一種基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括由多個(gè)依次相連的路由節(jié)點(diǎn)組成的多個(gè)路由組，路由組中一端的路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，另一端的路由節(jié)點(diǎn)與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端信號(hào)相接；終端節(jié)點(diǎn)包括第三電源模塊，第三電源模塊分別與LED燈、第三JTAG調(diào)試端口、第三時(shí)鐘電路、傳感器模塊以及第三控制芯片相接，第三控制芯片分別與LED燈、第三JTAG調(diào)試端口、第三時(shí)鐘電路和傳感器模塊相接。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程無(wú)線采集并實(shí)時(shí)顯示各種環(huán)境下的生態(tài)水文數(shù)據(jù)，反映出實(shí)地降水量、水質(zhì)等信息，能夠大范圍的監(jiān)測(cè)水文信息，對(duì)水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到了很好的推動(dòng)和借鑒作用，具有較大的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
【專利說明】
一種基于Z i gBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于生態(tài)水文技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)雜環(huán)境下的生態(tài)水文數(shù)據(jù)獲取和地球表系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，特別涉及一種基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]生態(tài)水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的地理環(huán)境地處偏僻，監(jiān)測(cè)位置相對(duì)分散，且區(qū)域覆蓋范圍廣，監(jiān)測(cè)信息種類多，流動(dòng)性大，傳統(tǒng)的有線方式傳輸信息會(huì)比較困難，需要較大的人力和物力成本，且容易受到破壞、穩(wěn)定性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的是提供一種基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程無(wú)線采集各種環(huán)境下的生態(tài)水文數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前惡劣環(huán)境下的水文數(shù)據(jù)信息，包括土壤含水量、土壤溫度、土壤pH值，進(jìn)而反映出實(shí)地降水量、水質(zhì)等信息。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括多個(gè)路由組，每個(gè)路由組均由多個(gè)依次相連的路由節(jié)點(diǎn)組成，路由組中位于一端的路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，該路由組中位于另一端的路由節(jié)點(diǎn)與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過無(wú)線通信模塊與監(jiān)控終端信號(hào)相接，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；
[0005]所述的終端節(jié)點(diǎn)包括第三電源模塊，第三電源模塊分別與LED燈、第三JTAG調(diào)試端口、第三時(shí)鐘電路、傳感器模塊以及第三控制芯片相接，第三控制芯片分別與LED燈、第三JTAG調(diào)試端口、第三時(shí)鐘電路和傳感器模塊相接。
[0006]本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三級(jí)構(gòu)成，能夠?qū)崟r(shí)顯示實(shí)地的生態(tài)水文數(shù)據(jù)信息，并且能在上位機(jī)上清楚明了的看到當(dāng)前的各種水文數(shù)據(jù)變化情況。該系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，具有感知、處理、存儲(chǔ)和通信等功能。該采集系統(tǒng)的供電方式有電池供電和太陽(yáng)能供電兩種；系統(tǒng)中的部分節(jié)點(diǎn)還具有中繼和轉(zhuǎn)發(fā)功能，起著路由的作用，除了數(shù)據(jù)采集處理之外，還要處理其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)以多跳中繼方式傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)各方面的能力都比較強(qiáng)，表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)方面，以及和其他節(jié)點(diǎn)的通信能力方面，因此采用固定電源供電，以確保系統(tǒng)的可靠性。協(xié)調(diào)器模塊還負(fù)責(zé)將傳感器模塊采集到的水文信息通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以進(jìn)行進(jìn)一步操作。
【附圖說明】
[0007]圖1是本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2是本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0009]圖3是本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中路由節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0010]圖4是本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0011 ]圖中:1.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，2.路由節(jié)點(diǎn)，3.終端節(jié)點(diǎn)，4.監(jiān)控終端，5.無(wú)線通信模塊，6.第一電源模塊，7.第一IXD顯示模塊，8.第一JTAG調(diào)試端口，9.串口模塊，10.第一時(shí)鐘電路，
11.第一控制芯片，12.第二電源模塊，13.第二LCD顯示模塊，14.第二 JTAG調(diào)試端口，15.第二時(shí)鐘電路，16.第二控制芯片，17.第三電源模塊，18.LED燈，19.第三JTAG調(diào)試端口，20.第三時(shí)鐘電路，21.傳感器模塊，22.第三控制芯片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0013]如圖1所示，本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括多個(gè)路由組，每個(gè)路由組均由多個(gè)依次相連的路由節(jié)點(diǎn)2組成，路由組中位于一端的路由節(jié)點(diǎn)2與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I相連，該路由組中位于另一端的路由節(jié)點(diǎn)2與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)3相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I通過無(wú)線通信模塊5與監(jiān)控終端4相接，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I采用ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。
[0014]如圖2所示，本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I，包括第一電源模塊6，第一電源模塊6為固定電源;第一電源模塊6分別與第一 LCD顯不模塊6、第一 JTAG調(diào)試端口 7、串口模塊8、第一時(shí)鐘電路9和第一控制芯片10相接，第一控制芯片10分別與第一IXD顯示模塊6、JTAG調(diào)試端口 7、串口模塊8和第一時(shí)鐘電路9相接;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I通過串口模塊8與無(wú)線通信模塊5連接。
[0015]無(wú)線通信模塊5采用RS-232串行通信模塊或RS-485串行通信模塊。
[0016]串口模塊8采用Polif ic公司的PL2303接口芯片，該接口芯片提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。具有兼容性強(qiáng)、信息吞吐率高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0017]如圖3所示，本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的路由節(jié)點(diǎn)2，包括第二電源模塊12，第二電源模塊12分別與第二IXD顯示模塊13、第二JTAG調(diào)試端口 14、第二時(shí)鐘電路15以及第二控制芯片16相接，第二控制芯片16分別與第二 IXD顯示模塊13、第二 JTAG調(diào)試端口 14和第二時(shí)鐘電路15相接。
[0018]第二電源模塊12采用蓄電池或太陽(yáng)能電池。
[0019]如圖4所示，本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)3，包括第三電源模塊17，第三電源模塊17分別與LED燈18、第三JTAG調(diào)試端口 19、第三時(shí)鐘電路20、傳感器模塊21以及第三控制芯片22相接，第三控制芯片22分別與LED燈18、第三JTAG調(diào)試端口 19、第三時(shí)鐘電路20和傳感器模塊21相接。
[0020]第三電源模塊17采用蓄電池或太陽(yáng)能電池。
[0021]傳感器模塊21包括土壤溫度傳感器、溫濕度傳感器和土壤pH值傳感器。土壤溫度傳感器使用防水型溫度傳感器DS18B20，DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有溫度傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器及接口電路五部分。其主要特點(diǎn)是溫度測(cè)量精確，對(duì)溫度的分辨率為0.50C，測(cè)量范圍廣，測(cè)量范圍可從一55°C到+125°C，單總線接口，只需一個(gè)接口即可完成溫度轉(zhuǎn)換的讀寫操作，可簡(jiǎn)化線路，節(jié)省I/O資源，提高經(jīng)濟(jì)性;系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)到的溫度信息數(shù)字化，采用9位數(shù)字方式直接讀取溫度，其典型轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為Is。溫濕度傳感器采用防水型溫濕度傳感器DHTll，土壤pH值傳感器采用傳感器WQ201。該三種傳感器都是在復(fù)雜環(huán)境下被廣泛使用的傳感器，完全能滿足復(fù)雜環(huán)境下土壤溫濕度數(shù)據(jù)和pH值數(shù)據(jù)采集的功會(huì)泛。
[0022]第一控制芯片11、第二控制芯片16和第三控制芯片22均采用TI公司的CC2530F256新一代的SOC芯片，該芯片采用40腳QFN封裝，主要部分有CPU、存儲(chǔ)器、RF收發(fā)器和其他外設(shè)。芯片內(nèi)部集成了一個(gè)高性能、低功耗的增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核，芯片存儲(chǔ)器為8KB的RAM和256KB的R0M，RF收發(fā)器為一個(gè)2.4G的標(biāo)準(zhǔn)射頻天線。該芯片不僅支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而且有著快速的數(shù)據(jù)處理能力、強(qiáng)大的收發(fā)前端、豐富的外設(shè)和顯著的低功耗，能夠很好地適用于環(huán)境較惡劣的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
[0023]第一 IXD顯示模塊7和第二 IXD13均采用12864顯示模塊，該顯示模塊帶中文字庫(kù)的128 X 64每屏可顯示4行8列共32個(gè)16 X 16點(diǎn)陣的漢字，是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊;其顯示分辨率為128X64，內(nèi)置8192個(gè)16X16點(diǎn)漢字和128個(gè)16X8點(diǎn)ASCII字符集?？梢燥@示8X4行16X16點(diǎn)陣的漢字.也可完成圖形顯示。12864顯示模塊將經(jīng)由處理器處理過的水文數(shù)據(jù)信息在其屏幕上顯示出來，維護(hù)人員能比較直觀的觀測(cè)實(shí)地的水文數(shù)據(jù)情況。
[0024]隨著無(wú)線傳感器模塊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和ZigBee技術(shù)的成熟，逐漸在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，能夠滿足水文監(jiān)測(cè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化的需求，具有低功耗、低成本、使用方便、高可靠性等特點(diǎn)，能夠大范圍的監(jiān)測(cè)水文信息，并解決許多的應(yīng)用需求，對(duì)今后水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到了很好的推動(dòng)和借鑒作用。
[0025]本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單且可靠性好，當(dāng)某一鏈路發(fā)生故障時(shí)，只影響該路下級(jí)的節(jié)點(diǎn)，且故障容易修復(fù)。
[0026]終端節(jié)點(diǎn)3沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此，可以是一個(gè)蓄電池或者太陽(yáng)能供電設(shè)備。通常，終端設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)空間(特別是RAM的需要)比較小。主要負(fù)責(zé)通過各種傳感器采集生態(tài)水文數(shù)據(jù)。所有的終端節(jié)點(diǎn)3將進(jìn)行土壤水分、土壤溫度、土壤PH值的采集，并將終端節(jié)點(diǎn)3采集到的多路信號(hào)經(jīng)過處理后發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)2，再由路由節(jié)點(diǎn)2通過ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I，然后由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I將信息通過無(wú)線通信模塊5傳遞給監(jiān)控終端4(通常為計(jì)算機(jī))。通過監(jiān)控終端4可以清楚直觀的看到實(shí)地各節(jié)點(diǎn)處的土壤和水的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而反映出當(dāng)?shù)匾黄瑓^(qū)域內(nèi)的生態(tài)水文情況。
[0027]路由節(jié)點(diǎn)2主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的終端設(shè)備的通訊。同時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)2的功能也可以進(jìn)行擴(kuò)展，若加入傳感器模塊，將該傳感器模塊的部分功能移植到路由節(jié)點(diǎn)2，這時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)2的功能又可以相當(dāng)于一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)3，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。
[0028]協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定(bindings)。協(xié)調(diào)器的角色主要涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配鉻。一旦這些都完成后，協(xié)調(diào)器的工作就像一個(gè)路由器。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)本身的分布特性，因此接下來整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的操作就不再依賴協(xié)調(diào)器是否存在。
[0029]由于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要在極低溫度條件下工作，一般的實(shí)時(shí)時(shí)鐘不能確保其時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。而整個(gè)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求比較高，因而系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司的耐低溫實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DSl 302給系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)。
[0030]協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I的工作原理是通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I將由各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)2發(fā)送的實(shí)時(shí)信息通過控制芯片處理后，存儲(chǔ)到芯片存儲(chǔ)單元，并且通過RS232將實(shí)時(shí)信息傳遞給監(jiān)控終端4。
[0031]本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用于復(fù)雜環(huán)境下生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集的基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)。終端節(jié)點(diǎn)3將土壤溫度傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器采集到的水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降诙刂菩酒?6，路由節(jié)點(diǎn)2將接收到的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)I中的第一控制芯片6對(duì)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)3采集到的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理，將處理結(jié)果存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，并通過無(wú)線通信模塊5將實(shí)時(shí)信息傳遞給監(jiān)控終端4。該生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安全可靠性、精確性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且易于維護(hù)，具有較大的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括多個(gè)路由組，每個(gè)路由組均由多個(gè)依次相連的路由節(jié)點(diǎn)(2)組成，路由組中位于一端的路由節(jié)點(diǎn)(2)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(I)相連，該路由組中位于另一端的路由節(jié)點(diǎn)(2)與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)(3)相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(I)通過無(wú)線通信模塊(5)與監(jiān)控終端(4)信號(hào)相接，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(I)采用ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)； 所述的終端節(jié)點(diǎn)(3 )包括第三電源模塊(17 )，第三電源模塊(17 )分別與LED燈(18 )、第三JTAG調(diào)試端口( 19)、第三時(shí)鐘電路(20)、傳感器模塊(21)以及第三控制芯片(22)相接，第三控制芯片(22)分別與LED燈(18 )、第三JTAG調(diào)試端口( 19)、第三時(shí)鐘電路(20 )和傳感器模塊(21)相接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(I)包括第一電源模塊(6)，第一電源模塊(6)為固定電源;第一電源模塊(6)分別與第一LCD顯示模塊(6)、第一JTAG調(diào)試端口(7)、串口模塊(8)、第一時(shí)鐘電路(9)和第一控制芯片(10)相接，第一控制芯片(10)分別與第一LCD顯示模塊(6)、JTAG調(diào)試端口(7)、串口模塊(8)和第一時(shí)鐘電路(9)相接;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(2)通過串口模塊(8)與無(wú)線通信模塊(5)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的路由節(jié)點(diǎn)(2)包括第二電源模塊(12)，第二電源模塊(12)分別與第二 LCD顯示模塊(13)、第二JTAG調(diào)試端口(14)、第二時(shí)鐘電路(15)以及第二控制芯片(16)相接，第二控制芯片(16)分別與第二IXD顯示模塊(13)、第二JTAG調(diào)試端口(14)和第二時(shí)鐘電路(15)相接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感器模塊(21)包括土壤溫度傳感器、溫濕度傳感器和土壤pH值傳感器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ZigBee的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的土壤溫度傳感器采用防水型溫度傳感器DS18B20;溫濕度傳感器采用防水型溫濕度傳感器DHTll，土壤pH值傳感器采用傳感器WQ201。
【文檔編號(hào)】G08C17/02GK205428173SQ201521059046
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年12月18日
【發(fā)明人】擺玉龍, 胡升升, 火圣昌, 申凱, 劉穎娟, 盧勇男, 張轉(zhuǎn)花, 龐宗武, 趙興龍, 徐寶兄, 尤元紅
【申請(qǐng)人】西北師范大學(xué)