一種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，屬于無線通信及物聯(lián)網(wǎng)【技術(shù)領域】，包括數(shù)據(jù)采集層、GPRS網(wǎng)關(guān)和PC終端服務器，數(shù)據(jù)采集層由ZigBee節(jié)點組成，ZigBee節(jié)點間采用ZigBee協(xié)議進行無線通信；GPRS網(wǎng)關(guān)包括與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器串口通信的GPRS通訊模塊，該模塊通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信，將ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給PC終端服務器；PC終端服務器包括網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析展示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。采用本系統(tǒng)監(jiān)測礦區(qū)環(huán)境工作量小，監(jiān)測周期短，投資維護費用低，可以滿足礦區(qū)的復雜地形要求。
【專利說明】—種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，屬于無線通信及物聯(lián)網(wǎng)【技術(shù)領域】。

【背景技術(shù)】
[0002]礦產(chǎn)資源的開發(fā)，在給人們的生活帶來巨大便利的同時，也造成了礦區(qū)的環(huán)境破壞。隨著人們對礦產(chǎn)資源的大量開采使用，保護礦區(qū)環(huán)境所面臨的挑戰(zhàn)也日趨嚴峻。傳統(tǒng)的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測主要以地面監(jiān)測為主，采用有線的通信網(wǎng)絡去實現(xiàn)，導致環(huán)境監(jiān)測工作量大，周期長，投資維護費用較高，且有線的數(shù)據(jù)傳輸方式難以滿足礦區(qū)中復雜地形的應用需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實用新型提供一種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用本系統(tǒng)監(jiān)測礦區(qū)環(huán)境工作量小，監(jiān)測周期短，投資維護費用低，可以滿足礦區(qū)的復雜地形要求。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的一種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集層、GPRS網(wǎng)關(guān)和PC終端服務器，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集層由ZigBee節(jié)點組成，ZigBee節(jié)點通過無線自組網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)關(guān)通信，GPRS網(wǎng)關(guān)通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信；所述的ZigBee節(jié)點間采用ZigBee協(xié)議進行無線通信；所述的數(shù)據(jù)采集層包括網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、數(shù)量分別不少于一個的網(wǎng)絡路由器和網(wǎng)絡終端節(jié)點；所述的網(wǎng)絡終端節(jié)點包括ZigBee通信模塊、溫濕度傳感器、應變傳感器、三軸加速度傳感器、應力傳感器，傳感器采用I2C總線協(xié)議與ZigBee通信模塊通信；所述的GPRS網(wǎng)關(guān)包括與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器串口通信的GPRS通訊模塊，該模塊通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信，將ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給PC終端服務器；所述的PC終端服務器包括網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析展示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。
[0005]進一步的，所述的數(shù)據(jù)采集層和GPRS網(wǎng)關(guān)中包含單獨的移動電源作為電源管理模塊。
[0006]進一步的，所述的數(shù)據(jù)采集層中的網(wǎng)絡路由器使用Hame A9移動電源供電，網(wǎng)絡終端節(jié)點使用9V儀表電池供電。
[0007]進一步的，所述的ZigBee通信模塊使用CC2530F256芯片。
[0008]進一步的，所述的溫濕度傳感器采用SHTll溫濕度傳感器芯片。
[0009]進一步的，所述應變傳感器采用BOSOlOOOmm拉線式位移傳感器。
[0010]進一步的，所述三軸加速度傳感器采用ADXL345芯片。
[0011]進一步的,所述的應力傳感器采用FlexiForce Sensor壓力傳感器A201。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型所設計的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠利用節(jié)點間無線自組網(wǎng)技術(shù)完成實際礦區(qū)環(huán)境信息的采集，由節(jié)點的底層軟件完成通訊、路由和能源分配的管理；并通過GPRS網(wǎng)關(guān)取得與互聯(lián)網(wǎng)的相互連接，實現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務器中，進而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)匯總、存儲、篩選和分析直至終端顯示和處理的完整環(huán)境監(jiān)測，以此獲得精確的礦區(qū)環(huán)境參數(shù)，為礦區(qū)環(huán)境保護和環(huán)境治理提供科學的依據(jù)。
[0013]采用無線通信的方式進行各個節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換通信，擺脫了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡的束縛，可以根據(jù)礦山環(huán)境的需要更靈活的布置監(jiān)測網(wǎng)，便于將溫濕度傳感器、應變傳感器、三軸加速度傳感器、位移傳感器安裝在重點監(jiān)測的區(qū)域；使用的ZigBee網(wǎng)絡無線通訊方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡，實現(xiàn)對目標地域的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進行遠程實時監(jiān)測，簡單易用，可以適應礦區(qū)復雜環(huán)境；可以根據(jù)需要靈活改變傳感器的位置，比有線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡相比更加實用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0016]如圖1所示，一種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集層、GPRS網(wǎng)關(guān)和PC終端服務器，所述的數(shù)據(jù)采集層由ZigBee節(jié)點組成，ZigBee節(jié)點通過無線自組網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)關(guān)通信，GPRS網(wǎng)關(guān)通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信；所述的ZigBee節(jié)點間采用ZigBee協(xié)議進行無線通信；所述的數(shù)據(jù)采集層包括網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、數(shù)量分別不少于一個的網(wǎng)絡路由器和網(wǎng)絡終端節(jié)點，所述的網(wǎng)絡終端節(jié)點包括ZigBee通信模塊、溫濕度傳感器、應變傳感器、三軸加速度傳感器、應力傳感器，傳感器采用I2C總線協(xié)議與ZigBee通信模塊通信；所述的GPRS網(wǎng)關(guān)包括與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器串口通信的GPRS通訊模塊，該模塊通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信，將ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給PC終端服務器；所述的PC終端服務器包括網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析展示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。
[0017]網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器主要負責整個ZigBee通信網(wǎng)絡的組建、控制節(jié)點(包括ZigBee網(wǎng)絡路由器與ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點)加入移除網(wǎng)絡、分配節(jié)點網(wǎng)絡短地址、節(jié)點間綁定的建立與取消，并對整個ZigBee網(wǎng)絡進行相關(guān)網(wǎng)絡參數(shù)的設置；所述的網(wǎng)絡路由器用于ZigBee通信網(wǎng)絡范圍的擴展，其作為ZigBee網(wǎng)絡的終端節(jié)點源節(jié)點與目的節(jié)點(一般為ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點，也可為ZigBee網(wǎng)絡路由節(jié)點或ZigBee網(wǎng)絡的終端節(jié)點)的中間節(jié)點負責路由兩者之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，同時其還負責保存?zhèn)魉偷狡渥庸?jié)點上的數(shù)據(jù)包，等待子節(jié)點的輪詢請求，ZigBee網(wǎng)絡路由器同時還具有ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點采集礦區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)的功倉泛。
[0018]網(wǎng)絡終端節(jié)點負責礦區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，控制各種礦區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集時間間隔以及采集精度，其由ZigBee通信模塊、溫濕度傳感器、應變傳感器、三軸加速度傳感器、位移傳感器組成。
[0019]溫濕度傳感器與ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點采用I2C總線協(xié)議進行通信，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點發(fā)送的控制信息進行對傳感器所安裝位置的溫度和濕度進行相應精度和頻率的測量，并將數(shù)據(jù)反饋到ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點設備中；三軸加速度傳感器其與ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點采用I2C總線協(xié)議進行通信，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點發(fā)送的控制信息進行對傳感器所安裝位置的重力加速度在傳感三個軸向上的分量進行相應精度和頻率的測量，并將數(shù)據(jù)反饋到ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點設備中；位移傳感器負責測量安裝位置處位移的大小的測量，一般測量房屋或巖石裂縫大小的改變，其輸出為模擬信號，其信號線與ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點相連接，終端節(jié)點根據(jù)其返回的模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換為位移信息發(fā)送到網(wǎng)絡監(jiān)控模塊中。
[0020]GPRS網(wǎng)關(guān)包括與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器串口通信的GPRS通訊模塊，該模塊通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信，將ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給PC終端服務器；所述的PC終端服務器包括網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析展示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，負責與GPRS網(wǎng)關(guān)通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信，同時對接收到的數(shù)據(jù)進行解譯并存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時對接收到的數(shù)據(jù)進行處理分析，根據(jù)操作者需要展示響應數(shù)據(jù)，并根據(jù)設置對超限的環(huán)境參數(shù)進行報警，及時處理潛在的災害。
[0021]作為本實用新型的進一步改進，所述的數(shù)據(jù)采集層和GPRS網(wǎng)關(guān)中包含單獨的移動電源作為電源管理模塊，其中ZigBee網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡路由器使用Hame A9移動電源供電，網(wǎng)絡終端節(jié)點使用9V儀表電池供電，方便電源的重復使用及更換。
[0022]作為本實用新型的進一步改進，所述的溫濕度傳感器包括溫度測量部件與濕度測量部件，溫濕度傳感器采用SHTll溫濕度傳感器芯片，采集溫濕度數(shù)據(jù)，SH Tll由于采用了特有的工業(yè)化CMOS技術(shù)，它具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。芯片內(nèi)包括經(jīng)校準的相對濕度和溫度傳感器，它們與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，每一個傳感器都是在精確的溫室中進行校準的，校準系數(shù)預先存在OTP內(nèi)存中，在測量校準的全過程都要用到這些系數(shù)，二線串行I2C總線接口支持簡單、快速的系統(tǒng)集成。
[0023]作為本實用新型的進一步改進，所述ZigBee通信模塊使用CC2530F256芯片，CC2530芯片結(jié)合了 RF收發(fā)器，增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他模塊的強大的功能，CC2530主要有四種不同的閃存版本:CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存，因此其具有多種運行模式，能充分滿足超低功耗系統(tǒng)的要求；同時CC2530運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間很短，使其進一步降低能源消耗。
[0024]作為本實用新型的進一步改進，所述應變傳感器采用BOSOlOOOmm拉線式位移傳感器，通過配合高精度敏感元件，使得拉線(拉繩)式位移傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好、測量精度高、溫度誤差小、安裝方便、靈活等優(yōu)點。
[0025]作為本實用新型的進一步改進，所述三軸加速度傳感器采用ADXL345芯片，該芯片具有體積小，功耗低的特點，13位數(shù)字精度分辨能夠測量超過土 16g的加速度變換。信號輸出為16位數(shù)字輸出，可以通過SPI與I2C接口實現(xiàn)信號采集，同時ADXL345適用于傾斜角度測量，能夠進行靜態(tài)重力加速度檢測，且適用于運動狀態(tài)的追蹤，測量運動或沖擊過程造成的瞬時加速度；其高分辨率(4mg/LSB)使之能夠感應變化小于1°的傾斜角度。。
[0026]作為本實用新型的進一步改進,所述的應力傳感器采用FlexiForce Sensor壓力傳感器A201，其具有重量輕，體積小，感測精度高，超薄等優(yōu)點。
[0027]本實用新型使用的電源管理模塊采用AMSl 117-3.3穩(wěn)壓芯片，出電壓:3.267?3.333V (0〈 = 10UT〈 = 1A, 4.75V< = VIN< = 12V)，線路調(diào)整(最大):1mV (4.75V< = VIN<=12V)，負載調(diào)節(jié)(最大):15mV(VIN = 5V,0< = 10UT〈 = ΙΑ)，電壓差(最大):1.3V，電流限制:900?1500mA，靜態(tài)電流(最大):10mA，紋波抑制(最小):60dB，其中網(wǎng)絡路由器采用Hame A9移動電源供電，網(wǎng)絡終端節(jié)點采用9V儀表電池供電。
[0028]本實用新型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用無線通信的方式進行各個節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換通信，擺脫了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡的束縛，可以根據(jù)礦山環(huán)境的需要更靈活的布置監(jiān)測網(wǎng)，便于將溫濕度傳感器、應變傳感器、三軸加速度傳感器、位移傳感器安裝在重點監(jiān)測的區(qū)域；使用的ZigBee網(wǎng)絡無線通訊方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡，實現(xiàn)對目標地域的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進行遠程實時監(jiān)測，簡單易用，可以適應礦區(qū)復雜環(huán)境；可以根據(jù)需要靈活改變傳感器的位置，比有線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡相比更加實用。
【權(quán)利要求】
1.一種基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集層、GPRS網(wǎng)關(guān)和PC終端服務器，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集層由ZigBee節(jié)點組成，ZigBee節(jié)點通過無線自組網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)關(guān)通信，GPRS網(wǎng)關(guān)通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信；所述的ZigBee節(jié)點間采用ZigBee協(xié)議進行無線通信；所述的數(shù)據(jù)采集層包括網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、數(shù)量分別不少于一個的網(wǎng)絡路由器和網(wǎng)絡終端節(jié)點，所述的網(wǎng)絡終端節(jié)點包括ZigBee通信模塊、溫濕度傳感器、應變傳感器、三軸加速度傳感器、應力傳感器，傳感器采用I2C總線協(xié)議與ZigBee通信模塊通信；所述的GPRS網(wǎng)關(guān)包括與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器串口通信的GPRS通訊模塊，該模塊通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與PC終端服務器通信，將ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給PC終端服務器；所述的PC終端服務器包括網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析展示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集層和GPRS網(wǎng)關(guān)中包含單獨的移動電源作為電源管理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集層中的網(wǎng)絡路由器使用Hame A9移動電源供電，網(wǎng)絡終端節(jié)點使用9V儀表電池供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述ZigBee通信模塊使用CC2530F256芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的溫濕度傳感器采用SHTll溫濕度傳感器芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述應變傳感器采用BOSOlOOOmm拉線式位移傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸加速度傳感器采用ADXL345芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于ZigBee與GPRS的無線礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的應力傳感器采用FlexiForce Sensor壓力傳感器A201。
【文檔編號】G01D21/02GK204085562SQ201420370424
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】魏曉斌, 楊學光, 韓固勇, 孔華, 張輝, 張軍凱 申請人:魏曉斌