ZigBee終端節(jié)點(diǎn)13利用攜帶的傳感器及探頭獲取水質(zhì)信息，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)12傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11，同時(shí)通過接收其他協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11的RSSI值，以協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11為參考節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位;協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11將收集到的所有節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行整合之后發(fā)送給接入節(jié)點(diǎn)3，接入節(jié)點(diǎn)3通過以太網(wǎng)4將信息傳輸給服務(wù)器5;在服務(wù)器5內(nèi)部進(jìn)行信息處理，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，然后通過前臺(tái)界面呈現(xiàn)給用戶直觀的水質(zhì)信息，如通過發(fā)布的web系統(tǒng)基于客戶端和服務(wù)器模式，采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，客戶端通過網(wǎng)頁形式將數(shù)據(jù)以表格、圖形等方式呈現(xiàn)給用戶，同時(shí)接受用戶的查詢指令，可進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，本實(shí)用新型的客戶端7可以通過以太網(wǎng)WIFI6對(duì)服務(wù)器5中的內(nèi)容進(jìn)行訪問。此外通過長期的歷史數(shù)據(jù)分析和建模，建立一個(gè)水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)。
[0030]本實(shí)用新型的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)13和路由節(jié)點(diǎn)12由ATMega-328微控制器、溫度傳感器、ISFET PH微傳感器、氨敏電極、濁度探頭、電導(dǎo)率電極、溶解氧探頭以及XBee模塊組成；所述的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11由ATMega-328微控制器、XBee模塊、GSM模塊和GPS模塊等組成。
[0031]本實(shí)用新型的接入節(jié)點(diǎn)3由arduino開發(fā)板、以太網(wǎng)擴(kuò)展板、SD存儲(chǔ)卡、GSM模塊等組成。
[0032]本實(shí)用新型的服務(wù)器5用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及發(fā)布的web系統(tǒng)基于客戶端和服務(wù)器模式，采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，客戶端通過網(wǎng)頁形式將數(shù)據(jù)以表格、圖形等方式呈現(xiàn)給用戶，同時(shí)接受用戶的查詢指令，可進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。
[0033]本實(shí)用新型包括多個(gè)負(fù)責(zé)水質(zhì)信息采集和短距離傳輸?shù)膫鞲芯W(wǎng)絡(luò)，S卩WSN網(wǎng)絡(luò)I，每個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)I由若干精簡(jiǎn)功能(RFD)的終端節(jié)點(diǎn)13和若干完整功能(FR))的路由節(jié)點(diǎn)12及一個(gè)完整功能的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11組成。在WSN網(wǎng)絡(luò)I上電硬件初始化后，節(jié)點(diǎn)開始啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立的過程:其中FFD節(jié)點(diǎn)既可以掃描其他主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)選擇加入，也可以作為主節(jié)點(diǎn)自行組織網(wǎng)絡(luò)，并接受其他節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求;RH)節(jié)點(diǎn)只能向其它主節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，直到其被某個(gè)主節(jié)點(diǎn)允許加入。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中FFD節(jié)點(diǎn)都可以有路由功能，作為路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)路由表，并協(xié)調(diào)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇。
[0034]如圖4所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立后，各終端節(jié)點(diǎn)13首先確認(rèn)是否有來自上層節(jié)點(diǎn)的查詢請(qǐng)求，若有，則立即進(jìn)行一次水質(zhì)檢測(cè)；反之進(jìn)入水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)的循環(huán)程序。如圖3、4所示，終端節(jié)點(diǎn)13利用傳感器測(cè)得水質(zhì)的溫度、PH、氨氮濃度、濁度、電導(dǎo)率和溶解氧的原始數(shù)據(jù)，再通過信號(hào)調(diào)理電路最數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、修正等處理，然后在MCU控制下進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換得到實(shí)際參數(shù)值。待完成水質(zhì)參數(shù)測(cè)量后，啟動(dòng)定位算法，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)。
[0035]如圖4所示，微控制器獲得由傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)后，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否超出正常值，若是則需要設(shè)置一個(gè)警告標(biāo)志，將警告標(biāo)志、水質(zhì)參數(shù)、測(cè)量時(shí)間和節(jié)點(diǎn)定位坐標(biāo)值和節(jié)點(diǎn)序號(hào)作為ZigBee數(shù)據(jù)幀的有效載荷，連同幀控制、目的地址、源地址、廣播半徑域、廣播序列號(hào)、IEEE目的地址和源地址、多點(diǎn)傳送控制和源路由幀組成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)13完成了水質(zhì)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送以后，就進(jìn)入休眠模式，若無實(shí)時(shí)查詢命令到來，終端節(jié)點(diǎn)將休眠4小時(shí)，之后進(jìn)行下一次水質(zhì)檢測(cè)。
[0036]當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11收到其所管轄區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包后，需要將這些數(shù)據(jù)包重新拆分出來，檢查有效載荷區(qū)的水質(zhì)參數(shù)是否有節(jié)點(diǎn)測(cè)得超標(biāo)，若無，則可將所有節(jié)點(diǎn)測(cè)得的參數(shù)取3組平均值表征這一片水域的水質(zhì)狀況，作為檢測(cè)數(shù)據(jù)組成一條短信以GSM方式發(fā)給AP接入節(jié)點(diǎn)3;若收到的數(shù)據(jù)有告警標(biāo)志，證明水質(zhì)存在問題，需重新設(shè)置一個(gè)告警標(biāo)識(shí)，并將出現(xiàn)水質(zhì)異常節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)本身的標(biāo)識(shí)號(hào)和水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)作為一組數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)的參數(shù)數(shù)據(jù)取平均值，一起作為檢測(cè)數(shù)據(jù)組成短信內(nèi)容發(fā)送給AP接入節(jié)點(diǎn)3。
[0037]如圖1所示，AP接入節(jié)點(diǎn)3通過以太網(wǎng)將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，通過腳本程序獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)分類，截取溫度、PH、氨氮濃度值、濁度、電導(dǎo)率和溶解氧濃度、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、檢測(cè)時(shí)間、告警標(biāo)識(shí)等，依據(jù)檢測(cè)時(shí)間為主鍵值存入數(shù)據(jù)庫，就能刷新各個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)不同時(shí)刻測(cè)得的水質(zhì)參數(shù)值及是否超標(biāo)等。另一方面通過腳本程序?qū)⒏鱾€(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送到前臺(tái)頁面程序，通過圖表的形式反饋給用戶。用戶可獲得每個(gè)水域的水質(zhì)信息，并且根據(jù)坐標(biāo)，快速找到水質(zhì)存在問題的水域，進(jìn)行及時(shí)的治理。
[0038]如果用戶希望得到某個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11的歷史數(shù)據(jù)，可單擊節(jié)點(diǎn)序號(hào)，即可返回所有歷史數(shù)據(jù)。此外，用戶還可以通過頁面下達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)指令，該指令將通過腳本處理后傳送給AP接入節(jié)點(diǎn)3，AP接入節(jié)點(diǎn)3再通過短信將命令下發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)11給其所管轄的ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播檢測(cè)命令，所有終端節(jié)點(diǎn)13收到該廣播后，進(jìn)入中斷程序，執(zhí)行一次水質(zhì)檢測(cè)任務(wù)，然后依照前述傳遞路徑將數(shù)據(jù)返回到客戶端。
[0039]在獲得大量的水質(zhì)數(shù)據(jù)和位置信息后，通過數(shù)據(jù)分析和建模，可建立一個(gè)水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)。用戶可使用這個(gè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)管;根據(jù)每塊水域的水質(zhì)狀況，針對(duì)漁業(yè)養(yǎng)殖提供技術(shù)支持;依據(jù)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于水華、浮萍等爆發(fā)的及時(shí)預(yù)防等。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)和定位系統(tǒng)，包括負(fù)責(zé)水質(zhì)信息采集和短距離傳輸?shù)膫鞲芯W(wǎng)絡(luò)，其特征在于:所述的負(fù)責(zé)水質(zhì)信息采集和短距離傳輸?shù)膫鞲芯W(wǎng)絡(luò)為WSN網(wǎng)絡(luò)(I)，WSN網(wǎng)絡(luò)(I)包括協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(II)、路由節(jié)點(diǎn)(I2)和終端節(jié)點(diǎn)(I3)，所述的終端節(jié)點(diǎn)(13)基于ZigBee組網(wǎng)，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(11)、若干路由節(jié)點(diǎn)(12)和多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(13)組成；其中協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(I I)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，所述的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)置GSM模塊和GPS模塊;ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(13)利用攜帶的傳感器及探頭獲取水質(zhì)信息，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)(12)傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(11);協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(11)將收集到的所有節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行整合之后發(fā)送給接入節(jié)點(diǎn)(3)，接入節(jié)點(diǎn)(3)通過以太網(wǎng)(4)將信息傳輸給服務(wù)器(5)，在服務(wù)器(5)內(nèi)部進(jìn)行信息處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)和定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(13)和路由節(jié)點(diǎn)(12)由ATMega_328微控制器、溫度傳感器、ISFETPH微傳感器、氨敏電極、濁度探頭、電導(dǎo)率電極、溶解氧探頭以及XBee模塊組成;所述的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(11)由ATMega-328微控制器、XBee模塊、GSM模塊和GPS模塊組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)和定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的接入節(jié)點(diǎn)(3)由arduino開發(fā)板、以太網(wǎng)擴(kuò)展板、SD存儲(chǔ)卡、GSM模塊組成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)和定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的服務(wù)器(5)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及發(fā)布的web系統(tǒng)基于客戶端和服務(wù)器模式，采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，客戶端通過網(wǎng)頁形式將數(shù)據(jù)以表格或圖形方式呈現(xiàn)給用戶。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種水質(zhì)檢測(cè)和定位系統(tǒng)，特別涉及基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)和定位系統(tǒng)。本實(shí)用新型通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)小范圍水域的自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，降低成本；同時(shí)基于GPS和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的RSSI實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)定位；然后通過移動(dòng)通信技術(shù)擴(kuò)大檢測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)廣域的數(shù)據(jù)傳輸；最后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，在服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞給前臺(tái)界面，以圖表的形式呈現(xiàn)給用戶。本實(shí)用新型降低了水域檢測(cè)的成本、擴(kuò)展了水域監(jiān)測(cè)范圍；同時(shí)本系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)功耗小、配置靈活、可根據(jù)節(jié)點(diǎn)任務(wù)需要增減模塊。
【IPC分類】H04W4/00, G08C17/02, G01N33/18, G01D21/02
【公開號(hào)】CN205300638
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】劉紫青, 曹非非, 江風(fēng)
【申請(qǐng)人】武漢郵電科學(xué)研究院
【公開日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日