一种基于ZigBee的生态水文数据采集系统的制作方法
【专利摘要】一种基于ZigBee的生态水文数据采集系统，包括由多个依次相连的路由节点组成的多个路由组，路由组中一端的路由节点与协调器节点相连，另一端的路由节点与多个终端节点相连，协调器节点与监控终端信号相接；终端节点包括第三电源模块，第三电源模块分别与LED灯、第三JTAG调试端口、第三时钟电路、传感器模块以及第三控制芯片相接，第三控制芯片分别与LED灯、第三JTAG调试端口、第三时钟电路和传感器模块相接。该数据采集系统能够远程无线采集并实时显示各种环境下的生态水文数据，反映出实地降水量、水质等信息，能够大范围的监测水文信息，对水文监测技术的发展起到了很好的推动和借鉴作用，具有较大的实用价值和推广价值。
【专利说明】
一种基于Z i gBee的生态水文数据采集系统
技术领域
[0001]本实用新型属于生态水文技术领域，涉及一种复杂环境下的生态水文数据获取和地球表系统中的环境监测体系，特别涉及一种基于ZigBee的生态水文数据采集系统。
【背景技术】
[0002]生态水文数据监测的地理环境地处偏僻，监测位置相对分散，且区域覆盖范围广，监测信息种类多，流动性大，传统的有线方式传输信息会比较困难，需要较大的人力和物力成本，且容易受到破坏、稳定性不高。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是提供一种基于ZigBee的生态水文数据采集系统，能够远程无线采集各种环境下的生态水文数据，实时显示当前恶劣环境下的水文数据信息，包括土壤含水量、土壤温度、土壤pH值，进而反映出实地降水量、水质等信息。
[0004]为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是:一种基于ZigBee的生态水文数据采集系统，包括多个路由组，每个路由组均由多个依次相连的路由节点组成，路由组中位于一端的路由节点与协调器节点相连，该路由组中位于另一端的路由节点与多个终端节点相连，协调器节点通过无线通信模块与监控终端信号相接，协调器节点采用ZigBee协调器节点；
[0005]所述的终端节点包括第三电源模块，第三电源模块分别与LED灯、第三JTAG调试端口、第三时钟电路、传感器模块以及第三控制芯片相接，第三控制芯片分别与LED灯、第三JTAG调试端口、第三时钟电路和传感器模块相接。
[0006]本实用新型数据采集系统基于ZigBee技术的无线传感网络，由终端节点、路由节点和协调器节点三级构成，能够实时显示实地的生态水文数据信息，并且能在上位机上清楚明了的看到当前的各种水文数据变化情况。该系统相当于一个微型嵌入式系统，具有感知、处理、存储和通信等功能。该采集系统的供电方式有电池供电和太阳能供电两种；系统中的部分节点还具有中继和转发功能，起着路由的作用，除了数据采集处理之外，还要处理其它节点转发来的数据。监测区域的所有节点以自组织方式构成无线网络，将数据以多跳中继方式传给协调器节点模块;协调器节点各方面的能力都比较强，表现在数据的处理、存储方面，以及和其他节点的通信能力方面，因此采用固定电源供电，以确保系统的可靠性。协调器模块还负责将传感器模块采集到的水文信息通过串口传输到上位机，以进行进一步操作。
【附图说明】
[0007]图1是本实用新型数据采集系统的总体结构示意图。
[0008]图2是本实用新型数据采集系统中协调器节点的结构框图。
[0009]图3是本实用新型数据采集系统中路由节点的结构框图。
[0010]图4是本实用新型数据采集系统中终端节点的结构框图。
[0011 ]图中:1.协调器节点，2.路由节点，3.终端节点，4.监控终端，5.无线通信模块，6.第一电源模块，7.第一IXD显示模块，8.第一JTAG调试端口，9.串口模块，10.第一时钟电路，
11.第一控制芯片，12.第二电源模块，13.第二LCD显示模块，14.第二 JTAG调试端口，15.第二时钟电路，16.第二控制芯片，17.第三电源模块，18.LED灯，19.第三JTAG调试端口，20.第三时钟电路，21.传感器模块，22.第三控制芯片。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0013]如图1所示，本实用新型数据采集系统，包括多个路由组，每个路由组均由多个依次相连的路由节点2组成，路由组中位于一端的路由节点2与协调器节点I相连，该路由组中位于另一端的路由节点2与多个终端节点3相连，协调器节点I通过无线通信模块5与监控终端4相接，协调器节点I采用ZigBee协调器节点。
[0014]如图2所示，本实用新型数据采集系统中的协调器节点I，包括第一电源模块6，第一电源模块6为固定电源;第一电源模块6分别与第一 LCD显不模块6、第一 JTAG调试端口 7、串口模块8、第一时钟电路9和第一控制芯片10相接，第一控制芯片10分别与第一IXD显示模块6、JTAG调试端口 7、串口模块8和第一时钟电路9相接;协调器节点I通过串口模块8与无线通信模块5连接。
[0015]无线通信模块5采用RS-232串行通信模块或RS-485串行通信模块。
[0016]串口模块8采用Polif ic公司的PL2303接口芯片，该接口芯片提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。具有兼容性强、信息吞吐率高、性能稳定、抗干扰能力强等特点。
[0017]如图3所示，本实用新型数据采集系统中的路由节点2，包括第二电源模块12，第二电源模块12分别与第二IXD显示模块13、第二JTAG调试端口 14、第二时钟电路15以及第二控制芯片16相接，第二控制芯片16分别与第二 IXD显示模块13、第二 JTAG调试端口 14和第二时钟电路15相接。
[0018]第二电源模块12采用蓄电池或太阳能电池。
[0019]如图4所示，本实用新型数据采集系统中的终端节点3，包括第三电源模块17，第三电源模块17分别与LED灯18、第三JTAG调试端口 19、第三时钟电路20、传感器模块21以及第三控制芯片22相接，第三控制芯片22分别与LED灯18、第三JTAG调试端口 19、第三时钟电路20和传感器模块21相接。
[0020]第三电源模块17采用蓄电池或太阳能电池。
[0021]传感器模块21包括土壤温度传感器、温湿度传感器和土壤pH值传感器。土壤温度传感器使用防水型温度传感器DS18B20，DS18B20内部结构主要有温度传感器模块、A/D转换器、信号处理器、存储器及接口电路五部分。其主要特点是温度测量精确，对温度的分辨率为0.50C，测量范围广，测量范围可从一55°C到+125°C，单总线接口，只需一个接口即可完成温度转换的读写操作，可简化线路，节省I/O资源，提高经济性;系统可将监测到的温度信息数字化，采用9位数字方式直接读取温度，其典型转换时间仅为Is。温湿度传感器采用防水型温湿度传感器DHTll，土壤pH值传感器采用传感器WQ201。该三种传感器都是在复杂环境下被广泛使用的传感器，完全能满足复杂环境下土壤温湿度数据和pH值数据采集的功會泛。
[0022]第一控制芯片11、第二控制芯片16和第三控制芯片22均采用TI公司的CC2530F256新一代的SOC芯片，该芯片采用40脚QFN封装，主要部分有CPU、存储器、RF收发器和其他外设。芯片内部集成了一个高性能、低功耗的增强型8051微控制器内核，芯片存储器为8KB的RAM和256KB的R0M，RF收发器为一个2.4G的标准射频天线。该芯片不仅支持IEEE802.15.4标准，而且有着快速的数据处理能力、强大的收发前端、丰富的外设和显著的低功耗，能够很好地适用于环境较恶劣的水文数据采集系统中。
[0023]第一 IXD显示模块7和第二 IXD13均采用12864显示模块，该显示模块带中文字库的128 X 64每屏可显示4行8列共32个16 X 16点阵的汉字，是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128X64，内置8192个16X16点汉字和128个16X8点ASCII字符集。可以显示8X4行16X16点阵的汉字.也可完成图形显示。12864显示模块将经由处理器处理过的水文数据信息在其屏幕上显示出来，维护人员能比较直观的观测实地的水文数据情况。
[0024]随着无线传感器模块网络的发展和ZigBee技术的成熟，逐渐在水文监测领域中得到了应用，能够满足水文监测信息化、网络化的需求，具有低功耗、低成本、使用方便、高可靠性等特点，能够大范围的监测水文信息，并解决许多的应用需求，对今后水文监测技术的发展起到了很好的推动和借鉴作用。
[0025]本实用新型数据采集系统是基于ZigBee技术的无线传感网络技术所实现的，整个系统采用星型拓扑结构，组网简单且可靠性好，当某一链路发生故障时，只影响该路下级的节点，且故障容易修复。
[0026]终端节点3没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此，可以是一个蓄电池或者太阳能供电设备。通常，终端设备对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。主要负责通过各种传感器采集生态水文数据。所有的终端节点3将进行土壤水分、土壤温度、土壤PH值的采集，并将终端节点3采集到的多路信号经过处理后发给ZigBee网络的路由节点2，再由路由节点2通过ZigBee无线网络传输到协调器节点I，然后由协调器节点I将信息通过无线通信模块5传递给监控终端4(通常为计算机)。通过监控终端4可以清楚直观的看到实地各节点处的土壤和水的数据信息，进而反映出当地一片区域内的生态水文情况。
[0027]路由节点2主要是允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的终端设备的通讯。同时，路由节点2的功能也可以进行扩展，若加入传感器模块，将该传感器模块的部分功能移植到路由节点2，这时，路由节点2的功能又可以相当于一个终端节点3，也可以进行数据的采集。
[0028]协调器节点I负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。协调器的角色主要涉及网络的启动和配铬。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器。由于ZigBee网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不再依赖协调器是否存在。
[0029]由于本数据采集系统要在极低温度条件下工作，一般的实时时钟不能确保其时钟的准确性。而整个系统对时间的要求比较高，因而系统采用美国DALLAS公司的耐低温实时时钟芯片DSl 302给系统提供时间基准。
[0030]协调器节点I的工作原理是通过协调器节点I将由各个路由节点2发送的实时信息通过控制芯片处理后，存储到芯片存储单元，并且通过RS232将实时信息传递给监控终端4。
[0031]本实用新型数据采集系统是用于复杂环境下生态水文数据采集的基于ZigBee技术的远程无线数据系统。终端节点3将土壤温度传感器、土壤温湿度传感器、土壤pH值传感器采集到的水文数据实时信息通过无线网络传输到第二控制芯片16，路由节点2将接收到的实时信息数据传递给协调器节点I。协调器节点I中的第一控制芯片6对各个终端节点3采集到的实时信息进行处理，将处理结果存储到存储器中，并通过无线通信模块5将实时信息传递给监控终端4。该生态水文数据采集系统安全可靠性、精确性高、实时性强，且易于维护，具有较大的实用价值和推广价值。
【主权项】
1.一种基于ZigBee的生态水文数据采集系统，其特征在于，包括多个路由组，每个路由组均由多个依次相连的路由节点(2)组成，路由组中位于一端的路由节点(2)与协调器节点(I)相连，该路由组中位于另一端的路由节点(2)与多个终端节点(3)相连，协调器节点(I)通过无线通信模块(5)与监控终端(4)信号相接，协调器节点(I)采用ZigBee协调器节点； 所述的终端节点(3 )包括第三电源模块(17 )，第三电源模块(17 )分别与LED灯(18 )、第三JTAG调试端口( 19)、第三时钟电路(20)、传感器模块(21)以及第三控制芯片(22)相接，第三控制芯片(22)分别与LED灯(18 )、第三JTAG调试端口( 19)、第三时钟电路(20 )和传感器模块(21)相接。2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的生态水文数据采集系统，其特征在于，所述的协调器节点(I)包括第一电源模块(6)，第一电源模块(6)为固定电源;第一电源模块(6)分别与第一LCD显示模块(6)、第一JTAG调试端口(7)、串口模块(8)、第一时钟电路(9)和第一控制芯片(10)相接，第一控制芯片(10)分别与第一LCD显示模块(6)、JTAG调试端口(7)、串口模块(8)和第一时钟电路(9)相接;协调器节点(2)通过串口模块(8)与无线通信模块(5)连接。3.根据权利要求1所述的基于ZigBee的生态水文数据采集系统，其特征在于，所述的路由节点(2)包括第二电源模块(12)，第二电源模块(12)分别与第二 LCD显示模块(13)、第二JTAG调试端口(14)、第二时钟电路(15)以及第二控制芯片(16)相接，第二控制芯片(16)分别与第二IXD显示模块(13)、第二JTAG调试端口(14)和第二时钟电路(15)相接。4.根据权利要求1所述的基于ZigBee的生态水文数据采集系统，其特征在于，所述的传感器模块(21)包括土壤温度传感器、温湿度传感器和土壤pH值传感器。5.根据权利要求4所述的基于ZigBee的生态水文数据采集系统，其特征在于，所述的土壤温度传感器采用防水型温度传感器DS18B20;温湿度传感器采用防水型温湿度传感器DHTll，土壤pH值传感器采用传感器WQ201。
【文档编号】G08C17/02GK205428173SQ201521059046
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月18日
【发明人】摆玉龙, 胡升升, 火圣昌, 申凯, 刘颖娟, 卢勇男, 张转花, 庞宗武, 赵兴龙, 徐宝兄, 尤元红
【申请人】西北师范大学