CN102307225A - 一种基于无线传感器网络的有毒气体监测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的有毒气体监测***，包括气体传感器、监测终端、气象传感器、传感器节点和汇聚节点；气象传感器用于气象信息；气体传感器用于接收有毒气体信息信号，对有毒气体信息信号进行处理，并将处理的结果传输给传感器节点；传感器节点接入气体传感器和气象传感器，用于收集有毒气体信息信号和气象信息，将收到的有毒气体信息信号和气象信息与传感器节点自身电量信息和位置信息进行打包，并将打包数据发送至汇聚节点；汇聚节点将接收到的打包数据与汇聚节点自身电量信息和位置信息发送给监测终端；监测终端用于实时显示有毒气体的监测结果。本发明能够在各种天气情况下准确地对有毒气体扩散情况进行监测。

Description

一种基于无线传感器网络的有毒气体监测***

技术领域

本发明涉及有毒气体监测技术领域，特别是涉及一种基于无线传感器网络的有毒气体监测***。

背景技术

在化工厂中，由于操作失误或天气原因，很有可能会造成有毒气体的泄露，而现有的有毒气体监测***存在如下问题：

(1)由于现有的大部分有毒气体监测***是通常采用单个传感器进行监测，因此没有形成整体监测，很难对有毒气体扩散态势评估。

(2)传感器节点没有添加定位功能，随机布设时还需人工标定节点位置。

(3)传感器节点中无电量监测信息，不能及时更换节点代替电池耗尽节点。

(4)有毒气体监测没有考虑天气对有毒气体扩散的影响。

(5)无线数据传输依赖于公网。

现有专利申请“一种用于有毒气体探测的无线传感器网络***”(申请号：200810059960.X)介绍了由大量有毒气体传感器、大量无线终端和一个无线接收端机组成的用于有毒气体探测的自组织的多跳无线传感器***。但是该***并没有将作为影响有毒气体扩散重要因素的天气因素考虑在内，因此天气因素变化的情况下无法准确对有毒气体的扩散进行探测。并且该***的无线终端无定位模块、本地存储模块，因而无线终端的位置需要手工标定，发生网络错误时数据无法进行本地保存。无线终端与气体传感器之间的串行RS-232通信接口没有考虑防止雷击或静电隔离。大量无线终端无电量信息提供给监测终端，导致电池耗尽无线终端不能被及时更换。无线终端与无线接收端机通信采用冲突避免的信道侦听机制，可能造成网络延时严重。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无线传感器网络的有毒气体监测***，能够在各种天气情况下准确地对有毒气体扩散情况进行监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于无线传感器网络的有毒气体监测***，包括气体传感器、监测终端、至少两个传感器节点和至少两个汇聚节点，所述的有毒气体监测***还包括气象传感器；所述的气象传感器用于接收监测区域内的气象信息；所述的气体传感器用于接收有毒气体信息信号，对有毒气体信息信号进行前端处理，并将处理的结果传输给所述的传感器节点；所述的传感器节点接入所述的气体传感器和气象传感器，用于收集得到的有毒气体信息信号和气象信息，将收到的有毒气体信息信号和气象信息与传感器节点自身电量信息和位置信息进行打包，并将打包数据发送至所述的汇聚节点；所述的汇聚节点将接收到的打包数据与汇聚节点自身电量信息和位置信息发送给所述的监测终端；所述的监测终端用于实时显示有毒气体的监测结果。

所述的传感器节点包括第一微控制器、第一外部接口模块、第一无线射频模块；所述的第一微控制器用于控制所述的第一外部接口模块和第一无线射频模块；所述的第一外部接口模块用于接入所述的气体传感器和气象传感器，形成接收有毒气体信息信号和气象信息的通道；所述的第一无线射频模块用于与汇聚节点和其他的传感器节点进行相互通信，实现数据传送；所述的第一外部接口模块为隔离的串行接口电路。

所述的传感器节点还包括与所述的第一微控制器相连的第一定位模块；所述的第一定位模块用于获取所述的传感器节点自身位置信息。

所述的传感器节点还包括与所述的第一微控制器、第一外部接口模块、第一无线射频模块和第一定位模块相连的第一电源模块；所述的第一电源模块用于向传感器节点中的各个模块提供电源并进行管理；所述的第一电源模块通过分压电路和第一微控制器得到传感器节点自身的电量信息。

所述的传感器节点还包括分别与所述的第一微控制器和第一电源模块相连的第一存储模块；所述的第一存储模块用于将接收到的有毒气体信息信号和气象信息进行存储。

所述的汇聚节点包括第二微控制器、第二外部接口模块、第二无线射频模块；所述的第二微控制器用于控制所述的第二外部接口模块和第二无线射频模块；所述的第二外部接口模块用于接入所述的监控终端；所述的第二无线射频模块用于与传感器节点和其他的汇聚节点进行相互通信，实现数据接收和转发。

所述的汇聚节点还包括与所述的第二微控制器相连的第二定位模块；所述的第二定位模块用于获取所述的汇聚节点自身位置信息。

所述的汇聚节点还包括与所述的第二微控制器、第二外部接口模块、第二无线射频模块和第二定位模块相连的第二电源模块；所述的第二电源模块用于向汇聚节点中的各个模块提供电源并进行管理。所述的第二电源模块通过分压电路和第二微控制器得到汇聚节点自身的电量信息。

所述的汇聚节点还包括分别与所述的第二微控制器和第二电源模块相连的第二存储模块；所述的第二存储模块用于将接收到的打包数据进行存储。

所述的传感器节点与汇聚节点均采用自组织多跳网络；所述的传感器节点和汇聚节点之间的通信方式为时分方式。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过气象传感器获取监测区域里的气象信息，通过传感器节点将其收集到的各种信息传输到监测终端，监测终端可根据收到的信息对有毒气体实时监测，并对扩散态势进行准确地动态分析，并上报有毒气体扩散情况，发出预警信息，在第一时间做出反应。本发明中，由于传感器节点和汇聚节点中都包括有定位模块，因此监测终端得到的汇聚信息，能够实时显示节点的所在区域的三维地图及传感器的监测结果。传感器节点和汇聚节点中都还包括有电源模块，通过电源模块能够监测传感器节点和汇聚节点的供电电压，以便对电量不足的节点进行管理。传感器节点中的外部接口模块采用隔离的串行接口电路，以防止雷击及静电破坏。汇聚节点与传感器节点采用自组织多跳网络协议，通过多跳弥补通信距离的不足，适用于野外复杂环境使用，并且汇聚节点和传感器节点之间的通信采用时分的方式避免冲突和碰撞的发生，以提高网络的低延时，避免个别节点信息无限期等待。

附图说明

图1是本发明的基本布设图；

图2是本发明中传感器节点的***框图；

图3是本发明中汇聚节点的***框图；

图4是本发明中有毒气体信息收集过程的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于无线传感器网络的有毒气体监测***，如图1所示，包括气体传感器、监测终端、至少两个传感器节点和至少两个汇聚节点，该有毒气体监测***还包括气象传感器。气象传感器用于接收监测区域内的气象信息，如气温、风向、风力和湿度等信息，这些信息能够对有毒气体扩散等信息的分析起到辅助作用。气体传感器用于接收有毒气体信息信号，并对有毒气体信息信号进行前端处理，并将处理结果通过模数转换以主动方式固定时间间隔传输给传感器节点。传感器节点通过串行接口接入气体传感器和气象传感器，用于收集得到的有毒气体信息信号和气象信息，将收到的有毒气体信息信号和气象信息与传感器节点自身电量信息和位置信息进行打包，并将打包数据发送至所述的汇聚节点。汇聚节点将接收到的打包数据与汇聚节点自身电量信息和位置信息发送给所述的监测终端。所述的监测终端用于实时显示有毒气体的监测结果。如图1所示，图中圆形表示传感器节点，三角形表示汇聚节点。整个监测区域布设有传感器节点，汇聚节点布设于监测区域中心和监测终端之间。传感器节点之间间距为a，影响a因素是气体传感器节点的监测距离。监测区域是b×b大小，b的大小不受限制。监测区域到监测终端的距离为c，c直接影响汇聚节点到终端的跳数，一般以不超过10公里为宜。传感器节点都接入气体传感器，只有个别传感器节点接入气象传感器。汇聚节点布设于监测区域中心通过多跳与监测终端建立可靠的路由。

如图2所示，传感器节点包括第一微控制器、第一外部接口模块、第一无线射频模块、第一电源模块、第一存储模块和第一定位模块。第一微控制器用于控制第一外部接口模块、第一无线射频模块、第一存储模块、第一电源模块和第一定位模块，它是整个传感器节点的核心，其内部包含有一定容量的Flash和RAM，从而可以存储，运行代码或保持部分数据，实现节点网络功能、***控制、获取气体信息和气象信息、低功耗管理等。第一微控制器工作状态分为活动状态和睡眠状态，大部分时间微控制器处于睡眠状态，在需要获取有毒气体信息时通过中断激活睡眠状态进入工作状态，以节省功耗。第一外部接口模块用于接入气体传感器和气象传感器，形成接收有毒气体信息信号和气象信息的通道，第一外部接口模块为隔离的串行接口电路，可防止雷击及静电破坏；所述的第一无线射频模块是传感器节点与其他节点相互通信的唯一接口，用于与汇聚节点和其他的传感器节点进行相互通信，包括对采集到数据的直接传送和转发。第一电源模块用于向传感器节点中的各个模块提供电源并进行管理，其可采用锂电池供电，如此可针对低功耗和射频应用，电源管理采用线性稳压器，通过微控制器控制传感器节点供电的开关，从而实现长时间工作，如此可利用休眠机制控制功耗。第一电源模块通过分压电路和第一微控制器得到传感器节点自身的电量信息。第一定位模块用于获取所述的传感器节点自身位置信息，方便二维地图显示，如可采用GPS定位模块或北斗定位模块提供传感器节点的经纬度信息。第一存储模块用于将接收到的有毒气体信息信号和气象信息进行存储，从而实现数据本地保存，以便在网络通畅时传送数据。本发明中的传感器节点无线工作频率为433MHz，节点的无线最大发送速率为256Kbps，发送功率为20dBm，在离地面1米高度处，通视点对点最大通信距离为800米。

如图3所示，汇聚节点包括第二微控制器、第二存储模块、第二定位模块、第二电源模块、第二外部接口模块和第二无线射频模块。第二微控制器用于控制第二存储模块、第二定位模块、第二电源模块、第二外部接口模块和第二无线射频模块，它是整个传感器节点的核心，其内部包含有一定容量的Flash和RAM，从而可以存储，运行代码或保持部分数据，实现节点网络功能、***控制、获取气体信息和气象信息、低功耗管理等。第一微控制器工作状态分为活动状态和睡眠状态，大部分时间微控制器处于睡眠状态，在需要获取有毒气体信息时通过中断激活睡眠状态进入工作状态，以节省功耗第二外部接口模块用于接入监控终端，可通过串行接口实现。第二无线射频模块是汇聚节点与其他节点相互通信的唯一接口，用于与传感器节点和其他的汇聚节点进行相互通信，实现接收数据和转发数据的功能。第二电源模块用于向汇聚节点中的各个模块提供电源并进行管理，其可采用锂电池供电，如此可针对低功耗和射频应用，电源管理采用线性稳压器，通过微控制器控制传感器节点供电的开关，从而实现长时间工作，如此可利用休眠机制控制功耗。第二电源模块通过分压电路和第二微控制器得到汇聚节点自身的电量信息。第二定位模块用于获取所述的汇聚节点自身位置信息，方便三维地图显示，如可采用GPS定位模块或北斗定位模块提供传感器节点的经纬度信息。第二存储模块用于将接收到的打包数据进行存储，当数据存在无线传送困难的情况下，可实现数据本地保存，以便在网络通畅时传送数据。本发明中的汇聚节点无线工作频率为433MHz，节点的无线最大发送速率为256Kbps，发送功率为20dBm，在离地面1米高度处，通视点对点最大通信距离为800米

传感器节点与汇聚节点均采用自组织多跳网络，即传感器节点将打包数据经过多跳传送到汇聚节点，汇聚节点将收集到的信息通过多跳路由传输到监测终端，通过多跳可弥补通信距离的不足，从而使得本发明可适用于野外复杂环境。传感器节点和汇聚节点之间的通信方式为时分方式，通过时分可避免信道冲突和碰撞的产生，以提高网络的低延时，避免个别节点信息无限期等待。

本发明有毒气体信息收集过程的如图4所示。

(a).传感器节点启动。

(b).搜索周围的汇聚节点，建立到达汇聚节点的路由，可能是单跳也可能是多跳，每个传感器节点都维护自己到汇聚节点的路由信息，同时汇聚节点也建立到监测终端的多跳路由。

(c).传感器节点在获取得到有毒气体信息、气象信息、自身的位置信息和电量信息后，将这些数据打包，等待属于自己的时隙。

(d).传感器节点查询自己到汇聚节点的路由信息，如果是单跳到达，则直接在汇聚节点分配的时隙内将数据包传送到汇聚节点，如果不是单跳到达汇聚节点，则通过多跳方式送达汇聚节点。

(e).汇聚节点在收集的节点数据达到一定程度时，通过多个汇聚节点将收集的数据送达监测终端。

不难发现，本发明通过气象传感器获取监测区域里的气象信息，通过传感器节点将其收集到的各种信息传输到监测终端，监测终端可根据收到的信息对有毒气体实时监测，并对扩散态势进行准确地动态分析，并上报有毒气体扩散情况，发出预警信息，在第一时间做出反应。本发明中，由于传感器节点和汇聚节点中都包括有定位模块，因此监测终端得到的汇聚信息，能够实时显示节点的所在区域的三维地图及传感器的监测结果。传感器节点和汇聚节点中都还包括有电源模块，通过电源模块能够监测传感器节点和汇聚节点的供电电压，以便对电量不足的节点进行管理。传感器节点中的外部接口模块采用隔离的串行接口电路，以防止雷击及静电破坏。汇聚节点与传感器节点采用自组织多跳网络协议，通过多跳弥补通信距离的不足，适用于野外复杂环境使用，并且汇聚节点和传感器节点之间的通信采用时分的方式避免冲突和碰撞的发生，以提高网络的低延时，避免个别节点信息无限期等待。本发明不仅可以快速随机地布设在野外，还可以布置在城市的各个角落，使用方式十分灵活。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的有毒气体监测***，包括气体传感器、监测终端、至少两个传感器节点和至少两个汇聚节点，其特征在于，所述的有毒气体监测***还包括气象传感器；所述的气象传感器用于接收监测区域内的气象信息；所述的气体传感器用于接收有毒气体信息信号，并对有毒气体信息信号进行前端处理，并将处理的结果传输给所述的传感器节点；所述的传感器节点接入所述的气体传感器和气象传感器，用于收集得到的有毒气体信息信号和气象信息，将收到的有毒气体信息信号和气象信息与传感器节点自身电量信息和位置信息进行打包，并将打包数据发送至所述的汇聚节点；所述的汇聚节点将接收到的打包数据与汇聚节点自身电量信息和位置信息发送给所述的监测终端；所述的监测终端用于实时显示有毒气体的监测结果。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的传感器节点包括第一微控制器、第一外部接口模块、第一无线射频模块；所述的第一微控制器用于控制所述的第一外部接口模块和第一无线射频模块；所述的第一外部接口模块用于接入所述的气体传感器和气象传感器，形成接收有毒气体信息信号和气象信息的通道；所述的第一无线射频模块用于与汇聚节点和其他的传感器节点进行相互通信，实现数据传送；所述的第一外部接口模块为隔离的串行接口电路。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的传感器节点还包括与所述的第一微控制器相连的第一定位模块；所述的第一定位模块用于获取所述的传感器节点自身位置信息。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的传感器节点还包括与所述的第一微控制器、第一外部接口模块、第一无线射频模块和第一定位模块相连的第一电源模块；所述的第一电源模块用于向传感器节点中的各个模块提供电源并进行管理；所述的第一电源模块通过分压电路和第一微控制器得到传感器节点自身的电量信息。

5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的传感器节点还包括分别与所述的第一微控制器和第一电源模块相连的第一存储模块；所述的第一存储模块用于将接收到的有毒气体信息信号和气象信息进行存储。

6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的汇聚节点包括第二微控制器、第二外部接口模块、第二无线射频模块；所述的第二微控制器用于控制所述的第二外部接口模块和第二无线射频模块；所述的第二外部接口模块用于接入所述的监控终端；所述的第二无线射频模块用于与传感器节点和其他的汇聚节点进行相互通信，实现数据接收和转发。

7.根据权利要求6所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的汇聚节点还包括与所述的第二微控制器相连的第二定位模块；所述的第二定位模块用于获取所述的汇聚节点自身位置信息。

8.根据权利要求7所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的汇聚节点还包括与所述的第二微控制器、第二外部接口模块、第二无线射频模块和第二定位模块相连的第二电源模块；所述的第二电源模块用于向汇聚节点中的各个模块提供电源并进行管理；所述的第二电源模块通过分压电路和第二微控制器得到汇聚节点自身的电量信息。

9.根据权利要求8所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的汇聚节点还包括分别与所述的第二微控制器和第二电源模块相连的第二存储模块；所述的第二存储模块用于将接收到的打包数据进行存储。

10.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的有毒气体监测***，其特征在于，所述的传感器节点与汇聚节点均采用自组织多跳网络；所述的传感器节点和汇聚节点之间的通信方式为时分方式。

Images