基于WSN的环境质量监测系统.pdf

本发明公开了一种基于WSN的环境质量监测系统。本发明包括传感器节点、ZigBee-IP网关和用户监控终端。传感器节点包括主控模块，传感器模块，透明传输模块；ZigBee-IP网关包括ZigBee协调器模块，Mini2440数据处理模块；用户监控终端模块采用的是bootstarp前端框架构建的用户监测Web页面。本发明通过三种传感器实时采集周围环境的温湿度、光照以及粉尘参数，用户可以直接通过连接互联网的电脑访问相应网址就能完成对目标区域的环境监控，具有监控区域的随意性，可扩展性，安装方便，维修简单以及监控实时性等特点。

权利要求书
1.  基于WSN的环境质量监测系统，包括传感器节点、ZigBee-IP网关和用户监控终端；其特征在于：
所述传感器节点包括主控模块，传感器模块，透明传输模块；其中传感器模块，透明传输模块均与主控模块连接，主控模块选用MSP430G2553单片机，传感器模块包括光学灰尘传感器，温湿度传感器以及光传感器；
所述ZigBee-IP网关包括ZigBee协调器模块，Mini2440数据处理模块；ZigBee协调器模块将各传感器节点的数据进行汇聚，Mini2440数据处理模块通过串口把各个节点的数据收集到数组，对数据进行分类统计后，以Html文本的形式输出，使用户可以在浏览器中访问传感器节点数据；
所述用户监控终端模块采用的是bootstarp前端框架构建的用户监测Web页面；
所述的ZigBee协调器模块生成设定的PANID组建ZigBee网络，ZigBee网路中的传感器节点搜索与自身匹配PANID并加入到该网络；传感器节点实时采集周围的环境状况数据，包括温湿度、PM2.5浓度和光照强度，并将采集到的数据通过无线链路发送给ZigBee-IP网关；ZigBee-IP网关接收到数据后通过路由器发送到互联网，用户可通过互联网来实时监控传感器节点周围的实时环境状况。

说明书基于WSN的环境质量监测系统
技术领域
本发明涉及环境质量监测领域，尤其涉及一种利用WSN的环境质量监测系统。
背景技术
环境是人类赖以生存的必要条件，环境质量的好坏直接关系到人们的身体健康。特别是在一些中大型的城市，环境质量已经纳入为衡量该城市综合实力的标志。虽然随着我国对环境监测的重视，环境部门会实时发送环境信息给所有公民，但是存在环境的地域差异性，往往这些环境数据不能很好地代表当地的环境实际情况，于是设计一套能够测量所在区域室内或者周边环境的系统显得尤为重要。
目前的环境质量监测系统多数依靠有线传输，与传统的环境质量监测系统相比，使用ZigBee无线传感网具有传感器节点布置随意性、传感器节点数量的可扩张性、传感器网络通信的无线性等特点。克服了传统环境监测系统的布线困难，维修困难以及扩展性差等缺陷。
发明内容
本发明就是针对现有环境监测设备的不足之处，提供了一种基于WSN的环境质量监测系统。
本发明包括传感器节点、ZigBee-IP网关和用户监控终端。
所述传感器节点包括主控模块，传感器模块，透明传输模块；其中传感器模块，透明传输模块均与主控模块连接，主控模块选用MSP430G2553单片机，传感器模块包括光学灰尘传感器，温湿度传感器以及光传感器。
所述ZigBee-IP网关包括ZigBee协调器模块，Mini2440数据处理模块；ZigBee协调器模块将各传感器节点的数据进行汇聚，Mini2440数据处理模块通过串口把各个节点的数据收集到数组，对数据进行分类统计后，以Html文本的形式输出，使用户可以在浏览器中访问传感器节点数据。
所述用户监控终端模块采用的是bootstarp前端框架构建的用户监测Web页面。
所述的ZigBee协调器模块生成设定的PANID组建ZigBee网络，ZigBee网路中的传感器节点搜索与自身匹配PANID并加入到该网络；传感器节点实时采集周围的环境状况数据，包括温湿度、PM2.5浓度和光照强度，并将采集到的数据通过无线链路发送给ZigBee-IP网关；ZigBee-IP网关接收到数据后通过路由器发送到互联网，用户可通过互联网来实时监控传感器节点周围的实时环境状况。
本发明的有益效果：本发明选用的硬件设备全部为低功耗设备，其中DHT11温湿度传感器在普通电源模式下待机电流仅为100uA，正常工作平均电流为0.2mA，在单总线供电模式下则更加节能；MSP430G2553单片机，有五种节能模式，普通运行模式下工作电流仅有230uA，待机模式下仅有0.5uA。除此之外，ZigBee透明传输模块、PM2.5传感器等器件均有超高的低功耗性能，保证了系统工作的节能型。
本发明通过三种传感器实时采集周围环境的温湿度、光照以及粉尘参数，用户可以直接通过连接互联网的电脑访问相应网址就能完成对目标区域的环境监控，具有监控区域的随意性，可扩展性，安装方便，维修简单以及监控实时性等特点。本发明可以适用于室内以及小范围的室外环境监测，用户可以通过网页监测数据并做出相应的判断，并可以控制任意的节点开启或者关闭。
附图说明
图1为环境质量监测系统示意图；
图2为监测系统模块组成示意图；
图3为MSP430程序流程图；
图4为上位机Linux程序流程图；
图5为系统的Web数据显示界面。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进一步详细描述。
如图1中所示，一种基于WSN的环境质量监测系统包含了传感器节点、协调器和上位机、路由器、互联网以及用户终端电脑。传感器节点、协调器和上位机共同组成了ZigBee无线传感网络，其中协调器与上位机即ZigBee-IP网关是无线传感网络与互联网交接的入口。传感器节点有目标性地布置在监测区域，如办公楼、医院、会场或者图书馆等等。传感器节点与上位机之间选择无线通信，这是由于采用无线的方式不仅方便初始节点的布置，也有利于随时更换传感器节点在室内监测的位置。系统的工作原理为：ZigBee协调器生成设定的PANID组建ZigBee网络，ZigBee传感器节点搜索与自身匹配PANID并加入到该网络。传感器节点实时采集周围的环境状况数据：温湿度、PM2.5浓度和光照强度，并将采集到的数据通过无线链路发送给ZigBee-IP网关。ZigBee-IP网关接收到数据后通过路由器发送到互联网，用户可通过互联网来实时监控传感器节点周围的实时环境状况
图2所示为监测系统模块的详细构成，主要包括主控模块2-1（MSP430G2553单片机），光学灰尘传感器模块2-2（夏普GP2Y1010AU0F），DHT11温湿度传感器模块2-3，光传感器模块2-4，ZigBee透明传输模块2-5，天线模块2-6、2-7，ZigBee协调器模块2-8，Mini2440构建的Linux服务器模块2-9，路由器2-10，用户终端电脑2-11。
图3所示为所述主控模块MSP430的程序流程图，系统上电后执行初始化操作，初始化内容包括串口（38400）、DHT11、ADC、按键和LED的初始化。接下来开始多次采集数据去平均值并保存到数组，当有命令被接收时，判断是发送数据命令还是打开/关闭设备命令，若是发送数据命令，系统将数据按照一定格式打包上传，若是打开/关闭设备命令，系统将判断相应命令并执行打开或关闭LED。
图4所示为上位机Linux程序流程图，上位机Linux软件主要实现Mini2440对串口的操作。Mini2440通过串口把各个节点的数据收集到数组，对数据进行分类统计后，以Html文本的形式输出，使用户可以在浏览器中访问节点数据。当软件被执行时，首先初始化串口（38400波特率），然后向各个节点发送“发送数据”命令，当节点收到命令时，将立即把数据返回，Mini2440把数据分类统计后输出网页，若没有收到数据，系统将一直循环发送指令，直到有相应数据收到为止。
图5所示为用户终端的Web监测界面。主要功能模块可分为产品说明、节点分布、节点开关、测试图形以及数据查看。页面使用iframe标签使得各个页面在同一页面上不进行地址的跳转，这样方便用户进行查看和管理。其中节点分布界面简单说明传感器节点所在位置的信息。节点开关界面是Mini2440开发板上的BOA服务器使用cgi(通用网关接口)文件来处理网络逻辑相关的部分。这里设置了分布的四个节点的开关按键，开关打开时表示节点开启，开关关闭时表示节点关闭。ZigBee网络通过串口发送到Mini2440开发板上的四个节点的数据分别是：温度、湿度、光照强度及PM2.5的数值。通过建立图表的方式在Web数据显示页面中呈现出来。图表通过横向的对比四个节点同一时间同一项数据的实时值，并且每隔3秒实时更新在页面上。用户可以实时观察页面数据来监控目标区域的环境状况。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可进行种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。