[发明专利]基于ZigBee无线技术的水环境监测节点

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于水环境监测的无线传感器网络节点设备，该设备采用低功耗处理器和高效的ZigBee无线传输技术，属于无线通信和嵌入式系统技术领域。

背景技术

水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，我国水资源紧缺、水污染严重，如何高效、实时、准确地获取水环境参数，研究开发网络化、智能化的水环境实时监测系统已成为迫切需要。

现有的水环境监测方法主要分为两种：1)采用便携式水质监测仪人工采样、实验室分析的方式；2)采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境自动监测系统。前者无法对水环境参数远程实时监测，存在监测周期长、劳动强度大、数据采集慢等问题，无法反映水环境动态变化，不易及早发现污染源并报警。后者虽能较好解决上述存在的问题，但由于有预先铺设电缆和建立多个监测子站的施工要求，故有系统成本高、监测水域范围有限、易对监测区域造成破环等缺点。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价微型节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，协作地采集和处理监测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理模式，结合不同类型的传感器，在环境监测、军事侦查、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域有着广阔的应用前景。基于无线传感器网络的水环境实时监测系统是无线传感器网络在环境监测方面的典型应用。与现有的水环境自动监测系统相比，基于无线传感器网络的水环境监测系统具有对生态环境影响小、监测密度高且范围广、系统成本低等优点。

目前，基于无线传感器网络的水环境实时监测系统，国外比较典型的代表有美国Heliosware公司的EMNET系统和澳大利亚CSIRO的Fleck系统。EMNET系统可测量水压、PH值、电导率、溶解氧等参数，无线通信频段为900MHz，速率为9.8kbps；Fleck系统主要测量的指标是：PH值、水温、电导率，无线通信频率为433MHz，速率72kbps。上述两种系统可采集参数种类较少、不提供对水环境的视频监测功能、通信速率低、产品体积较大、功耗较高，仅适合用作研究，目前尚不能作为实用系统在现场使用。

基于无线传感器网络的监测系统通常包括传感器节点、数据基站、监测中心。大量传感器节点部署在监测区域中，以自组方式构成网络，传感器节点采集感兴趣的环境信息并路由至数据基站，由数据基站通过有线或无线方式送至远程监测中心，用户通过监测中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测内容以及收集监测数据。通常情况下，监测区域类型多样、环境复杂，有线传输方式存在布线困难、成本高等缺点，很难满足数据传输的要求，而无线传输则具有组网简单方便、成本低、不受地理环境影响等优点，可很好地实现监测系统中数据传输的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于ZigBee无线技术的传感器网络监测节点。克服现有水环境监测装置监测周期长、实效性差、劳动强度大、监测水域范围有限、系统成本高以及对水体的生态环境造成破坏等问题。该节点成本低、功耗低，能够长期置于水环境中，对水体参数进行多参数实时监测。通过ZigBee无线技术进行数据传输，无需铺设电缆和建立多个监测子站。

本发明的水环境监测节点包括微处理器模块、ZigBee射频模块、电源管理模块和水质参数采集模块。微处理器模块分别与水质参数采集模块中的放大电路以及ZigBee射频模块连接；电源管理模块分别与其他模块连接，为其供电。

微处理器模块采用TI公司的MSP430F149低功耗处理器，用于控制ZigBee射频模块与传感器网络节点、以及网关基站间的通信，并对采集的水环境参数作简单的分析与处理。

ZigBee射频模块采用CC2420射频芯片，用于实现无线传感器网络的数据监测节点与基站设备间的通信。通过SPI接口与MSP430F149处理器互连。ZigBee射频模块支持2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，可与分布于监测水域内的数据监测节点以及基站通信。

电源管理模块使用两节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源，通过电压转换电路产生3.3V和5V电压，为节点上各个模块供电。