專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 它與地下生態(tài)水物理參數(shù)中的重要參數(shù)一地下生態(tài)水水位密切相關，屬于農業(yè)與生態(tài)學以及物聯(lián)網(wǎng)應用技術領域。
(二)技術背景地下生態(tài)水物理參數(shù)中的重要參數(shù)——地下生態(tài)水水位是反映地區(qū)生態(tài)狀況的重要指標，地下生態(tài)水水位信息的變化將直接造成該地區(qū)的其他生態(tài)參數(shù)的變化，影響該地區(qū)的農作物及其它植被的生長。不僅如此，地震、洪水等自然災害都會引起地下生態(tài)水水位的變化。因此，準確、及時地觀測地下生態(tài)水水位的變化，成為生態(tài)研究、農業(yè)發(fā)展、政府決策的迫切需要。地下生態(tài)水水位的測量通常是通過在被測區(qū)域范圍內分布眾多井口直徑為330mm 的細眼井，通過記錄細眼井的水位信息對地下生態(tài)水水位進行觀測。地下生態(tài)水水位的觀測方法在不斷地革新、進步。最早是通過人工逐一對各個細眼井內放置標尺進行測量，通過測量井口到液面的距離，進一步計算地下生態(tài)水水位。由于細眼井分布范圍廣，數(shù)量又非常多，此方法，需要投入大量的人力、物力，進行數(shù)據(jù)的采集以及細眼井的維護。而且，由于手工逐點測量，數(shù)據(jù)精度不高、數(shù)據(jù)無法做到同步采集。隨著嵌入式技術和傳感器技術的發(fā)展，通過傳感器來檢測地下生態(tài)水水位成為了主要的檢測方法，這種地下生態(tài)水水位測量方案是工作人員操作一套地下生態(tài)水水位檢測儀器，逐一細眼井進行數(shù)據(jù)采集，然后儀器將采集數(shù)據(jù)記錄到自帶的存儲器中，再通過人工進行數(shù)據(jù)的匯總。此類地下生態(tài)水水位檢測儀器產品種類較多，大多是通過下放線纜遇到水面報警，然后記錄線纜長度的方法進行水位的檢測，例如由東西儀(北京)科技有限公司開發(fā)的型號為wi55853的地下水位探測儀。這類地下生態(tài)水水位測量儀器雖然提高了測量的精度，但是仍然存在以下不足首先仍然需要工人對各個井眼逐一進行數(shù)據(jù)采集；其次，由于需要較長的線纜放入井中，造成儀器的成本較高；再次，這種儀器的體積較大，不利于運輸。而且，這種方案并沒有實現(xiàn)各個井眼同步進行數(shù)據(jù)采集。本實用新型對上述的地下生態(tài)水水位檢測儀器方案進行改進，針對細眼井水位測量中實際存在問題，給出新的解決方案。主要解決以下幾個問題1、進一步提高數(shù)據(jù)采集的精確度；2、實現(xiàn)無線傳輸，不需要工人逐一井眼進行測量；3、降低儀器的成本和體積，使儀器多點布設成為可能；4、實現(xiàn)同步的地下生態(tài)水水位采集。

實用新型內容1、目的針對以往地下生態(tài)水水位測量儀器存在的一些不足，本實用新型的目的是提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置，該裝置具有體積小、成本低、無人值守情況下長時間工作、數(shù)據(jù)定時自動獲取、多數(shù)據(jù)源同步采集、無線方式傳輸、適應細眼井潮濕的工作環(huán)境等特點。它減少了地下生態(tài)水水位檢測投入的人力物力，同時提高地下生態(tài)水水位檢測的精確度和時間同步性。2、技術方案為達到上述目的，本實用新型采用如下的技術方案本實用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置，它包括傳感器固定器、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)通信裝置、通信線纜、短信匯聚及命令下達裝置和數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器，它們之間的位置連接關系是數(shù)據(jù)通信裝置安裝在傳感器固定器上，傳感器固定器上的線軸及把手固定在十字固定架上的中心位置，通信線纜纏繞在線軸之上并穿過十字固定架中心圓孔連接數(shù)據(jù)采集裝置后垂直懸掛于被測井中，數(shù)據(jù)采集裝置懸掛于通信線纜末端。該通信線纜在垂直方向上通過線軸及把手旋轉可以進行上下調節(jié)；短信匯聚及命令下達裝置通過串口通信與控制PC機相連接，控制PC機與數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器相連接。所述傳感器固定器(圖1、圖2所示)是由十字固定架、數(shù)據(jù)通信裝置固定架、線軸及把手三部分組成，其間關系是數(shù)據(jù)通信裝置固定架通過螺釘固定在十字固定架上，線軸及把手固定在十字固定架上中心處，通信線纜通過十字固定架中心的通孔垂直放下；該十字固定架是由高強度抗腐蝕材料制作，垂直十字交叉結構，其四角具有固定螺孔，中心處留有用于垂放通信線纜的通孔；該數(shù)據(jù)通信裝置固定架由抗腐蝕材料制成，為方形帶蓋子結構，用螺絲固定在十字固定架上；線軸及把手安裝于十字固定架中心位置，搖動把手帶動線軸的旋轉，控制數(shù)據(jù)采集裝置的升降。該線軸是管狀件，該把手是丁字形件。所述數(shù)據(jù)采集裝置(如圖3所示)是由超聲波測距傳感器、指示燈和接線端子組成，其間關系是超聲波測距傳感器進行數(shù)據(jù)采集通過接線端子的電平信號變化傳遞距離信息，通過指示燈來表示超聲波測距傳感器的工作狀態(tài)，并彼此相互連接；該超聲波測距傳感器具有單探頭采集及良好的防水性能；通過計算超聲波的飛行時間來計算細眼井液面距井口的距離；該指示燈按需要選用市購產品；該接線端子選用引腳間距為2. 54mm的彎角排線；數(shù)據(jù)采集裝置的供電系統(tǒng)及信號傳遞均通過通信線纜與數(shù)據(jù)通信裝置相連接。數(shù)據(jù)采集裝置的接口方式采用4線式接口 1、供電電壓(5V) ；2、TIGER(觸發(fā)電平，高電平有效， 開始進行數(shù)據(jù)采集)；3、TIM(通過該引腳返回高電平，計算超聲波信號飛行時間)；4、接地 (GND)；(如圖4所示)。數(shù)據(jù)采集裝置采用單頭發(fā)/收模式，其超聲波測距傳感器采用防水封裝，同時在其內部灌入絕緣膠，增加其防水、防潮的能力。所述數(shù)據(jù)通信裝置(如圖7所示)是整套系統(tǒng)的核心部分，它是由CPU8051內核處理器、GPRS通信模塊、實時時鐘模塊、電源穩(wěn)壓模塊、電源轉換模塊、SIM卡槽、電源模塊、 連接溫度傳感器接口、燒寫程序接口、電壓檢測及指示燈輔助電路、超聲波測距傳感器接口及電平轉化芯片組成。其間關系是電源模塊提供5V電壓；通過電源穩(wěn)壓模塊生成一路穩(wěn)定的5V電壓，再通過電源轉換模塊產生一路穩(wěn)定的3. 3V電壓。其中5V電壓為數(shù)據(jù)采集裝置和GPRS通信模塊供電，而3. 3V電壓為CPU8051內核處理器、實時時鐘模塊等部分提供電能。預留出的接口與數(shù)據(jù)采集裝置相連接，數(shù)據(jù)采集裝置的采樣信號由CPU8051內核處理器進行處理，再由GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器端發(fā)出。數(shù)據(jù)通信裝置一方面負責記錄由數(shù)據(jù)采集裝置傳遞回來的高電平的時間長度，并且將其計算成為距離值。另一方面，將距離值及時間信息、節(jié)點信息等一同發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器。數(shù)據(jù)通信裝置配備實時時鐘模塊，可以實現(xiàn)各個設備之間的時間同步，以達到各個井眼同步進行數(shù)據(jù)采集的需求。考慮到超聲波會受到溫度的影響，數(shù)據(jù)通信裝置要利用溫度傳感器進行溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集，對距離信息進行補償。該SIM卡槽是與SIM300 相配套的卡槽；該連接溫度傳感器接口是間距為2. 54mm的4線制跳線；該燒寫程序接口是通用的JTAG接口 ；該電壓檢測及指示燈輔助電路是通過軟件來控制連接于DIO 口的LED指示燈，監(jiān)控通信裝置的工作狀態(tài)。所述通信線纜是屏蔽的4芯線纜。所述短信匯聚及命令下達裝置使用的是短信貓產品，其型號為F1003 GSM MODEM, 此市購產品包括以下接口 標準RS232串口，串口速率110 230400bits/s ；指示燈具有電源、工作狀態(tài)及在線指示燈；天線接口 標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐；SIM卡接口 3V/1.8V標準的推桿式用戶卡接口 ；電源接口 標準的3芯火車頭電源插座。此設備需要外接電源DC12V/500mA，內部具有工業(yè)級的高性能GSM模塊，完全可以滿足本實用新型的使用需要。其使用工作環(huán)境如下所述工作環(huán)境溫度-25 +65°C;儲存溫度-40 +85°C; 相對濕度95% (無凝結)。本實用新型，利用短信貓產品實現(xiàn)命令信息的下達及各個井眼采集數(shù)據(jù)的回收。命令信息下達過程是計算機通過RS3232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給短信貓產品， 再由短信貓產品將數(shù)據(jù)轉成基于中國移動網(wǎng)絡進行傳輸?shù)男盘?，通過中國移動網(wǎng)絡發(fā)送給布設于各個井眼的數(shù)據(jù)通信裝置，數(shù)據(jù)端通信裝置或數(shù)據(jù)采集裝置進行配置。采集數(shù)據(jù)上傳過程首先由數(shù)據(jù)采集裝置通過連接電纜將采集量發(fā)送給數(shù)據(jù)通信裝置，數(shù)據(jù)通信裝置將數(shù)據(jù)轉化成基于中國移動網(wǎng)絡進行傳輸?shù)男盘柊l(fā)送至短信貓產品，再通過RS3232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制計算機。由控制計算機將數(shù)據(jù)轉存至數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器。所述數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器是由型號為IBM X3100 M3的數(shù)據(jù)服務器及型號為DELL 0PTIPLEX 360的控制PC機組成，控制PC機與數(shù)據(jù)服務器通過光纖線纜連接，它將發(fā)送回來的數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器進行分析匯總，計算得到被測區(qū)域的地下生態(tài)水水位信息，同時此信息通過網(wǎng)頁進行發(fā)布，方便此信息的需求方進行數(shù)據(jù)的查看和下載。其中，該超聲波測距傳感器的型號是DYP-ME007A1 ；其中，該CPU8051內核處理器的型號是MC9S08QE32 ；其中，該溫度傳感器的型號是SE95 ；其中，該GPRS通信模塊的型號是SIM300 ；其中，該實時時鐘電路采用的是型號為PCF8563芯片其中，該電源模塊是自制鋰電電池包；其中，電源穩(wěn)壓模塊的型號是MAX1727 ；其中，該電源轉換模塊的型號是NCP511 ；其中，該電平轉換芯片的型號是MAX706。3、優(yōu)點及功效本實用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置，其主要有以下優(yōu)點1、利用成熟的GSM網(wǎng)絡進行通信，使得數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，同時大大降低了人力物力的投入。2、低能耗的設計，使得在蓄電池的支持下，設備可以在無人值守的情況下長時間工作。3、低成本，選用超聲波傳感器，其性能在保證測量精度的同時，大大降低了設備的開發(fā)成本。4、將無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)相連接，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地對地下生態(tài)水水位的實時情況進行觀察，下達指令控制整套系統(tǒng)。5、實現(xiàn)了地下生態(tài)水水位的同步采集，可以及時的觀測地下生態(tài)水水位的變化情況。

圖1本實用新型可調整的傳感器固定器俯視圖圖2本實用新型可調整的傳感器固定器左視圖圖3本實用新型的數(shù)據(jù)采集裝置示意圖圖4本實用新型的超聲波測距模塊電路連接圖圖5 GSM模塊電路連接圖圖6實時時鐘部分電路連接圖圖7本實用新型的數(shù)據(jù)通信裝置示意圖圖8本實用新型的總體結構示意圖圖中符號說明如下1十字固定架；2線軸及把手；3數(shù)據(jù)通信裝置固定架；4通信線纜；5指示燈；6 接線端子；7超聲波測距傳感器；8傳感器固定器；9數(shù)據(jù)通信裝置；10短信匯聚及命令下達裝置；11串口通信；12 GPRS通信；13數(shù)據(jù)采集裝置；14數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器。
具體實施方式
見圖8，本實用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置，它包括傳感器固定器8、數(shù)據(jù)采集裝置13、數(shù)據(jù)通信裝置9、通信線纜4、短信匯聚及命令下達裝置10和數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器14，它們之間的位置連接關系是數(shù)據(jù)通信裝置9安裝在傳感器固定器8上，傳感器固定器8上的線軸及把手2固定在十字固定架1上的中心位置，通信線纜4纏繞在線軸之上并穿過十字固定架1中心圓孔連接數(shù)據(jù)采集裝置 13后垂直懸掛于被測井中，數(shù)據(jù)采集裝置13懸掛于通信線纜4末端。該通信線纜4在垂直方向上通過線軸及把手2旋轉可以進行上下調節(jié)；短信匯聚及命令下達裝置10通過串口通信11與控制PC機相連接，控制PC機與數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器14相連接。見圖1、圖2所示，所述傳感器固定器8是由十字固定架1、數(shù)據(jù)通信裝置固定架3、 線軸及把手2三部分組成，其間關系是數(shù)據(jù)通信裝置固定架3通過螺釘固定在十字固定架 1上，線軸及把手2固定在十字固定架1上中心處，通信線纜4通過十字固定架1中心的通孔垂直放下；該十字固定架1是由高強度抗腐蝕材料制作，垂直十字交叉結構，其四角具有固定螺孔，中心處留有用于垂放通信線纜4的通孔；該數(shù)據(jù)通信裝置固定架3由抗腐蝕材料制成，為方形帶蓋子結構，用螺絲固定在十字固定架1上；線軸及把手2安裝于十字固定架 1中心位置，搖動把手帶動線軸的旋轉，控制數(shù)據(jù)采集裝置13的升降。該線軸是管狀件，該把手是丁字形件。見圖3所示，所述數(shù)據(jù)采集裝13是由超聲波測距傳感器7、指示燈5和接線端子 6組成，其間關系是超聲波測距傳感器7進行數(shù)據(jù)采集通過接線端子6的電平信號變化傳遞距離信息，通過指示燈5來表示超聲波測距傳感器7的工作狀態(tài)；該超聲波測距傳感器7 具有單探頭采集及良好的防水性能；通過計算超聲波的飛行時間來計算細眼井液面距井口的距離；該指示燈5按需要選用市購產品；該接線端子6選用引腳間距為2. 54mm的彎角排線；數(shù)據(jù)采集裝置13的供電系統(tǒng)及信號傳遞均通過通信線纜4與數(shù)據(jù)通信裝置9相連接。數(shù)據(jù)采集裝置13的接口方式采用4線式接口 1、供電電壓(5V) ；2、TIGER(觸發(fā)電平，高電平有效，開始進行數(shù)據(jù)采集)；3、信號計時引腳(TIM)(通過該引腳返回高電平，計算超聲波信號飛行時間)；4、接地；(如圖4所示)。數(shù)據(jù)采集裝置采用單頭發(fā)/收模式，其超聲波測距傳感器采用防水封裝，同時在其內部灌入絕緣膠，增加其防水、防潮的能力。見圖7所示，所述數(shù)據(jù)通信裝置9是整套系統(tǒng)的核心部分，它是由CPU8051內核處理器、GPRS通信模塊、實時時鐘模塊、電源穩(wěn)壓模塊、電源轉換模塊、SIM卡槽、電源模塊、連接溫度傳感器接口、燒寫程序接口、電壓檢測及指示燈輔助電路、超聲波測距傳感器接口及電平轉化芯片組成。。圖5是GPRS模塊電路連接圖，圖6是實時時鐘模塊電路連接圖。硬件系統(tǒng)詳細資料如下其中CPU8051內核處理器使用的是MC9S08QE32，其具體參數(shù)如下所示 工作電壓 2. 4V-3. 6V 工作溫度-40 V -85 0C ·高達50MHz的CPU內核/25MHz總線速率· 128Kb閃存存儲器· 256/512/lKb/2Kb/4Kb/6Kb/8Kb 隨機存取存儲器(RAM) 環(huán)路控制振蕩器 單線后臺調試接口(DBM) 從停止(Stop)模式快速啟動(6 μ S)眷 Flash 編程電壓 1. 8V 至 3. 6V 靈活的時鐘模塊 多達M通道，12位低功耗模數(shù)轉換器(ADC 高精度內部時鐘(ICS)· 2 個串行通信接口(SCI/UART)· 2個串行外設接口(SPI)· 2 個 I2C 總線· 70個通用輸入/輸出端口(GPIO)· 16個鍵盤中斷引腳其中采用的GPRS模塊為SIM300模塊，其特征如下所示 工作電壓3. 4-4. 5V，電壓低于3. 4v，模塊可能自動關閉 低功耗模式休眠模式下，工作電流典型值為2. 5mA參工作頻段:SIM300 具有三個頻段EGSM900、DCS1800、PCS1900?！?GSM類型小型移動基站(MS) 發(fā)射功率在頻率 EGSM900 CLASS4 下 2W ；在頻率 DCS1800 和 PCS1900 CLASSl 下IW· GPRS連接GPRS多時隙10級；GPRS移動電臺B級 工作溫度正常工作溫度-22 V -+55 V ；極限工作溫度_25 V —20 V， +550C -+700C ；存儲溫度-40°C -+80°C ；· GPRS數(shù)據(jù)傳輸GPRS下行數(shù)據(jù)傳輸最大85. 6kbps ；GPRS上行數(shù)據(jù)傳輸最大 42. 8kbps ；編碼方案CS-1，CS-2，CS_3，CS-4 ；SIM300支持PAP (密碼驗證)協(xié)議，此協(xié)議通常用于PPP ；SIM300集成了 TCP/IP協(xié)議 電路交換數(shù)據(jù)(CSD)支持分組廣播控制信道(PBCCH)；電路交換數(shù)據(jù)傳輸速率2. 4，4. 8，9. 6，14. 4kbps,非透明傳輸；支持非結構化補充數(shù)據(jù)業(yè)務(USSD) 短消息支持點到點短消息移動發(fā)送和接受、文本、PDU模式；短消息存儲于SIM 卡中；支持CSD和GPRS模式的短消息發(fā)送，用戶可以根據(jù)自己的需要來選擇傳輸模式； 傳真Group 3 Class 1· SIM接口 支持1. 8V和3V兩種類型的SIM卡 外界天線通過50 Ω的天線連接器或天線連接板連接 音頻特性語音編碼模式半速率(ETS06. 02)；全速率(ETS06. 10)；增強型全速率(ETS06. 50/06. 60/06. 80)；同波抑制 雙串行通信接口 串口 1的接口具有7根數(shù)據(jù)、狀態(tài)線；串口 1可以被用作CSD 傳真、GPRS服務和發(fā)送控制模塊AT命令；串口 1可以使用多路復用功能，但是此時不能和串口 2同時使用；可支持的自動波特率為1200bps-115200bps ；串口 2的接口只有/TXD和 /RXD兩根數(shù)據(jù)線，沒有狀態(tài)和控制線；串口 2只能用來傳輸AT命令；其中使用的超聲波測距傳感器模塊為防水的超聲波模塊DYP-ME007A1，其具體參數(shù)如下所示 工作電壓DC5V 工作電流20mA 工作頻率40KHz 最遠射程3. 5m 最近射程20cm 輸出信號高電平5V 分辨率約Icm眷模塊尺寸34mm*43mm其中使用的溫度傳感器為SE95，其具體特性如下 器件可以完全取代工業(yè)標準的LM75和LM75A 單個器件的電源范圍可超出2. 8V 5. 5V的范圍 具有I2C總線接口，同一總線上可連接多達8個器件，速率為400kHz 電源電壓范圍2. 8V 5. 5V 環(huán)境溫度范圍_55°C +125°C 提供0. 03125°C的精度的13位ADC· -25°C +100°C溫度精度為士 1°C 可編程溫度閾值和滯后設定點 為了減低功耗，關斷模式下消耗的電流僅為0. 7μ A 上電時器件可用作一個獨立的溫度控制器· ESD 保護在 JESD22-A114 標準下，可以通過 1000V HBM 模式；在 JESD22-A115 標準下，可以通過150V匪模式 在JEDEC標準下(JESD78)所做的閂鎖測試可達IOOmA 小型 8 腳封裝S08、TSS0P8 (MS0P8)
9[0095]其中使用的實時時鐘芯片是PCF8563，其具體參數(shù)為 晶振為 32. 768KHZ 工作電壓 1. 0-5. 5V 工作電流 0.25uA 支持 I2C 接口其中使用的串口電平轉化芯片為MAX706，其具體參數(shù)如下 滿足 EIA/TIA-232-F 標準 工作電壓為+3. OV到+5. 5V 滿載最小數(shù)據(jù)速率120Kbps· IuA的低功耗關斷模式，接收器(SP3222E)有效 可與RS-232共同使用，電源低至+2. 7V 增強型ESD規(guī)范士 15kV人體放電模式；士 15kV IEC1000_4_2氣隙放電； 士 8kVIEC1000-4-2 接觸放電本實用新型檢測地下生態(tài)水水位所使用的物理信號是超聲波信號，利用超聲波進行距離測量的原理如下所述超聲波測距傳感器發(fā)出一個超聲波信號，同時CPU計數(shù)器開始進行計數(shù)，發(fā)出的超聲波碰到阻礙返回，當超聲波測距傳感器收到返回的超聲波信號時， CPU計數(shù)器停止計數(shù)，根據(jù)CPU的晶振頻率，計數(shù)出超聲波信號飛行的時間，飛行時間的一半乘以在特定溫度下超聲波的飛行速度可以計算出距離值。其公式如下所示S = (η X Osc X Vt)/2其中S——表示被測的距離；η——表示計數(shù)次數(shù)；Osc——表示晶振頻率的倒數(shù)；Vt——表示在特定溫度下超聲波的飛行速度；在不同的溫度下，超聲波的飛行速度是不同的，因此為了保證測試的準確，我們需要對環(huán)境溫度進行采集，對超聲波的速度進行溫度補償，其補償公式如下所示Vt = V0+0. 607 X T其中Vt——表示在T°C下超聲波的速度(m/s)V0——表示在0°C下超聲波的速度，為332m/sT——環(huán)境溫度(°C )基于以上的理論的支撐，可以準確的對地下生態(tài)水水位進行測量，下面介紹整個系統(tǒng)的工作過程超聲波測距傳感器位置，據(jù)液面的距離范圍在30cm-300cm之間，此為該傳感器的有效測量范圍。安裝完成后，對數(shù)據(jù)通信裝置9上電，數(shù)據(jù)通信裝置9首先進行各部分模塊的初始化，檢測各部分模塊的工作是否正常，首次啟動，自動加入GSM網(wǎng)絡，向PC控制端發(fā)送自己的ID號，PC控制端確認收到ID返回時間數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集時間間隔、一次數(shù)據(jù)采集次數(shù)及確認連接成功等信息。數(shù)據(jù)通信裝置9將配置完成的信息再次發(fā)給PC控制端，PC控制端對數(shù)據(jù)配置準確性進行確認。完成數(shù)據(jù)采集節(jié)點的初次配置。數(shù)據(jù)通信裝置9進入正常工作狀態(tài)，根據(jù)設定的數(shù)據(jù)采集時間間隔進行數(shù)據(jù)的采集。完成一次數(shù)據(jù)采集，進入深度休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下進行計時，當達到時間間隔，數(shù)據(jù)采集節(jié)點重新啟動，進行數(shù)據(jù)的采集及傳輸。發(fā)送的數(shù)據(jù)包括自己的ID、采集時間、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、以及補償過的距離數(shù)據(jù)。發(fā)送的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡，發(fā)送至短信匯聚及命令下達裝置10，由此轉存至數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器14。在數(shù)據(jù)庫中，已經記錄了各個細眼井的具體的海拔高度。 將采集回來的各個液面距離井口的數(shù)據(jù)，與細眼井的海拔數(shù)據(jù)進行計算，得到地下水相對于海平面的水位高度。之后數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器14自動按時間間隔對數(shù)據(jù)進行處理并且發(fā)布到web進行數(shù)據(jù)展示。本實用新型在以往地下水水位檢測方案的基礎上，提出新的方法采用超聲波測距傳感器進行測距、采用GSM網(wǎng)絡進行信息傳遞。大大降低了儀器的體積和成本；實現(xiàn)可以在無人值守的情況下各個井眼同步、自動進行信息的采集和傳遞；進一步提高了地下生態(tài)水水位檢測的精度。
1權利要求1.基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置，其特征在于它包括傳感器固定器、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)通信裝置、通信線纜、短信匯聚及命令下達裝置和數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器，數(shù)據(jù)通信裝置安裝在傳感器固定器上，傳感器固定器上的線軸及把手固定在十字固定架上的中心位置，通信線纜纏繞在線軸之上并穿過十字固定架中心圓孔連接數(shù)據(jù)采集裝置后垂直懸掛于被測井中，數(shù)據(jù)采集裝置懸掛于通信線纜末端；短信匯聚及命令下達裝置通過串口通信與控制PC機相連接，控制PC機與數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器相連接；所述傳感器固定器是由十字固定架、數(shù)據(jù)通信裝置固定架、線軸及把手三部分組成， 數(shù)據(jù)通信裝置固定架通過螺釘固定在十字固定架上，線軸及把手固定在十字固定架上中心處，通信線纜通過十字固定架中心的通孔垂直放下；該十字固定架是垂直十字交叉結構，其四角設有固定螺孔，中心處留有通孔；該數(shù)據(jù)通信裝置固定架為方形帶蓋子結構，用螺絲固定在十字固定架上；線軸及把手安裝于十字固定架中心位置，該線軸是管狀件，該把手是丁字形件；所述數(shù)據(jù)采集裝置是由超聲波測距傳感器、指示燈和接線端子組成，超聲波測距傳感器進行數(shù)據(jù)采集通過接線端子的電平信號變化傳遞距離信息，通過指示燈來表示超聲波測距傳感器的工作狀態(tài)并彼此相互連接；該超聲波測距傳感器具有單探頭采集通過計算超聲波的飛行時間來計算細眼井液面距井口的距離；該接線端子選用引腳間距為2. 54mm的彎角排線；數(shù)據(jù)采集裝置的供電系統(tǒng)及信號傳遞均通過線纜與數(shù)據(jù)通信裝置相連接；數(shù)據(jù)采集裝置的接口方式采用4線式接口和單頭發(fā)/收模式；所述數(shù)據(jù)通信裝置是由CPU8051內核處理器、GPRS通信模塊、實時時鐘模塊、電源穩(wěn)壓模塊、電源轉換模塊、SIM卡槽、電源模塊、連接溫度傳感器接口、燒寫程序接口、電壓檢測及指示燈輔助電路、超聲波測距傳感器接口及電平轉化芯片組成；電源模塊提供5V電壓；通過電源穩(wěn)壓模塊生成一路穩(wěn)定的5V電壓，再通過電源轉換模塊產生一路穩(wěn)定的3. 3V電壓； 預留出的接口與數(shù)據(jù)采集裝置相連接，數(shù)據(jù)采集裝置的采樣信號由CPU8051內核處理器進行處理，再由GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器端發(fā)出；數(shù)據(jù)通信裝置記錄由數(shù)據(jù)采集裝置傳遞回來的高電平的時間長度，并且將其計算成為距離值，同時將距離值及時間信息、節(jié)點信息一同發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器；該SIM卡槽是與SIM300相配套的卡槽；該連接溫度傳感器接口是間距為2. 54mm的4線制跳線；該燒寫程序接口是通用的JTAG接口 ；該電壓檢測及指示燈輔助電路是通過軟件來連接于DIO 口的 LED指示燈；所述的短信匯聚及命令下達裝置使用的是短信貓產品，其型號為F1003 GSM MODEM，它包括以下接口 標準RS232串口 ；電源、ACT及在線指示燈接口 ；標準SMA陰頭天線接口 ；標準的推桿式用戶卡SIM接口和標準的3芯火車頭電源插座；其命令信息下達是控制PC機通過RS3232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給短信貓產品F1003 GSM MODEM，再由短信貓產品F1003 GSM MODEM將數(shù)據(jù)轉成基于中國移動網(wǎng)絡進行傳輸?shù)男盘?，通過中國移動網(wǎng)絡發(fā)送給布設于各個井眼的數(shù)據(jù)通信裝置、數(shù)據(jù)采集裝置進行配置；其采集數(shù)據(jù)上傳是先由數(shù)據(jù)采集裝置通過連接電纜將采集量發(fā)送給數(shù)據(jù)通信裝置，數(shù)據(jù)通信裝置將數(shù)據(jù)轉化成基于中國移動網(wǎng)絡進行傳輸?shù)男盘柊l(fā)送至短信貓產品F1003 GSM MODEM，再通過RS3232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制控制PC機，由控制PC機將數(shù)據(jù)轉存至數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器；所述數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器是由型號為IBM X3100M3的數(shù)據(jù)服務器及型號為DELL 0PTIPLEX 360的控制PC機組成，控制PC機與數(shù)據(jù)服務器通過光纖線纜連接；所述通信線纜是屏蔽的4芯線纜。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該超聲波測距傳感器的型號是DYP-ME007A1。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該微處理器的型號是MC9S08QE32。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該通信模塊的型號是SIM300。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該溫度傳感器的型號是SE95。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該實時時鐘電路采用的是型號為PCF8563芯片。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該電平轉換芯片的型號是MAX706。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該電源穩(wěn)壓模塊的型號是MAX1727。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置， 其特征在于該電源轉換模塊的型號是NCP511。
10.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置，其特征在于該電源模塊是自制鋰電電池包。
專利摘要基于無線傳感器網(wǎng)絡地下生態(tài)水物理參數(shù)遙測及傳輸裝置，它包括傳感器固定器、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)通信裝置、通信線纜、短信匯聚及命令下達裝置和數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器；數(shù)據(jù)通信裝置安裝在傳感器固定器上，其上的線軸及把手固定在十字固定架上的中心位置，通信線纜纏繞在線軸之上并穿過十字固定架中心圓孔連接數(shù)據(jù)采集裝置后垂直懸掛被測井中，數(shù)據(jù)采集裝置懸掛于通信線纜末端；短信匯聚及命令下達裝置通過串口與PC機相連接，PC機與數(shù)據(jù)匯總/處理/展示后臺服務器相連接。本實用新型結構新穎，具有體積小成本低，數(shù)據(jù)定時自動獲取，多數(shù)據(jù)源同步采集，無線方式傳輸、檢測精度高等特點。它在農業(yè)與生態(tài)學領域里具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01F23/296GK202075017SQ20112018448
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權日2011年6月2日
發(fā)明者姜富斌, 屈永華, 董健 申請人:北京師范大學