专利名称：一种复杂环境条件下多传感器感知节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是一种复杂环境条件下多传感器感知节点。
背景技术：
在一些作业环境比较复杂的地区(如矿山，井下，隧道等)，有线通信网络无法达到一些区域，有线的监测点无法全方位监测关键区域的灾害信息，无线传感器节点的出现有效地解决了有线通信网络存在“盲区”的问题，实现了对工作面的关键区域的全面通信覆盖。无线传感器网络是新兴的研究领域，有着巨大的潜在应用前景，无线传感器节点的设计和管理为复杂环境下的数据采集提供了新的方法。Zigbee是基于IEEE802. 15. 4标准的低功耗个域网协议，主要用于近距离、低功耗的双向无线通讯，其可工作在2. 4GHz的效率上，传输距离在10-75m范围内。Zigbee技术采用自组织网的方式与周围的节点进行通信，以接力的方式通过电波将数据从一个传感器传到另一个传感器。Zigbee协议充分考虑了无线传感器网络应用的需求，具有设备省电，通信可靠，网络自组织，成本低，容量大等特点，特别适合于低功耗场合。传统的无线传感器网络节点功能单一，采集的数据有限，不能够实现综合环境的多数据采集，无法全面的获得所监测环境的信息，不利于确保工作区域的安全性，并且存在处理速度慢、功耗高、抗干扰能力低、成本昂贵等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种复杂环境条件下多传感器感知节点，解决目前无线传感器网络节点功能单一、数据监控不全面、无法全面获得所监测环境的信息问题，能够实现当前环境下的温度、空气湿度、氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度和大气压力数据的采集，通过无线自组网传送数据，它不但可以用在一般场所，而且
可以用在矿山、井下、隧道等特殊要求的场所。本发明是以如下技术方案实现的一种复杂环境条件下多传感器感知节点，包括微处理器模块，分别与微处理器模块连接的传感器模块、MiciO SD Card存储器、RTC时钟模块、电源电路模块和Zigbee无线收发模块，微处理器模块统一控制和调用各模块，实现当前环境下的温度、空气湿度、氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度和大气压力数据的采集，以及数据实时的处理和传输，并通过无线方式传送数据。本发明型的有益效果是利用多种传感器芯片，采集当前环境下的多种数据参数， 通过Zigbee无线收发模块最终将数据传送到监控中心，使得监控人员可以对数据采集区域的环境有一个比较全面的认识，有利于确保监测区域的安全性和突发情况的处理，确保监测区域的安全性；利用无线传输数据，实现全面的通信覆盖，具有成本低、体积小、功耗低等特点，能够满足复杂环境下的长期使用，具有广阔的市场前景。
下面结合附图对本发明作进一步说明。图I为本发明的硬件框图2为本发明工作的系统整体架构图3为本发明的硬件连接关系图4为本发明的工作模式转换图5为本发明的中断请求硬件连接图。
具体实施例方式如图I所示，一种复杂环境条件下多传感器感知节点由微处理器、传感器模块、 Micro SD Card存储器、RTC时钟模块、电源电路模块和Zigbee无线收发模块组成。微处理器统一对各模块的片选及读写控制，实现当前环境下的温度、空气湿度、氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度和大气压力数据的采集，以及数据实时的处理和传输，并通过无线方式传送数据，确保监控区域的安全性。节点采用能量均衡的路由协议，以无线自组织形式构成网络，数据通过多跳的中继方式传送到汇聚节点。传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、一氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器、甲烷浓度传感器和大气压力传感器，能够实现当前环境下的温度、空气湿度、氧气浓度、 甲烷浓度、一氧化碳浓度和大气压力数据的采集和发送。本发明具有采集，处理，压缩和无线收发数据的功能。微处理器通过SPI接口与 micro SD card存储器芯片相连；微处理器通过I2C接口从RTC时钟芯片获取外部时钟信息，控制节点工作模式的唤醒；微处理器通过I/O接口与湿度传感器、温度传感器、一氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器、甲烷浓度传感器、大气压力传感器相连，各传感器将采集到的数据通过不同的I/O 口送给微处理器，微处理器对数据进行处理；USB接口电路通过 UART与微处理器相连；微处理器通过UART、状态控制总线接口与Zigbee无线收发模块相连，实现交换数据和发送命令的功能；Zigbee无线收发模块将微处理器传来的数据封装成Zigbee协议格式的数据帧，向外发送。供电电源采用本质安全型，整个电路安装在一个密闭的容器中。如图2所示，整个系统包括无线传感器节点、网关、以太网和监控中心。所述无线传感器节点主要完成数据的采集、处理、压缩，节点利用ZigBee无线收发模块，采用能量均衡的路由协议，以无线自组织形式构成网络，控制数据进行发送与接收等功能。所述网关主要实现数据在ZigBee协议与TCP/IP协议间的转换和转发。所述以太网指目前的有线网络。 所述的监控中心指一个特定的具有服务器和PC机的工作场所，监控中心的PC机装有监控软件，并能够接收、处理和监测通过以太网传来的数据。如图3所示，微处理器模块采用单片机ATMegal281。Ul ATMegal281及外部设备接口模块，是电路的核心部分，负责各模块的调用和数据的处理。ATMegal281，工作频率为 8MHz，自带有8KB的SRAM和128KB的FLASH存储空间，ATMegal281集成了硬件功能外设， 包括-J个模拟信号输入口，8个数字信号I/O 口，I个PWM定时器，2个UART接口，I个I2C 接口(多主支持)，I个USB接口。该芯片丰富的I/O 口和外设配置可以很好的满足无线传感器节点的外围扩展设备的要求。RTC时钟芯片选用Maxim公司的DS3231SN，操作频率为32. 768Hz，通过I2C接口与ATMegal281相连，提供外部时钟，控制处理器的工作和休眠周期。USB接口用于节点与计算机或兼容的USB设备进行连接，使得程序可以载入到微处理器中，USB接口电路通过UART接口与微处理器相连，芯片采用FT232RL，实现USB到串行UART 接口的转换。Micro SD Card存储器通过SPI接口与微处理器相连，用于数据的存储，最大支持2G容量。U2:传感器模块，负责当前环境下数据的采集，集合了多种传感器芯片，提供监测区域较为全面的数据信息，各传感器通过I/o 口与微处理器相连。湿度传感器采用型号为808H5V5，输出为模拟信号，电压范围O. 8 3. 9V，超过了微处理器的输入信号范围，需要先通过一个电压转换器将信号转换为O. 48 2. 34V ;温度传感器采用型号为MCP9700A， 输出为模拟信号，通过Analog(I) 口将信号传送给微处理器；一氧化碳浓度传感器采用型号为TGS2442，该芯片通过一氧化碳气体浓度不同时电阻值得的不同来反映相对的一氧化碳气体浓度，测量范围在30 IOOOppm ;氧气浓度传感器采用型号为SK-25，输出为模拟信号，通过Analog(I) 口将信号传送给微处理器；甲烧浓度传感器米用型号为TGS2611,通过甲烷气体浓度不同时电阻值得的不同来反映相对的甲烷气体浓度，测量范围在500 IOOOOppm ;大气压力传感器采用型号为MPXAZ6115A，测量范围在15 115kpa，输出电压
4.75 5. 25V,超过了微处理器的输入信号范围，需要先通过一个电压转换器将信号转换为O. 12 2. 82V。各传感器协同工作，实现当前环境下的温度、空气湿度、氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度和大气压力数据的采集，并将数据发送至微处理器模块进行处理。U3 =ZigBee无线收发模块，负责数据的发送和接受，通过UART连接到微处理器。 ZigBee无线射频收发模块可以选用DIGI公司的XBee模块，无需配置射频模块，可兼容 802. 15. 4协议，以2. 4GHz为主要频段，同时也支持工作于868MHz和915MHz两种不同频段， 模块是内置协议栈，可通过X-CTU以及ZigBee Operator这两款软件进行调试。如图4所示,节点具有0N、Sleep、Deep Sleep、Hibernate四种运行模式。节点可通过程序控制利用sleep ( )> deep sleep ()、hibernate ()函数从ON模式切换到相应的三种节能模式Sleep、Deep Sleep和Hibernate模式,再通过中断请求将节点从三种节能模式唤醒到ON模式。在ON模式下电流消耗为9mA，Sleep和De印Sleep模式下电流消耗为62μΑ, Hibernate模式下电流消耗为O. 7μΑ ;此设计可以减少节点能量的消耗,延长使用时间。中断分为同步中断和异步中断两种同步中断由时钟控制，包括ATMegal281自带的
内部watchdog time-WDT,和RTC时钟中断；异步中断取决于外部事件,不受时钟控制，
包括传感器芯片的中断信号和低电量警告中断。所有的中断都可以将节点从Sleep模式或 Deep Sleep模式唤醒到ON模式，但只有RTC时钟的同步中断才能将节点从Hibernate模式唤醒到ON模式。如图5所示，微处理器可能会接到四种中断信号，包括Watchdog、RTC> Sensors (传感器)和Low_Bat (低电量警告)。RTC和Sensors中断请求通过RXDl引脚传送至 ATMegal281微处理器芯片；Low_Bat中断请求通过TXDl引脚传送至ATMegal281微处理器芯片；WatchDog中断请求通过DIGITAL0号引脚传送至微处理器芯片。实线为中断信号链路，虚线为控制信号链路。
权利要求
1.一种复杂环境条件下多传感器感知节点，其特征在于包括微处理器模块，分别与微处理器模块连接的传感器模块、Micro SD Card存储器、RTC时钟模块、电源电路模块和 Zigbee无线收发模块，微处理器模块统一控制和调用各模块，实现当前环境下的温度、空气湿度、氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度和大气压力数据的采集，以及数据实时的处理和传输，并通过无线方式传送数据。
2.根据权利要求I所述的一种复杂环境条件下多传感器感知节点，特征在于所述的传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、一氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器、甲烷浓度传感器和大气压力传感器。
3.根据权利要求I所述的一种复杂环境条件下多传感器感知节点，特征在于节点采用能量均衡的路由协议，以无线自组织形式构成网络，数据通过多跳的中继方式传送到汇聚节点。
4.根据权利要求3所述的一种复杂环境条件下多传感器感知节点，特征在于节点具有 ON、Sleep、Deep Sleep、Hibernate 四种运行模式。
5.根据权利要求I所述的一种复杂环境条件下多传感器感知节点，特征在于所述的微处理器模块采用单片机ATMegal281。
全文摘要
本发明公开了一种复杂环境条件下多传感器感知节点，属无线传感器网络技术领域。该节点主要由微处理器模块、传感器模块、MicroSDCard存储器、RTC时钟模块、电源电路模块和Zigbee无线收发模块组成。优点利用多种传感器芯片，采集当前环境下的多种数据参数，通过Zigbee无线收发模块最终将数据传送到监控中心，使得监控人员可以对数据采集区域的环境有一个比较全面的认识，有利于确保监测区域的安全性和突发情况的处理；利用无线传输数据，实现全面的通信覆盖，具有成本低、体积小、功耗低等特点，提供了较为全面的数据采集能力，能够满足复杂环境下的长期使用，具有广阔的市场前景。
文档编号H04W84/18GK102592423SQ201210043710
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者孙彦景, 张瑞, 李国正, 赵甫胤, 魏雨辰 申请人:中国矿业大学