一种用于环境监测的无线生物传感器网络系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信技术、生物传感器、生物医疗技术领域，特指一种用于环境监测的无线生物传感器网络系统。
【背景技术】
[0002]传感器是一种可以获取特定信息并对获取到的信息进行处理的特殊装置，如人类的某些器官就是一套典型的传感器系统，人类通过眼、耳、皮肤等可以感知外界的光、声、温度等信息，通过鼻、舌可以感知气味和味道。生物传感器是一类特殊的传感器，它是以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为生物敏感单元，对目标测物具有相当高度选择性的一种检测器。生物传感器是一门由化学、医学、生物和电子技术等多种学科互相结合发展起来的高新技术，其具有选择性好、灵敏度高、成本低、分析速度快、能在复杂的体系中进行在线连续监测，以及微型化与集成化的特点，在近几十年里获得了蓬勃而迅速的发展，在国民经济的各个部门如食品、制药、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。随着分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合，正改变着传统医学、环境科学的面貌。生物传感器的研究和开发，已经成为当今世界科技发展的新热点，是新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。[I] [2]无线通信技术和嵌入式技术也在迅速发展，被广泛应用与人类生活的各个领域，越来越方便的满足了人们对于日常通信的各种需求。生物传感器技术和无线通信技术结合而成的无线生物传感器使得其应用更加方便、高效，并具有功耗较低、性价比高、可自由组网等特点。无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的一种无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器的组成模块通常封装在一个外壳内，在工作时它将由电池等供电装置提供电源输入，由随机分布的集成有传感器模块、中央微处理器模块和无线通信收发模块的微型节点，通过自组织的方式构成无线传感网络。它可以采集相应设备的数字信号，之后通过无线传感器网络传送到监测中心的无线网关，直接送入计算机，从而对信号进行分析和处理。监控中心也可以通过网关把参数设置等信息无线传输给节点。数据采集处理模块把传感器输出的信号经过放大、滤波等处理后，送到模数转换器，之后模数转换器将信号转变为数字信号，然后将数字信号送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值、位移值等。无线传感器网络的节点主要包括生物传感器模块、中央微处理器模块和无线收发模块，其原理图如图1所示。
[0003]ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，是当今的热点技术之一。ZigBee联盟成立与2011年8月，2002年，美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司等数家公司共同宣布加盟“ZigBee联盟”来研发下一代无线通信技术标准。ZigBee技术的产生和发展为生物传感器的信号无线传输提供了一种新的解决方案。ZigBee协议是一种低速短距离传输的无线网络协议，从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee网络的主要特点是低成本、低功耗、低复杂度、支持大量节点、支持多种网络拓扑结构，并且整个网络间通信快速、可靠、安全。ZigBee网络中的主要设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)三种角色。在无线传感网络中，协调器的主要作用是完成初始信道的选择，对网络配置初始化、接受子节点的加入；路由器的主要作用是参与数据的转发，通过允许别的节点加入来扩展网络的覆盖范围；终端主要负责与路由器建立连接，并将采集到的数据发送给协调点。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，适用于范围很广的网络，并支持多播和广播特性。如今ZigBee技术已经被广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、遥感勘测、农业、煤矿等领域。
[0004]ZigBee协议网络有三种拓扑结构:星型结构、簇树型结构和网型结构，消息从一个节点如何路由至另一个节点完全取决于网络拓扑结构；这里所设计的无线生物传感器网络采用的是只有一个中心节点，所有消息都经过它传输的星型结构连接，包括一个网关节点、若干个无线通信子节点，无线传感器网络烦人连接结构如图2所示。
【发明内容】
[0005]1、所要解决的技术问题:
[0006]现有的生物传感器网络用于环境监测时往往传输不能方便、快速，且可靠性较低，不能将检测结果实时的发送给监测中心，生物传感器和无线通信技术、嵌入式技术等有待进一步的融合，同时，在生物传感器的很多应用场合中通常不需要很高的带宽，传统过于复杂的通信技术往往用过多的计算和通信资源，耗电较大。
[0007]2、技术方案:
[0008]为了解决以上问题，本发明提供了一种用于环境监测的无线生物传感器网络系统，其特征在于:本发明主要是将生物传感器技术和无线通信技术结合，设计出一种用于环境监测的无线生物传感器网络系统，实现对空气中粉尘颗粒浓度的实时监测。系统采用基于ZigBee协议的无线传感网络对空气中的粉尘颗粒浓度进行实时的采样，再经过无线通信技术传输到系统的网关节点，网关节点对粉尘颗粒浓度进行数据分析，在采集数据后将各个子系统的数据集中传送至监测中心，实现实时监测。
[0009]硬件构成
[0010]本系统硬件设计以ARM9为整个系统的核心，通过RS232与ZigBee模块相连接，实现串口通信，在进行环境监测时，选定监测地点，在不同监测地点各放有粉尘颗粒浓度传感器、报警器和ZigBee模块。ZigBee模块通过串口与传感器模块相连接，用于接收传感器传送过来的粉尘颗粒浓度数据，对数据进行处理和相应的转换后，通过无线传感网络发送至网关节点。基于ZigBee协议的无线传感网络可实现动态路由，当发送数据的ZigBee模块与网关节点间的信道不通时可立即搜寻另一信道，以保证数据能够及时、准确的传送到网关节点。电源部分采用TPS60211作为管理芯片，该电源管理芯片具有低功耗的特点，且工作状态可以通过编程控制，还具有电源自检测报警功能，从整体上也使得系统的能耗进一步降低。[3]
[0011]本发明设计的网关节点包括嵌入式微处理器模块、无线收发模块、操作系统和应用程序等，实现了通信、数据处理、协议转换、显示于一体的功能。
[0012]1、嵌入式微处理器
[0013]本系统采用Samsung公司推出的32位S3C2410A微处理器，该处理器运算速度快，片内集成资源丰富，S3C2410A的最大特点是拥有一个32位RAM920T的RISC处理器。S3C2410A在片上集成了单独的16KB指令Cache和16KB数据Cache、用于虚拟存储器管理的MMU、支持STN和TFT的IXD控制器、NAND Flash Boot Loader、系统管理器(片选逻辑和SDRAM控制器)、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I / O 口、RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口、I2C总线接口、I2S总线接口、USB主设备、USB从设备