專利名稱：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的交通道路用自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氣象/環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，具體地說，是一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的氣象/環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，尤其適用于交通氣象/環(huán)境參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
目前，公知的自動(dòng)氣象站能實(shí)現(xiàn)對(duì)通用氣象要素的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，主要包括溫度、濕度、風(fēng)速/風(fēng)向、氣壓、雨量等參數(shù)的測(cè)量，但數(shù)據(jù)信息的傳輸仍然采用有線通信的方式(FF現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN總線等)，甚至部分地區(qū)仍然依靠人工實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的采集，且通信線路的鋪設(shè)受地理位置與地形條件影響較大，無法對(duì)氣象/環(huán)境參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、連續(xù)的觀測(cè)。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)氣象站，大多都無法實(shí)現(xiàn)被測(cè)參數(shù)的自由增減或變更，必須以更換整個(gè)自動(dòng)氣象站為代價(jià)，具有較高的維護(hù)成本。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種能長(zhǎng)期應(yīng)用于惡劣交通環(huán)境、實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸、有效降低了維護(hù)成本、可自由增減或變更各個(gè)被測(cè)參數(shù)的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的交通道路用自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站。本實(shí)用新型的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的交通道路用自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，包括對(duì)氣象要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)的氣象要素傳感器，氣象要素傳感器的輸出經(jīng)處理器模塊與無線發(fā)射模塊連接；它還包括用于接收無線發(fā)射模塊發(fā)出的氣象要素?cái)?shù)據(jù)、并把氣象要素?cái)?shù)據(jù)通過中繼方式傳送給上位機(jī)的無線接收模塊，無線發(fā)射模塊、無線接收模塊組成無線通信模塊。本實(shí)用新型有益效果氣象要素傳感器對(duì)交通氣象以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，氣象要素傳感器的輸出經(jīng)處理器模塊處理后送無線發(fā)射模塊，處理器模塊協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)工作并接收采集到的數(shù)據(jù)信息，由無線通信模塊對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行組包、封裝，并發(fā)送到無線接收模塊。無線接收模塊在接收到各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)的形式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，由用戶在上位機(jī)上接收各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。用戶將自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站的各個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)分布在交通道路沿線以及需要監(jiān)測(cè)的地理環(huán)境中，特別適用于一些布線困難，人力無法觀測(cè)的區(qū)域。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有自動(dòng)氣象站不能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)牟蛔?，提供了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、能長(zhǎng)期應(yīng)用于惡劣交通環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站。該使用新型實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，有效降低了維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)測(cè)量模塊的即插即用，可自由增減或變更自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站中的各個(gè)被測(cè)參數(shù)，適用于各種交通道路中交通氣象、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。上述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，氣象要素傳感器包括溫濕度傳感器、壓力傳感器、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、能見度傳感器、PM2. 5顆粒物監(jiān)測(cè)傳感器中的至少一個(gè)。上述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，處理器模塊選用STM32F103VB芯片。該處理器基于高性能32位RISC的ARM Cortex_M3內(nèi)核，最高工作頻率為72MHz。片上集成了高速存儲(chǔ)器和通過APB總線連接的眾多外設(shè)和輸入輸出接口，其中片上存儲(chǔ)器Flash最多可達(dá)512K，SRAM最多可達(dá)64K。此外，所有的設(shè)備都提供了標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，如2個(gè)I2C接口，3個(gè)SPI接口和5個(gè)USART接口。除此之外，STM32F103VB處理器還集成了 2個(gè)12位的ADC，I個(gè)12位的雙通道DAC，11個(gè)16位的定時(shí)器。由此可見，使用STM32F103VB處理器可以實(shí)現(xiàn)較高的指令吞吐量和系統(tǒng)資源。 上述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，無線通信模塊選用JN51XX芯片，如JN5121、JN5139或JN5148芯片。該芯片是目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信中應(yīng)用最多的嵌入式通信芯片。它集成了符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee通信協(xié)議和一個(gè)工業(yè)級(jí)的高效8051控制器，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通信芯片。JN5121通信芯片將通信過程分為身份標(biāo)識(shí)、感知、處理和信息傳送四個(gè)環(huán)節(jié)，只需要很少的外部元件即可運(yùn)行。處理器模塊和無線通信模塊協(xié)調(diào)工作，既可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)以中繼的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以接受來自上位機(jī)的控制信息。上述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，它包括與處理器模塊連接的輸入輸出模塊，如觸摸屏。上述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，向處理器模塊供電的電源采用電池，如太陽能充電電池。這樣，本實(shí)用新型能夠長(zhǎng)期工作在交通道路等無人值守的惡劣環(huán)境下，并且具備較好的可移動(dòng)性。上述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，它包括與處理器模塊電連接的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

[0012]
圖I是自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
圖2是自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站的系統(tǒng)框圖。
圖3是溫度/濕度的傳感節(jié)點(diǎn)框圖。
圖4是自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站無線通信模塊的電路原理圖。圖5是自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站處理器模塊的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)氣象站包括6個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)(溫/濕度傳感節(jié)點(diǎn)、氣壓傳感節(jié)點(diǎn)、風(fēng)速/風(fēng)向傳感節(jié)點(diǎn)、雨量傳感節(jié)點(diǎn)、能見度傳感節(jié)點(diǎn)和PM2. 5濃度傳感節(jié)點(diǎn))和I個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)由傳感器和Zigbee通信芯片組成，用于對(duì)交通氣象以及環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由Zigbee通信芯片按照Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝、組包，并發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行統(tǒng)一整合處理，以中繼的方式發(fā)送到上位機(jī)。由上位機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，為交通氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)提供便捷、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。中心節(jié)點(diǎn)在接收到各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，通過中繼的方式將消息轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。同時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)信息匯聚的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)
4的初始化，統(tǒng)籌分配短地址，并允許無線傳感節(jié)點(diǎn)的加入或離開網(wǎng)絡(luò)，確定域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符和網(wǎng)絡(luò)工作的物理通道，并統(tǒng)籌各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)短地址的分配。各個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)在接入網(wǎng)絡(luò)后，能夠獲得一定的16位短地址空間。在其通信范圍內(nèi)(陶瓷天線標(biāo)準(zhǔn)功率2Km，高功率4Km，無遮擋)，能夠允許其他節(jié)點(diǎn)加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，分配以及收回短地址，路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。雖然不同的節(jié)點(diǎn)在功能角色上有所不同，但其基本的硬件結(jié)構(gòu)是一致的，功能角色的設(shè)定由軟件代碼進(jìn)行參數(shù)配置。無線傳感節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、串口通信模塊以及IXD顯示模塊(選配)組成。處理器模塊處理器模塊選擇了 STM32F103VB芯片。無線通信模塊無線通信模塊選用JN51XX系列，最為典型的即JN5121。傳感器模塊傳感器模塊除了包含通用的氣象要素傳感器外，還包含了部分道路交通和環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，主要包括溫濕度傳感器、壓力傳感器、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、前向散射能見度傳感器、振蕩天平法PM2. 5顆粒物監(jiān)測(cè)傳感器等。各個(gè)傳感器將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由處理器進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由于自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站需要長(zhǎng)期工作在無人值守的道路交通環(huán)境中，因此除了需要能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化傳輸外，還需要能夠存儲(chǔ)大容量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，外擴(kuò)了 256M的NandFlash用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。電源模塊自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站需要長(zhǎng)期工作在無人值守的道路交通環(huán)境中，甚至部分節(jié)點(diǎn)需要布置在人員難以到達(dá)的環(huán)境中，因此電源的續(xù)航能力成為系統(tǒng)正常工作的重要因素。本系統(tǒng)統(tǒng)一采用2節(jié)干電池供電，且在通常情況下，處理器均處于休眠模式，由中心節(jié)點(diǎn)或定時(shí)器喚醒，具有極低的系統(tǒng)功耗。串口通信模塊在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的接收端，無線通信芯片通過串口通信模塊與上位機(jī)連接，將接收端接收到的數(shù)據(jù)信息通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分析和存儲(chǔ)。同時(shí)，串口通信模塊還作為將嵌入式程序代碼下載到處理器芯片以及無線通信芯片的ISP端口。LCD顯示模塊(選配)部分系統(tǒng)為了方便數(shù)據(jù)的讀取以及良好的人機(jī)交互界面，可以選用IXD顯示模塊。IXD顯示模塊選用型號(hào)為TFT480272BS的4. 3寸觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的顯示以及數(shù)據(jù)的輸入輸出。工作過程各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)交通環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，數(shù)據(jù)信息通過Zigbee通信芯片發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式與后臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。同時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)也可以通過無線通信模塊接收來自上位機(jī)發(fā)送的控制信息，控制整個(gè)自動(dòng)氣象站的工作。各個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)能夠有效準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，抗干擾性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的即插即用，滿足惡劣交通道路環(huán)境中的工作要求，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。該實(shí)用新型為了長(zhǎng)期工作在交通道路等無人值守的惡劣環(huán)境下，并且為了具備較好的可移動(dòng)性，在基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都統(tǒng)一使用2節(jié)干電池供電，輔以太陽能電池供電。該實(shí)用新型采用極低功耗設(shè)計(jì)模式，絕大部分時(shí)間內(nèi)處理器及通信芯片都工作在休眠模式，通過定時(shí)器或上位機(jī)指令來喚醒。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛的應(yīng)用于交通氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。該實(shí)用新型將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，通過Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)對(duì)交通氣象/環(huán)境監(jiān)測(cè)中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的即插即用，以及數(shù)據(jù)信息的低成本、網(wǎng)絡(luò)化傳輸。各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)交通氣象以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，處理器協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)工作并接收采集到的數(shù)據(jù)信息，由無線通信芯片對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行組包、封裝，并發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)在接收到各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)的形式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，由用戶在上位機(jī)上接收各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。該使用新型適用于高速公路沿線、以及環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜，不易布設(shè)通信線路的山區(qū)道路沿線上環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也適用于人員不能到達(dá)，以及突發(fā)自然災(zāi)害下的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。本實(shí)用新型提供一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、能長(zhǎng)期應(yīng)用于惡劣交通環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站。該使用新型實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，有效降低了維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)測(cè)量模塊的即插即用，可自由增減或變更自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站中的各個(gè)被測(cè)參數(shù)，適用于各種交通道路中交通氣象、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求1.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的交通道路用自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是它包括對(duì)氣象要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)的氣象要素傳感器，氣象要素傳感器的輸出經(jīng)處理器模塊與無線發(fā)射模塊連接；它還包括用于接收無線發(fā)射模塊發(fā)出的氣象要素?cái)?shù)據(jù)、并把氣象要素?cái)?shù)據(jù)通過中繼方式傳送給上位機(jī)的無線接收模塊，無線發(fā)射模塊、無線接收模塊組成無線通信模塊。
2.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是氣象要素傳感器包括溫濕度傳感器、壓力傳感器、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、能見度傳感器、PM2. 5顆粒物監(jiān)測(cè)傳感器中的至少一個(gè)。
3.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是處理器模塊選用STM32F103VB 芯片。
4.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是無線通信模塊選用JN51XX 芯片。
5.如權(quán)利要求4所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是無線通信模塊選用JN5121、JN5139 或 JN5148 芯片。
6.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是它包括與處理器模塊連接的輸入輸出模塊。
7.如權(quán)利要求6所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是輸入輸出模塊為觸摸屏。
8.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是向處理器模塊供電的電源采用電池。
9.如權(quán)利要求8所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是電池為太陽能充電電池。
10.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站，其特征是它包括與處理器模塊電連接的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種能長(zhǎng)期應(yīng)用于惡劣交通環(huán)境、實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸、有效降低了維護(hù)成本、可自由增減或變更各個(gè)被測(cè)參數(shù)的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的交通道路用自動(dòng)氣象站/環(huán)境監(jiān)測(cè)站。它包括對(duì)氣象要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)的氣象要素傳感器，氣象要素傳感器的輸出經(jīng)處理器模塊與無線發(fā)射模塊連接；它還包括用于接收無線發(fā)射模塊發(fā)出的氣象要素?cái)?shù)據(jù)、并把氣象要素?cái)?shù)據(jù)通過中繼方式傳送給上位機(jī)的無線接收模塊，無線發(fā)射模塊、無線接收模塊組成無線通信模塊。
文檔編號(hào)G08C17/02GK202771016SQ20122035624
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者肖廣兵, 黃銀娣, 韓寶瑞, 羊玢, 萬茂松, 呂立亞, 盛玉剛, 余偉, 解梅, 孫寧, 錢春貴 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)