专利名称：基于ZigBee的无线环境监测节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线环境监测领域，特别是一种基于ZigBee的无线环境监测节点。
背景技术：
随着科技的不断进步，工业化程度越来越高，环境污染问题也变得日益突出，污染事件层出不穷、污染程度越来越严重，因此造成的危害也越来越大。而随着社会经济的进步、生活水平的提高，人们对居住环境的要求不断提高，保护环境、改善环境质量已经得到世界范围内的广泛认同。保护环境不仅关系到人类的生存与发展，也关系到地球上各种生物的生存与发展。因此需要对环境状况进行监测，以便能够及时掌握环境状况，发现污染， 这就需要环境监测设备和手段，原有的环境监测设备多采用有线传输，功能单一，而且效率和准确度都不高，已经远远不能满足当今社会对环境保护的需求。如何加大环境监测的自动化、智能化和网络化水平，已经成为环境保护的一个重点问题。而且，近年来，重大环境事故频频出现，不仅造成了巨大的经济损失，而且造成了重大的环境灾难。究其原因，一方面是人们的环境保护意识淡漠，忽视了环境保护的重要性；另一方面就是环境监测设备的落后，导致环境污染信息不能及时被环境保护部门掌握，致使污染面积扩大，污染造成的破坏程度加大，污染治理工作进展缓慢，进一步加大了污染事故的负面影响。若能在污染事件发生之初就及时采取合理有效的措施，防止污染面积扩大，则必然能降低污染造成的破坏程度，减少污染造成的损失。当前的环境监测手段主要有两种，一种是采用便携式设备到现场进行人工采样， 另一种是建立环境监测站。前者无法实现环境参数的远程实时监测，劳动强度大，监测周期长，无法反映环境参数的动态变化过程，不宜尽快发现污染源；而后者固定投资大，建设周期长，监测范围有限。并且，现有的环境监测设备，大多功能单一、技术落后、不具备网络化功能，已经越来越不能够满足当今社会对环境监测的实时性、网络化、智能化的需求。而嵌入式技术的发展，为先进环境监测设备的研发提供了条件。无线通信技术的发展，解决了环境监测节点分散带来的组网成本高、组网不便的问题ZigBee、GPRS、CDMA等无线通信技术已经越来越多地应用在环境监测领域。作为一种新兴技术，无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSN)已经得到越来越广泛的应用。通过在一定范围内部署大量廉价的传感器节点，无线传感器网络可以采集一定范围内的传感器数据，各个传感器节点之间可以进行无线通信，形成一个感知网络。与现有的环境监测手段相比，基于ZigBee 的无线环境监测网，具有监测密度高，监测范围广，组网简单，成本低，实时性好等优点，是未来环境监测的发展趋势。
发明内容
本发明提供一种基于ZigBee的无线环境监测节点，可以实现对一定范围内的环境参数进行实时监测，提高了监测效率和实时性，而且该无线环境监测节点成本低、功耗低，有效克服了现有环境监测站监测范围小、实时性差、建设成本高的缺点。
为实现上述目的，采用以下技术方案一种基于ZigBee的无线环境监测节点，包括电源管理模块、微处理器模块、传感器模块、ZigBee无线通信模块、串行通信模块、以及辅助功能模块，所述传感器模块采集的信息通过ZigBee无线通信模块向外发送。作为本发明的进一步改进，ZigBee无线通信模块的电路设计为独立电路模块，其通过接口与其它功能模块连接，并通过SPI总线与微处理器模块进行通信。进一步的，本发明所述电源管理模块采用电池供电，各个功能模块的电源都由微处理器模块控制，当某个功能模块不工作时，可以将该模块的电源切断。不仅节省了能源， 延长了电池的使用寿命，而且降低了系统的维护成本。本发明采用模块化设计，便于升级维护。在本发明中，ZigBee无线通信模块设计为独立的电路模块，这样不仅简化了电路的设计，而且便于产品的维护、升级。如果某个 ZigBee无线通信模块出现故障，则只需更换该模块既可，无需更换整个无线环境监测节点， 降低了系统的维护费用；所述的无线环境监测节点采用电池供电，其部署位置不受电力供应的限制，可以方便地部署在电力供应不便的偏远地带。同时，无线环境监测节点采用低功耗技术，在某个功能模块不工作时，可以暂时切断该功能模块的电源，可最大限度地降低电能消耗，延长电池的使用寿命；本发明的传感器模块设置有多种传感器，可以实时采集温度、湿度、光照、气压、风速、风向等基本环境参数，并实时监测大气中的部分可燃气体、有害气体(如一氧化碳、天然气、液化气、酒精等)的种类以及浓度，监测范围广，效率高；本发明各节点之间可以通过ZigBee无线通信模块进行无线通信，可根据需要，组织成星型、树型和Mesh型等不同形式的ZigBee无线通信网络，应用范围更广，实用性更强。
下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。图1是本发明硬件功能模块图；图2是本发明软件架构图。图中11、电源管理模块；12、微处理器模块；13、传感器模块；14、ZigBee无线通信模块；15、串行通信模块；16、辅助功能模块；21、硬件电路；22、驱动程序；23、嵌入式实时操作系统；Ml、传感器数据采集程序；对2、数据处理程序；对3、无线通讯程序；对4、显示程序； 对5、其它程序。
具体实施例方式如图1至2所示，给出了本发明的一个具体实施例，图1中，包括一种基于ZigBee 的无线环境监测节点，包括电源管理模块11、微处理器模块12、传感器模块13、ZigBee无线通信模块14、串行通信模块15、以及辅助功能模块16，其中，传感器模块13包括多种功能的传感器温度/湿度传感器，光照传感器，气压传感器，风速/风向传感器，以及可燃/有害气体传感器(如一氧化碳、天然气、液化气、酒精等)等各种传感器。其中，温度/湿度传感器、光照传感器、气压传感器等数字式传感器的监测数据可由单片机直接读取；而模拟式传感器的输出是模拟量，不能直接由单片机读取，需通过单片机自带的12位ADC进行模数转换，将模拟量转换为数字量之后，再由单片机进一步地对监测数据进行处理，从而得到环境监测数据。电源管理模块11采用电池供电，经过稳压电路产生5V和3. 3V直流稳压电源给其他模块供电。微处理器模块12采用美国TI公司的高性能超低功耗单片机MSP430F5438A， 该单片机集成有FLASH，RAM, EEPROM, ADC,具有丰富的片上资源和接口 ；并具有JTAG调试接口，可以在线对单片机进行编程，开发简单，价格低廉。ZigBee无线通信模块14采用美国TI公司的ZigBee无线通信芯片CC2480，该芯片内部集成有ZigBee无线通信协议，操作方便，功能强大，开发周期短，功耗低。本发明将ZigBee无线通信模块14设计为独立的电路模块，通过特定的接口与无线环境监测节点的其他功能模块连接在一起，不仅降低了电路设计的复杂度，而且便于升级，降低了维护成本。ZigBee无线通信模块14通过SP工总线与微处理器模块12进行通信，接受微处理器模块12的控制。无线环境监测节点在完成环境参数的实时监测之后，可以通过ZigBee无线通信模块14将环境监测数据通过ZigBee无线通信网络直接或者间接(通过其他无线环境监测节点中转)发送至中继节点。中继节点不仅集成有ZigBee无线通信模块，而且集成有GPRS 无线通信模块。中继节点可以通过ZigBee无线通信网络，收集一定区域内无线环境监测节点采集的环境监测数据，然后将环境监测数据整理打包，按照一定的无线通信协议，利用现有的移动通信网络，实现环境监测数据的远程无线传输。根据实际需求，ZigBee无线通信网络可以组织成星型、树型或Mesh型等不同形式，在这三种形式的网络中均可以方便地增加或减少通信节点，组网简单、方便。图2为本发明的软件架构图。本发明通过嵌入式实时操作系统来管理硬件和软件。首先，为无线环境监测节点的各个功能模块编写相应的驱动程序22 ；驱动程序22采用汇编语言和C语言来编写。然后，为无线环境监测节点移植嵌入式实时操作系统23，并根据需要对操作系统进行适当的裁剪。在此，嵌入式实时操作系统23采用uC/OS-II，它是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，非常适合于嵌入式应用。最后，在嵌入式实时操作系统23之上，运行各个应用程序，主要包括传感器数据采集程序M1，数据处理程序 M2，无线通信程序M3，显示程序244以及其他程序245等。各个应用程序均采用C语言开发。在本发明中，ZigBee无线通信模块设计为独立的电路模块，这样不仅简化了电路的设计，而且便于产品的维护、升级。如果某个ZigBee无线通信模块出现故障，则只需更换该模块既可，无需更换整个无线环境监测节点，降低了系统的维护费用；所述的无线环境监测节点采用电池供电，其部署位置不受电力供应的限制，可以方便地部署在电力供应不便的偏远地带。同时，无线环境监测节点采用低功耗技术，在某个功能模块不工作时，可以暂时切断该功能模块的电源，可最大限度地降低电能消耗，延长电池的使用寿命；本发明的传感器模块设置有多种传感器，可以实时采集温度、湿度、光照、气压、风速、风向等基本环境参数，并实时监测大气中的部分可燃气体、有害气体(如一氧化碳、天然气、液化气、酒精等)的种类以及浓度，监测范围广，效率高；本发明各节点之间可以通过ZigBee无线通信模块进行无线通信，可根据需要，组织成星型、树型和Mesh型等不同形式的ZigBee无线通信网络，应用范围广，实用性强。
权利要求
1.一种基于ZigBee的无线环境监测节点，包括电源管理模块(11)、微处理器模块 (12)、传感器模块(13) ,ZigBee无线通信模块(14)、串行通信模块(15)、以及辅助功能模块 (16)，其特征在于所述传感器模块(13)采集的信息通过ZigBee无线通信模块(14)向外发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的无线环境监测节点，其特征在于，所述 ZigBee无线通信模块(14)的电路为独立电路模块，其通过接口与其它功能模块连接，并通过SPI总线与微处理器模块(12)进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的无线环境监测节点，其特征在于，所述电源管理模块(11)采用电池供电，各个功能模块的电源都由微处理器模块(12)控制，当某个功能模块不工作时，可以将该模块的电源切断。
全文摘要
一种基于ZigBee的无线环境监测节点，包括电源管理模块、微处理器模块、传感器模块、ZigBee无线通信模块、串行通信模块、以及辅助功能模块，所述传感器模块采集的信息通过ZigBee无线通信模块向外发送。本发明可以对一定范围内的环境参数进行实时监测，提高了监测效率和实时性，而且该无线环境监测节点成本低、功耗低，有效克服了现有环境监测站监测范围小、实时性差、建设成本高的缺点。
文档编号H04W88/02GK102158987SQ201110057978
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者余意, 张建宏, 易建强 申请人:无锡中科京惠自动化技术有限公司