基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、路由網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)服務(wù)器；終端節(jié)點(diǎn)測(cè)量島嶼參數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)給負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和終端節(jié)點(diǎn)同樣的參數(shù)，接收其管理的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，把自身數(shù)據(jù)和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由網(wǎng)關(guān)；路由網(wǎng)關(guān)收集所有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；數(shù)據(jù)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)用戶的需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)服務(wù)；本發(fā)明系統(tǒng)成本低，硬件的裁剪性好，根據(jù)測(cè)量參數(shù)需要靈活地修改硬件支持不同的傳感器。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可用于災(zāi)害的提前預(yù)警，降低經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。
【專利說(shuō)明】基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器技術(shù)，尤其涉及一種基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)有著數(shù)目眾多的島嶼，島嶼因其獨(dú)特的地理位置常遭遇頻繁的自然災(zāi)害，如臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷電等，同時(shí)島上常常覆蓋著茂密的森林植被，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，將危及島上人員和設(shè)備財(cái)產(chǎn)的安全，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
[0003]目前，島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能無(wú)人值守長(zhǎng)期運(yùn)行在環(huán)境惡劣的戶外，使用電池供電的節(jié)點(diǎn)需要定期派人員更換電池，有線供電的節(jié)點(diǎn)工作的范圍大大受限。系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，冗余度、可靠性低，一旦節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，將無(wú)法獲知島嶼的參數(shù)信息。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)不能快速地根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要更換傳感器以測(cè)量不同參數(shù)，程序升級(jí)困難。國(guó)外相應(yīng)的島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)價(jià)格高昂，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的部署。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、一個(gè)路由網(wǎng)關(guān)和一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器；終端節(jié)點(diǎn)部署在需要監(jiān)測(cè)的島嶼區(qū)域，測(cè)量溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)向雨量、危險(xiǎn)氣體和PMlO等參數(shù)，并發(fā)送給負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和終端節(jié)點(diǎn)同樣的參數(shù)，同時(shí)接收其管理的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，把自身數(shù)據(jù)和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由網(wǎng)關(guān)；路由網(wǎng)關(guān)收集所有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)2G、3G蜂窩網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)或W1-Fi的方式把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；數(shù)據(jù)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)用戶的需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)和顯示，并提供網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)服務(wù)；終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)使用太陽(yáng)能充電。所述的終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)均由微控制器、太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、若干傳感器探頭、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、防水盒和天線構(gòu)成；其中穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、微控制器LED指示燈與微控制器相連；天線、射頻模塊LED指示燈與射頻模塊相連；穩(wěn)壓模塊、太陽(yáng)能板、可充電鋰電池與太陽(yáng)能充電模塊相連；每個(gè)傳感器探頭連接一種傳感器，所述傳感器選自溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器、危險(xiǎn)氣體傳感器或PMlO傳感器；微控制器、太陽(yáng)能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈和微控制器LED指示燈置于防水盒內(nèi)，天線、太陽(yáng)能板和傳感器探頭置于防水盒外。
[0006]進(jìn)一步地，所述微控制器基于Arduino Uno,芯片型號(hào)為Atmega328p,使用14.7456MHz晶振，工作電壓3.3V ;微控制器上電后，先完成初始化工作，然后進(jìn)入休眠操作，微控制器進(jìn)入低功耗模式，直到實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊發(fā)送中斷信號(hào)，進(jìn)入喚醒操作，微控制器進(jìn)入正常模式，控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入傳感器數(shù)據(jù)采樣操作，微控制器讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)后，生成數(shù)據(jù)包，再控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)操作，射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后微控制器進(jìn)入休眠操作，完成微控制器一次數(shù)據(jù)發(fā)送流程；射頻模塊選自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率為115200波特率；太陽(yáng)能充電模塊給可充電鋰電池充電的同時(shí)給穩(wěn)壓模塊供電，穩(wěn)壓模塊給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、微控制器和傳感器供電；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊內(nèi)含有紐扣電池，用來(lái)記錄傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)刻和發(fā)送中斷信號(hào)喚醒微控制器；射頻模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收；GPS定位模塊給出節(jié)點(diǎn)的工作位置；能量管理模塊控制射頻模塊、GPS定位模塊、傳感器電源的開斷，同時(shí)配有升壓電路給工作在5V的傳感器供電，能量管理模塊控制升壓電路的開斷；射頻模塊LED指示燈顯示射頻模塊的工作狀態(tài)；微控制器LED指示燈顯示微控制器的工作狀態(tài)；所述防水盒的面板上配有7個(gè)接口，分別是天線接口，電池開關(guān)，程序下載接口，兩個(gè)傳感器接口，太陽(yáng)能板和USB復(fù)用充電口，通氣閥；天線接口用于將天線與射頻模塊相連；程序下載接口與微控制器的串口相連；電池開關(guān)控制太陽(yáng)能充電模塊和穩(wěn)壓模塊的開斷；程序下載接口僅在電池開關(guān)斷開的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)程序下載功能；傳感器接口用于將傳感器探頭與微控制器相連，傳感器探頭插到傳感器接口上；太陽(yáng)能板和USB復(fù)用充電口將太陽(yáng)能板或USB充電器和太陽(yáng)能充電模塊相連，支持輸出5.5V飛V電壓的太陽(yáng)能板和USB充電器充電；通氣閥保證防水盒內(nèi)外氣壓平衡，同時(shí)水汽不會(huì)進(jìn)入盒內(nèi)。
[0007]進(jìn)一步地,所述路由網(wǎng)關(guān)由射頻模塊、天線和Linux主機(jī)構(gòu)成；天線和Linux主機(jī)和射頻模塊相連；路由網(wǎng)關(guān)為有線供電，部署在室內(nèi)；所述射頻模塊接收所有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，發(fā)送給Linux主機(jī)內(nèi)的串口模塊；Linux主機(jī)的串口模塊接收到數(shù)據(jù)后，Linux主機(jī)內(nèi)的Python程序完成數(shù)據(jù)解析并生成Http數(shù)據(jù)包，通過(guò)2G、3G蜂窩網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)或W1-Fi的方式上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明系統(tǒng)可大規(guī)模地部署在環(huán)境惡劣的島嶼戶外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用可充電鋰電池供電，充分利用太陽(yáng)能能量，無(wú)需更換電池。系統(tǒng)使用成熟可靠的無(wú)線組網(wǎng)協(xié)議，節(jié)點(diǎn)出故障后網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)恢復(fù)，支持限時(shí)入網(wǎng)、入網(wǎng)加密、數(shù)據(jù)加密等高級(jí)安全策略。系統(tǒng)的成本低，硬件的裁剪性好，根據(jù)測(cè)量參數(shù)需要靈活地修改硬件支持不同的傳感器，基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供多種傳感器和射頻模塊的第三方庫(kù)文件，修改庫(kù)文件即可快速完成二次開發(fā)，大大降低了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā)、設(shè)計(jì)的周期。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可用于災(zāi)害的提前預(yù)警，降低經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖；
圖2是終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)硬件框圖；
圖3是路由網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖；
圖4是服務(wù)器的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0011]如圖1所示，本發(fā)明一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、一個(gè)路由網(wǎng)關(guān)和一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器。終端節(jié)點(diǎn)部署在需要監(jiān)測(cè)的島嶼區(qū)域，測(cè)量溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)向雨量、危險(xiǎn)氣體、PM1等參數(shù)，并發(fā)送給負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和終端節(jié)點(diǎn)同樣的參數(shù)，同時(shí)接收其管理的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，把自身數(shù)據(jù)和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由網(wǎng)關(guān)；路由網(wǎng)關(guān)收集所有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)2G、3G蜂窩網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)或W1-Fi的方式把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和路由網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)線通訊使用ZigBee協(xié)議，當(dāng)終端接點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)做動(dòng)態(tài)調(diào)整，以使得網(wǎng)絡(luò)快速地從故障中恢復(fù)。數(shù)據(jù)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)用戶的需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)和顯示，并提供網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)服務(wù)；用戶可通過(guò)Internet訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)，獲得島嶼實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)，分析島嶼的氣象狀況，并預(yù)警可能存在的火災(zāi)、氣象災(zāi)害；終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)使用太陽(yáng)能充電，無(wú)需更換電池，在島嶼戶外環(huán)境中無(wú)人值守長(zhǎng)期運(yùn)行。
[0012]如圖2所示，所述的終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)均由微控制器、太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、若干傳感器探頭、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、防水盒和天線構(gòu)成。其中穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、微控制器LED指示燈與微控制器相連；天線、射頻模塊LED指示燈與射頻模塊相連；穩(wěn)壓模塊、太陽(yáng)能板、可充電鋰電池與太陽(yáng)能充電模塊相連；每個(gè)傳感器探頭連接一種傳感器，所述傳感器選自溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器、危險(xiǎn)氣體傳感器或PMlO傳感器；微控制器、太陽(yáng)能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈和微控制器LED指示燈置于防水盒內(nèi)，天線、太陽(yáng)能板和傳感器探頭置于防水盒外。傳感器探頭安裝在防水盒面板上的傳感器接口上，充分和大氣接觸，以準(zhǔn)確地測(cè)量外界參數(shù)，每種傳感器對(duì)應(yīng)一種傳感器擴(kuò)展板和傳感器探頭。
[0013]溫濕度傳感器測(cè)量傳感器所在位置的溫濕度；大氣壓力傳感器測(cè)量傳感器所在位置的絕對(duì)大氣壓力；風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器測(cè)量所在位置的風(fēng)速、風(fēng)向和雨量大??；危險(xiǎn)氣體傳感器測(cè)量空氣中對(duì)人體有害氣體的濃度，如臭氧、一氧化碳、氨氣、空氣污染物等；PM10傳感器測(cè)量空氣中可吸入顆粒物PMlO的濃度。
[0014]微控制器基于Arduino Uno,芯片型號(hào)為Atmega328p,使用14.7456MHz晶振,工作電壓3.3V。所述的溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器、射頻模塊工作在
3.3V,Arduino Uno工作在5V,Arduino Uno使用所述傳感器和射頻模塊要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,會(huì)增加系統(tǒng)能耗和成本，而本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，穩(wěn)壓模塊輸出3.3V直接給微控制器、所述傳感器和射頻模塊供電。如果把Arduino Uno的工作電壓從5V降低到3.3V, ArduinoUno的16MHz晶振超出了 3.3V工作電壓支持的范圍，必須要降低晶振的頻率。本發(fā)明選用了 14.7456MHz晶振，這樣微控制器在3.3V工作電壓下串口通信速率能達(dá)到115200波特率?；贏rduino的微控制器提供多種傳感器和射頻模塊的第三方庫(kù)文件，修改庫(kù)文件即可快速完成二次開發(fā)。同時(shí)，基于Arduino的微控制器下載固件無(wú)需使用專用燒寫器，把新的固件發(fā)送給微控制器的串口即可更新固件。
[0015]射頻模塊選自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率為115200波特率，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收；太陽(yáng)能充電模塊給可充電鋰電池充電的同時(shí)給穩(wěn)壓模塊供電，太陽(yáng)能充電模塊支持的太陽(yáng)能輸入電壓范圍為5.5V飛V，同時(shí)支持USB 口充電，支持的芯片的型號(hào)包括但不限于MCP73871或CN3065，可充電鋰電池電壓為4.2V，容量為6000mAh ；穩(wěn)壓模塊輸出3.3V直流電壓給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、微控制器和傳感器供電，支持的芯片的型號(hào)包括但不限于MCP1703CB ;實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊內(nèi)含有紐扣電池，用來(lái)記錄傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)刻和發(fā)送中斷信號(hào)喚醒微控制器，支持的芯片的型號(hào)包括但不限于DS3231 ；GPS定位模塊給出節(jié)點(diǎn)的工作位置；能量管理模塊包括N溝道和P溝道MOS管，控制射頻模塊、GPS定位模塊和傳感器電源的開斷，支持的芯片型號(hào)包括但不限于SI2302、SI2303和SI2305，同時(shí)配有升壓電路給工作在5V的傳感器供電，能量管理模塊控制升壓電路的開斷，升壓電路支持的芯片型號(hào)包括但不限于ISL97516 ;射頻模塊LED指示燈顯示射頻模塊的工作狀態(tài)；微控制器LED指示燈顯示微控制器的工作狀態(tài)。
[0016]防水盒的面板上配有7個(gè)接口，分別是天線接口，電池開關(guān)，程序下載接口，兩個(gè)傳感器接口，太陽(yáng)能板和USB復(fù)用充電口，通氣閥；天線接口用于將天線與射頻模塊相連；程序下載接口與微控制器的串口相連；電池開關(guān)控制太陽(yáng)能充電模塊和穩(wěn)壓模塊的開斷；程序下載接口僅在電池開關(guān)斷開的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)程序下載功能；傳感器接口用于將傳感器探頭與微控制器相連，傳感器探頭插到傳感器接口上；太陽(yáng)能板和USB復(fù)用充電口將太陽(yáng)能板或USB充電器和太陽(yáng)能充電模塊相連，支持輸出5.5V飛V電壓的太陽(yáng)能板和USB充電器充電；通氣閥保證防水盒內(nèi)外氣壓平衡，同時(shí)水汽不會(huì)進(jìn)入盒內(nèi)。
[0017]終端節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程如下:
(I)節(jié)點(diǎn)初始化操作:設(shè)置數(shù)據(jù)包的格式和報(bào)頭信息，初始化傳感器接口和射頻模塊，設(shè)定實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的中斷間隔，也就是休眠時(shí)間。
[0018](2)休眠操作:射頻模塊進(jìn)入休眠模式，微控制器進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)射頻模塊不會(huì)發(fā)送任何數(shù)據(jù)，微控制器不會(huì)讀取傳感器數(shù)據(jù)。
[0019](3)喚醒操作:實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊發(fā)出信號(hào)觸發(fā)微控制器的中斷響應(yīng)程序，微控制器從低功耗模式切換到普通模式。
[0020](4)傳感器數(shù)據(jù)采樣操作:微控制器控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器電源開關(guān)，讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)。讀完數(shù)據(jù)后，微控制器控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源。
[0021](5)發(fā)送數(shù)據(jù)操作:微控制器喚醒射頻通信模塊，射頻模塊把數(shù)據(jù)包發(fā)送給負(fù)責(zé)該節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)。完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠操作。
[0022]路由節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程如下:
(I)節(jié)點(diǎn)初始化操作:設(shè)置數(shù)據(jù)包的格式和報(bào)頭信息，初始化傳感器接口和射頻模塊，設(shè)定實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的中斷間隔，也就是休眠時(shí)間。
[0023](2)休眠操作:微控制器進(jìn)入低功耗模式，微控制器不會(huì)讀取傳感器數(shù)據(jù)。射頻模塊繼續(xù)工作。
[0024](3)喚醒操作:實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊發(fā)出信號(hào)觸發(fā)微控制器的中斷響應(yīng)程序，微控制器從低功耗模式切換到普通模式。
[0025](4)傳感器數(shù)據(jù)采樣操作:微控制器控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器電源開關(guān)，讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)。讀完數(shù)據(jù)后，微控制器控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源。
[0026](5)發(fā)送數(shù)據(jù)操作:射頻模塊找到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。微控制器把自身傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)送給射頻模塊，射頻模塊按照最佳路徑把數(shù)據(jù)通過(guò)其他路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，微控制器進(jìn)入休眠操作。對(duì)于路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)的射頻模塊同樣按照最佳路徑把接收到的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他路由節(jié)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
[0027]為了能讓終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行在戶外并不需要更換電池，設(shè)計(jì)了多種能量管理策略。在發(fā)送數(shù)據(jù)包的間隙，終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的微控制器進(jìn)入低功耗模式，終端節(jié)點(diǎn)的射頻模塊進(jìn)入休眠模式，傳感器和GPS模塊電源被切斷。太陽(yáng)能充電模塊不停地利用太陽(yáng)能的能量給可充電鋰電池充電，以保證節(jié)點(diǎn)在夜晚也有能量繼續(xù)工作。
[0028]另一方面，射頻模塊選用了 ZigBee的通訊協(xié)議以降低能耗。ZigBee的通訊協(xié)議的特點(diǎn)是低功耗、短距離、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、低速率，適合對(duì)能耗要求高、數(shù)據(jù)量不大的島嶼監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。選用的ZigBee的通訊協(xié)議另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是支持最多65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的冗余度高，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可自行恢復(fù)。
[0029]如圖3所示,所述路由網(wǎng)關(guān)由射頻模塊、天線和Linux主機(jī)構(gòu)成；天線和Linux主機(jī)和射頻模塊相連；路由網(wǎng)關(guān)為有線供電，部署在室內(nèi)；所述路由網(wǎng)關(guān)的具體工作過(guò)程如下:
(I)接收數(shù)據(jù):射頻模塊接收所有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),發(fā)送給Linux主機(jī)內(nèi)的串口模塊。
[0030](2)解析并發(fā)送數(shù)據(jù):Linux主機(jī)的串口模塊接收到數(shù)據(jù)后，Linux主機(jī)內(nèi)的Python程序完成數(shù)據(jù)解析并生成Http數(shù)據(jù)包，通過(guò)2G、3G蜂窩網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)或W1-Fi的方式上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。
[0031]如圖4所示，所述數(shù)據(jù)服務(wù)器工作過(guò)程如下:
(I)服務(wù)器端口監(jiān)聽:服務(wù)器上的Apache Server監(jiān)聽服務(wù)器的80端口，當(dāng)端口收到Http數(shù)據(jù)包后，交給數(shù)據(jù)解析PHP程序。
[0032](2)數(shù)據(jù)包解析:數(shù)據(jù)解析PHP程序按照數(shù)據(jù)包的格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并剔除異常數(shù)據(jù)。
[0033](3)數(shù)據(jù)寫入:解析后的數(shù)據(jù)被寫入到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0034](4)數(shù)據(jù)查詢:當(dāng)用戶訪問(wèn)由Html和JavaScript編寫網(wǎng)頁(yè)時(shí),JavaScript調(diào)用數(shù)據(jù)查詢PHP程序，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取最新傳感器數(shù)據(jù)并以圖表的方式顯示出來(lái)。
[0035](5)災(zāi)害預(yù)警:當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值，網(wǎng)頁(yè)上會(huì)給出相應(yīng)報(bào)警信息，數(shù)據(jù)包中的GPS信息可定位節(jié)點(diǎn)的具體位置；網(wǎng)頁(yè)根據(jù)傳感器的類型判斷是哪種災(zāi)害，如過(guò)高的PMlO數(shù)據(jù)可能因?yàn)榛馂?zāi)，某種危險(xiǎn)氣體傳感器測(cè)量值偏高可能因?yàn)槲ｋU(xiǎn)氣體泄漏，風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器過(guò)高的數(shù)值可能因?yàn)榕_(tái)風(fēng)或暴雨等。
[0036](6)數(shù)據(jù)分析:數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)后，用戶可使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，指定時(shí)間段和間隔，JavaScript調(diào)用數(shù)據(jù)查詢PHP程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢傳感器歷史數(shù)據(jù)，并把該時(shí)間段內(nèi)島嶼參數(shù)的變化趨勢(shì)以統(tǒng)計(jì)圖表的方式顯示出來(lái)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、一個(gè)路由網(wǎng)關(guān)和一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器；終端節(jié)點(diǎn)部署在需要監(jiān)測(cè)的島嶼區(qū)域，測(cè)量溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)向雨量、危險(xiǎn)氣體和PMlO等參數(shù)，并發(fā)送給負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和終端節(jié)點(diǎn)同樣的參數(shù)，同時(shí)接收其管理的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，把自身數(shù)據(jù)和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由網(wǎng)關(guān)；路由網(wǎng)關(guān)收集所有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)2G、3G蜂窩網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)或W1-Fi的方式把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；數(shù)據(jù)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)用戶的需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)和顯示，并提供網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)服務(wù)；終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)使用太陽(yáng)能充電；所述的終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)均由微控制器、太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、若干傳感器探頭、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、防水盒和天線構(gòu)成；其中穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、微控制器LED指示燈與微控制器相連；天線、射頻模塊LED指示燈與射頻模塊相連；穩(wěn)壓模塊、太陽(yáng)能板、可充電鋰電池與太陽(yáng)能充電模塊相連；每個(gè)傳感器探頭連接一種傳感器，所述傳感器選自溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器、危險(xiǎn)氣體傳感器或PMlO傳感器；微控制器、太陽(yáng)能充電模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈和微控制器LED指示燈置于防水盒內(nèi)，天線、太陽(yáng)能板和傳感器探頭置于防水盒外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述微控制器基于Arduino Uno,芯片型號(hào)為Atmega328p,使用14.7456MHz晶振，工作電壓3.3V ;微控制器上電后，先完成初始化工作，然后進(jìn)入休眠操作，微控制器進(jìn)入低功耗模式，直到實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊發(fā)送中斷信號(hào)，進(jìn)入喚醒操作，微控制器進(jìn)入正常模式，控制能量管理模塊打開GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入傳感器數(shù)據(jù)采樣操作，微控制器讀取GPS和傳感器的數(shù)據(jù)后，生成數(shù)據(jù)包，再控制能量管理模塊切斷GPS定位模塊和傳感器的電源，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)操作，射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后微控制器進(jìn)入休眠操作，完成微控制器一次數(shù)據(jù)發(fā)送流程；射頻模塊選自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率為115200波特率；太陽(yáng)能充電模塊給可充電鋰電池充電的同時(shí)給穩(wěn)壓模塊供電，穩(wěn)壓模塊給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、射頻模塊、GPS定位模塊、能量管理模塊、射頻模塊LED指示燈、微控制器LED指示燈、微控制器和傳感器供電；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊內(nèi)含有紐扣電池，用來(lái)記錄傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)刻和發(fā)送中斷信號(hào)喚醒微控制器；射頻模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收；GPS定位模塊給出節(jié)點(diǎn)的工作位置；能量管理模塊控制射頻模塊、GPS定位模塊、傳感器電源的開斷，同時(shí)配有升壓電路給工作在5V的傳感器供電，能量管理模塊控制升壓電路的開斷；射頻模塊LED指示燈顯示射頻模塊的工作狀態(tài)；微控制器LED指示燈顯示微控制器的工作狀態(tài)；所述防水盒的面板上配有7個(gè)接口，分別是天線接口，電池開關(guān)，程序下載接口，兩個(gè)傳感器接口，太陽(yáng)能板和USB復(fù)用充電口，通氣閥；天線接口用于將天線與射頻模塊相連；程序下載接口與微控制器的串口相連；電池開關(guān)控制太陽(yáng)能充電模塊和穩(wěn)壓模塊的開斷；程序下載接口僅在電池開關(guān)斷開的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)程序下載功能；傳感器接口用于將傳感器探頭與微控制器相連，傳感器探頭插到傳感器接口上；太陽(yáng)能板和USB復(fù)用充電口將太陽(yáng)能板或USB充電器和太陽(yáng)能充電模塊相連，支持輸出5.5V飛V電壓的太陽(yáng)能板和USB充電器充電；通氣閥保證防水盒內(nèi)外氣壓平衡，同時(shí)水汽不會(huì)進(jìn)入盒內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)島嶼參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述路由網(wǎng)關(guān)由射頻模塊、天線和Linux主機(jī)構(gòu)成；天線和Linux主機(jī)和射頻模塊相連；路由網(wǎng)關(guān)為有線供電，部署在室內(nèi)；所述射頻模塊接收所有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),發(fā)送給Linux主機(jī)內(nèi)的串口模塊；Linux主機(jī)的串口模塊接收到數(shù)據(jù)后,Linux主機(jī)內(nèi)的Python程序完成數(shù)據(jù)解析并生成Http數(shù)據(jù)包，通過(guò)2G、3G蜂窩網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)或W1-Fi的方式上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK104332042SQ201410599278
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】陳積明, 張茜, 程鵬, 楊梓東, 鄭東旭 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)