專利名稱：大面積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型應用于江河、湖泊與水庫等特大面積水產養殖水質監測，為一種大面 積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置。
背景技術：
在特大面積水產養殖的水質監測中，由于要同時且實時監測水產養殖中水質的溫 度、PH值、電導率(鹽分)，硝酸根離子濃度，氨根離子濃度，化學需氧量(BOD)與生物化學需 氧量七種參數，當監測點布置的無線傳感器節點數目達到一定數量時，必須提高網關節點 的傳輸速度，增強網關節點的可靠性與抗干擾能力。
發明內容本實用新型要解決的問題是大面積水質監測無線傳感器網絡需要具有高傳 輸速度、高可靠性以及抗干擾能力的網關節點。本實用新型的技術方案為大面積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置，包括 Zigbee通信模塊、微處理器模塊、遠程數據獲取模塊和電源模塊，Zigbee通信模塊、遠程數 據獲取模塊分別與微處理器模塊雙向連接，電源模塊向其余三個模塊提供電源。電源模塊包括太陽能光電池、風能發電機、鋰電池、超級電容器和超級電容器開關 電路，太陽能光電池連接鋰電池、Zigbee通信模塊、微處理器模塊和遠程數據獲取模塊，鋰 電池連接Zigbee通信模塊、微處理器模塊和遠程數據獲取模塊；風力發電機連接超級電容 器，超級電容器通過超級電容器開關電路連接鋰電池、Zigbee通信模塊、微處理器模塊和遠 程數據獲取模塊。超級電容器開關電路由開關切換電路、超級電容器放電升壓電路、超級電容器電 壓比較電路和單片機電路，超級電容器的輸出端通過超級電容器電壓比較電路連接單片機 電路，單片機電路的輸出連接開關切換電路的輸入，超級電容器通過開關切換電路、超級電 容器放電升壓電路連接鋰電池和Zigbee通信模塊、微處理器模塊和遠程數據獲取模塊。微處理器模塊采用ARM9處理器為微處理器，遠程數據獲取模塊由GPRS芯片構成。本實用新型可廣泛應用于大面積水產養殖水質監測無線傳感器網絡網關節點，它 有如下的積極效果。1)采用ARM9為微處理器設計的無線傳感器網絡的網關節點，可以大大地提高特 大面積水質監測無線傳感器網絡傳輸速率；2)本實用新型可以實現自供電，以太陽能光電池為主能源進行供電，同時向鋰電 池充電，以微型風力發電機作為輔助能源，向超級電容器充電，當超級電容器兩端電壓達到 高閾值電壓時開始作為主能源向網關節點供電，并快速地向鋰電池充電。3)提出基于GPRS的無線傳感器網關節點的設計方案，能夠使獲得監測數據的成 本低，可靠性高，實時傳輸，同時滿足低功耗的要求。
圖1為本實用新型結構框圖。圖2為本實用新型電源模塊的示意圖。
具體實施方式
如圖1，本實用新型包括Zigbee通信模塊1、微處理器模塊2、遠程數據獲取模塊3 和電源模塊4，Zigbee通信模塊1、遠程數據獲取模塊3分別與微處理器模塊2雙向連接， 電源模塊4向其余三個模塊提供電源。本實用新型由Zigbee通信模塊1接收水質監測無線傳感器傳輸來的水質參數數 據，該模塊主要由CC M30射頻收發模塊為主組成，CC2430內嵌入固化的Zigbee協議，將接 收到的數據送入微處理器模塊2，處理器選用ARM9處理器，處理器應用Linux操作系統，處 理器驅動遠程數據獲取模塊3，遠程數據獲取模塊3由GPRS芯片構成，實現與hternet網 聯接。電源模塊4負責供給各組成模塊的電源，保證其正常工作，該模塊由太陽能光伏電池 和風能發電機組成的雙生能器件以及由鋰電池和超級電容器組成的雙儲能器件，電源模塊 除保證網關節點正常工作外，還高效、合理將能量進行存儲，實現網關節點的長壽命工作。
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步的描述。Zigbee通信模塊1選用CC 2430射頻收發器，CC2430芯片采用了 CC 2420收發 模塊的架構，在單個芯片上整合了 ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8 位MCU (8051)，具有32KB/64KB/U8KB可編程內存和8KB的RAM，還包括模擬數字轉換器 (8個ADC)，多個定時器(Timer )，AES-1沘協同處理器，看門狗定時器(watchdog-timer )， 32KHZ晶振的休眠模式定時器，上電復位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測電路 (Brow-out-Detection),以及21個可編程1/0引腳。CCM30芯片采用CMOS工藝生產，工作 時電流損耗為27mA或25mA。CCM30的休眠模式和轉到主動模式的超短時間特性，特別適 合那些要求電池壽命非常長的場合應用。外圍電路參考圖詳見該芯片的數據手冊。微處理器模塊2選用Atmel公司的一款內嵌32位ARM920T核的高速ARM處理器 AT91RM9200作為中心處理器，具有高性能、低功耗、低成本特點，其指令處理速度可以高達 200MI/s (兆指令/秒)，能滿足無線傳感器網關節點的高速傳輸要求，它又是一款工業級 微控制器，能夠適應網關節點在工作環境惡劣的要求，保證網關節點工作的穩定性。同時 AT91RM9200上可以移植標準的Linux操作系統，減少了網關節點軟件的開發難度并增強了 它的可移植性，有利于軟件的二次開發。遠程數據獲取模塊3將網絡中的數據及時可靠地傳到監控中心，本實用新型采用 GPRS (通用分組無線業務)實現與hternet網絡聯接，該方式具有永遠在線、快速登陸、按 流量計費等優勢。實施例中采用Simoom公司生產的GPRS通信芯片SIM100E，該芯片具有 標準的AT命令接口，為GSM語言、短信息以及GPRS數據業務提供無線接口。其提供速率為 300-115200bit/s。通過標準RS-232串口，使用AT命令完成對模塊的操作，實現數據的無 線撥號GPRS連接。電源模塊4包括太陽能光電池5、風能發電機6、鋰電池7、超級電容器14和超級電 容器開關電路，超級電容器開關電路由開關切換電路13、超級電容器放電升壓電路10、超 級電容器電壓比較電路12和單片機電路11六部分組成，如圖2所示，太陽能光電池5連接鋰電池7，并通過穩壓電路9向本實用新型其它模塊供電，鋰電池7連接本實用新型其它 模塊；風力發電機6連接超級電容器14，超級電容器14通過超級電容器開關電路連接鋰電 池7和本實用新型其它模塊，超級電容器開關電路中，超級電容器14連接超級電容器電壓 比較電路12和開關切換電路13，超級電容器電壓比較電路12連接單片機電路11，單片機 電路11控制開關切換電路13的通斷，超級電容器14的電能通過開關切換電路13、超級電 容器放電升壓電路10提供給鋰電池7或本實用新型其它模塊。電源模塊4的工作原理為當有太陽光時，太陽能光電池5通過穩壓電路9為本實 用新型的其它模塊供電，同時將多余的能量存儲到鋰電池7中。風能發電機6輸出的能量 向超級電容器14充電。隨著超級電容器14中電量的增多，其兩端的電壓不斷升高，當電壓 達到超級電容器電壓比較電路12設置的高閾值電壓時，超級電容器電壓比較電路12接通， 單片機電路11開始工作，然后單片機電路11控制開關切換電路13接通，使超級電容器14 開始放電，即通過超級電容器放電升壓電路10為本實用新型供電，同時快速地向鋰電池7 充電。當超級電容器14兩端的電壓經過放電降低到超級電容器電壓比較電路12設置的低 閾值電壓時，超級電容器電壓比較電路12斷開，單片機電路11停止工作，進而使開關切換 電路13斷開，超級電容器14停止放電，超級電容器開關電路回到最初的工作狀態。當太 陽能光電池5輸出的電壓非常低時，且風能發電機6也因風力不足而不能繼續向超級電容 器14充電，此時由鋰電池7中存儲的能量為本實用新型各模塊供電。超級電容器開關電路的單片機采用了低功耗的能量策略只有在超級電容器放 電的這段時間里單片機才開始工作，這極大的降低了整個系統的能耗，從而增加了無線傳 感器網關節點的連續工作時間。
權利要求1.大面積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置，其特征是包括Zigbee通信模塊 (1)、微處理器模塊(2 )、遠程數據獲取模塊(3 )和電源模塊(4 )，Zi gbee通信模塊(1)、遠程 數據獲取模塊(3 )分別與微處理器模塊(2 )雙向連接，電源模塊(4 )向其余三個模塊提供電 源。
2.根據權利要求1所述的大面積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置，其特征是電 源模塊(4)包括太陽能光電池(5)、風能發電機(6)、鋰電池(7)、超級電容器(14)和超級電 容器開關電路，太陽能光電池(5)連接鋰電池(7)、Zigbee通信模塊(1)、微處理器模塊(2) 和遠程數據獲取模塊(3)，鋰電池(7)連接Zigbee通信模塊(1)、微處理器模塊(2)和遠程 數據獲取模塊(3)；風力發電機(6)連接超級電容器(14)，超級電容器(14)通過超級電容 器開關電路連接鋰電池(7 )、Zigbee通信模塊(1)、微處理器模塊(2 )和遠程數據獲取模塊 (3)。
3.根據權利要求2所述的大面積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置，其特征是超 級電容器開關電路由開關切換電路(13)、超級電容器放電升壓電路(10)、超級電容器電壓 比較電路(12)和單片機電路(11)，超級電容器(14)的輸出端通過超級電容器電壓比較電 路(12)連接單片機電路(11)，單片機電路(11)的輸出連接開關切換電路(13)的輸入，超 級電容器(14)通過開關切換電路(13)、超級電容器放電升壓電路(10)連接鋰電池(7)和 Zigbee通信模塊(1)、微處理器模塊(2)和遠程數據獲取模塊(3)。
4.根據權利要求1或2或3所述的大面積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置，其 特征是微處理器模塊(2)的微處理器為ARM9處理器，遠程數據獲取模塊(3)由GPRS芯片構 成。
專利摘要大面積水質監測無線傳感器網絡網關節點裝置，包括Zigbee通信模塊、微處理器模塊、遠程數據獲取模塊和電源模塊，Zigbee通信模塊、遠程數據獲取模塊分別與微處理器模塊雙向連接，電源模塊向其余三個模塊提供電源。本實用新型可廣泛應用于大面積水產養殖水質監測無線傳感器網絡網關節點，自身提供不間斷電源，可以大大地提高特大面積水質監測無線傳感器網絡傳輸速率，可靠性高，實時傳輸，同時滿足低功耗的要求。
文檔編號H04W84/18GK201869373SQ20102058919
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者吳明贊, 徐隨山, 楊立新 申請人:南京華欣分析儀器制造有限公司, 南京理工大學