一种基于ZigBee和GPRS网络的自然灾害监测系统及方法与流程

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种基于zigbee和gprs网络的自然灾害监测系统及方法。

背景技术：

我国是受自然灾害危害最为严重的国家之一，每年都会有大量的自然环境由于突如其来的灾害被破坏掉，而目前的技术手段仍旧比较传统，主要依靠建立观察点来进行预警和防范。这样的手段效率低，灾害发现和预警不及时，一般都是在灾害发生或即将发生的情况下才产生作用。

目前的物理网环境信息采集网络，有以手机信息采集为数据源的城市检测网络，但这方式只适用于人口密集的区域，大量的自然环境地区无法得到检测。而现有的自然环境监测采用蓝牙，wifi等方案的系统，功耗大、续航短，受供电的限制较大。而使用zigbee网络的监测系统，也存在着网络稳定性可靠性不佳，容易出故障等问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种可靠性高、稳定性强，适用于野外自然环境的自然灾害监测系统及监测方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于zigbee和gprs网络的自然灾害监测系统，包括：由zigbee节点组成的zigbee环境监测网络、由zigbee子网根节点和arm网关构成的网关数据处理平台、远程控制处理中心以及gprs网络；

所述zigbee环境监测网络包括路由节点和终端节点，所述路由节点是带位置信息的固定节点，放置于预设的位置，所述终端节点是无位置信息的普通节点，位置根据三角定位法计算得出；所述路由节点和终端节点上均挂接传感器，用于采集实时环境数据；所述zigbee环境监测网络采用双层树形网络结构，任一终端节点都和两个或两个以上路由节点连接，路由节点之间也有多条路径连接，最终数据都汇集到zigbee子网根节点处，当任一终端节点或路由节点收发数据时，都至少有两条物理路径和zigbee子网根节点相通；每个zigbee子网根节点为中心，与对应的路由节点、终端节点组成一个zigbee子网，所述zigbee环境监测网络对应多个zigbee子网，各zigbee子网的终端节点和路由节点上传感器采集的实时环境数据都上传到本zigbee子网的zigbee子网根节点；每个zigbee子网根据其自身信息在远程控制处理中心都生成相应的位置分布图和数据库；

所述网关数据处理平台中，每个arm网关连接多个zigbee子网根节点，arm网关用于将zigbee子网根节点接收到的实时环境数据再进行地址、协议转换，冗余筛选和分包压缩处理，以减少数据传出量，再经所述gprs网络传到远程控制处理中心；

所述远程控制处理中心用于在接收到数据后，将数据存储到对应的数据库中，通过数据库中的数据来判断自然环境是否正常；所述远程控制处理中心还用于发布指令到zigbee环境监测网络，以控制zigbee环境监测网络对数据的采集。

优选地，所述系统还包括电源模块，用于给网关数据处理平台供电。

本发明还提供了一种利用所述的系统进行自然灾害监测的方法，包括以下步骤：

s1、按预设的位置布置路由节点，在任意位置布置终端节点，并按照双层树形网络结构组网，形成zigbee环境监测网络，然后根据三角定位法计算普通节点的位置，从而进行普通节点的定位；

s2、启动zigbee环境监测网络，以各个zigbee子网根节点为中心组成多个zigbee子网，各个zigbee子网根据其自身信息在程控制处理中生成相应的位置分布图和数据库；

s3、arm网关将zigbee子网根节点接收到的实时环境数据进行地址、协议转换，冗余筛选和分包压缩处理，以减少数据传出量，再经所述gprs网络传到远程控制处理中心；

s4、所述远程控制处理中心在接收到数据后，将数据存储到对应的数据库中，通过数据库中的数据来判断自然环境是否正常，即是否发生或有可能发生自然灾害。

优选地，所述数据库的结构如下表所示：

其中，节点编号为唯一标识码；节点属性包括根节点、路由节点，终端节点；父节点为上级节点的编号，zigbee组网是动态的，不同时间点的父节点不同，zigbee子网中，只有根节点是没有父节点的；位置是固定位置或根据三角定位法计算得到的位置；环境数据是传感器采集的数据；时间戳是本次记录的时间。

优选地，步骤s1中，对普通节点进行定位的方法为：测得普通节点相对于与其连接的三个固定节点的信号强度rssi值，再根据距离和信号衰减的公式得到普通节点与三个固定节点的距离，最后根据三角定位公式确定普通节点的位置。

(三)有益效果

本发明通过在zigbee网络中采用双树形的拓扑结构，使得任意节点的数据传输拥有两条以上的路径，不再受制于关键节点的工作是否正常，是否能传递数据，增强了zigbee网络的稳定性和可靠性。同时灵活的节点定位方式使得网络的配置更加灵活，在保证位置准确性的同时提升了扩展网络的便利程度，使得zigbee监测网络可以方便快捷的扩展。本发明的系统可靠性高、稳定性强，适用于野外自然环境的自然灾害监测。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明系统中zigbee环境监测网络及其与zigbee子网根节点连接的拓扑结构图；

图3为本发明系统中网关数据处理平台软件结构框图；

图4为本发明方法中普通节点定位原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种基于zigbee和gprs网络的自然灾害监测系统，包括：由zigbee节点组成的zigbee环境监测网络、由zigbee子网根节点和arm网关构成的网关数据处理平台、远程控制处理中心以及gprs网络；

所述zigbee环境监测网络包括路由节点和终端节点，所述路由节点是带位置信息的固定节点，放置于预设的位置，所述终端节点是无位置信息的普通节点，位置根据三角定位法计算得出，这样的方式可以使节点的布置更灵活，不用把所有节点的位置都固定，在一定的范围了布置少量的位置已知且固定的节点，其他节点通过三角定位的方式确定。所述路由节点和终端节点上均挂接传感器，用于采集实时环境数据。

数据传输网络拓扑一般分为星形、树形和网状形。星形网结构简单，便于建网和管理，网络延迟时间较小，传输误差较低，但是成本高、可靠性较低、资源共享能力较差。网状网络系统可靠性高，容错能力强。但是安装复杂、不经济，只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种方法。树形结构是分级的集中控制式网络，一定程度上综合了星形网和网状网的优点，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障也会使系统受到一定影响。为了克服数据传输可靠性不足的特点，所述zigbee环境监测网络采用双层树形网络结构，如图2所示，任一终端节点都和两个或两个以上路由节点连接，路由节点之间也有多条路径连接，最终数据都汇集到zigbee子网根节点处，当任一终端节点或路由节点收发数据时，都至少有两条物理路径和zigbee子网根节点相通，当中间某一节点失效后，系统仍能正常工作，保证了大多数节点和链路的数据传输可靠性；每个zigbee子网根节点为中心，与对应的路由节点、终端节点组成一个zigbee子网，所述zigbee环境监测网络对应多个zigbee子网，各zigbee子网的终端节点和路由节点上传感器采集的实时环境数据都上传到本zigbee子网的zigbee子网根节点；每个zigbee子网根据其自身信息在远程控制处理中心都生成相应的位置分布图和数据库；

所述网关数据处理平台中，每个arm网关连接多个zigbee子网根节点，arm网关用于将zigbee子网根节点接收到的实时环境数据再进行地址、协议转换，冗余筛选和分包压缩处理，以减少数据传出量，再经所述gprs网络传到远程控制处理中心。

网关数据处理平台中的子网根节点为zigbee子网络的一部分，在整个子无线网络中具有唯一性，一个子网中所有节点数据均发送给根节点，并由与其连接的arm处理器进行地址、协议转换，冗余处理，分包压缩后通过gprs发送给远程控制处理中心。反之，gprs数据也需由网关进行地址、协议转换后，才发送给zigbee网络。总的来说，网关数据处理平台是zigbee无线网络与gprs网络数据交换的中转站。网关数据处理平台采用模块化分层设计方案，由硬件层、软件支持层和应用层构成，采用arm9作为主控模块。

图3所示为网关数据处理平台，其中硬件层描述了网关的硬件实现；软件层移植uc/os—ii实时操作系统内核、zigbee和嵌入式tcp/lp协议栈lwip，实现了zigbee和tcp/ip协议的双向透明转换，同时封装一些关键api函数供应用层程序调用；应用层运行的是用户编写的应用程序，用户可以根据实际需要使用下层定义的api自行扩充相关应用。

所述远程控制处理中心用于在接收到数据后，将数据存储到对应的数据库中，通过数据库中的数据来判断自然环境是否正常；所述远程控制处理中心还用于发布指令到zigbee环境监测网络，以控制zigbee环境监测网络对数据的采集。远程控制处理中心还可根据具体应用进行预警和报警。其中对zigbee子网的位置分布图绘制采用双线性差值算法进行。以温度分布为例，先把各个测量点的位置所测出的温度进行标注，在x方向上用插值的运算，再在y方向上进行插值，如果对于同一个点有两个方向的插值且结果不同，则取平均值。

所述系统还包括电源模块，用于给网关数据处理平台供电。在整个系统中，zigbee环境监测网络的节点耗电很低，普通锂电池即可有半年的续航时间，电源模块主要负责给网关数据处理平台供电。电源模块的能源以太阳能供电为主，利用pwm控制电路，单片机电压采样等现有方式将太阳能电池板产生的电路整合为网关数据处理平台所需要的电压，并搭配电池提供蓄电功能，在夜晚和阴雨天能正常供电。

本发明还提供了一种利用所述的系统进行自然灾害监测的方法，包括以下步骤：

s1、按预设的位置布置路由节点，在任意位置布置终端节点，并按照双层树形网络结构组网，形成zigbee环境监测网络，然后根据三角定位法计算普通节点的位置，从而进行普通节点的定位；

如图4所示，对普通节点进行定位的方法为：测得普通节点相对于与其连接的三个固定节点的信号强度rssi值，再根据距离和信号衰减的公式得到普通节点与三个固定节点的距离，最后根据三角定位公式确定普通节点的位置。

s2、启动zigbee环境监测网络，以各个zigbee子网根节点为中心组成多个zigbee子网，各个zigbee子网根据其自身信息在程控制处理中生成相应的位置分布图和数据库；

所述数据库的结构如下表所示：

其中，节点编号为唯一标识码；节点属性包括根节点(0)、路由节点(1)，终端节点(2)；父节点为上级节点的编号，zigbee组网是动态的，不同时间点的父节点不同，zigbee子网中，只有根节点是没有父节点的；位置是固定位置或根据三角定位法计算得到的位置；环境数据是传感器采集的数据；时间戳是本次记录的时间。

s3、arm网关将zigbee子网根节点接收到的实时环境数据进行地址、协议转换，冗余筛选和分包压缩处理，以减少数据传出量，再经所述gprs网络传到远程控制处理中心；

s4、所述远程控制处理中心在接收到数据后，将数据存储到对应的数据库中，远程控制处理中心软件可根据用户需求对数据进行调用，对数据进行分析处理以及进行可视化图像呈现，即可通过数据库中的数据来判断自然环境是否正常，即是否发生或有可能发生自然灾害。

本发明采用的自然灾害监测系统，可以在更大的自然环境中进行多参数的监测，稳定性更佳，需人为干预的条件更少，不需要在后期维护阶段提供大量的人力物力。监测网络组网更加灵活，不仅可以对静态环境做监测，还可以对环境中的动物的活动，习性等做到有效监控，为科学研究提供更详尽的数据。系统在一定程度上可以独立存在，监测范围可由小到大随意扩展，避免了对基础设施的依赖和前期的大量投入，让整个监测的起步和发展更加容易实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。