一種基于ZigBee和GPRS網絡的自然災害監測系統及方法與流程

本發明涉及環境監測技術領域，具體涉及一種基于zigbee和gprs網絡的自然災害監測系統及方法。

背景技術：

我國是受自然災害危害最為嚴重的國家之一，每年都會有大量的自然環境由于突如其來的災害被破壞掉，而目前的技術手段仍舊比較傳統，主要依靠建立觀察點來進行預警和防范。這樣的手段效率低，災害發現和預警不及時，一般都是在災害發生或即將發生的情況下才產生作用。

目前的物理網環境信息采集網絡，有以手機信息采集為數據源的城市檢測網絡，但這方式只適用于人口密集的區域，大量的自然環境地區無法得到檢測。而現有的自然環境監測采用藍牙，wifi等方案的系統，功耗大、續航短，受供電的限制較大。而使用zigbee網絡的監測系統，也存在著網絡穩定性可靠性不佳，容易出故障等問題。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何設計一種可靠性高、穩定性強，適用于野外自然環境的自然災害監測系統及監測方法。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于zigbee和gprs網絡的自然災害監測系統，包括：由zigbee節點組成的zigbee環境監測網絡、由zigbee子網根節點和arm網關構成的網關數據處理平臺、遠程控制處理中心以及gprs網絡；

所述zigbee環境監測網絡包括路由節點和終端節點，所述路由節點是帶位置信息的固定節點，放置于預設的位置，所述終端節點是無位置信息的普通節點，位置根據三角定位法計算得出；所述路由節點和終端節點上均掛接傳感器，用于采集實時環境數據；所述zigbee環境監測網絡采用雙層樹形網絡結構，任一終端節點都和兩個或兩個以上路由節點連接，路由節點之間也有多條路徑連接，最終數據都匯集到zigbee子網根節點處，當任一終端節點或路由節點收發數據時，都至少有兩條物理路徑和zigbee子網根節點相通；每個zigbee子網根節點為中心，與對應的路由節點、終端節點組成一個zigbee子網，所述zigbee環境監測網絡對應多個zigbee子網，各zigbee子網的終端節點和路由節點上傳感器采集的實時環境數據都上傳到本zigbee子網的zigbee子網根節點；每個zigbee子網根據其自身信息在遠程控制處理中心都生成相應的位置分布圖和數據庫；

所述網關數據處理平臺中，每個arm網關連接多個zigbee子網根節點，arm網關用于將zigbee子網根節點接收到的實時環境數據再進行地址、協議轉換，冗余篩選和分包壓縮處理，以減少數據傳出量，再經所述gprs網絡傳到遠程控制處理中心；

所述遠程控制處理中心用于在接收到數據后，將數據存儲到對應的數據庫中，通過數據庫中的數據來判斷自然環境是否正常；所述遠程控制處理中心還用于發布指令到zigbee環境監測網絡，以控制zigbee環境監測網絡對數據的采集。

優選地，所述系統還包括電源模塊，用于給網關數據處理平臺供電。

本發明還提供了一種利用所述的系統進行自然災害監測的方法，包括以下步驟：

s1、按預設的位置布置路由節點，在任意位置布置終端節點，并按照雙層樹形網絡結構組網，形成zigbee環境監測網絡，然后根據三角定位法計算普通節點的位置，從而進行普通節點的定位；

s2、啟動zigbee環境監測網絡，以各個zigbee子網根節點為中心組成多個zigbee子網，各個zigbee子網根據其自身信息在程控制處理中生成相應的位置分布圖和數據庫；

s3、arm網關將zigbee子網根節點接收到的實時環境數據進行地址、協議轉換，冗余篩選和分包壓縮處理，以減少數據傳出量，再經所述gprs網絡傳到遠程控制處理中心；

s4、所述遠程控制處理中心在接收到數據后，將數據存儲到對應的數據庫中，通過數據庫中的數據來判斷自然環境是否正常，即是否發生或有可能發生自然災害。

優選地，所述數據庫的結構如下表所示：

其中，節點編號為唯一標識碼；節點屬性包括根節點、路由節點，終端節點；父節點為上級節點的編號，zigbee組網是動態的，不同時間點的父節點不同，zigbee子網中，只有根節點是沒有父節點的；位置是固定位置或根據三角定位法計算得到的位置；環境數據是傳感器采集的數據；時間戳是本次記錄的時間。

優選地，步驟s1中，對普通節點進行定位的方法為：測得普通節點相對于與其連接的三個固定節點的信號強度rssi值，再根據距離和信號衰減的公式得到普通節點與三個固定節點的距離，最后根據三角定位公式確定普通節點的位置。

(三)有益效果

本發明通過在zigbee網絡中采用雙樹形的拓撲結構，使得任意節點的數據傳輸擁有兩條以上的路徑，不再受制于關鍵節點的工作是否正常，是否能傳遞數據，增強了zigbee網絡的穩定性和可靠性。同時靈活的節點定位方式使得網絡的配置更加靈活，在保證位置準確性的同時提升了擴展網絡的便利程度，使得zigbee監測網絡可以方便快捷的擴展。本發明的系統可靠性高、穩定性強，適用于野外自然環境的自然災害監測。

附圖說明

圖1為本發明系統結構框圖；

圖2為本發明系統中zigbee環境監測網絡及其與zigbee子網根節點連接的拓撲結構圖；

圖3為本發明系統中網關數據處理平臺軟件結構框圖；

圖4為本發明方法中普通節點定位原理示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。

本發明提供了一種基于zigbee和gprs網絡的自然災害監測系統，包括：由zigbee節點組成的zigbee環境監測網絡、由zigbee子網根節點和arm網關構成的網關數據處理平臺、遠程控制處理中心以及gprs網絡；

所述zigbee環境監測網絡包括路由節點和終端節點，所述路由節點是帶位置信息的固定節點，放置于預設的位置，所述終端節點是無位置信息的普通節點，位置根據三角定位法計算得出，這樣的方式可以使節點的布置更靈活，不用把所有節點的位置都固定，在一定的范圍了布置少量的位置已知且固定的節點，其他節點通過三角定位的方式確定。所述路由節點和終端節點上均掛接傳感器，用于采集實時環境數據。

數據傳輸網絡拓撲一般分為星形、樹形和網狀形。星形網結構簡單，便于建網和管理，網絡延遲時間較小，傳輸誤差較低，但是成本高、可靠性較低、資源共享能力較差。網狀網絡系統可靠性高，容錯能力強。但是安裝復雜、不經濟，只有每個站點都要頻繁發送信息時才使用這種方法。樹形結構是分級的集中控制式網絡，一定程度上綜合了星形網和網狀網的優點，但除了葉節點及其相連的線路外，任一節點或其相連的線路故障也會使系統受到一定影響。為了克服數據傳輸可靠性不足的特點，所述zigbee環境監測網絡采用雙層樹形網絡結構，如圖2所示，任一終端節點都和兩個或兩個以上路由節點連接，路由節點之間也有多條路徑連接，最終數據都匯集到zigbee子網根節點處，當任一終端節點或路由節點收發數據時，都至少有兩條物理路徑和zigbee子網根節點相通，當中間某一節點失效后，系統仍能正常工作，保證了大多數節點和鏈路的數據傳輸可靠性；每個zigbee子網根節點為中心，與對應的路由節點、終端節點組成一個zigbee子網，所述zigbee環境監測網絡對應多個zigbee子網，各zigbee子網的終端節點和路由節點上傳感器采集的實時環境數據都上傳到本zigbee子網的zigbee子網根節點；每個zigbee子網根據其自身信息在遠程控制處理中心都生成相應的位置分布圖和數據庫；

所述網關數據處理平臺中，每個arm網關連接多個zigbee子網根節點，arm網關用于將zigbee子網根節點接收到的實時環境數據再進行地址、協議轉換，冗余篩選和分包壓縮處理，以減少數據傳出量，再經所述gprs網絡傳到遠程控制處理中心。

網關數據處理平臺中的子網根節點為zigbee子網絡的一部分，在整個子無線網絡中具有唯一性，一個子網中所有節點數據均發送給根節點，并由與其連接的arm處理器進行地址、協議轉換，冗余處理，分包壓縮后通過gprs發送給遠程控制處理中心。反之，gprs數據也需由網關進行地址、協議轉換后，才發送給zigbee網絡。總的來說，網關數據處理平臺是zigbee無線網絡與gprs網絡數據交換的中轉站。網關數據處理平臺采用模塊化分層設計方案，由硬件層、軟件支持層和應用層構成，采用arm9作為主控模塊。

圖3所示為網關數據處理平臺，其中硬件層描述了網關的硬件實現；軟件層移植uc/os—ii實時操作系統內核、zigbee和嵌入式tcp/lp協議棧lwip，實現了zigbee和tcp/ip協議的雙向透明轉換，同時封裝一些關鍵api函數供應用層程序調用；應用層運行的是用戶編寫的應用程序，用戶可以根據實際需要使用下層定義的api自行擴充相關應用。

所述遠程控制處理中心用于在接收到數據后，將數據存儲到對應的數據庫中，通過數據庫中的數據來判斷自然環境是否正常；所述遠程控制處理中心還用于發布指令到zigbee環境監測網絡，以控制zigbee環境監測網絡對數據的采集。遠程控制處理中心還可根據具體應用進行預警和報警。其中對zigbee子網的位置分布圖繪制采用雙線性差值算法進行。以溫度分布為例，先把各個測量點的位置所測出的溫度進行標注，在x方向上用插值的運算，再在y方向上進行插值，如果對于同一個點有兩個方向的插值且結果不同，則取平均值。

所述系統還包括電源模塊，用于給網關數據處理平臺供電。在整個系統中，zigbee環境監測網絡的節點耗電很低，普通鋰電池即可有半年的續航時間，電源模塊主要負責給網關數據處理平臺供電。電源模塊的能源以太陽能供電為主，利用pwm控制電路，單片機電壓采樣等現有方式將太陽能電池板產生的電路整合為網關數據處理平臺所需要的電壓，并搭配電池提供蓄電功能，在夜晚和陰雨天能正常供電。

本發明還提供了一種利用所述的系統進行自然災害監測的方法，包括以下步驟：

s1、按預設的位置布置路由節點，在任意位置布置終端節點，并按照雙層樹形網絡結構組網，形成zigbee環境監測網絡，然后根據三角定位法計算普通節點的位置，從而進行普通節點的定位；

如圖4所示，對普通節點進行定位的方法為：測得普通節點相對于與其連接的三個固定節點的信號強度rssi值，再根據距離和信號衰減的公式得到普通節點與三個固定節點的距離，最后根據三角定位公式確定普通節點的位置。

s2、啟動zigbee環境監測網絡，以各個zigbee子網根節點為中心組成多個zigbee子網，各個zigbee子網根據其自身信息在程控制處理中生成相應的位置分布圖和數據庫；

所述數據庫的結構如下表所示：

其中，節點編號為唯一標識碼；節點屬性包括根節點(0)、路由節點(1)，終端節點(2)；父節點為上級節點的編號，zigbee組網是動態的，不同時間點的父節點不同，zigbee子網中，只有根節點是沒有父節點的；位置是固定位置或根據三角定位法計算得到的位置；環境數據是傳感器采集的數據；時間戳是本次記錄的時間。

s3、arm網關將zigbee子網根節點接收到的實時環境數據進行地址、協議轉換，冗余篩選和分包壓縮處理，以減少數據傳出量，再經所述gprs網絡傳到遠程控制處理中心；

s4、所述遠程控制處理中心在接收到數據后，將數據存儲到對應的數據庫中，遠程控制處理中心軟件可根據用戶需求對數據進行調用，對數據進行分析處理以及進行可視化圖像呈現，即可通過數據庫中的數據來判斷自然環境是否正常，即是否發生或有可能發生自然災害。

本發明采用的自然災害監測系統，可以在更大的自然環境中進行多參數的監測，穩定性更佳，需人為干預的條件更少，不需要在后期維護階段提供大量的人力物力。監測網絡組網更加靈活，不僅可以對靜態環境做監測，還可以對環境中的動物的活動，習性等做到有效監控，為科學研究提供更詳盡的數據。系統在一定程度上可以獨立存在，監測范圍可由小到大隨意擴展，避免了對基礎設施的依賴和前期的大量投入，讓整個監測的起步和發展更加容易實現。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。