一种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，属于无线通信及物联网【技术领域】，包括数据采集层、GPRS网关和PC终端服务器，数据采集层由ZigBee节点组成，ZigBee节点间采用ZigBee协议进行无线通信；GPRS网关包括与ZigBee网络协调器串口通信的GPRS通讯模块，该模块通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信，将ZigBee网络协调器发送的数据，转发给PC终端服务器；PC终端服务器包括网络通信模块、数据处理模块、数据分析展示模块、数据存储模块。采用本系统监测矿区环境工作量小，监测周期短，投资维护费用低，可以满足矿区的复杂地形要求。
【专利说明】—种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，属于无线通信及物联网【技术领域】。
【背景技术】
[0002]矿产资源的开发，在给人们的生活带来巨大便利的同时，也造成了矿区的环境破坏。随着人们对矿产资源的大量开采使用，保护矿区环境所面临的挑战也日趋严峻。传统的矿区环境监测主要以地面监测为主，采用有线的通信网络去实现，导致环境监测工作量大，周期长，投资维护费用较高，且有线的数据传输方式难以满足矿区中复杂地形的应用需要。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，采用本系统监测矿区环境工作量小，监测周期短，投资维护费用低，可以满足矿区的复杂地形要求。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型采用的一种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，包括数据采集层、GPRS网关和PC终端服务器，其特征在于，所述的数据采集层由ZigBee节点组成，ZigBee节点通过无线自组网络与GPRS网关通信，GPRS网关通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信；所述的ZigBee节点间采用ZigBee协议进行无线通信；所述的数据采集层包括网络协调器、数量分别不少于一个的网络路由器和网络终端节点；所述的网络终端节点包括ZigBee通信模块、温湿度传感器、应变传感器、三轴加速度传感器、应力传感器，传感器采用I2C总线协议与ZigBee通信模块通信；所述的GPRS网关包括与ZigBee网络协调器串口通信的GPRS通讯模块，该模块通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信，将ZigBee网络协调器发送的数据，转发给PC终端服务器；所述的PC终端服务器包括网络通信模块、数据处理模块、数据分析展示模块、数据存储模块。
[0005]进一步的，所述的数据采集层和GPRS网关中包含单独的移动电源作为电源管理模块。
[0006]进一步的，所述的数据采集层中的网络路由器使用Hame A9移动电源供电，网络终端节点使用9V仪表电池供电。
[0007]进一步的，所述的ZigBee通信模块使用CC2530F256芯片。
[0008]进一步的，所述的温湿度传感器采用SHTll温湿度传感器芯片。
[0009]进一步的，所述应变传感器采用BOSOlOOOmm拉线式位移传感器。
[0010]进一步的，所述三轴加速度传感器采用ADXL345芯片。
[0011]进一步的,所述的应力传感器采用FlexiForce Sensor压力传感器A201。
[0012]与现有技术相比，本实用新型所设计的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统能够利用节点间无线自组网技术完成实际矿区环境信息的采集，由节点的底层软件完成通讯、路由和能源分配的管理；并通过GPRS网关取得与互联网的相互连接，实现将采集到的数据传送到服务器中，进而实现采集数据汇总、存储、筛选和分析直至终端显示和处理的完整环境监测，以此获得精确的矿区环境参数，为矿区环境保护和环境治理提供科学的依据。
[0013]采用无线通信的方式进行各个节点间的数据交换通信，摆脱了传统有线网络的束缚，可以根据矿山环境的需要更灵活的布置监测网，便于将温湿度传感器、应变传感器、三轴加速度传感器、位移传感器安装在重点监测的区域；使用的ZigBee网络无线通讯方式形成一个多跳的自组织网络，实现对目标地域的相关环境参数进行远程实时监测，简单易用，可以适应矿区复杂环境；可以根据需要灵活改变传感器的位置，比有线环境监测网络相比更加实用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的原理结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0016]如图1所示，一种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，包括数据采集层、GPRS网关和PC终端服务器，所述的数据采集层由ZigBee节点组成，ZigBee节点通过无线自组网络与GPRS网关通信，GPRS网关通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信；所述的ZigBee节点间采用ZigBee协议进行无线通信；所述的数据采集层包括网络协调器、数量分别不少于一个的网络路由器和网络终端节点，所述的网络终端节点包括ZigBee通信模块、温湿度传感器、应变传感器、三轴加速度传感器、应力传感器，传感器采用I2C总线协议与ZigBee通信模块通信；所述的GPRS网关包括与ZigBee网络协调器串口通信的GPRS通讯模块，该模块通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信，将ZigBee网络协调器发送的数据，转发给PC终端服务器；所述的PC终端服务器包括网络通信模块、数据处理模块、数据分析展示模块、数据存储模块。
[0017]网络协调器主要负责整个ZigBee通信网络的组建、控制节点(包括ZigBee网络路由器与ZigBee网络终端节点)加入移除网络、分配节点网络短地址、节点间绑定的建立与取消，并对整个ZigBee网络进行相关网络参数的设置；所述的网络路由器用于ZigBee通信网络范围的扩展，其作为ZigBee网络的终端节点源节点与目的节点(一般为ZigBee网络协调器节点，也可为ZigBee网络路由节点或ZigBee网络的终端节点)的中间节点负责路由两者之间传输的数据包，同时其还负责保存传送到其子节点上的数据包，等待子节点的轮询请求，ZigBee网络路由器同时还具有ZigBee网络终端节点采集矿区环境数据的功倉泛。
[0018]网络终端节点负责矿区环境数据的采集与发送，控制各种矿区环境数据的采集时间间隔以及采集精度，其由ZigBee通信模块、温湿度传感器、应变传感器、三轴加速度传感器、位移传感器组成。
[0019]温湿度传感器与ZigBee网络终端节点采用I2C总线协议进行通信，根据ZigBee网络终端节点发送的控制信息进行对传感器所安装位置的温度和湿度进行相应精度和频率的测量，并将数据反馈到ZigBee网络终端节点设备中；三轴加速度传感器其与ZigBee网络终端节点采用I2C总线协议进行通信，根据ZigBee网络终端节点发送的控制信息进行对传感器所安装位置的重力加速度在传感三个轴向上的分量进行相应精度和频率的测量，并将数据反馈到ZigBee网络终端节点设备中；位移传感器负责测量安装位置处位移的大小的测量，一般测量房屋或岩石裂缝大小的改变，其输出为模拟信号，其信号线与ZigBee网络终端节点相连接，终端节点根据其返回的模拟信号进行数模转换，最终转换为位移信息发送到网络监控模块中。
[0020]GPRS网关包括与ZigBee网络协调器串口通信的GPRS通讯模块，该模块通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信，将ZigBee网络协调器发送的数据，转发给PC终端服务器；所述的PC终端服务器包括网络通信模块、数据处理模块、数据分析展示模块、数据存储模块，负责与GPRS网关通过互联网进行通信，同时对接收到的数据进行解译并存储到数据库中，同时对接收到的数据进行处理分析，根据操作者需要展示响应数据，并根据设置对超限的环境参数进行报警，及时处理潜在的灾害。
[0021]作为本实用新型的进一步改进，所述的数据采集层和GPRS网关中包含单独的移动电源作为电源管理模块，其中ZigBee网络中的网络路由器使用Hame A9移动电源供电，网络终端节点使用9V仪表电池供电，方便电源的重复使用及更换。
[0022]作为本实用新型的进一步改进，所述的温湿度传感器包括温度测量部件与湿度测量部件，温湿度传感器采用SHTll温湿度传感器芯片，采集温湿度数据，SH Tll由于采用了特有的工业化CMOS技术，它具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。芯片内包括经校准的相对湿度和温度传感器，它们与一个14位的A/D转换器相连，每一个传感器都是在精确的温室中进行校准的，校准系数预先存在OTP内存中，在测量校准的全过程都要用到这些系数，二线串行I2C总线接口支持简单、快速的系统集成。
[0023]作为本实用新型的进一步改进，所述ZigBee通信模块使用CC2530F256芯片，CC2530芯片结合了 RF收发器，增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他模块的强大的功能，CC2530主要有四种不同的闪存版本:CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存，因此其具有多种运行模式，能充分满足超低功耗系统的要求；同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。
[0024]作为本实用新型的进一步改进，所述应变传感器采用BOSOlOOOmm拉线式位移传感器，通过配合高精度敏感元件，使得拉线(拉绳)式位移传感器具有体积小、质量轻、结构紧凑、密封性好、测量精度高、温度误差小、安装方便、灵活等优点。
[0025]作为本实用新型的进一步改进，所述三轴加速度传感器采用ADXL345芯片，该芯片具有体积小，功耗低的特点，13位数字精度分辨能够测量超过土 16g的加速度变换。信号输出为16位数字输出，可以通过SPI与I2C接口实现信号采集，同时ADXL345适用于倾斜角度测量，能够进行静态重力加速度检测，且适用于运动状态的追踪，测量运动或冲击过程造成的瞬时加速度；其高分辨率(4mg/LSB)使之能够感应变化小于1°的倾斜角度。。
[0026]作为本实用新型的进一步改进,所述的应力传感器采用FlexiForce Sensor压力传感器A201，其具有重量轻，体积小，感测精度高，超薄等优点。
[0027]本实用新型使用的电源管理模块采用AMSl 117-3.3稳压芯片，出电压:3.267?3.333V (0〈 = 10UT〈 = 1A, 4.75V< = VIN< = 12V)，线路调整(最大):1mV (4.75V< = VIN<=12V)，负载调节(最大):15mV(VIN = 5V,0< = 10UT〈 = ΙΑ)，电压差(最大):1.3V，电流限制:900?1500mA，静态电流(最大):10mA，纹波抑制(最小):60dB，其中网络路由器采用Hame A9移动电源供电，网络终端节点采用9V仪表电池供电。
[0028]本实用新型的环境监测系统采用无线通信的方式进行各个节点间的数据交换通信，摆脱了传统有线网络的束缚，可以根据矿山环境的需要更灵活的布置监测网，便于将温湿度传感器、应变传感器、三轴加速度传感器、位移传感器安装在重点监测的区域；使用的ZigBee网络无线通讯方式形成一个多跳的自组织网络，实现对目标地域的相关环境参数进行远程实时监测，简单易用，可以适应矿区复杂环境；可以根据需要灵活改变传感器的位置，比有线环境监测网络相比更加实用。
【权利要求】
1.一种基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，包括数据采集层、GPRS网关和PC终端服务器，其特征在于，所述的数据采集层由ZigBee节点组成，ZigBee节点通过无线自组网络与GPRS网关通信，GPRS网关通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信；所述的ZigBee节点间采用ZigBee协议进行无线通信；所述的数据采集层包括网络协调器、数量分别不少于一个的网络路由器和网络终端节点，所述的网络终端节点包括ZigBee通信模块、温湿度传感器、应变传感器、三轴加速度传感器、应力传感器，传感器采用I2C总线协议与ZigBee通信模块通信；所述的GPRS网关包括与ZigBee网络协调器串口通信的GPRS通讯模块，该模块通过GPRS数据传输协议与PC终端服务器通信，将ZigBee网络协调器发送的数据，转发给PC终端服务器；所述的PC终端服务器包括网络通信模块、数据处理模块、数据分析展示模块和数据存储模块。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，其特征在于，所述的数据采集层和GPRS网关中包含单独的移动电源作为电源管理模块。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，其特征在于，所述的数据采集层中的网络路由器使用Hame A9移动电源供电，网络终端节点使用9V仪表电池供电。
4.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，其特征在于，所述ZigBee通信模块使用CC2530F256芯片。
5.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，其特征在于，所述的温湿度传感器采用SHTll温湿度传感器芯片。
6.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，其特征在于，所述应变传感器采用BOSOlOOOmm拉线式位移传感器。
7.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，其特征在于，所述三轴加速度传感器采用ADXL345芯片。
8.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee与GPRS的无线矿山环境监测系统，其特征在于，所述的应力传感器采用FlexiForce Sensor压力传感器A201。
【文档编号】G01D21/02GK204085562SQ201420370424
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】魏晓斌, 杨学光, 韩固勇, 孔华, 张辉, 张军凯 申请人:魏晓斌