根据需要组成星型 (如图5所示)、树型(如图6所示)、或Mesh型(如图7所示)等不同形式的ZigBee无线通信网络，这三种形式的ZigBee无线通信网络均可以方便地增加或减少通信节点，组网方便、灵活。各个现场环境监测节点31均可以通过ZigBee无线通信模块314直接或间接与该中继节点21进行无线通信。根据与中继节点21通信方式的不同，现场环境监测节点31可以分为三类其一类现场环境监测节点31a可通过ZigBee无线通信模块314直接与中继节点21通信，将自身的环境监测数据发送给中继节点21 ；其二类现场环境监测节点31b距离中继节点21较远，无法直接与中继节点21通信，其首先将环境监测数据发送给其他现场环境监测节点31c，再由该节点将环境监测数据发送给中继节点21 ；第三类现场环境监测节点31c可以与中继节点21直接通信，不仅可以将自身的环境监测数据发送给中继节点21 还负责将其它距离中继节点21较远的现场环境监测节点31b的环境监测数据发送给中继节点21。如图5所示，如果组成星型ZigBee无线通信网络，则中继节点21处于中央位置， 各个现场环境监测节点31a分布在中继节点21的周围，均是上述第一类节点，可直接与中继节点21进行无线通信。各现场环境监测节点31a均可将环境监测数据直接发送至中继节点21，再由中继节点21将这个区域内的环境监测数据，通过GPRS无线通信模块213，利用现有的移动通信网络发送至中央监控中心11。如图6所示，如果组成树型ZigBee无线通信网络，则中继节点21处于树型无线通信网络的根节点位置。现场环境监测节点31a可通过ZigBee无线通信模块314与中继节点21直接进行无线通信，将环境监测数据直接发送给中继节点21。而距中继节点21较远的上述第二类现场环境监测节点31b，无法将环境监测数据直接发送给中继节点21，因此， 该节点首先将环境监测数据发送至离中继节点较近的第三类节点31c，然后再由此节点将环境监测数据转发给中继节点21。在树型ZigBee无线通信网络中，上述第三类现场环境监测节点31c不仅可将自己的环境监测数据发送至中继节点21，还扮演着数据中转站的角色。最终，中继节点21将这个区域内的环境监测数据整理之后，通过GPRS无线通信模块 213，利用现有的移动通信网络，按照一定的无线通信协议发送至中央监控中心11。如图7所示，现场环境监测节点31和中继节点21亦可以组织成Mesh型ZigBee 无线通信网络。在Mesh型ZigBee无线通信网络中，其一类现场环境监测节点31a可通过 ZigBee无线通信模块314与中继节点21直接进行无线通信，可直接将环境监测数据发送给中继节点21。现场环境监测节点31b可首先将环境监测数据发送至现场环境监测节点 31c，再由现场环境监测节点31c将环境监测数据转发至中继节点21。在Mesh型ZigBee无线通信网络中，任意两个节点之间均可以通信，通信路径更多，通信更加可靠。同理，中继节点21在收集这个区域内各现场环境监测节点31的环境监测数据之后，将数据打包整理，而后通过GPRS无线通信模块213，利用现有的移动通信网络，按照一定的无线通信协议发送至中央监控中心11。本发明采用模块化结构，组网简单，技术可靠，实时性强，性价比高，可扩展性好， 可实时监测多种环境参数，提高了环境监测的效率，降低了成本。
权利要求
1.一种基于ZigBee&GPRS的无线环境监测网络，包括由中央监控计算机(111)和 GPRS无线通信模块(112)组成的中央监控层(1)、由多个中继节点组成的中继层(2) 和由多个现场环境监测节点(31)组成的现场监测层( 其特征在于，所述中继节点集成有GPRS无线通信模块(213)和ZigBee无线通信模块Q14)；所述现场环境监测节点 (31)集成有传感器模块(313)、ZigBee无线通信模块(314)。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee&GPRS的无线环境监测网络，其特征在于，所述中继节点的电源管理模块011)都采用电池供电。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee&GPRS的无线环境监测网络，其特征在于，采用模块化设计思路，将ZigBee无线通信电路和GPRS无线通信电路均设计为独立的电路模块，通过接口与中继节点的其他功能模块连接在一起。
全文摘要
一种基于ZigBee&GPRS的无线环境监测网络，包括由中央监控计算机和GPRS无线通信模块组成的中央监控层、由多个中继节点组成的中继层和由多个现场环境监测节点组成的现场监测层，所述中继节点集成有GPRS无线通信模块和ZigBee无线通信模块；所述现场环境监测节点集成有传感器模块、ZigBee无线通信模块。本发明采用模块化结构，组网简单，技术可靠，实时性强，性价比高，可扩展性好，可实时监测多种环境参数，提高了环境监测的效率，降低了成本。
文档编号G08C17/02GK102164176SQ20111005797
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者余意, 张建宏, 易建强 申请人:无锡中科京惠自动化技术有限公司