一种基于wsn用于微环境监测的主从式信息采集设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，涉及无线通信领域。该设备包括：汇聚节点和若干信息采集子设备；所述汇聚节点与所述信息采集子设备无线连接；所述信息采集子设备包括：一个控制管理设备和多个采集设备；所述控制管理设备与所述采集设备无线连接。本实用新型解决了在离散式微环境的监测中传统WSN信息采集设备能量浪费严重和性能低的问题。
【专利说明】—种基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备。
【背景技术】
[0002]环境监测主要通过传感器采集环境参数，如空气温湿度、多媒体信息等，根据采集的信息进行决策分析。传统的无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)具有低功耗和自组网的特点，环境监测是WSN应用的主要领域之一。
[0003]在WSN的实际应用中，离散分布的体积较小的环境(以下简称微环境)本身为复杂多变的个体，内部参数时空差异较大。如树冠层，冠层的空气温湿度受叶片、光照及地面等许多原因的影响，呈现不稳定的变化特性。因此为了研究微环境内部的环境变化规律，需监测微环境内多个位置点的环境参数。按照传统的方法，在所有微环境内每一个待采集信息的位置点都需放置一个兼有信息感知、处理及传输的WSN节点，这些具有同等地位的节点共同协作将采集到的环境信息传输回用户端；然而，因为在微环境内部分布的多个WSN节点具有的信息感知、处理及传输功能是冗余的，这些具有平等地位的节点使得WSN系统缺乏合理的架构和层次，WSN信息采集设备性能较低。同时，在微环境内部高密度的节点需不停地通讯以将采集的信息传输回汇聚节点，频繁的信息交换会消耗节点能量，造成能量的浪费。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，解决现有技术中存在的前述问题。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型提出一种基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，采用的技术方案如下:
[0006]该设备包括:汇聚节点和若干信息采集子设备；所述汇聚节点与所述信息采集子设备无线连接；所述信息采集子设备包括:一个控制管理设备和多个采集设备；所述控制管理设备与所述采集设备无线连接。
[0007]优选地，所述汇聚节点与所述信息采集子设备通过所述信息采集子设备的控制管理设备无线连接。
[0008]优选地，所述控制管理设备包括:采集设备管理控制器和数据传输器；所述采集设备管理控制器与所述采集设备无线通信连接；所述数据传输器与所述汇聚节点无线通信连接；
[0009]所述采集设备管理控制器用于管理控制所述采集设备定期采集数据并接收所述采集设备传输来的数据；所述数据传输器，用于将所述采集设备传递过来的环境数据通过多跳自组网的方式将数据传输至汇聚节点。
[0010]更优选地，所述采集设备管理控制器包括:第一微控制器和第一多通道无线射频芯片，通过所述第一多通道无线射频芯片，所述控制管理设备与所述采集设备之间无线通信连接。
[0011]优选地，所述采集设备包括:分别与第二微控制器连接的传感设备、电源控制设备和第二多通道无线射频芯片；所述传感设备还与所述电源控制设备连接；所述第二微控制器通过所述第二多通道无线射频芯片与所述控制管理设备连接；
[0012]所述第二微控制器控制所述电源控制设备对所述传感设备供电或断电，及控制所述传感设备的预热和采集环境数据。
[0013]优选地，任意两个所述信息采集子设备的控制管理设备通过无线自组网协议进行通信。
[0014]更优选地，其特征在于，所述无线自组网协议为Zigbee协议。
[0015]优选地，任意两个所述信息采集子设备中的所述控制管理设备与所述采集设备无线连接所采用的无线通道不一致。
[0016]本实用新型的有益效果:
[0017]本实用新型提出了一种基于WSN用于微环境监测主从式信息采集设备，把采集节点的感知功能分离开来。本实用新型的主从式WSN系统把传统WSN系统划分为多个信息采集子设备，每个子设备完成对一个微环境的监测。每个信息采集子设备有一个控制管理设备和多个采集设备组成，将传统WSN中所有节点都具备的信息处理及传输功能提取并集中至控制管理设备，采集设备主要负责微环境信息感知和微环境信息的采集，并将采集信息发送给控制管理设备。控制管理设备还负责管理所属的采集设备，同时与其他信息采集子设备的控制管理设备通讯，将采集的数据发送给数据汇聚节点。每个信息采集子设备的控制管理设备实现对该微环境内所有节点的统筹安排、控制及管理，将优化WSN系统结构，减少传统WSN系统中由于每个节点均需要进行信息处理而造成的能量消耗和能量浪费，也提高WSN系统的工作效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备结构图；
[0019]图2是传统WSN系统结构图；
[0020]图3是基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备中信息采集子设备的工作流程图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，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【具体实施方式】仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0022]参照图1，一种基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，该设备包括:汇聚节点和若干信息采集子设备；所述汇聚节点与所述信息采集子设备无线连接；所述汇聚节点，负责接收从信息采集子设备传递过来的数据；所述信息采集子设备，负责感知环境信息和采集环境数据，并将采集到的环境数据处理后传递给所述汇聚节点；所述信息采集子设备包括具有传递数据、处理数据和控制管理采集设备功能的控制管理设备和多个具有感知环境信息和采集环境数据的采集设备；所述控制管理设备与所述采集设备无线连接。
[0023]所述汇聚节点与所述信息采集子设备通过所述信息采集子设备中的控制管理设备无线连接。
[0024]所述控制管理设备包括:采集设备管理控制器和数据传输器；所述采集设备管理控制器与所述采集设备无线通信连接；所述数据传输器与其他信息采集子设备中的数据传输器及所述汇聚节点通过无线自组网实现信息的交换。
[0025]所述采集设备管理控制器用于管理控制所述采集设备，设定所述采集设备的采集周期，设定与所述采集设备之间通信的无线通道，实现与所述采集设备管理控制器同步，定期采集数据；所述数据传输器，用于将所述采集设备传递过来的环境数据通过多跳自组网的方式将数据传输至汇聚节点。
[0026]所述采集设备管理控制器包括:第一微控制器和第一多通道无线射频芯片，通过所述第一多通道无线射频芯片，所述控制管理设备与所述采集设备之间无线通信连接。通过所述第一微控制器实现对采集设备的管理和控制。
[0027]所述采集设备包括:分别与第二微控制器连接的传感设备、电源控制设备和第二多通道无线射频芯片；所述传感设备还与所述电源控制设备连接；所述第二微控制器通过所述第二多通道无线射频芯片与所述控制管理设备连接；
[0028]所述第二微控制器，用于进行数据处理的微控制器和用于控制所述传感设备的预热和信息采集、控制所述电源控制设备对所述传感设备的供电或断电、控制所述第二多通道无线射频芯片与所述控制管理设备的数据通讯和解析接收到的所述控制管理设备发送的命令；所述传感设备，用于对微环境信息的感知和采集微环境数据，并将采集到的数据传递给所述控制管理设备；所述电源控制设备，负责管理所述传感模块供电或断电；所述第二多通道无线射频芯片，连接所述控制管理设备和所述微控制器。
[0029]通过所述第二多通道无线射频芯片，所述第二微控制器将所述传感器采集的环境数据传递给所述控制管理设备。
[0030]任意两个所述信息采集子设备的控制管理设备通过Zigbee协议进行通信。
[0031]任意两个所述信息采集子设备中的所述控制管理设备与所述采集设备无线连接所采用的无线通道不一致。即，当信息采集子设备I中的控制管理设备I与下属的采集设备采用多通道无线射频芯片的第一通道进行信息通信时，其他信息采集子设备中的控制管理设备与下属的采集设备不能采用多通道无线射频芯片的第一通道进行信息通信。
[0032]在本实用新型中，通过控制管理设备的多通道无线射频芯片与其下属的采集设备的多通道无线射频芯片建立相应的通道连接，实现控制管理设备与其下属的采集设备进行无线通信。
[0033]在本实用新型中，所述微环境是指体积小于100m3的监测空间。
[0034]在本实用新型中，控制管理设备通过发射控制信息给采集设备实现控制采集设备的采集周期，通知采集设备下次通信所使用的无线通道。
[0035]本实用新型的采集设备实现了自主管理，所述自主管理包括:对电源模块的管理、对传感器的控制及对无线射频芯片的控制；对电源模块的管理为控制电源管理模块实现对传感器的供电及断电以达到节省能耗的目的；对传感器的控制是指依据控制管理设备发来的控制信息合理有序的对传感器进行预热和控制传感器采集信息；在采集到环境数据后通过无线射频芯片将数据传输给控制管理设备，再由控制管理设备进行数据处理，然后将处理后的数据传输给汇聚节点，与传统WSN系统信息采集设备相比，在整个数据的传输和处理过程中，采集设备在需要数据采集的时候给传感器供电，节约能耗。在所述数据传输过程中采集设备将采集到的信息依次发送到控制管理设备。
[0036]本实用新型将传统的WSN系统信息采集设备划分为多个信息采集子设备和一个汇聚节点，每个信息采集子设备包括一个作为控制中心的控制管理设备和多个具有信息感知和信心采集功能的采集设备，一个信息采集子设备用于监测一个微环境，所以本实用新型的主从式WSN系统层次简化，结构合理，节能且便于能耗管理。
[0037]参照图3，本实用新型中信息采集子设备的工作流程:
[0038]控制管理发送控制信息到所属采集设备以控制采集间隔并保持时间同步；采集设备收到控制管理设备的控制信息后设定通信通道，设定采集采集周期，根据采集周期设定信息采集时钟和传感器预热时钟；触发传感器预热时钟的同时，给传感模块供电进行预热，并设置下一次传感器预热时钟；在信息采集时钟触发时进行信息采集并将采集信息传输给控制管理设备，设置下一次采集时钟后中断对传感器的供电并将信息传输给控制管理设备；控制管理设备在接收到采集设备发来的信息数据后，和其他信息采集子设备的控制管理设备通过无线多跳的方式传输至汇聚节点。
[0039]通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果:
[0040]I)本实用新型的主从式的WSN系统根据在对离散式微环境监测时系统的特点对硬件层进行了拆分和重组，系统架构更加清晰。合理可靠的硬件设计简化了 WSN系统的软件流程，降低了系统开销。
[0041]2)传统的基于分簇的WSN系统中，所有节点具有同等功能。节点全部参加簇划分及簇头选择，算法复杂，通信成本高。在结构合理的硬件基础上，本实用新型提出的基于WSN的主从式信息采集设备工作流程简单清晰。新的设备将传统分簇WSN系统分组划分的功能“下移”至硬件层，系统无需具有簇划分、及簇头选择的功能。
[0042]3)簇划分的WSN在成簇时，由于划分策略的不同及无线信号的不稳定性，簇划分结果具有随机性。而在监测离散式微环境时，微环境的及其监测位置却是不变的。同时，簇划分的WSN需要不停的调换簇头、重新成簇以平衡能耗，这对于具有固定监测位置的微环境的监测也是不必要的。本实用新型提出的WSN系统不仅仅考虑到系统的双层架构，还针对监测离散式微环境的特点，从软硬件进行重新设计，新的系统结构简单、易于控制、高效f倉泛。
[0043]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，该设备包括:汇聚节点和若干信息采集子设备；所述汇聚节点与所述信息采集子设备无线连接；所述信息采集子设备包括:一个控制管理设备和多个采集设备；所述控制管理设备与所述采集设备无线连接。
2.根据权利要求1所述基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，所述汇聚节点与所述信息采集子设备通过所述信息采集子设备的控制管理设备无线连接。
3.根据权利要求1所述基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，所述控制管理设备包括:采集设备管理控制器和数据传输器；所述采集设备管理控制器与所述采集设备无线通信连接；所述数据传输器与所述汇聚节点无线通信连接； 所述采集设备管理控制器用于管理控制所述采集设备定期采集数据并接收所述采集设备传输来的数据；所述数据传输器，用于将所述采集设备传递过来的环境数据通过多跳自组网的方式将数据传输至汇聚节点。
4.根据权利要求3所述基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，所述采集设备管理控制器包括:第一微控制器和第一多通道无线射频芯片，通过所述第一多通道无线射频芯片，所述控制管理设备与所述采集设备之间无线通信连接。
5.根据权利要求1所述基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，所述采集设备包括:分别与第二微控制器连接的传感设备、电源控制设备和第二多通道无线射频芯片；所述传感设备还与所述电源控制设备连接；所述第二微控制器通过所述第二多通道无线射频芯片与所述控制管理设备连接； 所述第二微控制器控制所述电源控制设备对所述传感设备供电或断电，及控制所述传感设备的预热和采集环境数据。
6.根据权利要求1所述基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，任意两个所述信息采集子设备的控制管理设备通过无线自组网协议进行通信。
7.根据权利要求6所述基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，所述无线自组网协议为Zigbee协议。
8.根据权利要求1所述基于WSN用于微环境监测的主从式信息采集设备，其特征在于，任意两个所述信息采集子设备中的所述控制管理设备与所述采集设备无线连接所采用的无线通道不一致。
【文档编号】G08C17/02GK204102313SQ201420622113
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】郭秀明, 周国民, 樊景超, 邱耘, 胡林 申请人:中国农业科学院农业信息研究所