一種zigbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種zigbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)方法和裝置；一個網(wǎng)絡系統(tǒng)由一個終點，若干個站點和若干個采樣點組成；終點和站點組成網(wǎng)絡拓撲圖的主鏈路；終點必須有433M射頻模塊和GPRS模塊，是數(shù)據(jù)的匯集點，并將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳送到遠程的服務器；站點必須裝有433M射頻模塊和Zigbee模塊(如果設計此站點有自己的Zigbee網(wǎng)絡時)，它通過Zigbee模塊負責收集周圍的節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，通過433M射頻模塊將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一站點去；采樣點必須裝有zigbee模塊和傳感器模塊，它是數(shù)據(jù)的直接來源，通過Zigbee模塊發(fā)送到自己所屬的站點。本發(fā)明的方法可以有效增大環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡的范圍，適用于海洋、湖泊等。
【專利說明】一種Z igbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種利用單片機自動控制Zigbee模塊、433M射頻模塊和GPRS模塊組網(wǎng)，將各個傳感器的采樣數(shù)據(jù)傳送到指定服務器上的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境在線監(jiān)控是最早開展物聯(lián)網(wǎng)探索和實踐并大力推進的領(lǐng)域之一。在點線面源的合適點位上安裝各種自動監(jiān)測儀器儀表和數(shù)據(jù)采集傳輸儀，通過各種通訊信道與環(huán)境監(jiān)控中心的通信服務器相連，實現(xiàn)在線實時通訊，這樣傳感器感知的點位環(huán)境狀態(tài)就被源源不斷地送到環(huán)保部門，并存儲在海量數(shù)據(jù)庫服務器上，以供環(huán)保信息化各種應用系統(tǒng)使用。
[0003]環(huán)境在線監(jiān)控因?qū)崟r性強，數(shù)據(jù)安全可靠，系統(tǒng)自動化程度高等優(yōu)點，可以及時和方便地發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的異常，而常規(guī)環(huán)境管理因技術(shù)手段受限和成本高昂無法做到。而通信網(wǎng)絡對整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能與成本影響很大。目前應用在物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的常用模塊有Zigbee，它的技術(shù)已比較成熟，具有低功耗、自組網(wǎng)的優(yōu)點。然而它的信號覆蓋距離近，不適用在大范圍距離通信上，盡管可以通過增加路由來增大通信距離，但路由節(jié)點多也迅速抬高了組網(wǎng)成本。433M射頻通信模塊通信距離一般在1.2Km以上，甚至可達10Km，適用于遠距離通信，但它一般用于點對點傳輸，如果要多機通信，需要用戶自行設計和編寫復雜的傳輸協(xié)議。如果能將兩者的優(yōu)點互補，那么物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式將更靈活，更加適用于大范圍的環(huán)境監(jiān)測。目前，國內(nèi)還沒有出現(xiàn)將433M射頻模塊和Zigbee模塊聯(lián)合組網(wǎng)的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:開發(fā)一種可以把Zigbee模塊和433M射頻模塊組合在一起的靈活的通信網(wǎng)絡，彌補現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)需要大量模塊才能大范圍組網(wǎng)的缺點，降低海洋環(huán)境監(jiān)測的成本和組網(wǎng)復雜度。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種zigbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，要求如下:
[0007]( I) —個網(wǎng)絡系統(tǒng)由一個終點,若干個站點和若干個米樣點組成；終點和站點組成網(wǎng)絡拓撲圖的主鏈路；
[0008](2)終點必須有433M射頻模塊和GPRS模塊，是數(shù)據(jù)的匯集點，并將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳送到遠程的服務器；
[0009](3)站點必須裝有433M射頻模塊和Zigbee模塊，它通過Zigbee模塊負責收集周圍的節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，通過433M射頻模塊將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一站點去；
[0010](4)采樣點必須裝有zigbee模塊和傳感器模塊，它是數(shù)據(jù)的直接來源，通過Zigbee模塊發(fā)送到自己所屬的站點。
[0011]本發(fā)明的一個系統(tǒng)中只有一條折線形的主鏈路，由433M射頻模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；鏈路上的站點是雙向通信，根據(jù)站點之間的通信距離，射頻模塊選擇IOOmW到3000mW之間的功率,距離從1.2Km至Ij IOKm0
[0012]站點的Zigbee模塊設置成Coordinator類型,而屬于這個站點的采樣點的Zigbee模塊必須是設置成與此站點同一個網(wǎng)絡ID的Router類型。
[0013]對于整個系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)傳送這兩塊任務是分開工作的，以時間為聯(lián)系，如果到了采集數(shù)據(jù)的時間就開始采集數(shù)據(jù)，到了數(shù)據(jù)傳送的時間就開始傳送數(shù)據(jù)。；采集和傳送數(shù)據(jù)的時間由程序設定。
[0014]本發(fā)明的一種zigbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)裝置:裝置包括單片機系統(tǒng)、zigbee模塊、433M射頻模塊、GPRS通信模塊、電源模塊、時鐘電路、SD卡存儲模塊、液晶顯示模塊、溫度傳感器和其他傳感器組成，其中所述單片機采用STC89C52RC系列，是控制整個系統(tǒng)的核心；其中所述zigbee模塊、433M射頻模塊完成組網(wǎng)，GPRS通信模塊負責把數(shù)據(jù)傳送到指定遠程服務器上；傳感器根據(jù)需要加裝在單片機的外圍電路上；時鐘電路負責給各個站點提供時間基準；SD卡完成對數(shù)據(jù)的存儲和備份。
[0015]本發(fā)明的終點它一般設置在陸地上，是數(shù)據(jù)的匯集點；站點也可根據(jù)需要在自身安裝傳感器模塊。采樣點受Zigbee模塊組網(wǎng)距離的限制，它應安裝在其所屬的站點附近(小功率的Zigbee模塊是160m以內(nèi))。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點:
[0017]本發(fā)明的方法可以有效增大環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡的范圍，適用于海洋、湖泊等；
[0018]本發(fā)明的方法相比只使用Zigbee組網(wǎng)的網(wǎng)絡，具有更靈活的組網(wǎng)方式，使用的通信模塊數(shù)目少，更低的成本；
[0019]相比大量使用GPRS模塊的組網(wǎng)方案，本發(fā)明只使用I個GPRS模塊，成本更低廉，也需要終點處有GPRS信號，不要求整個系統(tǒng)都有GPRS信號，適合更多應用場景；
[0020]本發(fā)明中設計了適用于433M射頻模塊的點對點通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；
[0021]本發(fā)明所需的器件技術(shù)都已成熟，容易買到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1zigbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合組網(wǎng)的原理圖；
[0023]圖2信號在各站點間的傳輸流程圖；
[0024]圖3站點的模塊組成；
[0025]圖4采樣點讀取傳感器數(shù)據(jù)流程圖；
[0026]圖5系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的工作流程圖；
[0027]圖6SD卡堆棧設計；
[0028]圖7在某海島和海灣實施組網(wǎng)構(gòu)成圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實施方案方式詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，并且通過以下實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。
[0030]圖2以A終點和B⑶3個站點組成的一個系統(tǒng)為例，說明A如何完成收集B⑶3點數(shù)據(jù)的過程(每次啟動系統(tǒng)時，各站點會先通過各自的zigbee模塊把自己周圍的采樣點的數(shù)據(jù)匯集起來)。
[0031 ] 首先，由A點發(fā)起對B點的數(shù)據(jù)請求，B點響應后將自己的數(shù)據(jù)傳輸給A點，然后B點向C點發(fā)起請求數(shù)據(jù)。C點響應后將自己的數(shù)據(jù)傳輸給B點,再向D點請求數(shù)據(jù)，D點響應后向C點傳輸自己的數(shù)據(jù)。這一個階段完成后，相當于B的數(shù)據(jù)給了 A，C的數(shù)據(jù)給了 B，D的數(shù)據(jù)給了 C。
[0032]同理，第二階段后，A點將從B點中獲得C的數(shù)據(jù)，B點將從C點中獲得D的數(shù)據(jù)。
[0033]第3階段后，A點將從B點獲得D的數(shù)據(jù)。
[0034]3個階段完成后，就實現(xiàn)了將整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到A點。
[0035]圖3是站點的模塊構(gòu)成。一個網(wǎng)絡系統(tǒng)是由終點，站點和采樣點這三種節(jié)點組成，他們的模塊組成很相似。一般來說，站點除了溫度等傳感器、AD采樣模塊外，圖3中的其他模塊都是必須的(因為溫度等傳感器、AD采樣模塊是用于對環(huán)境采樣的，而站點不一定要對環(huán)境數(shù)據(jù)采樣)。
[0036]終點、采樣點也具有與站點相似的模塊組成。例如，終點則是在站點(圖3)的基礎(chǔ)上增加了 GPRS模塊和除去了 Zigbee模塊、AD采樣模塊、溫度等傳感器；采樣點則在圖3的基礎(chǔ)上除去了 433M射頻通信模塊。
[0037]對于整個系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)傳送這兩塊任務是分開進行的，以時間為聯(lián)系，DS1302時鐘電路正是為每個節(jié)點提供了時間的功能，不管是終點，站點和采樣點，都必須有它。如果到了采集數(shù)據(jù)的時間節(jié)點就開始采集數(shù)據(jù)，到了數(shù)據(jù)傳送的時間節(jié)點就開始傳送數(shù)據(jù)。采集和傳送數(shù)據(jù)的時間可以由程序設定，例如指定每一小時采集數(shù)據(jù)，每天正午12點傳送數(shù)據(jù)。
[0038]另外要注意的是，站點的Zigbee模塊必須是設置成Coordinator類型,而屬于這個站點的采樣點的Zigbee模塊必須是設置成與此站點同一個網(wǎng)絡ID的Router類型。因為一個站點只能收集一個Zigbee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù),故只有一個Coordinator和多個Router。而一個Coordinator最多能支持9330個Router,足夠一般使用，無需擔心Zigbee組網(wǎng)受到限制。
[0039]圖4描述了采樣點讀取傳感器數(shù)據(jù)的工作流程圖。當采樣點到達指定的采樣時間后，單片機會按程序指定的順序讀取各個傳感器的數(shù)據(jù)數(shù)次(多次讀取數(shù)據(jù)有助于消除采樣時的偶然誤差)。然后時間、采樣點(或站點)編號、溫度、其他傳感器數(shù)據(jù)等都將被寫入SD卡中存儲起來。如果到了指定發(fā)送時間，則系統(tǒng)進入到數(shù)據(jù)發(fā)送階段。
[0040]如圖5所示，系統(tǒng)進入到數(shù)據(jù)發(fā)送階段后，首先啟動的將是Zigbee模塊。每個站點和屬于它的采樣點屬于同一個Zigbee網(wǎng)絡，不同的Zigbee網(wǎng)絡之間不會造成通信干擾。Zigbee模塊有自組網(wǎng)功能，上電一段時間后即可組網(wǎng)，開始傳送數(shù)據(jù)。站點B將向整個網(wǎng)絡發(fā)出信令，表示站點索要數(shù)據(jù)。采樣點在等待過程中如果不能收到這條信令，那么站點將重復發(fā)送信令，直接采樣點接收到此信令并返回確認幀。如果采樣點接收到這條信令，則會返回一條確認幀給站點，讓站點做好接收數(shù)據(jù)的準備，接著采樣點開始發(fā)送SD卡中的最新數(shù)據(jù)給站點。由于Zigbee網(wǎng)絡是多點通信，為了避免多個采樣點同時對站點發(fā)送數(shù)據(jù)，程序里設定了不同的采樣點有不同的延遲數(shù)據(jù)發(fā)送時間，這樣能夠避免數(shù)據(jù)沖撞。此階段結(jié)束了即表示Zigbee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送已經(jīng)結(jié)束，系統(tǒng)開始進入433M網(wǎng)絡通信階段。
[0041]433M通信網(wǎng)絡建立連接前，與Zigbee網(wǎng)絡的流程相似，也有設計重復發(fā)送信令和確認幀。而與Zigbee網(wǎng)絡不同的是，433M射頻模塊是點對點通信，不存在多個點同時發(fā)送數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)沖撞的情況，故不需要設計延遲發(fā)送。433M網(wǎng)絡建立連接后，下一級站點將從自己的SD卡中讀取數(shù)據(jù)發(fā)送到上一級站點或者終點中。
[0042]圖6是SD卡堆棧設計。SD卡存儲和讀取的最小單位是sector, lsector=512字節(jié)，而每一次采樣的數(shù)據(jù)占用一個sector。使用2G大小的SD卡，設計使用第512到4000000個sector。此堆棧為向下生長型，棧底是第66049個sector。中間的第513?66048sector是數(shù)據(jù)緩存區(qū)，用于暫存數(shù)據(jù)傳送階段中來自其他站點的數(shù)據(jù)。若每半小時采樣一次數(shù)據(jù)，每次傳感器重復采樣10次數(shù)，每半天發(fā)送一次數(shù)據(jù)，則每個站點的數(shù)據(jù)量是24hour*2*10times/hour=480times,緩存區(qū)的 66536 個 sectors 足夠使用。
[0043]利用本發(fā)明組網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)測某海島和海灣的水質(zhì)情況，檢測點選在B、D、E、F、G。如圖7在各點安置相應設備。
[0044]A點是終點，無需安裝傳感器模塊和Zigbee模塊，但必須有433M射頻模塊和GPRS模塊。A的選址必須有良好的GPRS信號覆蓋，這樣采集到的數(shù)據(jù)才能通過GPRS模塊傳到遠程服務器上。
[0045]B點安裝傳感器等模塊和433M射頻模塊，無需Zigbee模塊。B點采集的數(shù)據(jù)將存于B的SD卡中，等待上傳。
[0046]C點必須安裝433M射頻模塊和Zigbee模塊。由于不要求采集C點的環(huán)境數(shù)據(jù)，故無需安裝傳感器模塊。
[0047]D點必須安裝433M射頻模塊和Zigbee模塊。由于要求采集D點的環(huán)境數(shù)據(jù)，故需安裝傳感器模塊。
[0048]BC、CD之間的距離在4km — 5km之間，CE、DF、DG距離在Ikm之內(nèi)且環(huán)境開闊，故各
點裝置啟動后發(fā)送接收信號均良好，433M射頻模塊和Zigbee模塊都可以正常組網(wǎng)。位于海上的站點和采樣點可以裝在浮標里，浮標底部用繩索與海床固定，漂浮于海面上。
[0049]此實例中，由于離島沒有常住人口，沒有GPRS信號覆蓋，不適合將海島的監(jiān)測數(shù)據(jù)直接通過GPRS傳送。且島與海岸相隔較遠，單靠Zigbee模塊無法實現(xiàn)將海島的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到海岸上。通過本發(fā)明中利用433M射頻模塊和Zigbee模塊優(yōu)勢互補的組網(wǎng)方案，實現(xiàn)低成本、低能耗、高可靠性的組網(wǎng)。
【權(quán)利要求】
1.一種zigbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)方法，其特征是: (1)一個網(wǎng)絡系統(tǒng)由一個終點，若干個站點和若干個采樣點組成；終點和站點組成網(wǎng)絡拓撲圖的主鏈路； (2)終點必須有433M射頻模塊和GPRS模塊，是數(shù)據(jù)的匯集點，并將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳送到遠程的服務器； (3)站點必須裝有433M射頻模塊，而如果設計此站點有自己的Zigbee網(wǎng)絡時就必須裝有Zigbee模塊，站點通過Zigbee模塊負責收集周圍的節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，通過433M射頻模塊將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一站點去； (4)采樣點必須裝有zigbee模塊和傳感器模塊，它是數(shù)據(jù)的直接來源，通過Zigbee模塊發(fā)送到自己所屬的站點。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是站點在自身安裝傳感器模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是一個系統(tǒng)中只有一條折線形的主鏈路，由433M射頻模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；鏈路上的站點是雙向通信，根據(jù)站點之間的通信距離，射頻模塊選擇IOOmff到3000mW之間的功率，距離從1.2Km到10Km。所有的433M射頻模塊都必須設置成同一個網(wǎng)絡ID，這樣才能相互通信。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是站點的Zigbee模塊設置成Coordinator類型，而屬于這個站點的采樣點的Zigbee模塊必須是設置成與此站點同一個網(wǎng)絡ID的Router類型。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是對于整個系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)傳送這兩塊任務是分開工作的，以時間為聯(lián)系，如果到了采集數(shù)據(jù)的時間就開始采集數(shù)據(jù)，到了數(shù)據(jù)傳送的時間就開始傳送數(shù)據(jù)。；采集和傳送數(shù)據(jù)的時間由程序設定。
6.一種zigbee模塊與433M射頻模塊結(jié)合的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)裝置，其特征在于:裝置包括單片機系統(tǒng)、zigbee模塊、433M射頻模塊、GPRS通信模塊、電源模塊、時鐘電路、SD卡存儲模塊、液晶顯示模塊、溫度傳感器和其他傳感器組成，其中所述單片機采用STC89C52RC系列，是控制整個系統(tǒng)的核心；其中所述zigbee模塊、433M射頻模塊完成組網(wǎng)，GPRS通信模塊負責把數(shù)據(jù)傳送到指定遠程服務器上；傳感器根據(jù)需要加裝在單片機的外圍電路上；時鐘電路負責給各個站點提供時間基準；SD卡完成對數(shù)據(jù)的存儲和備份。
【文檔編號】G05B19/042GK103714684SQ201410009008
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月17日
【發(fā)明者】劉憲華, 陳浩揚, 李家琪, 曾中梁 申請人:天津大學