基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)在高科技的進(jìn)步，人們的生活水平有了很大的提高，對環(huán)境的要求也越來越高，環(huán)境問題開始得到社會(huì)的重視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息并報(bào)告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器、執(zhí)行器、控制器和通信裝置于一體，集傳感與驅(qū)動(dòng)控制能力、計(jì)算能力、通信能力于一身。由這些微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象信息，并對這些信息進(jìn)行處理，傳送給需要這些信息的用戶。但是目前用于環(huán)境監(jiān)測的儀器及系統(tǒng)存在以下兩個(gè)方面的不足:
[0003]1、有些精密儀器工作條件要求比較高，需安裝于固定實(shí)驗(yàn)室或是專門的臺(tái)站，難于普及應(yīng)用，特別是不適應(yīng)于生產(chǎn)現(xiàn)場、野外、邊遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)急監(jiān)測。
[0004]2、現(xiàn)有的很多環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用的是有線或有線加調(diào)制解調(diào)器或光纖等通訊方式，但是在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，很多監(jiān)控點(diǎn)必須是野外、企業(yè)排污點(diǎn)等無人值守的，不適合搭建有線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，解決現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測儀器及系統(tǒng)不適應(yīng)于生產(chǎn)現(xiàn)場、野外、邊遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)急監(jiān)測問題。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案解決上述問題:
[0007]基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、擴(kuò)展口模塊和電源模塊組成，所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與微處理器相連，所述微處理器模塊與無線通信模塊相連;所述應(yīng)用擴(kuò)展口模塊連接微處理器相應(yīng)1端口，所述電源模塊的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊相連，并為上述各模塊供電。
[0008]上述方案中，所述數(shù)據(jù)采集模塊由溫濕度傳感器和壓力傳感器組成；所述溫濕度傳感器輸出端與微處理器相應(yīng)1端口相連;所述壓力傳感器輸出端與微處理器相應(yīng)1端口相連。
[0009]上述方案中，所述電源模塊由干電池和DC/DC穩(wěn)壓子模塊組成;所述干電池輸出端與DC/DC穩(wěn)壓子模塊輸入端相連;所述DC/DC穩(wěn)壓子模塊輸出端分別與數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊的供電端相連。
[0010]上述方案中，所述微處理器模塊由微處理器和JTAG調(diào)試接口組成，所述JTAG調(diào)試接口與微處理器相應(yīng)1端口相連。
[0011]上述方案中，所述無線通信模塊由RF子模塊和晶振組成，所述晶振與RF子模塊相連。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
[0013]1、本發(fā)明提供了一種基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，該環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)可安裝于野外、企業(yè)排污點(diǎn)等無人值守的監(jiān)控點(diǎn)，利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過無線傳輸進(jìn)行組網(wǎng)，為生產(chǎn)現(xiàn)場、野外、邊遠(yuǎn)地區(qū)提供應(yīng)急監(jiān)測，使人們在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息，以便為后面的分析、決策工作提供參考數(shù)據(jù)，能夠通過無線方式采集大氣溫度、濕度和壓力三個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)；
[0014]2、采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)的組建和通訊，通過無線傳輸，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，具有很好的自修復(fù)能力，可以使設(shè)備的安裝極為方便，對安裝地點(diǎn)的要求也比較簡單，能適用于生產(chǎn)現(xiàn)場、野外、邊遠(yuǎn)地區(qū)等應(yīng)急監(jiān)測場所，同時(shí)具有快速展開、抗毀性強(qiáng)體積小、輕便易攜帶、安裝方便，成本較低等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。
[0017]本發(fā)明公開了一種基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、應(yīng)用擴(kuò)展口模塊以及電源模塊;數(shù)據(jù)采集模塊輸出信號(hào)連接微處理器模塊，微處理器模塊與無線通信模塊相連，應(yīng)用擴(kuò)展口模塊和微處理器模塊相連，電源模塊的輸出端與微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊的供電端相連，用于為上述三個(gè)模塊供電。
[0018]數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的溫度、濕度以及大氣壓力三個(gè)數(shù)據(jù)傳輸給微處理器模塊，并由微處理器模塊通過無線通信模塊接入到因特網(wǎng)或者GPRS等其他長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)而實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的監(jiān)測管理。數(shù)據(jù)采集模塊由溫濕度傳感器SHTll、壓力傳感器HP03組成，溫濕度傳感器SHTlI通過IIC標(biāo)準(zhǔn)兩線制串口接口與微處理器直接連接，壓力傳感器HP03輸出端與微處理器相應(yīng)1端口相連。
[0019]溫濕度傳感器SHTll包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面。溫濕度傳感器SHTll的供電電壓為2.4?5V，以5V為例，測量時(shí)電流消耗為550uA，系統(tǒng)帶有自動(dòng)休眠的功能，休眠時(shí)電流消耗0.3?IuA，因此，按照每秒鐘進(jìn)行一次12bit精度的測量，平均電流為28uA，功耗很低，適合野外環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用。
[0020]壓力傳感器HPO 3內(nèi)部有一個(gè)壓電電阻和15位的A/D轉(zhuǎn)換器，輸出接口是標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口，通過該接口與微處理器相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。壓力傳感器HP03的供電電壓為2.2?3.6V，量程為0.3?1.1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，工作條件為40°C?80°C，壓力傳感器HP03也有自動(dòng)休眠功能，工作時(shí)電流為500uA，休眠時(shí)為luA，極大的降低了功耗，適合野外環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用。
[0021]無線通信模塊由RF子模塊和晶振組成。RF子模塊CC2420通過SPI標(biāo)準(zhǔn)接口與微處理器直接連接，通過這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的工作。RF子模塊CC2420芯片采用低電壓供電2.1V?3.6V，同時(shí)，采用休眠模式，且從休眠模式被激活的時(shí)延短，因此有更多的時(shí)間處于休眠狀態(tài)，而處于休眠狀態(tài)時(shí)芯片的能耗極低，從而大大減少了能耗。RF子模塊CC2420各狀態(tài)下的電流消耗典型值如下:穩(wěn)壓器關(guān)閉為0.02uA，低電位模式為20uA，空閑模式為426uA，接收模式為18.8mA，發(fā)送模式，輸出功率P = OdBm，為17.4mA。RF子模塊CC2420內(nèi)部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備；外部數(shù)字I/0接口使用
3.3V電壓，這樣可以保持和3.3V邏輯期間的兼容性。它在片上集成了一個(gè)直流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V電壓轉(zhuǎn)換成1.8V電壓。這樣對于只有3.3V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。RF子模塊CC2420需要由16MHz的參考時(shí)鐘用于250kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)，RF子模塊CC2420通過與晶振相連，并由外部時(shí)鐘源晶振提供這個(gè)參考時(shí)鐘。
[0022]基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)一般布置在無人值守或是環(huán)境惡劣的地區(qū)，有些具有移動(dòng)性，所以節(jié)點(diǎn)需要采用干電池供電，在硬件元器件的選取中，已經(jīng)考慮到了盡量降低系統(tǒng)的功耗，各個(gè)模塊的供電電壓都比較低，綜合比較，2.4?3.6V的電壓可以使所有模塊正常工作。因此，采用2節(jié)AA干電池進(jìn)行供電。按照1500mA/h的干電池容量，每隔一分鐘進(jìn)行一次溫濕度、壓力測量，估算至少可以工作半年時(shí)間，能適用于生產(chǎn)現(xiàn)場、野外、邊遠(yuǎn)地區(qū)等應(yīng)急監(jiān)測場所?？紤]到擴(kuò)展模塊供電的需要，而很多模擬傳感器以及氣體傳感器都需要5V的電源供電。因此，提供一個(gè)備用的DC/DC穩(wěn)壓子模塊，輸出5V的電壓。
[0023]JTAG調(diào)試接口通過4根信號(hào)線與微處理器相連，完成微處理器程序的燒寫和調(diào)試。為便于操作和調(diào)試，基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)還有按鍵，指示燈，顯示模塊等。應(yīng)用擴(kuò)展口模塊，如鍵盤、顯示、UART、PWM等，通過與微處理器相連，主要用于和PC機(jī)進(jìn)行通訊。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，其特征在于: 由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、擴(kuò)展口模塊和電源模塊組成，所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與微處理器相連，所述微處理器模塊與無線通信模塊相連;所述應(yīng)用擴(kuò)展口模塊連接微處理器相應(yīng)1端口，所述電源模塊的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊相連，并為上述各模塊供電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，其特征在于: 所述數(shù)據(jù)采集模塊由溫濕度傳感器和壓力傳感器組成;所述溫濕度傳感器輸出端與微處理器相應(yīng)1端口相連;所述壓力傳感器輸出端與微處理器相應(yīng)1端口相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，其特征在于: 所述電源模塊由干電池和DC/DC穩(wěn)壓子模塊組成;所述干電池輸出端與DC/DC穩(wěn)壓子模塊輸入端相連;所述DC/DC穩(wěn)壓子模塊輸出端分別與數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊的供電端相連。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，其特征在于: 所述微處理器模塊由微處理器和JTAG調(diào)試接口組成，所述JTAG調(diào)試接口與微處理器相應(yīng)1端口相連。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，其特征在于: 所述無線通信模塊由RF子模塊和晶振組成，所述晶振與RF子模塊相連。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)，包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、應(yīng)用擴(kuò)展口模塊以及電源模塊。該環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)的組建和通訊，通過無線傳輸，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，具有很好的自修復(fù)能力，同時(shí)具有快速展開、抗毀性強(qiáng)體積小、輕便易攜帶、安裝方便，成本較低等特點(diǎn)，可安裝于野外、企業(yè)排污點(diǎn)等無人值守的監(jiān)控點(diǎn)，為生產(chǎn)現(xiàn)場、野外、邊遠(yuǎn)地區(qū)提供應(yīng)急監(jiān)測，使人們在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息，以便為后面的分析、決策工作提供參考數(shù)據(jù)，能夠通過無線方式采集大氣溫度、濕度和壓力三個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)。
【IPC分類】G01D21/02, H04W84/18
【公開號(hào)】CN105517196
【申請?zhí)枴緾N201510843063
【發(fā)明人】胡國旺
【申請人】胡國旺
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年11月26日