专利名称：基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪及监测方法
技术领域：
本发明涉及一种采用复合无线网络技术的远程水环境监测仪。
背景技术：
目前传统的水环境监测设备模块化、自动化、远程化、网络化程度都不高，而且大多水环境测试仪都不支持无线组网传输，无法实现水环境远程实时监控。目前的远程水环境监测仪可以分为两部分水质检测部分和远程数据传输部分。远程传输部分分为有线传输和无线传输。有线传输通过布设网线将各个检测点接入到网络上，通过网络进行远程监测，这种方式随着在野外的监测点增多布线就变得复杂、昂贵、难维护；现在的无线传输方式是给每个节点配置GPRS或者CDMA模块，通过GPRS或者CDMA网络进行远程水质监控，这种方式硬件成本高，数据通信流量大、费用高。基于GPRS的远程监测技术，就是在监测点配置上GPGS模块，并且GPRS技术能实现和IP网络的互联，但是其功耗较大，数据按流量计费，不适合配置大规模的监测网络。Zigbee技术可以实现短距离无线通信和自组网，功耗小，但由于其通信距离短，目前在大规模组网应用上还很不稳定。
发明内容
本发明提出一种基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪及监测方法，其目的是利用无线网络传输的优势克服现有水环境监测仪模块化程度低、自动化程度低、网络化程度低的缺陷，实现水环境监测的网络化，远程化，解决Zigbee网络不能长距离传输的问题， 并且在GPRS结点对这个区域的水质监测数据进行融合，很大程度上减少GPRS数据量。
本发明一种基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪米用的技术方案是包括若干个从节点模块和一个主节点模块，主节点模块外接第一 GPRS模块、主节点模块包括ARM 处理器以及分别连接ARM处理器的IXD触摸屏、第二 GPRS模块、第一 zigbee无线通讯模块、 第一电源模块和存储器，第一 zigbee无线通讯模块连接天线；从节点模块由第二 zigbee无线通讯模块以及分别连接第二 zigbee无线通讯模块的第二电源模块和水质参数采集模块组成，第二 zigbee无线通讯模块连接天线，水质参数采集模块由传感器和传感器调理电路组成，第一、第二电源模块均是由电池和太阳能混合供电的模块。
本发明一种基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪的监测方法采用的技术方案是将需要监测的水域划分为多个小的监测区域，每个监测区域里配置若干个从节点模块和一个主节点模块，整个监测区域的从节点模块和主节点模块采用星型连接；水质参数采集模块采集到水质参数，将水质参数信号送给第二 zigbee无线通讯模块，第二 zigbee无线通讯模块通过Zigbee协议组网接力传输给第一 zigbee无线通讯模块，ARM处理器将数据融合处理后通过GPRS模块将数据传输给远程端网络监控中心；主节点模块控制从节点模块的加入和移出，监控从节点模块的工作状况，根据实际情况控制水质参数采集模块是否工作；通过IXD触摸屏输入要扩展的从节点模块的物理地址，所有入网的从节点物理地址存储于存储器里；主节点模块收到从节点模块增加命令和从节点模块物理地址后，向所有从节点模块广播发送从节点模块增加命令和物理地址，等待物理地址匹配的从节点模块回应，收到回应后将物理地址添加到地址列表里；主节点模块收到从节点模块删除命令和从节点物理地址后，向所有从节点模块广播发送从节点删除命令和物理地址，等待物理地址匹配的从节点模块回应，收到回应后将地址列表里物理地址删除。本发明将Zigbee技术和GPRS技术结合起来，能更好地发挥它们各自的优点，并且将它的缺点减至最小，将监测水域划分为一个个区域，每个区域布置若干个Zigbee监测点它们组成网络，给每个区域配置一个GPRS结点，具有以下有益效果1、低功耗，适合电池供电；低成本，通讯协议简单，频段免执照；通讯距离100m，功率增加后可达Ikm,通讯速度2(T250kpbs适合信号采集；安全可靠，ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。2、可以将监测到的数据传到因特网上，在远程端对水环境进行实时监控。实现水 环境监测模块化，整个监测系统包括一个主节点模块和若干从节点模块。主节点模块一方面实现对个从节点模块发来的数据汇总和记录，另一方面实现对从节点配置，并且负责将数据发送到因特网上的远程监控端。3、采用了电池和太阳能发电帆板混合供电，可以长时间在野外工作。采集模块使用大容量锂电池和太阳能供电，由于Zigbee的功耗比较小，加上数据采集电路的功耗相对也很小和低功耗MCU的使用，可长时间进行水环境监测。4、系统扩展和升级方便，Zigbee的节点容量大，节点扩展方便。如果系统要插入新的模块，可以由主节点进行配置增加或删除节点。5、在组建监测系统时无需复杂的布线和供电，传输变得更可靠。实现了水环境的远程网络化监控，较大程度上降低了水环境的监测成本，变革了水环境的监测手段。实现了对水质参数温度、盐度、溶氧、浊度、PH值的实时远程监测。
图1是本发明基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪的网络结构布置 图2本发明基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪的组成 图3是图2中主节点模块的组成 图4是图2中从节点模块的组成 图5图2中主节点增加从节点的流程图 图6图2中主节点删除从节点的流程图。
具体实施例方式如图1所示，是水环境监测网络结构图，将需要监测的水域划分为一个个规模差不多大的小的监测区域，每个监测区域是一个小的监测网络，给每个监测区域里配置适当数目的监测节点。一个监测区域里的监测节点分为两类，如图1所示数量若干个从节点和一个主节点。从节点将监测到的水环境数据通过Zigbee协议组网接力传输给主节点，主节点将数据融合处理后采用GPRS方式将数据传输给远程端网络监控中心。具体的工作原理如图2所示，整个水环境远程监测仪由主节点模块1、GPRS模块2、以及其它从节点模块3、4、5、6组成的水环境监测网络。从节点可以申请加入网络，也可以从网络中移出，当从节点成功加入到网络中，就可以进行参与组网接力传输数据了，如图2，从节点6可以将数据发个从节点4，然后从节点4再将数据转发给主节点I，最后主节点I通过GPRS模块将数据发送到网络上。主节点模块I负责维护这个监测区域里的各个监测节点控制从节点的加入和移出，监控从节点的工作状况，根据实际情况控制从节点的水质传感器模块的是否工作。如图3所示，主节点模块I包括ARM处理器7以及分别连接ARM处理器7的IXD触摸屏8、GPRS模块9、STM32W zigbee无线通讯模块10、电源模块11和EEPROM存储器12，zigbee无线通讯模块10连接天线。ARM处理器7上运行嵌入式操作系统linux ;IXD触摸屏8提供了在现场配置仪器的人机接口 ；GPRS模块9通过串口和ARM处理器7进行通信；zigbee模块10选择STM32W芯片，负责运行zigbee协议和从节点进行组网与通信。电源模块11采用电池和太阳能混合供电的方式为各个模块通过适当的电源。zigbee通讯模块10和ARM处理器7之间采用通用异步串行接口 UART进行双向通信；GPRS模块9与ARM处 理器7采用RS232串口进行通信，使得系统能够通过GPRS模块收发网络数据包；ARM处理器7内部的IXD控制器和触摸屏控制器分别控制IXD和触摸屏工作，和存储器EEPR0M12之间通过IIC总线相连，使得ARM处理器7能够对EEPR0M12进行读写。如图4所示，从节点模块由zigbee通讯模块12、电源模块13和水质参数采集模块14组成,zigbee通讯模块12连接天线。Zigbee通讯模块12和主节点的zigbee通讯模块10—样，电源模块13和电源模块11 一样；水质参数米集模块14可以米集到的水质参数有温度、盐度、溶氧、浊度、PH值，该模块内部由传感器和传感器调理电路组成，水质参数采集模块14直接和STM32W芯片A\D (模数转换)转换输入口相连，调理好的模拟信号直接送给STM32W芯片的内部的6路A\D (模数转换)转换通道，结合DMA (直接内存访问)技术进行多路A\D (模数转换)转换；zigbee无线通讯模块12通过天线收发数据；电源模块13给采集模块14和通讯模块12提供电源。整个无线网络拓扑结构采用星型连接，主节点模块I在整个网络里到协调器和控制器的作用，它可以对从节点模块进行功能配置和控制，同时将从节点采集到的数据进行暂存在大容量的外部存储器EEPROM 12里，并在进行简单的数据融合后按命令将数据通过GRPS模块传输到因特网上的远端监测系统。主节点模块I如果要对节点模块进行设置时，将命令通过zigbee协议无线发送给各个节点模块。从节点模块如果是采集模块则主要负责采集数据并将数据传输给主节点模块I。所有入网的从节点物理地址存储于主节点模块I的EEPROM 12里，在通讯时这些物理地址和数据一起构成数据包。从节点的扩容也主要是由主节点模块I完成的。当整个系统需要扩展时，用户通过主节点模块I的LCD触摸屏8输入要扩展的从节点模块的物理地址，主节点接以命令形式广播发送给各个在线的从节点,如果收到回应则添加成功。如图5，主节点模块I收到从节点增加命令和从节点物理地址后，向所有从节点模块广播发送从节点增加命令和物理地址，等待物理地址匹配的从节点模块回应，收到回应后将物理地址添加到地址列表里，回复主机添加成功；未收到回应,回复主机模块添加失败。如图6，主节点模块I收到从节点删除命令和从节点物理地址，向所有从节点模块广播发送从节点删除命令和物理地址，等待物理地址匹配的从节点模块回应，收到回应，将地址列表里物理地址删除，回复主机添加成功；未收到回应，回复主机模块删除失败。
主节点对各个从节点的工作状态、电量进行监控，并将从节点的工作状态报告给远程监控系统；主节点模块接收远程端的命令来控制从节点的工作状态，可以根据当时的水质状况和电量让从节点进入正常工作状态或睡眠状 态。
权利要求
1.一种基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪，包括若干个从节点模块和一个主节点模块，其特征是主节点模块外接第一 GPRS模块、主节点模块包括ARM处理器以及分别连接ARM处理器的IXD触摸屏、第二 GPRS模块、第一 zigbee无线通讯模块、第一电源模块和存储器，第一 zigbee无线通讯模块连接天线；从节点模块由第二 zigbee无线通讯模块以及分别连接第二 zigbee无线通讯模块的第二电源模块和水质参数采集模块组成，第二zigbee无线通讯模块连接天线，水质参数采集模块由传感器和传感器调理电路组成，第一、第二电源模块均是由电池和太阳能混合供电的模块。
2.根据权利要求1所述的基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪，其特征是第一zigbee通讯模块和ARM处理器之间采用通用异步串行接口 ；第二 GPRS模块与ARM处理器之间采用RS232串口进行通信。
3.一种如权利要求1所述基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪的监测方法，将需要监测的水域划分为多个小的监测区域，每个监测区域里配置若干个从节点模块和一个主节点模块，整个监测区域的从节点模块和主节点模块采用星型连接，其特征是具有如下步骤 1)水质参数采集模块采集到水质参数，将水质参数信号送给第二zigbee无线通讯模块,第二 zigbee无线通讯模块通过Zigbee协议组网接力传输给第一 zigbee无线通讯模块，ARM处理器将数据融合处理后通过GPRS模块将数据传输给远程端网络监控中心； 2)主节点模块控制从节点模块的加入和移出，监控从节点模块的工作状况，根据实际情况控制水质参数采集模块是否工作；通过LCD触摸屏输入要扩展的从节点模块的物理地址，所有入网的从节点物理地址存储于存储器里；主节点模块收到从节点模块增加命令和从节点模块物理地址后，向所有从节点模块广播发送从节点模块增加命令和物理地址，等待物理地址匹配的从节点模块回应，收到回应后将物理地址添加到地址列表里；主节点模块收到从节点模块删除命令和从节点物理地址后，向所有从节点模块广播发送从节点删除命令和物理地址，等待物理地址匹配的从节点模块回应，收到回应后将地址列表里物理地址删除。
全文摘要
本发明公开一种基于Zigbee和GPRS的远程水环境监测仪及监测方法，将需要监测的水域划分为多个小的监测区域,每个监测区域里配置若干个从节点模块和一个主节点模块，整个监测区域的从节点模块和主节点模块采用星型连接；水质参数采集模块采集到水质参数，将水质参数信号送给第二zigbee无线通讯模块，第二zigbee无线通讯模块通过Zigbee协议组网接力传输给第一zigbee无线通讯模块，ARM处理器将数据融合处理后通过GPRS模块将数据传输给远程端网络监控中心；主节点模块控制从节点模块的加入和移出，监控从节点模块的工作状况；将Zigbee和GPRS技术结合，在远程端对水环境进行实时监控。
文档编号G08C17/02GK103024007SQ20121050883
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者陈岚萍, 徐守坤, 何可人, 王雪, 诸燕萍, 王顺先 申请人:常州大学