基于传感器网络的智能环境监控系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于传感器网络的智能环境监控系统及方法，系统包括节点、基站和监控计算机，所述节点与节点之间、节点与基站之间均为无线连接，基站与监控计算机之间通过总线相连，监控节点除了与中心节点通信外，各监控节点之间也可进行通信，实现了无线传感器网络的路由算法。同时，在通信即使失效的情况下，监控节点能启动智能自处理机制，使异常情况的灾难损失达到最小。实验证明本系统相比传统监控系统具有更好的灵活性与稳定性。本发明应用于需要对环境参量进行实时监控及相应报警的场合，如仓库、机房、停车场、实验室、银行等，同时也可用于智能家居，婴幼儿及病人的监护，森林防火等其它场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种监控系统及方法，特别地，涉及一种基于传感器网络的智能环境监控系统及方法。

背景技术

当今社会，意外事件多发，如火灾，盗窃等难以预料，给贵重物品及一些特殊物品的存放和管理带来了很大的不便，突发事件造成了不小的损失，并且原因及责任人也难以追查。针对这种情况，需要对环境参量进行实时监控及相应报警。无线环境监控系统有很大的市场需求和很广的应用前景。

传统监控系统特点如下：

1.报警器多采用星型结构(即一个中心节点，多个监控节点)，监控节点只与中心节点通信，而监控节点之间不交换信息。

2.监控节点只具有数据采集和传送功能，不具智能性。

3.大多成熟的系统采用的是有线通信方式。

基于星型结构，不具智能性的节点，这样系统在通信失效时几近瘫痪，鲁棒性和可扩展性相对欠缺。同时有线通信的节点布置不是很灵活，在某些环境恶劣或人不易到达的应用场合也不易安装。

若能实现：

1.监控节点除了与中心节点通信外，各节点之间也可进行通信。

2.监控节点能在通信失效的情况下启动智能自处理机制。

3.采用无线通信。

那么系统的灵活性、可扩展性、鲁棒性明显增强。但这必须解决无线网络的新的通信协议和路由算法的实现、监控节点的协作等问题。

近年来微机电系统(MEMS)和低功耗高集成数字设备的发展，导致了低成本、低功耗、微体积传感器节点的出现。这种微传感节点由传感单元、数据处理单元、通信单元和便携式电源组成，能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。随着传感器技术和通信技术的发展，无线传感器网络技术开始提出，并因为其应用的广泛性而得到越来越多的高度重视。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络，它采用ad hoc方式配置大量微型的智能传感节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。无线传感器网络在环境与军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。

若环境监控系统采用无线传感器网络构架，系统稳定性将明显增强，并可通过转发机制实现更大的监控覆盖范围和传输距离，同时增强了系统的灵活性。

从目前的技术来看，对于节点的组网，无线传感器网络还处于理论研究阶段，研究文献较多，但真正的实际应用较少。虽说也有些基于传感器网络的环境监控系统，但都过于简单，缺乏智能性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于传感器网络的智能环境监控系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于传感器网络的智能环境监控系统，它包括节点、基站和监控计算机；其中，所述节点与节点之间、节点与基站之间均为无线连接，基站与监控计算机之间通过总线相连。

一种基于传感器网络的智能环境监控方法，该方法包括以下步骤：

(1)节点初始化：包括节点与基站的布置、节点ID与监控区域匹配、设置节点系统时间、监控时间间隔、监控环境参量选择、系统报警参数等；

(2)建立网络：建立簇层次网络结构和TDMA时间表；

(3)环境监控过程：根据网络正常、网络部分中断、网络完全瘫痪的情况有不同的处理方式，具体如下：

(A)网络正常时：节点根据自己的TDMA时间段与周围节点交换信息。节点TDMA时间表决定着节点信息采集及传输的顺序，当自动更新的系统时间与节点时节点TDMA时间表相一致时，当前节点可以进行信息采集及信息传输；

(B)网络部分中断时：当由于电能不足或干扰等因素造成传输覆盖范围变小，致使原来网络部分中断时，进行路由变换；

(C)网络彻底瘫痪时：当网络瘫痪时，经过若干次路由变换，信息仍然没有传输到基站，那么节点无法收到基站的确认信息。这样，当超时计时器溢出时，节点启用智能自处理机制。

本发明的有益效果是，本发明突破传统报警器构架，借鉴无线传感器网络思想，特点如下：1.监控节点除了与中心节点通信外，各节点之间也可进行通信；2.监控节点能在通信失效的情况下启动智能自处理机制；3.采用无线通信。

本发明基于网络型(而非传统星型)构架，系统稳定性明显增强，并可通过转发机制实现更大的监控覆盖范围和传输距离，同时增强了系统的灵活性。在通信网络中断的情况下，监控节点能针对突发事件启动智能自处理机制，减少异常情况的灾难损失。这些改进比传统监控系统更具鲁棒性。

本发明的系统能对各种场合的温度、湿度、入侵、烟火等环境参量进行检测，并通过无线通信传送到基站，基站通过网络到达总控室的用户监控计算机，并能在发生突发事件时作相应指示和报警。报警具有多种形式，并可通过组态选择不同报警形式，如现场报警(有利于疏散人员，并现场应急处理)，监控室报警(有利于从整体上进行处理)。稳定的网络型双向无线通信，保证用户监控计算机(总控室)能对节点所在地进行有效监控和管理，并可实现组态和故障诊断等功能。即使在通信失效的情况下，具有智能的下位节点可自行启动最优算法，使突发事件的损失最小。模块化设计使得用户可根据实际需要选用相应模块，扩展方便。

本发明应用于需要对环境参量进行实时监控及相应报警的场合，如仓库、机房、停车场、实验室、银行等，同时也可用于智能家居，婴幼儿及病人的监护，森林防火等其它场合。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明基于传感器网络的智能环境监控系统的结构框图；

图2是监控节点结构框图；

图3是基站结构框图；

图4是基于簇的路由算法的传感器网络结构图；

图5是基于TDMA的路由算法的时间片图；

图6是本发明实施例的结构层次图；

图7是本发明实施例的路由变换图；

图8是本发明实施例的对应TDMA时间片图；

图9是本发明的节点流程框架图。

具体实施方式

无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络，它采用特别方式配置大量微型的智能传感节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。

节点由传感单元、数据处理单元、通信单元等组成，能完成数据采集、信号监测、传送信息或执行相关操作的任务。基站是一种特殊节点，并且具有与外部网络的接口，是连接节点所在无线网络与用户所在的外部网络的中介。

簇层次结构：考虑图3所示的局部网络结构，每一簇有一个簇首，它汇集簇成员的数据，数据融合后发送到基站或更上级的簇首。例如，节点2.1.1，2.1.2和2.1形成簇，且簇首为节点2.1。同样存在着其它诸如2.2等簇首。这些簇首，反过来形成一簇，且节点2为它们的簇首。因此，节点2也成为第二级簇首。这种格局是反复的形成一个簇等级层次，最高等级簇首直接向基站传输。基站形成等级层次的根结点，监控整个网络。

时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)：时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)。每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各节点的信号而不混扰。同时，基站发向多个节点的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各节点只要在指定的时隙内接收，就能在多路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

如图1所示，系统由多个节点、若干个基站、用户监控计算机组成。

节点放置于需要实时监控的区域，负责采集或传送监控区域信息，节点构架框图如图2，包括核心处理器、环境参量检测模块，无线通信模块，人机交互模块，现场执行模块。环境参量检测模块负责采集监控区域的信息，包括温度、湿度、入侵、烟火等状态信息。可选用0～+5V输入的集成温度、湿度传感器，连接到AD接口。同时可选用集成入侵、烟火探头，连接到IO接口。无线通信模块负责传送或转发节点之间信息，可以选用声表电子公司的FSK-2A与CZS-7搭建。人机交互模块提供人机交互接口，可以选用清达光电的1602液晶与普通按键搭建，当不需要人机交互时可不安装此模块。现场执行模块负责执行用户命令，如打开冷气操作等，可以选用L298等芯片搭建。当不需要执行相关操作时可不安装此模块。节点的核心处理器基于51内核，拥有8路AD接口、16路I/O接口，可以选用ATMEL公司的AT89C52等芯片搭建，可根据需要连接各种不同的传感器。

基站放置于监控区域边缘，负责汇集节点采集的信息到用户计算机或把用户计算机的命令传送到节点所在无线网络。基站构架框图如图3，基站是一种特殊的节点，与一般节点相似，只是省略了环境参量检测模块，增加了外部网络接口模块。外部网络接口模块用于与外部网络的接口，可以使用美信(maxim)公司的max232搭建。无线通信模块负责传送或转发节点之间信息，可以选用声表电子公司的FSK-2A与CZS-7模块搭建。人机交互模块提供人机交互接口，可以选用清达光电的1602液晶与普通按键搭建，当不需要人机交互时可不安装此模块。现场执行模块负责执行用户命令，如打开冷气操作等，可以选用L298等芯片搭建。当不需要执行相关操作时可不安装此模块。节点的核心处理器基于51内核，拥有8路AD接口、16路I/O接口，可以选用ATMEL公司的AT89C52等芯片搭建。

用户监控计算机放置于用户所在的监控室，提供监控信息的显示与报警，提供用户操作的界面。能实时显示某个节点所在监控区域的温度、湿度、入侵、烟火等状态信息；能随时操作冷气、通风、水泵、灯光等设备；能对节点监控时间间隔、监控参数等进行配置；能对系统网络类型、通信参数、报警参数等进行设置。

节点与节点、节点与基站之间采用无线通信交换信息，这里采用的是315MHz的无线收发频率；基站与用户监控计算机之间采用有线通信交换信息，这里采用的是RS232通信方式。

系统工作过程包括初始化、节点信息采集及现场操作、节点与基站交换信息、基站与用户计算机交换信息、用户计算机显示更新。当新的周期来临又重新开始一个新的过程。节点的工作流程如图9所示。

为了在系统上实现监控方法，主要包括以下步骤：

1)节点初始化：包括节点与基站的布置、节点ID与监控区域匹配、节点系统时间、监控时间间隔、监控环境参量选择、系统报警参数等。

在监控之前，需要先布置节点与基站。节点任意布置，但布置密度和安装地点可根据应用人为处理，节点ID必须与监控区域相匹配，如ID为002A的节点对应的监控区域为2号仓库A号点。基站可有多个，并且布置地点有利于信号采集。同时必须设定好节点的系统时间、节点监控时间间隔，监控时间间隔决定两次数据采集的时间间隔。环境参量选择指哪些信息是需要节点采集的，如温度采集、湿度不采集。系统报警参数指设置怎样的报警方式、报警的警戒线值。

这里，系统默认的监控环境参量为温度、湿度、入侵、烟火；监控时间间隔为1分钟；报警方式为支持现场报警与监控计算机报警。这些能在运行后通过用户监控计算机改变。

2)网络建立：包括簇层次网络结构的建立与TDMA时间表的建立。

①.基站为簇首的第一层簇层次网络结构的建立：

节点全部进入自动运行状态，基站开始广播“邀请”信息，节点接收到基站发出的“邀请”信息后基于竞争信道回复确认。这些节点可直接单跳到基站，称为一级节点。基站收到回复确认后，根据一级节点数量和监控时间间隔广播TDMA表，每个一级节点收到TDMA表后回复确认。

以如图6(a)的拓扑结构为例，节点A为基站，节点B、C、D、E为节点。基站A广播“邀请”信息，在A的通信覆盖范围内的B、C、D接收到“邀请”信息。B，C，D基于竞争信道回复确认。在无线接收器没有接收到其它节点发送的信息时，随机发送数据给基站。反之，当节点接收到其它节点数据时，说明信道被占用，停止发送，并等待随机时间发送。A收到B、C、D的确认后，根据监控时间间隔(如1分钟)和一级节点数量(3个)，广播TDMA时间表，每个时间片为60/3＝20s，且顺序为B、C、D。

②.其它层次簇层次网络结构的建立：

一级节点与基站建立好第一层簇结构后，一级节点在自己分得的TDMA时间段内广播“邀请”信息，与其它未成为一级节点的节点形成第二层簇结构与TDMA时间表。临近一级节点也可能收到某一级节点的“邀请”信息，但不加入这一级节点的二级节点，只加入临近节点列表。依次类推，最后会形成一个完整的簇结构，类似如图4所示。同时会形成一个完整的TDMA时间表，类似如图5所示。

以如图6(a)的拓扑结构为例，节点A为基站，且经过步骤①，节点B、C、D已经成为一级节点。节点B在自己的TDMA时间片段中广播“邀请”信息，节点E回复确认，加入B的下一级节点，同时B向其下一级节点广播TMDA时间表。而与B同级的C虽然接收到邀请，但不加入B的下一级节点，只把B加入临近节点列表。之后节点C在自己的TDMA时间片段中广播“邀请”信息，情况与B类似。经过①②步骤，会形成如图6(b)的层次结构。节点A为基站，节点B、C、D为一级节点，节点E为节点B的下一级节点，且节点B的临近节点有C；节点C的临近节点有B、D；节点D的临近节点有C。

3)环境监控过程：根据网络正常、网络部分中断、网络完全瘫痪的情况有不同的处理方式。

①.网络正常时：

节点根据自己的TDMA时间段与周围节点交换信息，包括监控状态信息和基站发回的命令。

节点TDMA时间表决定着节点信息采集及传输的顺序，当自动更新的系统时间与节点时节点TDMA时间表相一致时，当前节点可以进行信息采集及信息传输。

假设TDMA表顺序依次为B、C。信息交换顺序如下，B的下级节点根据节点B内的TDMA表([1-1.1]、[1-1.2]……)发监控状态给B，B回确认与命令；B与其下级节点交换完信息后，B汇集相关监控状态信息在[1-Base]时间段内给A，并接收A的确认和命令。等到节点C的时刻到来，C先与其下级节点按TDMA表([2-2.1]、[2-2.2]……)交换信息命令，之后在[2-Base]时间段内与基站交换信息。直至完成一次TDMA表，又从头开始。

②网络部分中断时：

当由于电能不足或干扰等因素造成传输覆盖范围变小，致使原来网络部分中断时，进行路由变换。

如图6(a)的拓扑结构在网络建立阶段形成图6(b)的层次结构。节点A为基站，节点B、C、D为一级节点，节点E为节点B的下一级节点，且节点B的临近节点有C，节点C的临近节点有B、D。若这些节点原先均在各自的覆盖范围之内，在信息监控阶段，信息传输过程如图7(a)。当由于电能不足或干扰等因素造成传输覆盖范围变小时，覆盖半径由原来的RB1变成RB2，如图7(b)。此时B已经不能直接与A通信。但此时B可从临节点列表中得知C，其可以通过C转发到达基站。节点B先按原计划发送状态信息给基站A，而基站A没收到，因而没有回复。节点B将信息发送给C(此时还在B的时间段内)，C将信息发送给基站；再将基站的确认和命令发回给B，如图7(b)。相应的时间片如图8(a)和8(b)。

③.网络彻底瘫痪时：

当网络瘫痪时，经过若干次路由变换，信息仍然没有传输到基站，那么节点无法收到基站的确认信息。这样，当超时计时器溢出时，节点启用智能自处理机制。

智能自处理机制是在节点启用前优化过的。默认处理方式简述如下：当某节点检测到入侵状况时，打开该节点附近所有现场灯光，同时开启现场入侵报警。当某节点检测到烟火状况时，打开该节点附近消防设备，同时开启现场烟火报警。当某节点检测到湿度过大时(警戒范围可之前人工设置)，打开该节点附近通风设备，同时开启现场湿度报警。当某节点检测到温度过高时(警戒范围可之前人工设置)，打开该节点附近冷气设备，同时开启现场温度报警。