专利名称：基于无线传感器网络的六氟化硫气体监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于自动化监测技术领域和无线通信领域，涉及一种基于无线传感器网络的有害气体监测系统。
背景技术：
电力系统中，六氟化硫气体作为高压开关的绝缘气体。六氟化硫是一种无色无味重于空气的气体，当六氟化硫与氧气混合后，会产生有毒有害气体，危害工人生命安全。在生产中为了预防事故的发生和确保操作人员的人身安全，需要对环境中的六氟化硫浓度进行在线监测。传统的监测方法是实验室测量法，该方法需人工采样后在实验室内测量，灵敏度低、操作复杂、耗时长，不适合实时在线测量。早期的六氟化硫浓度在线监测装置采用模拟电路，精度低、可靠性差、响应时间长、系统复杂、功能单一，已不能满足实际需要。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价微型节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，协作地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模式，结合不同类型的传感器，在环境监测、军事侦查、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。基于无线传感器网络的六氟化硫监测系统是无线传感器网络在有害气体监测方面的典型应用。与现有的六氟化硫监测系统相比，基于无线传感器网络的六氟化硫监测系统对生态环境影响小、监测密度高且范围广、系统成本低。基于无线传感器网络的监测系统通常包括传感器节点、数据基站、监测中心。大量传感器节点部署在监测区域中，以自组方式构成网络，传感器节点采集感兴趣的环境信息并路由至数据基站，由数据基站通过有线或无线方式送至远程监测中心，用户通过监测中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测内容以及收集监测数据。通常情况下，监测区域类型多样、环境复杂，有线传输方式存在布线困难、成本高等缺点，很难满足数据传输的要求，而无线传输则具有组网简单方便、成本低、不受地理环境影响等优点，可很好地实现监测系统中数据传输的要求。目前在无线接入方式上，新兴的ZigBee和GPRS无线传输技术具有高通信速率、高质量、低成本等优点，与其它无线传输技术相比，具有更高的性价比。数据采集基站作为整个监测网络的网关设备，是整个系统的通信枢纽，随着嵌入式技术、无线通信技术、传感技术的飞速发展，具有稳定高效的无线通信能力、更强数据处理能力及环境适应能力，已成其发展趋势。
发明内容
本发明的目的是克服现有的六氟化硫浓度在线监测装置的精度低、可靠性差、响应时间长、功能单一的缺点，提供了一种基于嵌入式系统的六氟化硫浓度在线监测装置。该装置能实时监测六氟化硫的浓度，并对测量值进行温度补偿，实现六氟化硫浓度的监测功能。在计算机的管理软件配合下，还能实现对该装置的远程管理操作。
本发明的基于ZigBee无线技术的六氟化硫监测系统，包括分布在监测区域中的多个六氟化硫测节点和一个数据基站。所述的六氟化硫监测节点是基于ZigBee无线技术，包括节点微处理器模块、节点 ZigBee射频模块ZigBee射频模块、电源管理模块和六氟化硫采集模块；节点微处理器模块分别与六氟化硫采集模块中的放大电路以及节点ZigBee射频模块ZigBee射频模块连接； 电源管理模块分别与其他模块连接，为其供电。其中节点微处理器模块采用ATMEGA128L低功耗处理器，用于控制节点ZigBee射频模块与传感器网络节点、以及网关基站间的通信，并对采集的六氟化硫参数作简单的分析与处理。节点ZigBee射频模块通过SPI接口与节点微处理器模块互连；节点ZigBee射频模块支持2. 4GHz ZigBee/IEEE802. 15. 4标准，用于实现无线传感器网络的数据监测节点与基站设备间的通信。六氟化硫采集模块采用六氟化硫传感器和温度传感器，用于完成六氟化硫和温度的数据采集；六氟化硫传感器输出的微弱电压、电流信号通过放大电路，转变为标准电压信号；节点微处理器模块对放大电路输出的标准信号进行分析和处理，完成六氟化硫浓度的采集。所述的数据基站采用ARM处理器架构，包括基站ZigBee射频模块、GPRS传输模块。 其中基站ZigBee射频模块通过SPI接口与ARM处理器连接。GPRS传输模块通过USART串口与ARM处理器连接。六氟化硫监测节点之间利用节点ZigBee射频模块完成无线通信，每个六氟化硫监测节点的节点ZigBee射频模块通过多跳方式与数据基站的基站ZigBee射频模块信号连接，通信符合2. 4GHz ZigBee/IEEE802. 15. 4标准，构成基于ZigBee无线技术的传感器网本发明相对于现有技术，具有以下有益效果1.本发明可同时采集六氟化硫、数据采集覆盖范围广。可实时采集、传输六氟化硫浓度和温度。传感器节点部署方便，不受地理环境的约束，可以监测大范围监测区域的六氟化硫气体浓度变化情况。2.数据通信能力强、网络覆盖范围广。本发明采用新兴的ZigBee技术实现无线传感器节点之间的数据通信，并且通过GPRS网络实现基站与远程监测中心的数据双向通信。 应用新兴、高效的无线通信技术，使得基站系统的通信具有传输速率快、通信质量高、功耗小、成本低、网络容量大等特点，实现了六氟化硫监测系统中参数传输的需要。3.系统各个设备环境适应性强。基站各部件均采用符合工业级标准的器件，在室内或露天的环境条件下具有较强的适应能力。4.数据处理速度快，功能强。本发明使用各种高性能处理器，充分利用了其各自的性能优势，提高了数据处理以及数据传输能力，同时增强了系统可靠性并有利于今后的系统升级和功能更新。5.系统成本低相对于现有的六氟化硫自动监测系统和人工采样实验室分析方法，设备和人工的费用大大降低。
图1为本发明中数据基站示意图；图2为本发明中六氟化硫监测节点示意图；图3为本发明的六氟化硫监测系统一实施例的整体构架示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的监测系统作进一步描述。图1为本发明提供的可用于六氟化硫监测的无线传感器网络数据基站设备的结构原理框图，该基站设备包括基站ZigBee射频模块ZigBeel、GPRS传输模块3、微处理器模块2三部分。各模块中均采用现有成熟技术。其中，微处理器模块采用ARM处理器架构，用于控制ZigBeel与传感器网络、GPRS模块3 与远程监测中心10之间的通信，并对采集的六氟化硫参数作分析与处理。基站ZigBee射频模块ZigBee 1用于实现基站设备与无线传感器网络的数据监测节点间的通信。通过SPI接口与微处理器模块2互连；GPRS传输模块，用于实现基站设备与远程监测中心14间的通信，通过USART串口与微处理器模块2互连。图2为本发明提供的可用于六氟化硫监测的无线传感器网节点设备的整体结构示意图，该基站设备包括电源管理模块5、六氟化硫和温度采集模块6、微处理器模块7以及节点ZigBee射频模块8四部分。各模块中均采用现有成熟技术。其中，电源管理模块5包括两节3. 6V的锂离子电池，串联形成7. 2V电源5_1 ；以 LMl 117-5. 0为核心的电压转换电路模块5-2，为六氟化硫采集模块6中的六氟化硫信号放大电路6-2提供5V电压；以LM1117-3. 3为核心的电压转换电路模块5_3，为微处理器模块 7和ZigBee射频模块ZigBee 8提供3. 3V电压。六氟化硫采集模块6包括六氟化硫传感器6-1和信号放大电路6-2。多个六氟化硫传感器6-1可采集六氟化硫和温度参数，送入微处理器模块7的A/D转换器，完成六氟化硫采集。微处理器模块7采用ATMEGA128L微处理单元。ATMEGA128L单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作，其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设。其中，多路12位的A/D转换器用来采集和处理六氟化硫采集模块6 传输来的六氟化硫和温度信号。微处理器模块7通过SPI接口与ZigBee射频模块8互连， 实现六氟化硫浓度参数的接收和发送。同时，微处理器模块7对六氟化硫传感器的温度漂移进行温度补偿。节点ZigBee射频模块8用于实现无线传感器网络中节点与节点间的通信，并实现与基站ZigBee射频模块ZigBee 1的通信。通过SPI接口与微处理器模块7互连；图3为基于无线传感器网络的六氟化硫监测系统整体架构示意图。将整个待监测区域划分为若干个系统区域11，系统架构可分为三个层次系统区域内数据监测节点9、系统区域内数据基站12、远程监测中心14。其中，在区域11中构建基于ZigBee无线技术的传感器网络=ZigBee网络10，每个区域配置一个数据基站12，对分布在区域11中的ZigBee网络10中的多个数据监测节点9进行数据采集和状态监测，并通过GPRS网络13将采集的实时数据传送至远程监测中心14。 数据基站12通过协议转换将传感器网络即ZigBee网络6与GPRS网络9两个异构网络连接在一起，充当两者之间的网关。远程监测中心14接收实时六氟化硫参数，提供用户人性化的监控界面，并拥有强大的数据管理和分析功能。 六氟化硫监测系统的数据流、状态流、命令流传输情况如下。在监测过程中，分布于区域11中的数据监测节点9通过传感器采集六氟化硫和温度参数，并将网络自身的状态信息以定时发送方式，使用节点ZigBee射频模块ZigBee 8通过ZigBee网络6以多跳方式最终上传至数据基站12的基站ZigBee射频模块1。基站12经由ZigBee 1接收六氟化硫参数和传感器网络10的状态信息，进行简单的分析和处理后，产生是否超限、是否需要报警等信息。同时，数据基站12最终将采集的六氟化硫参数以及传感器网络10状态信息连同分析处理后的报警信息，经由GPRS模块3发送至远程监测中心14。远程监测中心14接收基站12上传的各种信息，分析处理相关数据，并根据监测需要发送控制指令至基站12。 而基站12接收到指令后，经解码做出相应的控制操作，例如，配置相关数据监测节点5等， 满足远程监测中心14简单的控制要求。
权利要求
1.基于ZigBee无线技术的六氟化硫监测系统，包括分布在监测区域中的多个六氟化硫监测节点和一个数据基站，其特征在于所述的六氟化硫检测节点是基于ZigBee无线技术，包括节点微处理器模块、节点 ZigBee射频模块、电源管理模块和六氟化硫采集模块；节点微处理器模块分别与六氟化硫采集模块中的放大电路以及节点ZigBee射频模块连接；电源管理模块分别与其他模块连接，为其供电；其中节点微处理器模块采用ATMEGA128L低功耗处理器，用于控制节点ZigBee射频模块与传感器网络节点、以及网关基站间的通信，并对采集的六氟化硫浓度作简单的分析与处理；节点ZigBee射频模块通过SPI接口与节点微处理器模块互连；节点ZigBee射频模块支持2. 4GHz ZigBee/IEEE802. 15. 4标准，用于实现无线传感器网络的数据监测节点与基站设备间的通信；电源管理模块采用两节3. 6V的锂离子电池，串联形成7. 2V电源，通过电压转换电路产生3. 3V和5V电压，为节点上各个模块供电；六氟化硫采集模块采用六氟化硫传感器，用于完成六氟化硫浓度和温度的数据采集； 六氟化硫传感器输出的电压信号通过放大电路，转变为标准电压信号；节点微处理器模块对放大电路输出的标准信号进行分析和处理，完成多种六氟化硫的采集； 基站ZigBee射频模块通过SPI接口与ARM处理器连接； GPRS传输模块通过USART串口与ARM处理器连接；六氟化硫检测节点之间利用节点ZigBee射频模块完成无线通信，每个六氟化硫检测节点的节点ZigBee射频模块通过多跳方式与数据基站的基站ZigBee射频模块信号连接， 通信符合2. 4GHz ZigBee/IEEE802. 15. 4标准，构成基于ZigBee无线技术的传感器网络。
全文摘要
本发明涉及一种基于ZigBee无线技术的六氟化硫气体监测系统。目前监测多采用有线传输方式，布线困难、成本高。本发明包括分布在境监测的区域中的多个六氟化硫监测节点和一个数据基站。六氟化硫监测节点是基于ZigBee无线技术，包括节点微处理器模块、节点ZigBee射频芯片、电源管理模块和六氟化硫气体采集模块。数据基站采用ARM处理器架构，包括基站ZigBee射频芯片、GPRS传输模块。本发明可实现对六氟化硫和温度的采集，数据通信能力强、网络覆盖范围广。
文档编号H04W84/18GK102243194SQ20101016981
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者张正敏, 蒋路茸 申请人:张正敏, 蒋路茸