一种基于ZIGBEE无线通信技术的分层异构空气质量实时监测模型.pdf

本发明涉及一种基于无线传感器网络的空气质量监测系统。本发明包括空气质量监测终端模块，无线传感器传输模块，物数据处理与交易模块。监测终端通过自组方式构成网络。数据处理中心对终端模块采集的空气质量信息进行实时处理，保存并且实时显示。空气质量监测终端包括PM2.5和MQ135两种传感器。无线传感器传输模块包括汇聚节点和中继节点。数据处理模块包括物数据处理中心，物数据定价模块和物数据显示与交易模块。本发明不受地理环境的约束，可以同时实时监测一定范围内室内和室外的空气质量变化情况。本发明实时性强，覆盖范围广，通信能力强，同时实现了节能环保理念。

权利要求书
1.  一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质量实时监测模型，其特 征在于：该模型包括空气质量监测模块、路由节点、汇聚节点、物数据处理中心、 物数据定价模型、物数据显示与交易平台；多个空气质量监测节点自组网通过路 由节点与汇聚节点无线连接，通过串口将空气污染参数上传到物数据处理中心， 根据物数据定价模型对空气污染参数定价，并将空气污染参数推送至物数据显示 与交易平台定价交易；
所述空气质量监测模块，用于空气污染参数信息的监测，获得不同区域内的 污染物的含量；
所述路由节点，完成通信模块之间的组网，增大Zigbee模块的覆盖范围；
所述汇聚节点，接收无线传感网络中的空气污染参数，并负责与物数据处理 中心模块通信；
所述物数据处理中心，用于实时处理传感器模块收集到的空气污染参数；
所述物数据定价模型，根据不同影响因素的作用，确定定价模型并以此为物 数据给出具体定价；
所述物数据显示与交易平台，对部分已定价的物数据进行交易。

2.  根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质 量实时监测模型，其特征在于：空气质量监测模块包含MQ135传感器、PM2.5 传感器和CC2530；MQ135传感器、PM2.5传感器与CC2530通过普通I/O口连 接。

3.  根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质 量实时监测模型，其特征在于：路由节点由CC2530和、PA功放模块RFX2401C 和太阳能电池板组成。

4.  根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质 量实时监测模型，其特征在于：汇聚节点由CC2530和USB转串口模块CH341 组成。

5.  根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质 量实时监测模型，其特征在于：物数据处理中心模块包括空气质量数据的处理和 储存，空气质量数据的处理和储存采用jsp+mysql技术。

6.  根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质 量实时监测模型，其特征在于：物数据定价模型由物数据获取的时间性，物数据 获取的空间性，物数据获取的密集度，物数据的内在成本，物数据的私密性，物 数据的传播速度因素确定。

7.  根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质 量实时监测模型，其特征在于：物数据显示与交易平台包括数据监测、数据采集、 数据分析、数据交易、优化模型各模块。

说明书一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质量实时监测模型
技术领域
本发明属于无线通信和嵌入式系统技术领域，具体涉及一种基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质量实时监测模型。
背景技术
Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离，低速率无线网络技术,是一种介于无线标记技术和BlutTooth(蓝牙)之间的技术提案。
大气是人类赖以生存的必要条件，洁净的大气有利于人类的健康和生物的进化，但是，近年来，随着工业的发展，大量有害物质被排放到空气中，改变了空气的正常组成，使空气质量变坏。因此，空气污染已经成为制约北京市乃至整个中国可持续发展的一个巨大阻碍，如何监测并控制空气污染已经成为国民经济发展迫切需要解决的重大课题。针对这一问题，结合当前先进的物联网技术，开展了基于物联网技术的空气质量监测网络的体系结构、算法以及系统设计研究。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用Zigbee无线网络技术，能够实现低成本，低功耗和远距离的无线通信。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质量实时监测模型，该模型包括空气质量监测模块、路由节点、汇聚节点、物数据处理中心、物数据定价模型、物数据显示与交易平台；该类网络适用于采集点需多点密集部署的网络。
多个空气质量监测节点自组网通过路由节点与汇聚节点无线连接，通过串 口将空气污染参数上传到物数据处理中心，根据物数据定价模型对空气污染参数定价，并将空气污染参数推送至物数据显示与交易平台定价交易；
所述空气质量监测模块，用于空气污染参数信息的监测，获得不同区域内的污染物的含量；
所述路由节点，完成终端节点之间的组网，增大zigbee模块的覆盖范围；
所述汇聚节点，接收无线传感网络中的空气污染参数，并负责与物数据处理中心模块通信；
所述物数据处理中心，用于实时处理传感器模块收集到的空气污染参数；
所述物数据定价模型，根据不同影响因素的作用，确定定价模型并以此为物数据给出具体定价；
所述物数据显示与交易平台，对部分已定价的物数据进行交易。
所述的空气质量监测模块包含MQ135、PM2.5传感器和CC2530。MQ135传感器、PM2.5传感器与CC2530通过普通I/O口连接。MQ135传感器、PM2.5传感器根据空气质量输出pwm脉冲，并通过统计脉冲信号计算当前的空气污染参数。
所述的路由节点由CC2530和、PA功放模块RFX2401C和太阳能电池板；PA模块通过放大放射功率增大数据的传输距离，太阳能电池板提供续航。
所述的汇聚节点由CC2530和USB转串口模块CH341组成；汇聚节点通过串口将空气污染参数传至物数据处理中心。
所述的物数据处理中心模块包括空气质量数据的处理和储存，空气质量数据的处理和储存采用jsp+mysql技术。
定价模型由物数据获取的时间性，物数据获取的空间性，物数据获取的密 集度，物数据的内在成本，物数据的私密性，物数据的传播速度因素确定。
物数据显示与交易平台包括数据监测、数据采集、数据分析、数据交易、优化模型各模块。
该模型拥有采集环境参数，计算和处理数据，并具有低成本低功耗的特点。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明可同时实时采集多种空气质量参数(包括二氧化硫浓度，氮氧化物浓度，粉尘浓度等)，并且可以同时采集室内和室外空气质量参数，数据采集覆盖范围广，不受地理环境约束。
2.数据通信能力强，网络覆盖范围广。节点设备的Zigbee无线通信模块采用CC2430\CC2530射频芯片，并且在路由节点添加PA功放模块RFX2401C,有效的延长了信息传输距离，降低了信号衰减。
3.节点设备运行功耗低，节点设备的软硬件系统均采用了节能低功耗设计技术，并且在耗能量较高的路由节点和路由节点处添加太阳能板，有效延长了节点的工作时间和寿命。
4.实时处理并发布区域空气质量，并且将长期的环境参数存储至监测中心的数据库，方便用户监测与分析。
5.提出物数据定价模型，将数据价格量化，可将物数据的进行交易，因而产生巨大经济效益。
附图说明
图1本发明结构示意图。
图2本发明信息传输格式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质量实时监测模型包含基于物联网的监测终端模块、信息传输模块、物数据处理与交易模块。
基于物联网的空气质量监测模块主要包含MQ135传感器和PM2.5传感器。传感器的型号如下：MQ135气体传感器(工作电压为5.0V+-0.1V，回路电压小于24V，加热功耗小于900Mw,工作环境温度范围为-10摄氏度到50摄氏度，储存温度为-20摄氏度到70摄氏度，相对湿度为小于95％RH,适用范围为10-1000ppm)MQ135使用的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡(SnO2)。当空气中的污染物浓度逐渐增大，其导电率也增大，输出低电平，当空气洁净时，输出高电平。MQ135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。PM2.5传感器(工作电压5.0+-0.5V,输出方式PWM脉宽调制，输出电压有污染物时为低电平小于1.0V，空气洁净时为高电平高于4.0V，最小粒子检测能力为1um，检测范围为15000个/283ml，工作电流为90mA,储存温度范围-20摄氏度到80摄氏度，工作环境温度范围为-10摄氏度到60摄氏度，稳定时间为加热器电源接通后约1分钟)采用离子计数原理，可灵敏检测直径为1微米以上的离子，内置加热器可实现自动吸入空气，并且尺寸小，重量轻，容易安装使用。
信息传输模块之路由节点采用无线传感网为核心技术，使用ZigBee协议传输信息，其核心芯片为CC2430\CC2530射频芯片(采用高性能和低功耗的8051微控制核，集成了2.4GHz的RF无线电收发机，具有优良的无线接受灵敏度和强大的抗干扰性，休眠模式时仅0.9uA的流耗，待机时少于0.6uA的流耗，外部的中断能唤醒系统，工作电压范围为2.0～3.6V，硬件支持CSMA/CA功能， 数字化的RSSI/LQI支持强大的DMA功能，具有电池监测盒温度感测的功能，集成了AES安全协处理器，集成啦14位的模数转化ADC)，RFX2401C是一种超高集成度的射频前端集成电路，整合了IEEE 802.15.4/ZigBee、AMR/AMI、无线传感器收集、无线音频/视频和诸多其他免执照的2.4GHz ISM频带利用所需的一切首要的射频前端功用。RFX2401C配有一个高效率的功率缩小器(PA)、低噪声缩小器(LNA)、收发转换开关、天线开关、阻抗婚配收集、谐波过滤器和CMOS掌握逻辑。
信息传输模块之汇聚节点包括CC2430\CC2530和CH341。CH341是一个USB总线的转接芯片，通过USB总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的2线和4线等同步串行接口。在异步串口方式下，CH341提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，用于将普通的串口设备直接升级到USB总线。在打印口方式下，CH341提供了兼容USB相关规范和Windows操作系统的标准USB打印口，用于将普通的并口打印机直接升级到USB总线。在并口方式下，CH341提供了EPP方式或MEM方式及BUS扩展方式的8位并行接口，用于在不需要单片机/DSP/MCU的境下，直接输入输出数据。
本发明采用分层异构的模式如图2，在本发明实施的过程中，在楼层部署终端节点，并在各楼层口都布置一个路由节点；其中路由节点采用高功率带PA功放(PA功放的核心芯片为RFX2401C)的母板，通过使能PA功放模块放大发射功率。同时修改协议栈发射功率，增强发射功率，加大数据传输距离。各层的路由节点只负责收集本层的终端传感节点信息，然后发送给汇聚节点；在室外，在楼间和空旷地部署终端节点和汇聚节点，以监测室外空气质量。基于物联网的空气质量监测模块1收集空气质量信息，然后发送空气质量参数到距离 其最近的路由节点，路由节点对该信息进行打包后周期性的发送给汇聚节点，最后由汇聚节点传送给物数据控制中心。
本发明中，为了使耗电量较高的路由节点使用寿命增长，选用了太阳能板为路由节点续航，实现了模型的节能环保理念。
物数据处理模块3在收到汇聚节点发送的信息并进行分析处理,根据处理结果，实时发布相关的空气质量参数。监
本发明为便于区分污染的区域并且存储信息，设置了统一的传输格式(如图2)，一个字节的头信息，三个字节的终端号，四个字节的空气质量参数。
本发明提供的基于Zigbee无线通信技术的分层异构空气质量监测模型，实现了长距离，低功耗，大范围的空气质量实时监测。