基于无线传感器网络的室内甲醛浓度监测系统及监测方法

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基于无线传感器网络的室内甲醛浓度监测系统及监测方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于室内甲醛浓度的监测技术领域。尤其涉及一种基于无线传感器网络的室内甲醛浓度监测系统及监测方法。\n背景技术\n[0002] 随着人们对室内空气质量关注度的提高，在进行室内空气质量监测时，经常会对主要的室内空气污染源甲醛浓度进行测量。甲醛是建筑材料和家用品中广泛使用的化学物质。室内的甲醛主要来源于建筑材料、抽烟、家用品及煤气炉燃烧，胶水或油漆等。当室内甲醛浓度很高时会触发哮喘，严重时还会致癌。\n[0003] 进行室内甲醛浓度测量的方法主要是使用甲醛检测设备，如惠州绿安仕环保科技有限公司生产的甲醛检测仪；另外有甲醛速测试剂，如ZETA置顶(上海)环境科技研究应用中心生产的ZETA甲醛速测试剂。这些设备或试剂虽都能在现场快速检测出甲醛浓度，精度较高，有些检测设备还可以设定检测时间。但这些设备一般为手持便携式设备，需要人员进入监测室内进行测试工作，测试方法为单点测量，如果要长时间进行监测工作，设备需要外接电源，使用不方便，且对人体有危害。并且单次单点测量得到的数据不一定能代表室内空气中长期存在的甲醛浓度水平，影响监测数据的精确度。目前，无线传感器网络已广泛应用于数据传输量小，传输延时和功耗消耗低的实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息中，采用无线传感器网络技术进行环境监测的方法开始受到关注。无线传感器网络一般由协调器节点、路由器节点和传感器节点组成，节点硬件装置一般采用微控制器加上射频模块的设计方式，如“用于环境监测的无线传感器网络节点装置”(CN 200610097418.4)和“无线传感器网络室内空气污染节点的硬件设计与实现”(王盛慧，邓志东，裴忠民.长春工业大学电气与电子工程学院.中南大学学报增刊，2007.8)，然而这种实现方式相对于片上系统SoC，其硬件复杂度较高，体积较大，能耗较高，所构成的网络系统不利于连续测量室内空气污染程度。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是提供一种硬件复杂度低、体积小、能耗低、可长时间工作、能灵活放置网络节点的基于无线传感器网络的室内甲醛浓度监测系统及监测方法。该网络系统应具有自组织、自适应的特点，当节点位置变化后，网络依然能够保持良好的连通性；该系统的监测方法操作简单、人体危害小、测量精确度高。\n[0005] 为了实现上述的目的，本发明的监测系统采用的技术方案是：在1～10个甲醛浓度被监测室内分别设置有1～20个传感器节点和1～10个路由器节点，路由器节点或分别与传感器节点、监测中心节点无线连接，或路由器节点分别与传感器节点、监测中心节点无线连接，监测中心节点通过串口线与PC机连接。其中：\n[0006] 所述的监测中心节点的结构是：电源模块的电压输出端Vcc分别与SoC芯片的工作电压输入端Vcc_soc、LCD显示模块的工作电压输入端Vdd连接，电源模块的地线端GND分别与SoC芯片地线端GND、LCD显示模块的地线端GND连接；LCD显示模块的寄存器选择端RS、读写控制端RW、读写使能端E、数据输入/输出端DB[0…7]分别与SoC芯片的输入/输出端P0_4、P0_5、P0_7、P1[0…7]连接；时钟模块的时钟输出端CLK与SoC芯片的时钟输入端CLK连接；用户按键模块的操作按键端Key、复位按键端Reset分别与SoC芯片的模/数转换器的第7通道ADC_6、系统复位端Reset连接；天线模块的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N分别与SoC芯片的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N连接；串口通信模块的接收端RX、发送端TX、发送请求端RTS、发送清除端CTS分别与SoC芯片的串口发送端TX、接收端RX、发送请求端RTS、发送清除端CTS连接。\n[0007] 所述的路由器节点的结构是：电源模块的电压输出端Vcc、地线端GND分别与SoC芯片的工作电压输入端Vcc_soc、地线端GND连接；系统复位模块的复位按键端Reset与SoC芯片的系统复位端Reset连接；时钟模块的时钟输出端CLK与SoC芯片的时钟输入端CLK连接；LED显示模块的输入端LED与SoC芯片的输入/输出端P1_0连接；天线模块的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N分别与SoC芯片的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N连接。\n[0008] 所述的传感器节点的结构是：电源模块的电压输出端Vcc分别与SoC芯片的工作电压输入端Vcc_soc、电源管理模块的电压输入端Vcc连接，电源模块的地线端GND分别与SoC芯片的地线端GND、电源管理模块地线端GND连接；电源管理模块的使能端V_en、输出电压1端Vcc_1、输出电压2端Vcc_2分别与SoC芯片的输入/输出端P0_0、甲醛传感器模块的工作电压端Vcc_1、信号放大模块的工作电压端Vcc_2连接，电源管理模块的地线端GND分别与甲醛传感器模块的地线端GND、信号放大模块的地线端GND连接；甲醛传感器模块的输出信号端S_out与信号放大模块的输入信号端X_in连接；信号放大模块的输出信号端Y_out与SoC芯片的模/数转换器的第五通道ADC_4连接；天线模块的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N分别与SoC芯片的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N连接；LED显示模块的输入端LED与SoC芯片的输入/输出端P1_0连接；时钟模块的时钟输出端CLK与SoC芯片的时钟输入端CLK连接。\n[0009] 为了实现上述的目的，本发明的监测方法采用的技术方案是：该系统的监测或由操作PC机的步骤S1、监测中心节点的步骤S2、路由器节点的步骤S3和传感器节点的步骤S4完成，或由操作监测中心节点的步骤S5、路由器节点的步骤S3和传感器节点的步骤S4完成，其方法分别是，\n[0010] 操作PC机的步骤S1、监测中心节点的步骤S2、路由器节点的步骤S3和传感器节点的步骤S4完成，其具体步骤是：\n[0011] 步骤S1-1，启动PC机的应用程序并完成与监测中心节点的连接；\n[0012] 步骤S1-2，用户选择操作指令；\n[0013] 步骤S1-3，发送操作指令到监测中心节点；\n[0014] 步骤S1-4，PC机等待回复信息；\n[0015] 步骤S1-5，PC机处理错误报告；\n[0016] 步骤S1-6，PC机处理信息；\n[0017] 步骤S2-1，启动监测中心节点，进行硬件初始化和网络初始化，建立网络；\n[0018] 步骤S2-2，等待PC机指令和路由器节点信息；\n[0019] 步骤S2-3，监测中心节点处理并发送指令到路由器节点；\n[0020] 步骤S2-4，监测中心节点处理并发送信息到PC机；\n[0021] 步骤S2-5，监测中心节点处理并发送错误报告到PC机；\n[0022] 步骤S3-1，启动路由器节点，进行硬件初始化和网络初始化，加入网络；\n[0023] 步骤S3-2，等待信息；\n[0024] 步骤S3-3，路由器节点处理并发送信息到监测中心节点；\n[0025] 步骤S3-4，路由器节点处理并发送信息到传感器节点；\n[0026] 步骤S4-1，启动传感器节点，进行硬件初始化和网络初始化，加入网络；\n[0027] 步骤S4-2，等待指令；\n[0028] 步骤S4-3，传感器节点执行指令并采集甲醛浓度数据；\n[0029] 步骤S4-4，传感器节点发送信息到监测中心节点；\n[0030] ——操作监测中心节点的步骤S5、路由器节点的步骤S3和传感器节点的步骤S4完成，其步骤是：\n[0031] 步骤S5-1，启动监测中心节点，进行硬件初始化和网络初始化，建立网络；\n[0032] 步骤S5-2，选择操作指令；\n[0033] 步骤S5-3，处理并发送指令；\n[0034] 步骤S5-4，等待回复信息；\n[0035] 步骤S5-5，处理并显示收到的信息；\n[0036] 步骤S5-6，进入等待状态；\n[0037] 路由器节点、传感器节点的操作步骤分别同步骤S3、S4。\n[0038] 由于采用上述技术方案，本系统节点的硬件装置使用片上系统SoC的实现方式，节点的硬件复杂度低、体积小、能耗低。另外，由于节点可以灵活放置于甲醛浓度被监测室内，所组成的无线传感器网络系统具有自组织、自适应的特点，当网络中的节点位置变化后，网络依然能够保持良好的连通性。\n[0039] 本发明将无线传感器网络技术运用于室内甲醛浓度监测，使网络系统中的节点布局不仅符合中华人民共和国室内空气质量标准(GB/T 18883-2002)中的选点要求，能对监测室内的多点连续测量，且不会出现传统方法中布线带来的不便，有效地避免了工作人员长期滞留被监测室内的情况，能使网络节点长时间工作于被监测室内，测量精确，数据的可靠性高且对人体危害小。\n附图说明\n[0040] 图1是本发明的一种系统示意图；\n[0041] 图2是本发明的另一种系统示意图；\n[0042] 图3是图1、图2中的监测中心节点[3]的结构示意图；\n[0043] 图4是图1、图2中的路由器节点[4]的结构示意图；\n[0044] 图5是图1、图2中的传感器节点[5]的结构示意图；\n[0045] 图6是本发明的一种监测方法流程框图；\n[0046] 图7是本发明的另一种监测方法流程框图。\n具体实施方式\n[0047] 下面结合附图对本发明作进一步的描述：\n[0048] 实施例1一种基于无线传感器网络的室内甲醛浓度监测系统，如图1所示：该系统的监测中心节点[3]、路由器节点[4]、传感器节点[5]按树状拓扑形成网络结构。在2～\n4个甲醛浓度被监测室内[6]分别设置有3～5个传感器节点[5]和1个路由器节点[4]，路由器节点[4]分别与传感器节点[5]、监测中心节点[3]无线连接，监测中心节点[3]通过串口模块[1]与PC机[2]连接。其监测中心节点[3]、路由器节点[4]，传感器节点[5]中的SoC芯片选用的是Ti公司制造的CC2430芯片。\n[0049] 所述的监测中心节点[3]的结构如图3所示：电源模块的电压输出端Vcc分别与SoC芯片的工作电压输入端Vcc_soc、LCD显示模块的工作电压输入端Vdd连接，电源模块的地线端GND分别与SoC芯片地线端GND、LCD显示模块的地线端GND连接；LCD显示模块的寄存器选择端RS、读写控制端RW、读写使能端E、数据输入/输出端DB[0…7]分别与SoC芯片的输入/输出端P0_4、P0_5、P0_7、P1[0…7]连接；时钟模块的时钟输出端CLK与SoC芯片的时钟输入端CLK连接；用户按键模块的操作按键端Key、复位按键端Reset分别与SoC芯片的模/数转换器的第7通道ADC_6、系统复位端Reset连接；天线模块的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N分别与SoC芯片的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N连接；串口通信模块的接收端RX、发送端TX、发送请求端RTS、发送清除端CTS分别与SoC芯片的串口发送端TX、接收端RX、发送请求端RTS、发送清除端CTS连接。\n[0050] 所述的路由器节点[4]的结构如图4所示：电源模块的电压输出端Vcc、地线端GND分别与SoC芯片的工作电压输入端Vcc_soc、地线端GND连接；系统复位模块的复位按键端Reset与SoC芯片的系统复位端Reset连接；时钟模块的时钟输出端CLK与SoC芯片的时钟输入端CLK连接；LED显示模块的输入端LED与SoC芯片的输入/输出端P1_0连接；\n天线模块的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N分别与SoC芯片的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N连接。\n[0051] 所述的检传感器节点[5]的结构如图5所示：电源模块的电压输出端Vcc分别与SoC芯片的工作电压输入端Vcc_soc、电源管理模块的电压输入端Vcc连接，电源模块的地线端GND分别与SoC芯片的地线端GND、电源管理模块地线端GND连接；电源管理模块的使能端V_en、输出电压1端Vcc_1、输出电压2端Vcc_2分别与SoC芯片的输入/输出端P0_0、甲醛传感器模块的工作电压端Vcc_1、信号放大模块的工作电压端Vcc_2连接，电源管理模块的地线端GND分别与甲醛传感器模块的地线端GND、信号放大模块的地线端GND连接；甲醛传感器模块的输出信号端S_out与信号放大模块的输入信号端X_in连接；信号放大模块的输出信号端Y_out与SoC芯片的模/数转换器的第五通道ADC_4连接；天线模块的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N分别与SoC芯片的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX、射频信号负极性端RF_N连接；LED显示模块的输入端LED与SoC芯片的输入/输出端P1_0连接；时钟模块的时钟输出端CLK与SoC芯片的时钟输入端CLK连接。\n[0052] 本系统的监测方法如图6所示，该监测由操作PC机[2]的步骤S1、监测中心节点[3]的步骤S2、路由器节点[4]的步骤S3和传感器节点[5]的步骤S4完成，其监测方法是：\n[0053] PC机[2]的操作步骤S1为：\n[0054] 步骤S1-1，在PC机[2]上启动应用程序，PC机[2]通过串口线[1]完成与监测中心节点[3]的连接；\n[0055] 步骤S1-2，用户选择操作指令；\n[0056] 步骤S1-3，PC机[2]通过串口线[1]将用户选择的操作指令发送到监测中心节点[3]；\n[0057] 步骤S1-4，指令成功发送到监测中心节点[3]之后，PC机[2]等待回复信息；\n[0058] 步骤S1-5，当接收到的回复信息为错误报告时，PC机[2]处理该错误报告；\n[0059] 步骤S1-6，当接收到的回复信息为数据信息时，PC机[2]处理该信息中的数据。\n[0060] 监测中心节点[3]的操作步骤S2是：\n[0061] 步骤S2-1，启动监测中心节点[3]，进行硬件的初始化和网络的初始化，建立网络；\n[0062] 步骤S2-2，等待PC机[2]发送指令和路由器节点[4]发送到监测中心节点[3]的信息；\n[0063] 步骤S2-3，监测中心节点[3]接收到的信息为PC机[2]指令时，监测中心节点[3]处理该信息，并发送到路由器节点[4]；\n[0064] 步骤S2-4，监测中心节点[3]接收到的信息为路由器节点[4]发送的信息时，监测中心节点[3]处理该信息，并通过串口发送到PC机[2]；\n[0065] 步骤S2-5，发送错误时，发送错误报告信息到PC机[2]。\n[0066] 路由器节点[4]的操作步骤S3是：\n[0067] 步骤S3-1，启动路由器节点[4]，进行硬件的初始化和网络的初始化，加入网络；\n[0068] 步骤S3-2，等待信息；\n[0069] 步骤S3-3，当信息来自传感器节点[5]时，将信息进行处理并发送到监测中心节点[3]；\n[0070] 步骤S3-4，当信息来自监测中心节点[3]时，将信息进行处理并发送到传感器节点[5]。\n[0071] 传感器节点[5]的操作步骤S4是：\n[0072] 步骤S4-1，启动传感器节点[5]，进行硬件的初始化和网络的初始化，加入网络；\n[0073] 步骤S4-2，完成初始化工作之后，节点进入等待指令状态；\n[0074] 步骤S4-3，接收到指令并执行指令，开启电源管理模块，传感器节点[5]开始通过传感器模块采集数据；\n[0075] 步骤S4-4，数据采集完毕后，传感器节点[5]发送数据到监测中心节点[3]，发送成功后，节点又进入等待指令状态。\n[0076] 实施例2一种基于无线传感器网络的室内甲醛浓度监测系统，如图2所示：在4～\n5个甲醛浓度被监测室内[6]分别设置有5～8个传感器节点[5]和1个路由器节点[4]，路由器节点[4]分别与传感器节点[5]、监测中心节点[3]无线连接。其传感器节点[5]、路由器节点[4]、监测中心节点[3]的结构同实施例1所述；监测中心节点[3]、路由器节点[4]，传感器节点[5]中的SoC芯片选用的是Jennic公司的JN5121芯片。\n[0077] 本系统的监测方法如图7所示，该系统由操作监测中心节点[3]的步骤S5、路由器节点[4]的步骤S3和传感器节点[5]的步骤S4分3步完成，其监测方法是：\n[0078] 监测中心节点[3]的操作步骤S5是：\n[0079] 步骤S5-1，启动监测中心节点[3]，进行硬件初始化和网络初始化，建立网络；\n[0080] 步骤S5-2，用户通过LCD显示模块和按键模块的配合，选择操作命令；\n[0081] 步骤S5-3，处理并发送用户选择的操作指令，当发送不成功时，重新进入用户操作指令选择；\n[0082] 步骤S5-4，当指令发送成功，该节点就等待回复信息；若指令未发送成功，该节点返回到用户操作指令选择；\n[0083] 步骤S5-5，将接收到的数据进行处理，然后显示到LCD显示模块上；\n[0084] 步骤S5-6，当完成了一次操作，若不选择新的操作指令，系统进入操作等待状态，同时监听用户按键有无变化，当有按键状态变化时，系统返回到用户选择操作指令菜单。\n[0085] 路由器节点[4]的监测步骤同实施例1中的路由器节点[4]的监测步骤S3。\n[0086] 传感器节点[5]的监测步骤同实施例1中的传感器节点[5]的监测步骤S4。\n[0087] 本具体实施方式的硬件复杂度低、体积小、能耗低。另外，由于节点可以灵活放置于甲醛浓度被监测室内，所组成的无线传感器网络系统具有自组织、自适应的特点，当网络中的节点位置变化后，网络依然能够保持良好的连通性。本系统将无线传感器网络技术运用于室内甲醛浓度监测，使网络系统中的节点布局不仅符合中华人民共和国室内空气质量标准(GB/T 18883-2002)中的选点要求，能对监测室内的多点进行连续测量，且不会出现传统方法中布线带来的不便，网络节点能长时间工作，有效地避免了工作人员长期滞留被监测室内的情况，操作简单、测量精确、数据的可靠性高且对人体危害小。