CN101714287A - 基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点 - Google Patents

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蒋鹏
覃添
陈岁生
柴利
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Hangzhou Dianzi University
Hangzhou Electronic Science and Technology University
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Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点。现有的设备成本高、监测范围有限。本发明包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee无线通信模块。电源管理模块为空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee无线通信模块供电，空气质量参数采集模块中的多个变送器经I/V转换电路后输出信号至微处理器模块，ZigBee无线通信模块与微处理器模块的串行外设接口连接。本发明实时性强、数据类型多样、覆盖范围广；通信能力强、传输速度快。

Description

基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点
技术领域
本发明属于无线通信和嵌入式***技术领域，具体涉及一种基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点。
背景技术
空气质量是评价城市环境优劣的重要标志，空气质量监测是空气质量保护与污染治理的重要手段。通过空气质量监测，可以了解和评价环境空气质量状况，为城市规划提供依据，研究开发网络化、智能化的空气质量实时监测***已成为热点问题。
现有的空气质量监测方法，大体上可以分为两种：1)采用便携式空气质量监测仪器，人工采样、实验室分析的方式，此方式多用于室内空气质量监测，虽然移动较为方便，但不适用于对大范围的室外空气质量监测。2)建设大型空气质量监测站，由专业工作人员采用大型设备对特定区域进行空气质量监测，该方法多用于大范围内的空气质量监测，如整个城市的空气质量。***成本较高，易对监测区域环境造成影响。
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价微型节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，协作地采集和处理监测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。基于无线传感器网络构建空气质量实时监测***具有如下特点：1)***实施运行费用低，无需铺设大量电缆，***易于扩展和更新。2)监测***覆盖范围广，通信能力强。3)***对所监测区域的周边生态环境影响小。
基于无线传感器网络的监测***通常包括传感器节点、基站、监测中心。大量传感器节点部署在监测区域中，以自组方式构成网络，传感器节点采集感兴趣的环境信息并路由至基站，由基站通过有线或无线方式送至远程监测中心，用户通过监测中心对传感器网络配置和管理，收集监测数据、发布监测内容。通常情况下，监测区域类型多样、环境复杂，有线传输方式存在布线困难、成本高等缺点，很难满足数据传输的要求，而无线传输则具有组网简单方便、成本低、不受地理环境影响等优点，可很好地实现监测***中数据传输的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点，该节点成本低、功耗低、通信能力强、对待监测区域影响小。
本发明所采取的技术方案为：
基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee无线通信模块。
所述的电源管理模块包括锂电池、3.3V电压转换电路和12V电压转换电路，锂电池为3.3V电压转换电路和12V电压转换电路提供电源；3.3V电压转换电路和12V电压转换电路均采用成熟产品。
所述的空气质量参数采集模块包括温湿度变送器、气压变送器、二氧化硫变送器、一氧化氮变送器、二氧化氮变送器和I/V转换电路；
空气质量参数采集模块中的温湿度变送器信号输出端与I/V转换电路的第一通道信号连接，气压变送器信号输出端与I/V转换电路的第二通道信号连接，二氧化硫变送器信号输出端与I/V转换电路的第三通道信号连接，一氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第四通道信号连接，二氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第五通道信号连接。
所述的微处理器模块的控制端与12V电压转换电路信号连接，微处理器模块的电源端与3.3V电压转换电路连接，微处理器模块的模数转换接口与I/V转换电路连接。
所述的ZigBee无线通信模块与微处理器模块的串行外设接口(SerialPeripheral Interface，SPI)连接，ZigBee无线通信模块的电源端与3.3V电压转换电路连接。
该节点拥有感知和采集环境参数、计算和处理数据、近距离无线通信的能力，并具有低成本、低功耗的特点。与现有的空气质量监测设备相比，有以下优点：
1.可同时采集多种空气质量参数(包括气压、温度、湿度、二氧化硫浓度、氮氧化物浓度等)。
2.数据通信能力强，覆盖范围广。节点设备的ZigBee无线通信模块采用CC2430射频芯片，提高了***通信能力，改善了***通信质量。
3.节点设备运行功耗低。节点设备的软硬件***均采用低功耗设计技术，降低了能耗，节点设备可在野外长时间工作。
4.良好的***升级能力。本发明使用16位高性能的MSP430F149作为处理器，提高了数据处理能力，增强了***可靠性，有利于***升级和功能更新。
5.电路结构清晰，工作稳定可靠。节点设备各功能模块和接口定义清晰，其中MSP430F149处理器作为整个节点设备的控制中心，协调各功能模块完成数据的采集、处理及传输功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中空气质量参数信号流示意图；
图3为以本发明为单元的空气质量监测***示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点包括电源管理模块1、空气质量参数采集模块2、微处理器模块3和ZigBee无线通信模块4。
电源管理模块使用一块YSD-12450锂电池提供12V电源，通过电压转换电路1-2和电压转换电路1-3产生3.3V和12V电压，为节点上各个模块供电。电压转换电路1-2以LM2596-12为核心芯片构建，电压转换电路1-3以LM2596-3.3为核心构建。
空气质量参数采集模块包括温湿度变送器2-1、气压变送器2-2、二氧化硫变送器2-3、一氧化氮变送器2-4、二氧化氮变送器2-5和I/V转换电路2-6。变送器型号如下：温湿度变送器KGC 3/9(温度量程为-20～80℃，精度为±0.3℃，输出4～20mA电流；湿度量程为0～100％rh，精度为±2％rh，输出4～20mA电流)，气压变送器HD9408T BARO(量程为600～1100mbar，精度为±0.4mbar，输出4～20mA电流)，二氧化硫变送器MIC-100-SO2(量程为0～100ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)，一氧化氮变送器NBG80-NO(量程为0～500ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)，二氧化氮变送器NBG80-NO2(量程为0～500ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)。I/V转换电路的核心为运算放大器LM324。多种空气质量参数变送器输出的电流信号通过I/V转换电路转变为6路0～3.3v的电压信号，送入微处理器模块的A/D转换器进行分析和处理，完成多种空气质量的采集。
微处理器模块采用TI公司的MSP430F149低功耗处理器控制ZigBee无线通信模块，并对采集的空气质量参数作分析与处理。MSP430F149使用多路12位A/D转换器采集经I/V转换电路转换后的0～3.3V电压信号。微处理器模块使用SPI接口与ZigBee无线通信模块相连，实现空气质量参数的多跳传输。微处理器模块还以单刀单掷开关ISL43110控制以LM2596-12为核心的电压转换电路模块，在节点不采集空气质量参数的情况下，停止电压转换电路模块对多种空气质量参数变送器和I/V转换电路供电，以降低节点能耗。
ZigBee无线通信模块与微处理器模块通过SPI接口连接，ZigBee无线通信模块的电源端与3.3V电压转换电路连接。ZigBee无线通信模块采用CC2430射频芯片，用于实现空气质量监测节点间、节点与基站间的通信。
如图2所示，空气质量参数由多种空气质量参数变送器采集，输出4～20mA的电流信号，经I/V转换电路转换成0～3.3V的电压信号，传送至微处理器模块的多路12位A/D转换器，转为MSP430F149可处理的数字信号。微处理器模块将处理后的数字信号通过SPI接口传至ZigBee无线通信模块，由无线通信模块将信号发送至邻居节点或基站。
如图3所示，***架构可分为三个层次：1)子区域监测监测节点10(本发明提供的节点)，2)子区域基站9，3)远程监测中心5。在每个监测子区域7中，基站9通过ZigBee网络8接收分布在监测子区域7内的监测节点10采集的空气质量参数，并通过GPRS网络6传送至远程监测中心5，远程监测中心5接收现场的空气质量参数信号，提供用户人性化的监控界面。
监测***的数据流、状态流、命令流传输情况如下：监测节点通过空气质量参数采集模块采集现场的气压、温度、湿度、二氧化硫浓度、氮氧化物浓度等空气质量参数，利用ZigBee无线通信模块通过ZigBee网络以多跳方式传送至子区域基站。子区域基站接收空气质量参数和ZigBee网络的状态信息，分析和处理后，产生是否超限、是否需要报警等信息。在这里，基站充当ZigBee网络和GPRS网络之间的网关，通过协议转换将最终采集的空气质量参数和ZigBee网络的状态信息连同分析处理后的报警信息，经由GPRS网络发送至远程监测中心。远程监测中心接收基站上传的各种信息，分析处理相关数据，并根据监测需要发送控制指令至基站。基站接收到指令后，经解码做出相应的控制操作。例如，发送控制指令至ZigBee网络，配置相关监测节点等，满足远程监测中心简单的控制要求。
本发明的工作过程为：电源管理模块的YSD-12450锂电池提供12V电源。以LM2596-12为核心构成电压转换电路对多种空气质量参数变送器和I/V转换电路提供12V电压。微处理器模块可通过单刀单掷开关ISL43110控制12V电压转换电路，在节点不需要采集空气质量参数的情况下，停止该电压转换电路对多种空气质量参数变送器和I/V转换电路供电，以降低节点能耗。以LM2590-3.3为核心构成电压转换电路对微处理器模块和ZigBee无线通信模块提供3.3V电压。当微处理器模块允许12V电压转换电路为多种空气质量参数变送器和I/V转换电路供电时，多种空气质量参数变送器采集空气质量参数，并以4～20mA的电流信号输入至I/V转换电路，I/V转换电路将电流信号转换为0～3.3V的电压信号，送入微处理器模块3的多路12位A/D转换器转换为数字信号，完成空气质量参数的采集，微处理器模块对转换后的数字信号进行分析和处理，并将分析处理后的空气质量参数通过SPI接口传输至ZigBee无线通信模块，发送空气质量参数至邻近节点或基站。
本发明提供的基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点，作为整个空气质量监测***的基本数据采集设备，实现了对多种空气质量参数的实时采集和无线传输。

Claims (1)

1.基于ZigBee无线技术的空气质量监测节点，包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和ZigBee无线通信模块，其特征在于：
电源管理模块包括锂电池、3.3V电压转换电路和12V电压转换电路，锂电池为3.3V电压转换电路和12V电压转换电路提供电源；
空气质量参数采集模块包括温湿度变送器、气压变送器、二氧化硫变送器、一氧化氮变送器、二氧化氮变送器和I/V转换电路；
空气质量参数采集模块中的温湿度变送器信号输出端与I/V转换电路的第一通道信号连接，气压变送器信号输出端与I/V转换电路的第二通道信号连接，二氧化硫变送器信号输出端与I/V转换电路的第三通道信号连接，一氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第四通道信号连接，二氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第五通道信号连接；
微处理器模块的控制端与12V电压转换电路信号连接，微处理器模块的电源端与3.3V电压转换电路连接，微处理器模块的模数转换接口与I/V转换电路连接；
ZigBee无线通信模块与微处理器模块的串行外设接口连接，ZigBee无线通信模块的电源端与3.3V电压转换电路连接。
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