CN102118432A - 面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统，所述系统的无线多媒体传感器装置通过组成网状、树状、星型或分簇的无线多媒体传感器网络，将采集到的野外环境的多媒体信息经过数据处理和融合，通过网关节点发送到监控总站；所述太阳能光伏发电装置通过实时监测蓄电池的电量，选择恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电的充电策略，并通过直流-直流变换电路为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供合适的电压。该系统设计成本低、功耗低、功能完善，能够适合于大量部署在野外环境中，并达到更好的覆盖度；同时该系统由太阳能电池供电，极大地缓解了在野外布置无线传感器网络能源受限的问题。

Description

面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，尤其涉及一种面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统。

背景技术

目前，无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)由于融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理和通信技术，成为一种全新的信息获取和处理技术，是当今世界新兴的技术之一。无线传感器网络技术具有自组织、自适应、以数据为中心、面向具体应用、体积小、成本低、监测区域广等优点，该技术已经在军事国防、生物医疗、环境监测、城市管理以及灾害预测等众多领域得到广泛应用。

而无线多媒体传感器网络技术是在传统无线传感器网络的基础上发展起来的，是具有视频、图像等多媒体信息感知能力的新型无线传感器网络，它不仅具有自组织、无人值守等传统无线传感器网络的特点，还与多媒体技术有机地结合起来，具有传输速度更快，网络能力更强，处理任务更复杂，感知媒体更丰富等特点。无线视频(图像)传输是无线传感器网络应用的一个新方向，随着无线传感器网络技术研究的深入及其众多应用领域所体现出来的优越性，关于无线多媒体传感器网络技术在面向野外生态监测领域的应用研究中，也受到了越来越多的科技工作者和专家的重视，成为当前研究热点。

无线多媒体传感器装置是无线多媒体传感器网络的硬件基础平台，开发面向野外生态监测的无线多媒体传感器装置是无线多媒体传感器网络技术推向实际应用的先决条件，但在现有技术中缺乏成熟完备的相关技术，造成该面向野外生态监测的应用不能得到很好推广。

发明内容

本发明实施例提供了一种面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统，该系统设计成本低、功耗低、功能完善，能够适合于大量部署在野外环境中，并达到更好的覆盖度；同时该系统由太阳能电池供电，极大地缓解了在野外布置无线传感器网络能源受限的问题。

本发明实施例提供了一种面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统，所述系统包括无线多媒体传感器装置和太阳能光伏发电装置，其中：

所述无线多媒体传感器装置通过组成网状、树状、星型或分簇的无线多媒体传感器网络，将采集到的野外环境的多媒体信息经过数据处理和融合，通过网关节点发送到监控总站；

所述太阳能光伏发电装置通过实时监测蓄电池的电量，选择恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电的充电策略，并通过DC-DC变换电路为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供合适的电压。

所述无线多媒体传感器装置进一步包括：

图像采集模块，用于采集野外环境的图像多媒体信息；

其他类型传感器接口模块，用于采集温度、湿度等其他类型的数据信息；

ZigBee无线模块，用于传输所述图像采集模块和所述其他类型传感器接口模块所采集到的数据信息；

节点控制器，用于协调控制所述图像采集模块、其他类型传感器接口模块和ZigBee无线模块的工作。

所述节点控制器通过内置集成电路总线、控制总线、数据总线和所述图像采集模块连接，通过异步接收/发送装置、模拟/数字接口和所述其他类型传感器接口模块相连，通过串行外设接口总线、控制总线和所述ZigBee无线模块连接。

所述太阳能光伏发电装置进一步包括：

太阳能电池板，用于给所述太阳能光伏发电装置的蓄电池进行充电；

Buck降压斩波电路，用于通过改变占空比PWM，改变所述太阳能电池板输出的电压和电流，以实现各种策略的充电；

电流电压采集电路，用于实时采集所述太阳能电池板的输出电压电流和所述蓄电池的充电电压电流；

充电控制器，用于实现所述太阳能光伏发电装置进行恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电各个阶段充电策略的闭环控制；

DC-DC变换电路，用于为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供5V、3.3V、24V的各种稳定电压；

门控输出电路，相当于开关，用于在所述系统的某个模块不需要供电的时候切断它的供电，以节省电能。

所述太阳能电池板通过所述Buck降压斩波电路与蓄电池连接，所述蓄电池再和所述DC-DC变换电路连接；

所述DC-DC变换电路为所述充电控制器提供稳定电压；

所述电流电压采集电路和所述充电控制器的模拟/数字接口相连；

所述Buck降压斩波电路和所述充电控制器的脉宽调制接口连接；

所述门控输出电路的控制端与所述充电控制器的输入/输出口相连接。

所述恒流、恒压和涓流充电采用PID控制、模糊控制算法；

所述最大功率点跟踪充电采用定电压跟踪法、扰动观察法、滞环比较法和模糊控制算法。

由上述所提供的技术方案可以看出，所述系统包括无线多媒体传感器装置和太阳能光伏发电装置，其中所述无线多媒体传感器装置通过组成网状、树状、星型或分簇的无线多媒体传感器网络，将采集到的野外环境的多媒体信息经过数据处理和融合，通过网关节点发送到监控总站；所述太阳能光伏发电装置通过实时监测蓄电池的电量，选择恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电的充电策略，并通过直流-直流变换电路为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供合适的电压。该系统设计成本低、功耗低、功能完善，能够适合于大量部署在野外环境中，并达到更好的覆盖度；同时该系统由太阳能电池供电，极大地缓解了在野外布置无线传感器网络能源受限的问题。

附图说明

图1为本发明实施例所提供无线多媒体传感器节点系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供太阳能光伏发电装置的充电过程流程示意图；

图3为本发明实施例所提供无线多媒体传感器装置中节点控制器的最小系统电路图；

图4为本发明实施例所提供无线多媒体传感器装置中图像采集模块的CMOS摄像头和其他类型传感器接口的电路示意图；

图5为本发明实施例所提供无线多媒体传感器装置中ZigBee无线模块的射频传输模块电路示意图；

图6为本发明实施例所提供太阳能光伏发电装置中充电控制器最小系统电路示意图；

图7为本发明实施例所提供太阳能光伏发电装置中Buck降压斩波电路示意图；

图8为本发明实施例所提供太阳能光伏发电装置中电流电压采集电路示意图；

图9为本发明实施例所提供太阳能光伏发电装置中DC-DC变换电路的电路示意图；

图10为本发明实施例所提供太阳能光伏发电装置中门控输出电路的电路示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统，该系统设计成本低、功耗低、功能完善，能够适合于大量部署在野外环境中，并达到更好的覆盖度；同时该系统由太阳能电池供电，极大地缓解了在野外布置无线传感器网络能源受限的问题。

为更好的描述本发明实施方式，现结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，如图1所示为本发明实施例所提供无线多媒体传感器系统的结构示意图，图1中所述系统包括两大部分，分别是无线多媒体传感器装置和太阳能光伏发电装置，其中：

无线多媒体传感器装置通过组成网状、树状、星型或分簇的无线多媒体传感器网络，将采集到的野外环境的多媒体信息经过数据处理和融合，通过网关节点发送到监控总站；

太阳能光伏发电装置通过实时监测蓄电池的电量，选择恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电的充电策略，并通过DC-DC变换电路为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供合适的电压。

进一步的，图1中的无线多媒体传感器装置还可以包括：

图像采集模块，用于采集野外环境的图像多媒体信息；

其他类型传感器接口模块，用于采集温度、湿度等其他类型的数据信息；

ZigBee无线模块，用于传输所述图像采集模块和所述其他类型传感器接口模块所采集到的数据信息，具体如图1中的射频传输模块。

节点控制器，用于协调控制所述图像采集模块、其他类型传感器接口模块和ZigBee无线模块的工作。

上述各个模块之间的连接方式为：节点控制器通过内置集成电路总线12C总线(Inter-Integrated Circuit)、控制总线、数据总线和所述图像采集模块连接，通过通用异步接收/发送装UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)、模拟/数字A/D(Analog-to-Digital)接口和所述其他类型传感器接口模块相连，通过串行外设接口总线SPI(Serial Peripheral Interface)、控制总线和所述ZigBee无线模块连接。

进一步的，图1中的太阳能光伏发电装置还可以包括：

太阳能电池板，用于给所述太阳能光伏发电装置的蓄电池进行充电；

Buck降压斩波电路，用于通过改变占空比PWM，改变所述太阳能电池板输出的电压和电流，以实现各种策略的充电；

电流电压采集电路，用于实时采集所述太阳能电池板的输出电压电流和所述蓄电池的充电电压电流；

充电控制器，用于实现所述太阳能光伏发电装置进行恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电各个阶段充电策略的闭环控制；

DC-DC变换电路，用于为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供5V、3.3V、24V的各种稳定电压；

门控输出电路，相当于开关，用于在所述系统的某个模块不需要供电的时候切断它的供电，以节省电能。

上述各个模块之间的连接方式为：太阳能电池板通过所述Buck降压斩波电路与蓄电池连接，所述蓄电池再和所述DC-DC变换电路连接；所述DC-DC变换电路为所述充电控制器提供稳定电压；所述电流电压采集电路和所述充电控制器的模拟数字接口相连；所述Buck降压斩波电路和所述充电控制器的脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)接口连接；所述门控输出电路的控制端与所述充电控制器的输入/输出口相连接。

另外，上述无线多媒体传感器装置采用监控主机主动请求、传感器节点被动响应的工作方式，具体来说：无线多媒体传感器装置收到监控主机发来的采集命令之后，采集一张图片，并对图片进行基于小波变换的压缩，然后转发到下一个路由节点，最终通过网关节点发回监控主机。

而上述太阳能光伏发电装置可以根据蓄电池的电量情况，采取4种策略的充电方法，分别是恒流充电、恒压充电、MPPT(最大功率点跟踪)充电和涓流充电；在各个阶段的充电中都是闭环控制的，其中恒流充电、恒压充电、涓流充电可采用(比例-积分-微分)PID控制、模糊控制等算法；MPPT充电可采用定电压跟踪法、扰动观察法、滞环比较法、模糊控制算法等。

下面以具体的实例来对上述无线多媒体传感器装置的工作处理和太阳能光伏发电装置的充电过程进行详细描述，无线多媒体传感器装置的具体工作过程为：

远程工作人员操作监控主机发送对野外环境信息的请求查询的命令，该命令通过互联网传送至路由器；路由器根据收到的命令查看路由表选择目的协调器，目的协调器对隶属于它的簇网络支路进行通讯广播，唤醒需要查询的簇的簇首，簇首再向本簇成员节点广播，激活休眠节点进行数据通讯，这里的各个节点即是无线多媒体传感器装置；然后节点采集图像信息，由于图像的数据量较大，所以节点必须要进行图像压缩后再发送，我们采用小波变换的方法进行压缩；簇首收到所有节点的数据后，进行数据合成处理，沿原路反馈给监控主机。

在上述过程中，如果未发现或者与目的网络协调器通讯失败，则丢掉该数据包并产生报告信息返回给监控主机存档；在系统中的绝大多数节点处在休眠状态，以节省能量，延长网络生存期。

如图2所示为太阳能光伏发电装置的充电过程流程示意图，具体充电过程中各个阶段的转换，根据电压升降的方向性应有一定的裕量。如电压在升高的时候，恒压充电和涓流充电的分界线定为向上穿过13.5V；电压在降低的时候，恒压充电和涓流充电的分界线定为向下穿过12.5V，其他的类似，具体如图2中：

当电池端电压U≥13.8V时，停止充电。

当电池端电压13.0V≤U≤13.8V时，涓流充电。

当电池端电压12.0V≤U≤13.0V时，恒压充电。

当电池端电压U≤12.0V时，且充电电流小于1.5A时MPPT充电。

当电池端电压U≤12.0V时，且充电电流大于1.5A时进行1.5A的恒流充电。

当电池端电压U＜10.0V时，切断对节点的供电。

上述各个阶段的充电中都是闭环控制的，其中恒流充电、恒压充电、涓流充电可采用PID控制、模糊控制等算法；MPPT充电可采用定电压跟踪法、扰动观察法、滞环比较法、模糊控制算法等。

下面在以具体的实例对上述系统中各主要模块的结构电路进行详细描述，在具体实现过程中：

图3为无线多媒体传感器装置中节点控制器的最小系统电路图；该节点控制器选择了Atmel公司的AT91SAM7x512，该芯片是基于ARM7TDMI，RISC的内核，工作频率48MHz，拥有512KB的Flash和128KB的SRAM，并且具有丰富的偏上外设比如SPI、TWI、UDP等，其独特的DMA(Direct Memory Access)使它在存取很大的数据量时更加快捷。

图4为无线多媒体传感器装置中图像采集模块的CMOS摄像头和其他类型传感器接口的电路示意图；该CMOS摄像头的传感器选择了美国OmniVision公司的OV7620，它是1/3英寸，30万像素CMOS彩色图像传感器芯片，该芯片将CMOS光感应核与外围辅助电路集成在一起，具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能。传感器芯片中使用的SCCB接口在功能及使用上和12C总线是兼容的，在输出数字视频流的同时还提供像素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC便于外部电路读取图像，并可编程设置HREF、VSYNC在图像局部开窗，输出窗口图像，图像数据通过16条数据线与主控制器相连。

其他类型的传感器选择了美国Decagon公司的土壤水分传感器EC-5、叶面湿度传感器，它们输出模拟量的信号接到ARM7的AD端口；温湿度传感器选用了瑞士Sensirion公司的温湿度一体化的传感器SHT11，它具有数字式输出、免调试、免标定、自动休眠及可完全浸没水中的特点，且数据输出形式是准12C，接到ARM7的12C接口；自动气象站作为风速风向等其他参量的采集器，数据输出为串口形式，接到ARM7的UART0。

图5为无线多媒体传感器装置中ZigBee无线模块的射频传输模块电路示意图；该射频传输模块选择了TI公司的CC2520加CC2591的组合。CC2520与CC2591只需要两根信号线和几根控制线，通过不同的控制命令可以控制该芯片工作在发送模式、低增益接收模式、高增益接受模式，可以实现无缝连接。

图6为太阳能光伏发电装置中充电控制器最小系统电路示意图；该充电控制器选用了TI的MSP430F147单片机，它是一种超低功耗的16位Flash单片机，其内部资源丰富，存储容量大，有32KB+256B的FLASH ROM以及1KB的RAM，6个I/O端口，一个精确的模拟比较器，2个具有捕捉/比较寄存器的定时器，片内看门狗定时器，2个串行通信接口和8个外部通道的12位高性能A/D转换器，具备系统内编程能力。其功耗在2.2V时为280μA/MIPS，待机响应时间＜6μs，MSP430工作电压VDD设定为3.3V。

图7为太阳能光伏发电装置中Buck降压斩波电路示意图；该Buck降压斩波电路采用了以P-MOSFET IRF7416为核心的Buck电路，主要用于通过改变PWM占空比，改变太阳能电池板输出的电压和电流，以实现各种策略的充电。太阳能电池板输出端并联法拉电容以保证太阳能电池输出电压平稳，8050和8550组成的图腾柱输出电路为IRF7417的驱动电路。

图8为太阳能光伏发电装置中电流电压采集电路示意图；其中：电压采集采用电阻分压的方法用AD采集；电流采集在电源线上串联了0.330hm/1W的采样电阻，然后通过差分LM324组成的10倍差分放大电路给充电控制器的AD口。另外，太阳能电池板的输出电压电流的测量采用相同电路。

图9为太阳能光伏发电装置中DC-DC变换电路的电路示意图；其中：

5V稳压电源采用了LM2596，它工作简单高效，具有3A的电流负载能力，输入电压范围大，为开关稳压芯片；LM2596的开关频率为固定的130KHZ，当输入为12v，输出为5v时，转换效率约为82％，为线性稳压器转换效率的一倍。

3.3V稳压电源选择德州仪器(TI)的TPS7333超低功耗超低压差单通道线性稳压器。TPS7333休眠状态时输出电压为0V，IO＝0.01μA；工作状态时输出电压为3.3V，最大输出电流2A。TPS7333通过一个内部比较器对稳压器输出电压的欠压情况进行监测，当系统处于欠压状态时RESET引脚将重启稳压器。通过TPS7333可将输入的直流电压调整为3.3V。

另外，系统采用MC34063AD作为12V/24V电压转换电路的DC-DC变换电路，将来自主升压降压电路的12V电压转换为红外线火焰探测器所需要的24V工作电压。MC34063AD内集成了振荡器，效率高且散热少，通常不需要外加散热装置。在MC34063AD外部接入电阻反馈电路，以得到所需电压输出，反馈电路中电阻的阻值可以根据DC-DC开关电源的电压变换公式计算出来。

图10为太阳能光伏发电装置中门控输出电路的电路示意图，该门控输出电路相当于开关，用于在所述系统的某个模块不需要供电的时候切断它的供电，以节省电能。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明实施例所提供的系统设计成本低、功耗低、功能完善，能够适合于大量部署在野外环境中，并达到更好的覆盖度；同时该系统由太阳能电池供电，极大地缓解了在野外布置无线传感器网络能源受限的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种面向野外生态监测的无线多媒体传感器节点系统，其特征在于，所述系统包括无线多媒体传感器装置和太阳能光伏发电装置，其中：

所述无线多媒体传感器装置通过组成网状、树状、星型或分簇的无线多媒体传感器网络，将采集到的野外环境的多媒体信息经过数据处理和融合，通过网关节点发送到监控总站；

所述太阳能光伏发电装置通过实时监测蓄电池的电量，选择恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电的充电策略，并通过直流-直流DC-DC变换电路为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供合适的电压。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线多媒体传感器装置进一步包括：

图像采集模块，用于采集野外环境的图像多媒体信息；

其他类型传感器接口模块，用于采集温度、湿度等其他类型的数据信息；

ZigBee无线模块，用于传输所述图像采集模块和所述其他类型传感器接口模块所采集到的数据信息；

节点控制器，用于协调控制所述图像采集模块、其他类型传感器接口模块和ZigBee无线模块的工作。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述节点控制器通过内置集成电路总线、控制总线、数据总线和所述图像采集模块连接，通过通用异步接收/发送装置、模拟/数字接口和所述其他类型传感器接口模块相连，通过串行外设接口总线、控制总线和所述ZigBee无线模块连接。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太阳能光伏发电装置进一步包括：

太阳能电池板，用于给所述太阳能光伏发电装置的蓄电池进行充电；

Buck降压斩波电路，用于通过改变占空比PWM，改变所述太阳能电池板输出的电压和电流，以实现各种策略的充电；

电流电压采集电路，用于实时采集所述太阳能电池板的输出电压电流和所述蓄电池的充电电压电流；

充电控制器，用于实现所述太阳能光伏发电装置进行恒压、恒流、最大功率点跟踪或涓流充电各个阶段充电策略的闭环控制；

DC-DC变换电路，用于为所述无线多媒体传感器装置的各个部分提供5V、3.3V、24V的各种稳定电压；

门控输出电路，相当于开关，用于在所述系统的某个模块不需要供电的时候切断它的供电，以节省电能。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述太阳能电池板通过所述Buck降压斩波电路与蓄电池连接，所述蓄电池再和所述DC-DC变换电路连接；

所述DC-DC变换电路为所述充电控制器提供稳定电压；

所述电流电压采集电路和所述充电控制器的模拟/数字接口相连；

所述Buck降压斩波电路和所述充电控制器的脉宽调制接口连接；

所述门控输出电路的控制端与所述充电控制器的输入/输出口相连接。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述恒流、恒压和涓流充电采用PID控制、模糊控制算法；

所述最大功率点跟踪充电采用定电压跟踪法、扰动观察法、滞环比较法和模糊控制算法。

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