專利名稱：灌區(qū)閘站自動化測控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子技術(shù)和水利水文自動化監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及灌區(qū)閘 站的水情自動化監(jiān)測和控制。 技術(shù)背景
灌區(qū)灌溉面積一般都很大，由幾十萬畝到幾百萬畝不等。灌區(qū)閘站是灌區(qū)水利基 礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，閘站內(nèi)河渠水位、流態(tài)情況等比較復(fù)雜。 一般常規(guī)控制方法 是灌區(qū)管理中心根據(jù)閘站內(nèi)某一斷面的流量，以及閘站的承受能力來進(jìn)行閘站閘門開 合度控制。
閘站現(xiàn)地數(shù)據(jù)的正確釆集和閘門開合度的控制是整個灌區(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前灌溉 區(qū)域的各渠閘站僅能靠人工到現(xiàn)場控制則效率太低，難以做到科學(xué)決策和適時閘站閘 門開合控制。
目前的灌區(qū)閘站測控裝置主要是采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)，安裝部署不方便，特別 不適合灌區(qū)機(jī)械化農(nóng)機(jī)作業(yè)，同時也使得系統(tǒng)升級改造困難。因?yàn)槭怯芯€方式，難以 多布點(diǎn)，造成局部閘站水流信息不明確，無法發(fā)揮精準(zhǔn)灌溉、節(jié)約成本的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)優(yōu) 勢。此外，現(xiàn)有灌區(qū)閘站測控裝置成本高和有線部署的固有高成本，都不利于灌區(qū)閘 站測控裝置的相對高密度部署。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)出一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的低成本灌區(qū)閘站自動化測控 裝置。灌區(qū)閘站自動化測控裝置可對水情進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并對閘站開、合控制，提高 灌區(qū)水、雨利用率。
本實(shí)用新型主要由處理器單元、傳感器單元、自動控制單元、無線通信單元、電 源單元、存儲器單元組成。其中處理器單元分別與存儲器單元、無線通信單元、傳感 器單元、自動控制單元相連接，電源單元同時與以上各單元相連接，以提供電源。
其中處理器單元主要由微處理器芯片U1、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生芯片U3組成，微處理器芯 片Ul與隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生芯片U3連接，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生芯片U3產(chǎn)生唯一的隨機(jī)數(shù)以向節(jié)點(diǎn)提 供節(jié)點(diǎn)號；無線通信單元主要由射頻芯片U4、阻抗匹配電路、天線A1組成，射頻芯 片U4與微處理器U1連接，通過微處理器U1對射頻芯片的配置和收發(fā)進(jìn)行控制，射 頻芯片U4通過阻抗匹配電路與天線Al連接；存儲器單元中串行存儲芯片U2與微處 理器U1連接，通過微處理器U1對裝置屬性、傳感器單元獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存?。粋鞲?器單元主要由流量傳感器、信號放大電路組成，流量傳感器采集閘站渠道流量信息并 將釆集的信息經(jīng)放大后送至微處理器U1;自動控制單元主要由信號放大電路、電磁閥 組成，微處理器U1發(fā)出的控制信號經(jīng)放大后控制閘門的開合。
本實(shí)用新型的工作過程是工作時，電源單元分別向處理器單元、傳感器單元、 存儲器單元、自動控制單元、無線通信單元受控供電；處理器單元將裝置屬性和傳感
3器單元獲取的數(shù)據(jù)存儲在存儲器單元中；傳感器單元獲取的數(shù)據(jù)根據(jù)需要由無線通信
單元傳輸給上一個節(jié)點(diǎn)或下一個節(jié)點(diǎn)的裝置；處理器單元根據(jù)上級指令和現(xiàn)地采集的
信息輸出控制閘門的開合。
本實(shí)用新型可通過微處理器芯片U1的JTAG程序燒寫端口連接至JTAG程序燒寫 端口Jl,用于對搡作系統(tǒng)的移植和節(jié)點(diǎn)的編程。
為了調(diào)試的方便，本實(shí)用新型可在處理器單元中從微處理器芯片Ul外接狀態(tài)指 示燈LED，以顯示調(diào)試過程中的狀態(tài)。
本實(shí)用新型中的印刷電路板部分采用雙面電路板設(shè)計(jì)，為了布局合理，減小自動 化測控裝置體積，單獨(dú)將無線通信單元放置在雙面電路板的一面，其他的處理器單元、 存儲器單元等放置雙面電路板的另外一面。
本實(shí)用新型是一個灌區(qū)閘站自動化測控裝置，釆用基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線 數(shù)據(jù)傳輸方式，部署在灌區(qū)規(guī)劃區(qū)域的各個閘站上，再由若干個測控裝置通過匯聚節(jié) 點(diǎn)和監(jiān)測中心組成灌區(qū)閘站自動化測控系統(tǒng)。各個測控裝置之間通過無線并采用多跳 的方式進(jìn)行通信，具有監(jiān)測精度高、成本低、體積小、功耗低、工作溫度范圍大等優(yōu) 點(diǎn)。
本實(shí)用新型是事件觸發(fā)工作方式，平時處于低功耗狀態(tài)。當(dāng)外界有變化的信息時, 自動化測控裝置喚醒傳感器單元采集水情數(shù)據(jù)信息。自動化測控裝置采用無線、多跳 的方式把水情信息通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸給監(jiān)測中心。監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理并輸 出結(jié)果。同時測控裝置通過電磁閥實(shí)時控制閘站閘門的開合，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)閘站群的調(diào) 度，有利于用水優(yōu)化調(diào)度，合理利用水資源。灌區(qū)閘站自動化測控裝置可以在無人值 守的狀態(tài)下工作，具備高可靠和可路由的通信體制，克服了現(xiàn)有的有線方式閘站測控 裝置的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了測量和控制的同步。

圖1是本實(shí)用新型自動化測控裝置的結(jié)構(gòu)框圖。1為處理器單元、2為傳感器單 元、3為存儲器單元、4為無線通信單元、5為電源單元、6為自動控制單元。
圖2是本實(shí)用新型的一個實(shí)施例除無線通信單元之外的電原理圖。其中各虛線框 中為本實(shí)用新型圖l所示的對應(yīng)單元，①為處理器單元、②為傳感器單元、③為存儲 器單元、⑤為電源單元、⑥為自動控制單元。
圖3是本實(shí)用新型圖2所示實(shí)施例的無線通信單元電原理圖，其中PJ2的管腳與 圖2中PJ1的對應(yīng)管腳相連接。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型將通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例
圖2、圖3為本實(shí)施例的電路原理圖。
對照圖2，其結(jié)構(gòu)是處理器單元1包括微處理器U1 (MSP430F149)、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生 芯片U3(DS2401 )、JTAG調(diào)試端口 Jl和狀態(tài)指示燈LED等。微處理器Ul的引腳"47"與電子標(biāo)簽產(chǎn)生芯片U3的引腳"2"相連；三個不同顏色的狀態(tài)指示燈共陽接入電源， 其陰極分別通過電阻Rll、 R12、 R13與微處理器U1的引腳"48"、引腳"49"、引腳 "50"對應(yīng)相連，狀態(tài)指示燈LED僅在調(diào)試時使用，為了節(jié)能在實(shí)際應(yīng)用中要將其移 除；IO針的JTAG程序燒寫口 Jl的數(shù)據(jù)線與微處理器U1的引腳"54、 55、 56、 57" 對應(yīng)相連；
傳感器單元的超聲波流量計(jì)Sl的輸出電流經(jīng)過由CA0158E、 R14、 R15、 R16組 成的運(yùn)算放大器變?yōu)殡妷盒盘枺\(yùn)算放大器的引腳"1"輸出經(jīng)過電阻R17連接到反 相器上，經(jīng)反相后通過接口連接到微處理器的引腳"17";
在自動控制單元，微處理器的引腳"16"的輸出通過電阻R5連接三極管Q1的基 極引腳"2",三極管Ql的集電極引腳"3"的輸出通過電阻R6連接到電磁閩Kl引 腳"1",三極管Ql的引腳"3"的輸出通過電阻R7連接到狀態(tài)指示燈(YELLOW) 陽極，指示燈陰極接地，三極管Q1的發(fā)射極引腳"1"接入電源，電磁閥K1引腳"2" 接地；
存儲器單元3中采用的是ATMEL公司推出的大容量串行Flash存儲器。串行Flash 存儲芯片U2 (AT45DB041)的引腳"5"懸空，引腳"7"接地，引腳"6"與引腳
"3"連接，其余"1、 2、 3、 4、 8"分別與微處理器Ul的引腳"29、 31、 40、 41、 30"對應(yīng)連接。
電源單元5采用穩(wěn)壓芯片U5 ( TC55RP33 ),外部電源接穩(wěn)壓芯片U5的引腳"2", 穩(wěn)壓后經(jīng)引腳"3"輸出，通過磁珠L5、 C16、 C17及由C6、 C7、 C8、 C9、 C10, Cll、 C12、 C13、 C14組成的濾波電路向各單元供電。
對照圖3，無線通信單元4主要有射頻芯片U4(ADF7021 )、超短波通信天線Al。 射頻芯片U4的引腳"24、 25、 26、 27、 28、 33、 34、 35、 41"分別通過無線接口PJ1 和PJ2的引腳"2-10"與處理器U1的引腳"27、 28、 31、 36、 37、 38、 29、 30、 39" 對應(yīng)相連';射頻芯片U4的引腳4、 6、 7通過由L1、 L2、 L3、 L6、 C37、 C38、 C39、 C40組成的阻抗匹配電路與天線Al相連。
權(quán)利要求1、灌區(qū)閘站自動化測控裝置，其特征是包括處理器單元、傳感器單元、存儲器單元、自動控制單元、無線通信單元、電源單元，處理器單元分別與存儲單元、無線通信單元、傳感器單元、自動控制單元相連接，電源單元同時與各單元相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征是處理器單元主要由微處理器芯片U1、 隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生芯片U3組成，并對通過U1與存儲器單元連接；無線通信單元主要由射頻 芯片U4、阻抗匹配電路、天線A1組成，射頻芯片U4與微處理器U1連接，射頻芯 片U4通過阻抗匹配電路與天線Al連接；傳感器單元主要由流量傳感器、信號放大電 路組成，流量傳感器采集閘站渠道流量信息并將采集的信息經(jīng)放大后送至微處理器 Ul;自動控制單元主要由信號放大電路、電磁閩組成，微處理器U1發(fā)出的控制信號 經(jīng)放大后控制閘門的開合；電源單元同時與各單元相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的裝置，其特征是處理器單元包括微處理器 MSP430F149、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生芯片DS2401 、 JTAG調(diào)試端口 Jl和狀態(tài)指示燈LED,微處 理器的引腳"47"與隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生芯片的引腳"2"相連；三個不同顏色的狀態(tài)指示燈共 陽接入電源，其陰極分別通過電阻Rll、 R12、 R13與微處理器的引腳"48"、引腳"49"、 引腳"50"對應(yīng)相連，IO針的JTAG程序燒寫口 Jl的數(shù)據(jù)線與微處理器的引腳"54、 55、 56、 57"對應(yīng)相連；傳感器單元的超聲波流量計(jì)S1的輸出電流經(jīng)過由CA0158E、 R14、 R15、 R16組 成的運(yùn)算放大器變?yōu)殡妷盒盘?，運(yùn)算放大器的引腳'T，輸出經(jīng)過電阻R17連接到反 相器上，經(jīng)反相后通過接口連接到微處理器的引腳"17";微處理器的引腳"16"的輸出通過電阻R5連接三極管Q1的基極引腳"2"，三極 管Ql的集電極引腳"3"的輸出通過電阻R6連接到電磁閥Kl引腳'T，，三極管 Ql的引腳"3"的輸出通過電阻R7連接到狀態(tài)指示燈陽極，指示燈陰極接地，三極 管Q1的發(fā)射極引腳"1"接入電源，電磁閩K1引腳"2"接地；存儲器單元的存儲芯片AT45DB041的引腳"5"懸空，引腳"7"接地，引腳"6" 與引腳"3"連接，其余"1、 2、 3、 4、 8"分別與微處理器的引腳"29、 31、 40、 41、 30"對應(yīng)連接；外部電源接穩(wěn)壓芯片TC55RP33的引腳"2",穩(wěn)壓后經(jīng)引腳"3"輸出，通過磁珠 L5、 C16、 C17及由C6、 C7、 C8、 C9、 C10, Cll、 C12、 C13、 C14組成的濾波電路 向各單元供電；射頻芯片ADF7021的引腳"24、 25、 26、 27、 28、 33、 34、 35、 41"分別通過無 線接口 PJ1和PJ2的引腳"2~10"與處理器的引腳"27、 28、 31、 36、 37、 38、 29、 30、 39"對應(yīng)相連；射頻芯片的引腳4、 6、 7通過由L1、 L2、 L3、 L6、 C37、 C38、 C39、 C40組成的阻抗匹配電路與天線Al相連。
專利摘要灌區(qū)閘站自動化測控裝置，包括處理器單元、傳感器單元、存儲器單元、自動控制單元、無線通信單元、電源單元，處理器單元分別與存儲單元、無線通信單元、傳感器單元、自動控制單元相連接，電源單元同時與各單元相連接，本實(shí)用新型是一個灌區(qū)閘站自動化測控裝置，其采用基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，部署在灌區(qū)規(guī)劃區(qū)域的各個閘站上，再由若干個測控裝置通過匯聚節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測中心組成灌區(qū)閘站自動化測控系統(tǒng)，各個測控裝置之間通過無線并采用多跳的方式進(jìn)行通信，具有監(jiān)測精度高、成本低、體積小、功耗低、工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有的有線方式閘站測控裝置的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了測量和控制的同步。
文檔編號G05B19/04GK201315012SQ20082013790
公開日2009年9月23日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者劉有珠, 莉 呂, 樊棠懷 申請人:南昌工程學(xué)院