水环境无线传感监测网汇聚节点的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种水环境无线传感监测网汇聚节点，包括处理器单元、传感单元、通信单元和能量供应模块。处理器单元包括双微控制器、双存储器和A／D转换部分；双微控制器为ARM架构的K60N512和HCS08架构的MC13211，K60N512用于采集数据及转发数据处理，MC13211用于无线数据通信，这里采用Zigbee协议；双存储器为K60N512和MC13211内部集成FLASH，用于存储数据；A／D转换接收传感单元的数据进行转换。电源模块采用锂电池与太阳能电池双电源为处理器模块和传感器模块、Zigbee无线通信模块供电。本发明具有配置灵活，功耗低，成本低廉等特点，属于无线监测控制领域。
【专利说明】 水环境无线传感监测网汇聚节点
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水环境无线传感监测网汇聚节点，属于无线监测控制领域。
【背景技术】
[0002]国内关于水质参数采集多采用单一参数的水质分析仪，其价格低、操作简单，不能对水质进行连续监测，劳动强度大，机动性差，数据采集速度慢等问题。无法满足大面积水域，复杂地形水域水质参数监测的需求。因此需要找寻一种新的技术，解决大面积、多水域和复杂地形水环境水质参数监测管理显得尤为必要。
[0003]无线传感器网络作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价节点组成的，通过无线通信方式形成一个多跳的自组网络，协作采集和处理监测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理方式。结合不同的类型的传感器，无线传感器网络在环境监测、军事检查、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域有着广阔的应用前景。水环境无线传感监测网是无线传感器网络在在环境监测领域的典型应用。与现有的水环境自动监测系统相比，水环境无线传感监测网具有对生态环境影响小、监测密度高且范围广泛、系统成本低等优点。
[0004]水环境无线传感监测网将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到感兴趣水域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点包括普通节点、汇聚节点和基站等。汇聚节点既承担信息的采集，也承担收集普通节点发来的信息，并进行转发，涉及到路由选择、拓扑架构等处理。因此，汇聚节点在水环境无线传感监测网中起到关键作用，其性能直接关系到监测网络的稳定。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种水环境传感监测网汇聚节点。该汇聚节点具有监测范围大，配置灵活，功耗低，对自然环境影响小，成本低廉的特点，可实现对水环境的多点远程多参数实时在线监测，及时发现突发性的水质污染事故，以便相关部门能够及时采取措施，查找污染源头，减小污染对农业用水、畜牧业用水以及人们生活用水的影响，对水环境变化的监控和环境保护具有极大的发展前景和现实意义。
[0006]本发明提供了一种基于无线传感器网络的水环境监测网汇聚节点，包括:处理器模块、传感器模块、电源模块、通信模块、存储模块。所有模块均经过防水处理，电源模块为处理器模块和传感器模块、通信模块供电。
[0007]采集电路中传感器预处理电路连接水下的pH传感器、盐度传感器和温度传感器，可采集待监测水域的PH值、盐度值和温度，再将采集的pH信号、盐度信号和水温信号转换为O?5V的电压信号并送至处理器模块。
[0008]处理器模块接收传感器发送的电压信号，处理并存储pH信号、盐度信号和水温信号，然后通过通信模块发送至基站。通信模块中的处理器以飞思卡尔公司生产的MC13211芯片为核心，MCl3211主要负责节点入网、节点与基站之间的通信，节点间传递水质参数数据。汇聚节点数据量、数据处理能力远大于普通节点，因此，汇聚节点增加独立的数据处理器，即ARM架构的K60N512，实现数据的处理和通信。
[0009]为了扩大汇聚节点的数据存储量，除了依靠微控制器自身集成的Flash容量外，还应该外扩独立的存储空间。采用美国微芯科技公司(Microchip Technology Inc.)生产的电擦写式存储器系列24LC1025芯片。
[0010]监测节点电源模块包括两部分电源:+3.3V和+5V。其中一部分锂电池输出+12V经过稳压后输出+5V直流电压，给传感器模块、串口模块和存储模块供电。另一部分则通过稳压转换为+3.3V直流电压供电给MC13211最小系统和无线通信模块。为了充分保障监测节点工作的无人值守，采用了锂电池和太阳能电池双电池供电方式，在现有条件下最大限度的提高电池的续航能力，保证节点的生命周期。
[0011]无线通信模块设计。各监测节点之间通过Zigbee通信协议组网，并与基站连接，通过基站命令控制上传数据。基于IEEE802.15.4 / zighee协议的网状结构网络是一种多跳的拓扑结构，可以实现网络各节点之间的点对点传输，这种结构相互连接形成网状，网络非常健壮，容错能力较强，在个别链路和终端节点失效时，会重新选择路径传输，传输距离和可靠性也比其它结构网络强。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1本发明水环境无线传感监测网汇聚节点的系统结构示意图；
[0013]图2温度传感器的信号调理电路原理连接图；
[0014]图3PH传感器的信号调理电路原理连接图；
[0015]图4盐度传感器的信号调理电路原理连接图；
[0016]图5微控制器MC13211的最小系统参考电路原理连接图；
[0017]图6发射天线和功放调理电路原理连接图；
[0018]图7电池管理模块电路原理连接图。
[0019]图8存储模块电路原理连接图。
[0020]图9微控制器K60N512的最小系统参考电路原理连接图。
具体实施方案
[0021]下面结合附图对本发明进行详细的描述:
[0022]图1是本发明基于无线传感器网络的水环境监测网汇聚节点的系统结构示意图。该节点设备包括传感单元、处理单元、通信单元和能量供给单元。
[0023](I)传感单元包括传感器和信号调理电路两部分。
[0024]传感器负责采集待监测水域的PH值、盐度值和水温。监测节点安装有pH传感器、盐度传感器和温度传感器，能采集水体的PH值、盐度值和水温，信号调理电路对采集的数据做线性化、温度补偿等处理。
[0025]从图2TMP获得水温信号，并传送到图5微控制器MC13211的最小系统参考电路原理连接图中的TMP引脚；从图3PH接口获得PH值信号，并传送到图5微控制器MC13211的最小系统参考电路原理连接图中的PH引脚；从图4Salinity接口获得盐度值信号，并传送到图5微控制器MC13211的最小系统参考电路原理连接图中的Salinity引脚。[0026](2)处理单元包括微控制器、存储器和A / D转换器。
[0027]微控制器MC13211负责节点间传送数据，如图5所示；微控制器K60N512负责数据存储和转发，如图9所示。节点采集到并处理后的水质参数，并不是立即上传到基站，因此需要按照一定的存储结构暂存在节点本地。水质参数可以采用定时上传的方式，也可以被动接受上位机指令后，按照上位机的要求上传相应的水质参数历史数据。
[0028]从图5RxD和TxD接口无线获得其它节点数据，分别传输到图9微控制器K60N512的最小系统参考电路原理连接图中的TxD和RxD引脚。
[0029](3)通信单元包括发射天线和功放调理电路。
[0030]监测网络组建基于Zigbee通信的无线通信。监测节点之间通过Zigbee无线通信技术进行数据的传输，采用多跳式传输将采集的水质参数汇集到基站，基站通过GPRS通信将汇聚的参数传输至远端数据中心。发射功率放大电路的作用是将无线收发器输入功率放大以达到期望输出功率。由于数据接收和发送均通过同一个天线电路实现，在天线端加一个射频单刀双掷开关实现数据的收发切换。
[0031]从图6中的RFIN_P和RFIN_M接口获得无线通信数据，并分别传送到图5微控制器MC13211的最小系统参考电路原理连接图中的RFIN_P和RFIN_M引脚。
[0032](4)能量模块包括能量供应和能量管理。
[0033]考虑到监测节点需要长期部署在水中，经常更换电池不容易实现，而且人工更换电池还会额外耗费人力物力，增加监测成本，也不利于监测的持续性。所以在监测节点的设计中加入能量管理模块，实时监测电池剩余能量，通过采集节点的剩余能量，对节点各模块进行必要的能量分配，以达到延长节点生命周期和连续不间断监测水域的目的。
[0034]如图7所示电池管理模块电路原理连接图，它能实时监测锂电池电量，并能实现锂电池饿充放电功能，并为节点提供+5V电压。
[0035](5)数据存储管理模块。
[0036]和一般节点相比，汇聚节点的存储能力相对比较强，它连接无线传感器网络与基站相连，把收集的数据转发到基站和外部网络上。因此，汇聚节点在设计上除了要满足终端节点的数据采集、数据处理、无线通信等基本功能以外，还要具有更强的数据存储功能。为了扩大汇聚节点的数据存储量，除了依靠微控制器自身集成的Flash容量外，还需要外扩独立的存储空间。采用电擦写式存储器系列24LC1025芯片，数据存储容量为1024K。该系列器件支持2线串行接口，以8位存储器块进行组合。
[0037]图8中SCL接口时钟下，从SDA接口获得数据，并分别传送到图9微控制器K60N512的最小系统参考电路原理连接图中的SCL和SDA引脚。
【权利要求】
1.水环境无线传感监测网汇聚节点，其特征在于包括:用于连接传感器组以获取温度、PH值和盐度值的传感器接口、与传感器接口相连的数据处理模块、与数据处理模块相连的Zigbee无线收发器模块。
2.根据权利要求1所述的于无线传感器网络的水环境监测节点，其特征在于:处理模块采用型号为飞思卡尔Kinetis系列的K60N512芯片。
【文档编号】H04W84/18GK103648185SQ201310585786
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】刘英平, 姚芳琴, 王旭阳, 林志贵 申请人:天津工业大学