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專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，直接應(yīng)用于水利行業(yè)。
背景技術(shù)：
傳感器網(wǎng)絡(luò)是全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。作為當(dāng)前各國研究的熱點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已逐步開始應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測、軍事領(lǐng)域、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)療健康等方面。目前，水工安全監(jiān)測主要采用傳感器+有線傳輸+集中式MCU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，個別研究單位和公司推出了基于GPRS的無線滲壓監(jiān)測裝置，但還不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概念，而且這樣運用還受公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋、功耗、運行費用等因素的嚴(yán)重制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服背景技術(shù)的不足，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，功耗小、成本低。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測節(jié)點、匯聚節(jié)點和測控中心。監(jiān)測節(jié)點包括基本主控電路、數(shù)據(jù)采集電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機(jī)和分別與該單片機(jī)相連的電源電路、硬件時鐘CLOCK及FLASH存儲器電路；數(shù)據(jù)采集電路包含與單片機(jī)相連的采集滲壓、應(yīng)變、位移或滲流信息的振弦式傳感器采集電路、與單片機(jī)相連的采集水位信息的水位傳感器采集電路、與單片機(jī)相連的采集雨量信息的雨量傳感器采集電路中的任一項采集電路、任二項采集電路或全部采集電路；無線通信電路包含與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口。匯聚節(jié)點包括基本主控電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機(jī)和分別與該單片機(jī)相連的電源電路、硬件時鐘CLOLCK及FLASH存儲器電路；無線通信電路包含與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口，或分別與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口。測控中心包括連接互聯(lián)網(wǎng)的測控中心計算機(jī)，或包括中心節(jié)點和與該中心節(jié)點相連的測控中心計算機(jī)，該中心節(jié)點包含單片機(jī)和與該單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接□。若干監(jiān)測節(jié)點相鄰在一個有限的區(qū)域范圍之內(nèi)，該若干監(jiān)測節(jié)點與其關(guān)聯(lián)的匯聚節(jié)點之間通過由YD-Zigbee無線通信接口構(gòu)成的微小功率無線通道，形成一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，適時采集水庫水位、雨量及滲壓、應(yīng)變、位移、滲流狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，以單跳或多跳的形式與關(guān)聯(lián)的匯聚節(jié)點交換數(shù)據(jù)；多個匯聚節(jié)點各自集中處理來自相應(yīng)有限區(qū)域范圍內(nèi)的若干監(jiān)測節(jié)點交換過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，視匯聚節(jié)點與測控中心距離的遠(yuǎn)近，以方式一或方式二定時傳輸?shù)綔y控中心處理。所述方式一為:當(dāng)匯聚節(jié)點與測控中心距離較近時，匯聚節(jié)點直接通過由YD-Zigbee無線通信接口構(gòu)成的微小功率無線通道將現(xiàn)場數(shù)據(jù)交換至中心節(jié)點，再傳輸給測控中心計算機(jī)處理；所述方式二為:當(dāng)匯聚節(jié)點與測控中心距離較遠(yuǎn)時，匯聚節(jié)點通過由GPRS/GSM無線通信接口連通的INTERNET/GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭B接互聯(lián)網(wǎng)的測控中心計算機(jī)處理，測控中心計算機(jī)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過建立的模型對采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估水工當(dāng)前的安全狀態(tài)，進(jìn)而作出預(yù)報預(yù)測。在一般實施方式中，所述監(jiān)測節(jié)點的振弦式傳感器采集電路包含振弦傳感器、激振電路、信號放大與整形電路、恒流源與溫度轉(zhuǎn)換電路以及放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路，監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)的I/O 口輸出激振脈沖，經(jīng)激振電路驅(qū)動振弦傳感器的感應(yīng)線圈發(fā)生諧振；所述信號放大與整形電路輸入振弦式傳感器輸出的諧振頻率信號，對該諧振頻率信號進(jìn)行放大、整流和整形，輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號至監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)的I/O 口，啟動片內(nèi)計數(shù)器計數(shù)，從而得出振弦諧振頻率值，再經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換計算得到所需測量值。所述恒流源與溫度轉(zhuǎn)換電路連接振弦傳感器的熱敏電阻，對振弦傳感器的熱敏電阻提供恒定電流，并將該振弦傳感器熱敏電阻兩端的電壓降輸入放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬量至數(shù)字量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號由監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)讀取，即為傳感器環(huán)境溫度值。在高精度實施方式中，所述監(jiān)測節(jié)點的振弦式傳感器采集電路還包含設(shè)置在監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)和信號放大與整形電路之間的分頻與計數(shù)器電路，該分頻與計數(shù)器電路包含D觸發(fā)器、與門A、與門B、時鐘發(fā)生器、分頻電路和外部計數(shù)器，所述信號放大與整形電路的輸出端分別連接D觸發(fā)器的時鐘CP端和與門A的第一輸入端，該D觸發(fā)器的D端和R端分別連接單片機(jī)的I/O 口，該D觸發(fā)器的Q端分別連接與門A的第二輸入端、單片機(jī)的中斷口INT和與門B的第一輸入端，所述時鐘發(fā)生器輸出的時鐘信號經(jīng)分頻電路分別輸入與門B的第二輸入端和外部計數(shù)器的時鐘輸入端，與門A的輸出端連接單片機(jī)的I/O 口 Tl端，與門B的輸出端連接外部計數(shù)器的啟動停止端，該外部計數(shù)器的計數(shù)值輸入單片機(jī)。首先，將監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)內(nèi)部定時器、計數(shù)器及外部計數(shù)器初始化，D觸發(fā)器置0，置D觸發(fā)器D端為高電平；當(dāng)捉俘到信號放大與整形電路輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發(fā)器Q端翻轉(zhuǎn)為高電平，開啟與門A和與門B，同時觸發(fā)單片機(jī)的INT引腳，打開片內(nèi)定時器定時中斷，單片機(jī)片內(nèi)計數(shù)器和外部計數(shù)器兩個計數(shù)器同時開始計數(shù)；當(dāng)片內(nèi)定時器定時時間到，置D觸發(fā)器D端為低電平，當(dāng)捉俘到待測脈沖上升沿時，D觸發(fā)器Q端翻轉(zhuǎn)為低電平，使兩與門同時關(guān)閉，停止計數(shù)；單片機(jī)讀取兩個計數(shù)器計數(shù)值，獲得待測脈沖的頻率=分頻電路輸出的時鐘頻率X單片機(jī)片內(nèi)計數(shù)器計數(shù)值/外部計數(shù)器計數(shù)值。所述外部計數(shù)器優(yōu)選8253計數(shù)器芯片。所述監(jiān)測節(jié)點的水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設(shè)置在水位傳感器和單片機(jī)之間的水位傳感器接口電路，所述監(jiān)測節(jié)點的雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設(shè)置在雨量傳感器和單片機(jī)之間的雨量傳感器接口電路。所述水位傳感器優(yōu)選浮子式編碼水位計，所述水位傳感器接口電路采用格雷碼編碼器接口電路；所述雨量傳感器優(yōu)選翻斗式雨量計，所述雨量傳感器接口電路采用霍爾開關(guān)接口電路。在一種最佳實施方式中，所述格雷碼編碼器接口電路和霍爾開關(guān)接口電路均包含設(shè)置在傳感器開關(guān)信號輸出端與地之間的P6KE18A穩(wěn)壓瞬態(tài)抑制二極管和電容，設(shè)置在單片機(jī)的I/O 口與地之間的ZD系列二極管，設(shè)置在單片機(jī)電源VCC與傳感器開關(guān)信號輸出端之間的一電阻，設(shè)置在傳感器開關(guān)信號輸出端與單片機(jī)的I/O 口之間的另一電阻。所述監(jiān)測節(jié)點的無線通信電路還可包含與監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)相連的GPRS/GSM無線通信接口。所述GPRS/GSM無線通信接口最佳經(jīng)帶通斷控制端的開關(guān)電源芯片供電，該開關(guān)電源芯片的通斷控制端連接相應(yīng)單片機(jī)的I/o 口。所述監(jiān)測節(jié)點和匯聚節(jié)點還可設(shè)有連接單片機(jī)的通信擴(kuò)充接口，該通信擴(kuò)充接口優(yōu)選RS232接口。本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在各智能監(jiān)測節(jié)點和測控中心的雙備份，實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲和處理，增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可用性和可靠性；通過無線通信協(xié)議，建立適于水工安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制，降低算法復(fù)雜度和信息收集過程的功率開銷，系統(tǒng)軟硬件成本和功耗比大大降低；省卻了各類線路鋪設(shè)，有效避免了長距離傳輸線路分布參數(shù)變化影響帶來的測量精度等問題。本發(fā)明從根本上改變了傳統(tǒng)安裝施工方式和維護(hù)維修方法，降低工程實施及管理成本，使水工安全監(jiān)測技術(shù)大面積推廣應(yīng)用成為可能；使用本發(fā)明，免去工程開挖等土建量，綜合直接投資費用節(jié)省至少50%以上，年平均維護(hù)管理費用節(jié)省至少60%以上，是水工工程信息化領(lǐng)域上的一次重大變革。


圖1為本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2為實施例監(jiān)測節(jié)點的電路方框圖；圖3為實施例匯集節(jié)點的電路方框圖；圖4為實施例監(jiān)測節(jié)點的單線圈型振弦式滲壓傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖；圖5為實施例監(jiān)測節(jié)點的激振電路原理
圖6為實施例監(jiān)測節(jié)點的信號放大與整形電路原理圖；圖7為實施例監(jiān)測節(jié)點的分頻與計數(shù)器電路圖；圖8為實施例監(jiān)測節(jié)點的恒流源電路圖；圖9為實施例監(jiān)測節(jié)點的A/D轉(zhuǎn)換電路圖；圖10為實施例浮子式編碼水位計12位格雷碼編碼器接口電路圖；圖11為實施例翻斗式雨量計霍爾開關(guān)接口電路圖；圖12為YD_Zigbee無線通信接口電路原理圖；圖13為YD_Zigbee無線通信接口與單片機(jī)的連接圖；圖14為GPRS/GSM無線通信接口電路原理圖；圖15為節(jié)點的電源電路具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明最佳實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明實施例基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，包括三組相鄰在一個有限區(qū)域范圍之內(nèi)的監(jiān)測節(jié)點1、2…N，分別與這三組監(jiān)測節(jié)點1、2…N關(guān)聯(lián)的匯聚節(jié)點1、2、3和測控中心，該測控中心包括中心節(jié)點和與該中心節(jié)點相連的測控中心計算機(jī)，該測控中心計算機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)。本發(fā)明實施例基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析處理二大功能。數(shù)據(jù)采集與傳輸部分由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)置YD-Zigbee無線通信模塊，監(jiān)測節(jié)點與其關(guān)聯(lián)的匯聚節(jié)點之間通過微小功率無線通道形成了一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，適時采集水庫水位及水工位移、應(yīng)力、滲漏等多個狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，以單跳或多跳的形式與匯聚節(jié)點交換數(shù)據(jù)；現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過匯聚節(jié)點集中處理后，視其與中心節(jié)點距離的遠(yuǎn)近，定時傳輸?shù)街行墓?jié)點或測控中心計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)處理。即:如匯聚節(jié)點與中心節(jié)點距離較近，匯聚節(jié)點就可以直接通過微小功率無線通道將數(shù)據(jù)交換至中心節(jié)點，再傳輸給測控中心計算機(jī)；如匯聚節(jié)點與中心節(jié)點距離較遠(yuǎn)，匯聚節(jié)點就可以通過INTERNET/GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y控中心計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)處理。測控中心計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過建立的模型對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估水工當(dāng)前的安全狀態(tài)，進(jìn)而作出預(yù)報預(yù)測。用戶通過WEB方式可以在客戶端在線查詢水工安全的相關(guān)信息。也就是說，在監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測節(jié)點擔(dān)負(fù)了兩個方面的職能，第一是用于實現(xiàn)水工環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測，亦即對壩體表面變形、壩體內(nèi)部變形、滲流、壩體內(nèi)部溫度、壩體應(yīng)力等參數(shù)監(jiān)測功能；第二是無線通信功能，亦即具有自組織功能的監(jiān)測節(jié)點以單跳或多跳的形式，將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點。一般情況下，匯聚節(jié)點是一個特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備，所以監(jiān)測節(jié)點在增強(qiáng)計算能力和通信能力后，也可以承擔(dān)匯聚節(jié)點職能。它把收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，通過無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送至中心節(jié)點。測控中心承擔(dān)了監(jiān)測系統(tǒng)的信息中心作用，它完成系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)處理分析，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動備份存儲后，通過圖形、表格、報警等形式形成監(jiān)測結(jié)果。在監(jiān)測節(jié)點的實現(xiàn)中，各個模塊互相關(guān)聯(lián)而又相對獨立。由于水工安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)內(nèi)容繁多，如壩體表面變形監(jiān)測、壩體內(nèi)部變形監(jiān)測、滲流觀測和壩體應(yīng)力監(jiān)測等，所以獨立實現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點的采集模塊具有更佳的靈活性，可以針對不同的監(jiān)測參數(shù)實現(xiàn)不同的傳感器采集模塊，而不必修改節(jié)點的其他模塊。本發(fā)明實施例基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)主要功能指標(biāo)如下: ( I)無線自組網(wǎng)，多路徑、多跳、智能化數(shù)據(jù)傳輸；(2)網(wǎng)絡(luò)容量大，網(wǎng)絡(luò)能夠容納128個節(jié)點；(3)電池壽命2-3年(也可采用太陽能供電方式代替)；(4 )可選擇的通信頻段，支持REMT協(xié)議；(5)體積小，便于不同的安裝環(huán)境；(6)模塊化設(shè)計，節(jié)點成本低廉；(7)串口支持奇偶校驗，支持?jǐn)?shù)據(jù)包重發(fā)機(jī)制；(8)運用短距多跳無線通信技術(shù)，節(jié)點能耗低，支持低功耗休眠，使用太陽能供電持續(xù)時間長(連續(xù)陰天情況下可達(dá)28天)；(9)可以有效解決防水、防腐、防雷、防鼠害等問題。主要技術(shù)參數(shù)如下: (I)頻率:2400-2483.5MHz ；(2 )數(shù)據(jù)速率:(IMbps ；(3)鏈路預(yù)算:最大106dBm ；(4)集成的倒F型PCB天線,無需外接天線,模塊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單；(5)大容量Flash，SRAM，集成可修改配置的協(xié)議棧；(6) 16 條 RF 通道，多個 GPIO 及 ADC ;
(7)安全性:硬件128位AES加密；(8)深度睡眠電流:1.0μ A 5μ A (最大值);(9)無線通信距離30 300米(需要時可加大通信距離)；(10)抗干擾能力強(qiáng):2.4G DSSS擴(kuò)頻技術(shù)；(11)可同時測量溫濕度，精度達(dá)1°C，RH1% ；(12)工業(yè)指標(biāo):產(chǎn)品工作溫度-30度至+70度，EMC抗干擾實現(xiàn)；(13)提供振弦量、模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量輸入接口 ；(14)對外提供RS232/485通信接口 ；(15)工作溫度:0°C 70°C，工作濕度O 100%RH。監(jiān)測節(jié)點由傳感器單元、數(shù)據(jù)采集和無線通信單元組成。對于水工安全檢測儀器來說，傳感器單元主要為振弦式監(jiān)測傳感器，兼或一部分模擬量(如傳感器環(huán)境溫度、水位等)、數(shù)字量傳感器(雨量、蒸發(fā)量等)。相對應(yīng)地，數(shù)據(jù)采集單元的主要處理對象就是振弦式監(jiān)測傳感器，同時兼顧其他傳感器的采集功能。對大壩的監(jiān)測是一個長期的過程，監(jiān)測節(jié)點通過對振弦式傳感器的頻率、溫度等參數(shù)的在線監(jiān)測，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、存儲，再利用YD-Zigbee無線通信接口，經(jīng)自組織的無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)，與匯聚節(jié)點進(jìn)行交互通訊，將測量結(jié)果傳回匯聚節(jié)點。根據(jù)具體情況的不同，對壩段檢測可以按巡測、點測或設(shè)置時間等方式進(jìn)行測量。為方便直接查詢、顯示測量結(jié)果，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點帶有LCD液晶顯示和鍵盤電路。如圖2所示，監(jiān)測節(jié)點硬件電路主要由以下幾部分組成:I)基本主控電路:包含單片機(jī)和分別與該單片機(jī)相連的電源電路、實時時鐘CLOCK、FLASH存儲器電路、復(fù)位、IXD顯示及鍵盤電路。2)數(shù)據(jù)采集電路:包含與單片機(jī)相連的采集滲壓、應(yīng)變、位移或滲流信息的振弦式傳感器采集電路、與單片機(jī)相連的采集水位信息的水位傳感器采集電路、與單片機(jī)相連的采集雨量信息的雨量傳感器采集電路。振弦式傳感器采集電路包含振弦傳感器、激振電路、信號放大與整形電路、分頻與計數(shù)器電路、恒流源與溫度轉(zhuǎn)換電路以及放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路。監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)的I/O 口輸出激振脈沖，經(jīng)激振電路驅(qū)動振弦傳感器的感應(yīng)線圈發(fā)生諧振；信號放大與整形電路輸入振弦式傳感器輸出的諧振頻率信號，對該諧振頻率信號進(jìn)行放大、整流和整形，輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號至分頻與計數(shù)器電路，再經(jīng)單片機(jī)片內(nèi)計數(shù)器計數(shù)，得到振弦諧振頻率值，并經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換計算得到所需測量值；恒流源與溫度轉(zhuǎn)換電路連接振弦傳感器的熱敏電阻，對振弦傳感器的熱敏電阻提供恒定電流，并將該振弦傳感器熱敏電阻兩端的電壓降輸入放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬量至數(shù)字量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號由監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)讀取，即為傳感器環(huán)境溫度值。水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設(shè)置在水位傳感器和單片機(jī)之間的水位傳感器接口電路，水位傳感器采用浮子式編碼水位計，水位傳感器接口電路采用格雷碼編碼器接口電路。雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設(shè)置在雨量傳感器和單片機(jī)之間的雨量傳感器接口電路，雨量傳感器采用翻斗式雨量計，雨量傳感器接口電路采用霍爾開關(guān)接口電路。3)無線通信電路:包含與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口、GPRS/GSM無線通信接口和RS232接口。圖2中，數(shù)據(jù)采集電路和無線通信電路均選用PIC系列單片機(jī)作為單元的核心，配以自動復(fù)位電路以提高節(jié)點可靠性；實時時鐘的配置是為了實現(xiàn)以時間為基準(zhǔn)的測量方式和節(jié)能睡眠功能；而FLASH存儲器則是保證掉電后數(shù)據(jù)保存的需要。無線通信電路中，YD-Zigbee無線通信接口滿足微小功率無線自組局域網(wǎng)絡(luò)的需要；GPRS/GSM無線通信接口為遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供硬件支持，這樣可以滿足特殊情況下，監(jiān)測節(jié)點不通過自組無線傳感器局域網(wǎng)絡(luò)，可將其采集的數(shù)據(jù)通過GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)直接傳輸至中心節(jié)點；同時，監(jiān)測節(jié)點還提供一個RS232接口，以便節(jié)點通信功能的擴(kuò)充，即可采用有線方式或其他無線方式。將監(jiān)測節(jié)點的硬件稍加改造，也就是將數(shù)據(jù)采集部分硬件舍去，同時配置YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口，即形成匯聚節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)，如圖3所示。匯聚節(jié)點包括基本主控電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機(jī)和分別與該單片機(jī)相連的電源電路、硬件時鐘CLOLCK、FLASH存儲器電路、LCD顯示及鍵盤電路；無線通信電路包含分別與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口 ；同時，匯集節(jié)點還可提供一個RS232接口，以便節(jié)點通信功能的擴(kuò)充，即可采用有線方式或其他無線方式。而中心節(jié)點則包含單片機(jī)和與該單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口，以滿足匯聚節(jié)點與測控中心距離較近時，匯聚節(jié)點可以直接通過微小功率無線通道將數(shù)據(jù)交換至中心節(jié)點，再傳輸給測控中心計算機(jī)。節(jié)點采取定時采集工作方式。為節(jié)省能源，節(jié)點一般情況下均處于休眠狀態(tài)，待采集時刻到，立即采集傳感器的數(shù)據(jù)，并通過自主無線網(wǎng)絡(luò)傳送，然后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此，節(jié)點內(nèi)部內(nèi)置硬件時鐘電路，以保證網(wǎng)絡(luò)的同步開啟和關(guān)閉；同時網(wǎng)絡(luò)協(xié)議另設(shè)置有節(jié)點校時功能，以便對個別節(jié)點的時鐘誤差進(jìn)行實時校正。有了以上硬件平臺后，具體功能的實現(xiàn)則由內(nèi)置嵌入式軟件來完成。以下詳細(xì)描述數(shù)據(jù)采集電路和無線通信電路的實現(xiàn):一、數(shù)據(jù)采集電路1、振弦式傳感器采集電路1.1、振弦傳感器從應(yīng)用角度出發(fā)，由于振弦傳感器的固有特性，采用振弦傳感器作為測量系統(tǒng)的一次采集元件。根據(jù)振動體的結(jié)構(gòu)形狀差異，一般又可以分為振動筒式、振動膜式、振動弦式等振弦傳感器。工程上較多采用的振弦傳感器為單線圈間歇激振型傳感器，其激振和接收共用一組線圈，當(dāng)激發(fā)信號脈沖施加至磁芯線圈上，磁芯就會產(chǎn)生一個脈動磁場撥動振弦，振弦被撥動將引起振蕩，從而切割磁芯的磁力線在磁芯輸出端產(chǎn)生出衰減的正弦波。接收、鑒別振弦傳感器發(fā)出的頻率即為振弦傳感器的自振頻率，又叫諧振頻率，或稱共振頻率。在水工安全監(jiān)測中，不僅要求測試系統(tǒng)采集滲壓信息，同時還要采集應(yīng)變、位移、繞滲等信號，由于這些傳感器具有相同的單線圈振弦特征，數(shù)據(jù)采集電路幾乎沒有區(qū)別，具有較強(qiáng)的一致性和通用性。因此，一個采集信號(如滲壓、應(yīng)變、位移、滲流信息)分別各采用一個對應(yīng)的振弦式傳感器，信號的采集和預(yù)處理方法基本一樣，后處理可以在網(wǎng)絡(luò)中心完成，這樣能夠大大降低本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)的成本。如圖4所示，為單線圈型振弦式滲壓傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖，其中UO端輸入激振信號，P端輸出共振信號，R2為熱敏電阻。
1.2、激振電路激振電路，又稱振蕩激勵電路，是用一串有一定幅度的頻率信號，采取連續(xù)掃描的方式對振弦傳感器鋼弦激振線圈進(jìn)行激勵，當(dāng)信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦感應(yīng)線圈能迅速達(dá)到共振狀態(tài)，鋼弦起振后，它在線圈中產(chǎn)生出衰減的正弦信號，其輸出是毫伏級信號，持續(xù)時間一般不超過I秒。這個信號就是傳感器在目前壓力作用下的固有頻率。由于每個廠家對其生產(chǎn)的傳感器的固有頻率的范圍一般均有一定規(guī)定并加以說明，因此本發(fā)明采取軟件、硬件相結(jié)合的方式，由單片機(jī)的I/O 口輸出脈沖來產(chǎn)生激振信號。脈沖的頻率從低到高步進(jìn)輸出，每個頻率約持續(xù)2秒鐘時間，然后檢測振弦傳感器的輸出信號，直至檢測到共振信號。如圖5所示，為實施例監(jiān)測節(jié)點的激振電路原理圖，LI為振弦傳感器。激振電路由單片機(jī)的I/o 口 P0.1發(fā)脈沖，經(jīng)信號放大電路(如三極管復(fù)合放大)，直接驅(qū)動振弦感應(yīng)線圈。單片機(jī)I/O 口 P0.1的脈沖頻率一般從振弦傳感器的下限頻率開始，每個頻率輸出約2秒鐘時間即停止，然后檢測振弦傳感器輸出，若沒有得到一定幅度而且穩(wěn)定頻率的信號，則步進(jìn)一個間隔頻率再輸出脈沖，直到能夠檢測得到振弦傳感器的諧振信號輸出。為加快捕捉振弦傳感器的諧振頻率信號的過程，單片機(jī)I/O 口 P0.1的輸出信號采用方波形式，以保證豐富的諧波分量；同時，盡量加大放大電路的驅(qū)動能力，使得較小諧波分量也能夠激勵振弦傳感器感應(yīng)線圈起振。1.3、信號放大與整形電路如圖6所示，為信號放大與整形電路原理示意圖。信號放大與整形電路輸入來自LI振弦傳感器感應(yīng)線圈的諧振頻率LE。該電路將諧振頻率LE信號進(jìn)行放大、整流和整形，其輸出端P0.2輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，將該信號送至單片機(jī)的I/O 口，以啟動片內(nèi)計數(shù)器計數(shù)。1.4、分頻與計數(shù)器電路這個電路是能否準(zhǔn)確測量振弦傳感器檢測數(shù)值的關(guān)鍵。由于諧振頻率信號在線衰減速度較快，持續(xù)穩(wěn)定時間很短，必須在這個有限的時間內(nèi)完成頻率測量任務(wù)。常規(guī)的直接測頻法精度與被測信號頻率直接相關(guān)，并隨被測信號頻率的下降而下降。本發(fā)明采用多周期同步測量法(即等精度測頻法)測量振弦傳感器感應(yīng)線圈的諧振頻率，可以保證在較短時間內(nèi)，獲得較高測試精度及分辨率。多周期同步測量法是通過測量輸入信號的多個周期值，再進(jìn)行倒數(shù)運算而得出頻率數(shù)值。設(shè)fx、fc分別為輸入信號頻率和時鐘脈沖頻率，A、B分別為事件計數(shù)器和時間計數(shù)器，Na、Nb分別為計數(shù)器A、B的計數(shù)值，則在一個規(guī)定的閘門時間T內(nèi)計數(shù)器A、B的計數(shù)值為Na=fxT和Nb=fcT，因此被測輸入信號的頻率為:fx=fc*Na/Nb。如圖7所示，為監(jiān)測節(jié)點的根據(jù)多周期同步測量法原理設(shè)計的分頻與計數(shù)器電路，該電路設(shè)置在監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)和信號放大與整形電路之間，該分頻與計數(shù)器電路包含D觸發(fā)器、與門A、與門B、時鐘發(fā)生器、分頻電路和外部計數(shù)器8253芯片，信號放大與整形電路的輸出端P0.2分別連接D觸發(fā)器的時鐘CP端和與門A的第一輸入端，該D觸發(fā)器的D端連接單片機(jī)PIC16XX的I/O 口 Pl.7，R端連接單片機(jī)PIC16XX的I/O 口 Pl.6，該D觸發(fā)器的Q端分別連接與門A的第二輸入端、單片機(jī)PIC16XX的中斷口 INT和與門B的第一輸入端，時鐘發(fā)生器輸出的時鐘信號經(jīng)分頻電路分別輸入與門B的第二輸入端和外部計數(shù)器8253芯片的時鐘輸入端Clk，與門A的輸出端連接單片機(jī)PIC16XX的I/O 口 Tl端，與門B的輸出端連接外部計數(shù)器8253芯片的啟動停止Gate端，該外部計數(shù)器8253芯片的計數(shù)值輸入單片機(jī)PIC16XX。該電路的兩組計數(shù)器分別為:第一組為單片機(jī)PIC16XX的內(nèi)部計數(shù)器0，計數(shù)信號放大與整形電路輸出端P0.2輸出的待測脈沖的上升沿；第二組采用外部計數(shù)器8253芯片，單片機(jī)內(nèi)部定時器I預(yù)置閘門定時時間T。其工作過程:1、初始化單片機(jī)PIC16XX內(nèi)部定時器、計數(shù)器及外部計數(shù)器8253芯片，D觸發(fā)器置0，2、置D觸發(fā)器D端為高電平，當(dāng)捉俘到信號放大與整形電路輸出端P0.2輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發(fā)器Q端翻轉(zhuǎn)為高電平，開啟與門A和與門B，同時觸發(fā)單片機(jī)的INT引腳，打開片內(nèi)定時器定時中斷，單片機(jī)PIC16XX片內(nèi)計數(shù)器和外部計數(shù)器兩個計數(shù)器同時開始計數(shù)；3、當(dāng)片內(nèi)定時器定時時間到，置D觸發(fā)器D端為低電平，當(dāng)捉俘到信號放大與整形電路輸出端P0.2輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發(fā)器Q端翻轉(zhuǎn)為低電平，使兩與門同時關(guān)閉，停止計數(shù)；4、單片機(jī)PIC16XX讀取兩個計數(shù)器計數(shù)值，獲得待測脈沖的頻率=分頻電路輸出的時鐘頻率X單片機(jī)PIC16XX片內(nèi)計數(shù)器計數(shù)值/外部計數(shù)器8253芯片計數(shù)值。從圖7可以看出，D觸發(fā)器實現(xiàn)計數(shù)閘門信號與待測信號同步開門，開門時間T準(zhǔn)確等于待測信號周期的整倍數(shù)，因此Na沒有量化誤差；同時，由于單片機(jī)的時鐘脈沖頻率比待測信號高出4 5個數(shù)量級以上，所以Nb的量化誤差相對值基本可以忽略不計。從而可以推論在整個測量頻率范圍內(nèi)，多周期同步測量法可以保證與時鐘發(fā)生器同等精度的測量，也就是說，該測量法的測量精度取決于預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率，在預(yù)置門時間和常規(guī)測頻閘門時間相同而待測信號頻率不同的情況下，多周期同步測量法的測量精度不變。由于單片機(jī)時鐘頻率高達(dá)50MHz，中斷計算累加、均值化處理精確度較高，計算時刻選擇在最穩(wěn)定的時間段內(nèi)，避免了不一致產(chǎn)生的誤差。在本系統(tǒng)中，實際測頻精度在整個測量頻段上可達(dá)10-7量級。1.5恒流源和A/D轉(zhuǎn)換電路在振弦傳感器工作環(huán)境溫度恒定的條件下，鋼弦的質(zhì)量、鋼弦有效長度、鋼弦橫截面積、體密度及彈性模量也相對恒定，因此鋼弦的諧振頻率與其承受的壓力存在確切的數(shù)學(xué)關(guān)系。但當(dāng)周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化時，鋼弦產(chǎn)生物理形變，其諧振頻率會發(fā)生相應(yīng)的變化，必須以溫度值為參考量對輸出頻率進(jìn)行修正補(bǔ)償。因此，這個電路的目的是測量傳感器環(huán)境溫度，溫度值作為計算振弦傳感器的諧振頻率時的校正參數(shù)。在實際應(yīng)用中，振弦傳感器均內(nèi)置封裝一個熱敏電阻，以供適時測量傳感器外部的環(huán)境溫度。溫度參數(shù)為一個模擬量，為保證測值的可靠性，采用恒流源對振弦傳感器中的熱敏電阻提供恒定電流，如圖8所示，為恒流源電路圖，熱敏電阻R3兩端產(chǎn)生電壓降，此電壓經(jīng)過放大電路、濾波電路，直接進(jìn)單片機(jī)A/D輸入端，經(jīng)模擬量至數(shù)字量轉(zhuǎn)換，可求出熱敏電阻R3的實際阻值，再由熱敏電阻的溫度特性完成阻值到溫度的轉(zhuǎn)換。圖8恒流源電路采用穩(wěn)壓管D2作為基準(zhǔn)器件，其電壓基準(zhǔn)為2.5V，運算放大器U2采用低噪聲低功耗高精度運放0P07。三極管Ul作為調(diào)整管，當(dāng)基準(zhǔn)電壓確定后，通過改變不同數(shù)值的取樣電阻R4，能夠得到不同量值的輸出電流。R2為恒流源的開路保護(hù)電阻，以保證恒流源輸出開路時不會損壞運算放大器和調(diào)整管。
由于溫度傳感器電阻值變化范圍較大(_50°C +150°C)，所以至少采用12位A/D采樣，才能保持一定要求的精度要求。通過多次采集均值處理，提高溫度測值的平穩(wěn)度，如圖9所示，為A/D轉(zhuǎn)換電路圖。A/D轉(zhuǎn)換電路采用4位半數(shù)字電壓表芯片ICL7135，精度相當(dāng)于二進(jìn)制14位，利用其BUSY端，只要一個I/O 口和PIC單片機(jī)內(nèi)部一個定時器就可以獲得A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)。2、水位、雨量傳感器采集電路水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設(shè)置在水位傳感器和單片機(jī)之間的水位傳感器接口電路，雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設(shè)置在雨量傳感器和單片機(jī)之間的雨量傳感器接口電路。大壩壩前、壩后的水位是影響水工安全狀態(tài)的重要因素。在實際應(yīng)用中，通常采用浮子式編碼水位計作為水位傳感器采集水位數(shù)據(jù)，水位傳感器接口電路則采用格雷碼編碼器接口電路。采用翻斗式雨量計作為雨量傳感器采集雨量數(shù)據(jù)，雨量傳感器接口電路則采用霍爾開關(guān)接口電路。浮子式編碼水位計 安裝在測井口或測管上方，以浮子和線輪、不銹鋼絲繩、重錘、防浪錘、精密的變速機(jī)構(gòu)等部件組成。其工作原理是該當(dāng)液位變化時，浮子隨之上下沉浮，不銹鋼絲繩就帶動線輪運動，與線輪同軸連接的編碼器就輸出與液位對應(yīng)的并行12位開關(guān)量信號，從而達(dá)到了對液位的實時測量與顯示的目的。為減少編碼器的機(jī)械動作頻率，編碼器以格雷碼方式編碼。翻斗式雨量計由盛水器、上翻斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗、和匯集漏斗、調(diào)節(jié)螺釘和干簧管等部件組成，計數(shù)翻斗中部裝有一塊小磁鋼，磁鋼上端有干簧管。其工作原理是當(dāng)計量翻斗雨量積到一個測量單位(0.5mm、Imm)時，計量翻斗翻倒，帶動干簧管開關(guān)，使干簧接點因磁化而瞬間閉合一次，發(fā)出一個開關(guān)脈沖信號，將非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。同時將雨水倒入計數(shù)翻斗，使計數(shù)翻斗翻動一次，即另一半翻斗開始盛雨，當(dāng)這個翻斗盛積的水量達(dá)到一個測量單位時，翻斗翻倒，如此反復(fù)，達(dá)到測量雨量目的。如圖10所示，為浮子式編碼水位計12位格雷碼編碼器接口電路圖，12位格雷碼編碼器接口電路包含設(shè)置在12位傳感器U1、U2……U12開關(guān)信號輸出端與地之間的P6KE18A
穩(wěn)壓瞬態(tài)抑制二極管Dl、D2......D12和電容Cl、C2......C12，設(shè)置在單片機(jī)的I/O 口 P2.0、
P2.1……P2.11與地之間的ZD系列二極管D21、D22……D32，設(shè)置在單片機(jī)電源VCC與12位傳感器Ul、U2……U12開關(guān)信號輸出端之間的電阻Rl、R2……R12，設(shè)置在12位傳感器UU U2……U12開關(guān)信號輸出端與單片機(jī)的I/O 口 P2.0、P2.1……P2.11之間的電阻R21、R22……R32。如圖11所示為翻斗式雨量計霍爾開關(guān)接口電路圖?；魻栭_關(guān)接口電路包含設(shè)置在傳感器U13開關(guān)信號輸出端與地之間的P6KE18A穩(wěn)壓瞬態(tài)抑制二極管D13和電容C13，設(shè)置在單片機(jī)的I/O 口 Pl.0與地之間的ZD系列二極管D33，設(shè)置在單片機(jī)電源VCC與傳感器U13開關(guān)信號輸出端之間的電阻R13,設(shè)置在傳感器U13開關(guān)信號輸出端與單片機(jī)的I/O 口 ？1.0之間的電阻1 33。不論是水位計的機(jī)械編碼器，還是雨量計的干簧管，實際上都是機(jī)械式開關(guān)，不同的是前者為12位并行方式，后者為單開關(guān)量。由于雨量傳感器、水位傳感器均安裝在野外，因此節(jié)點電路除通常的穩(wěn)定性和可靠性要求外，還必須有良好的防雷效果。這兩種傳感器的接口電路原理基本類似，都是以長線方式將傳感器的開關(guān)信號接入，因此主要實現(xiàn)思想是保證開關(guān)量采集的同時，必須解決防雷以及瞬間過流、過壓信號的干擾和沖擊問題。圖中P6KE18A穩(wěn)壓瞬態(tài)抑制二極管與ZD系列二極管配合，可起到良好的防雷作用和過電壓保護(hù)作用。圖中電阻和電容組成的微分電路，既可以直接消除外部高頻感應(yīng)信號、線路高頻串?dāng)_，也可以濾除傳感器的開關(guān)抖動。監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)通過內(nèi)部時鐘定時，每5分鐘采集一次水位數(shù)據(jù)；通過實時中斷方式響應(yīng)雨量霍爾開關(guān)的動作，或定時循環(huán)方式查詢霍爾開關(guān)的動作變化。電路內(nèi)置固態(tài)存儲器基本配置4M至SM，能保證存儲2年的水情數(shù)據(jù)。單片機(jī)將采集到的水位、雨量數(shù)據(jù)寫入固態(tài)存儲器保存。一旦到數(shù)據(jù)傳輸時刻，單片機(jī)馬上將該時段的水位、雨量數(shù)據(jù)報送至中心站。二、無線通信電路UYD-ZigBee 無線通信接口YD-ZigBee無線通信接口集無線收發(fā)器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，可實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧的功能。YD-ZigBee無線通信接口是以一個單片計算機(jī)為主控中心，外接射頻通信單元、儲存器、實時時鐘和外部設(shè)備接口組成。這樣，YD-ZigBee無線通信接口既可以根據(jù)外部設(shè)備的指令將有關(guān)數(shù)據(jù)通過射頻單元發(fā)射出去，也可以將射頻單元接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給外部設(shè)備，實現(xiàn)無線雙向通信。如圖12所示，為YD_Zigbee無線通信接口電路原理圖。YD_Zigbee無線通信接口包括YD_Zigbee無線單片機(jī)CC2510，該CC2510由一個高性能的CC8051微控制器和一個
2.4GHZ的無線收發(fā)器集成組成，CC8051單片機(jī)與射頻芯片之間通過SPI接口交換數(shù)據(jù)。無線單片機(jī)通過內(nèi)置的幾個ADC接口或者溫度傳感器，可以實現(xiàn)低分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換或者溫度監(jiān)控；通過串口通信接口與外部設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。YD_Zigbee無線通信接口的嵌入式軟件采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫代碼實現(xiàn)，方便代碼的移植；內(nèi)部集成了 一整套軟件通訊協(xié)議棧，可以錄制不同的軟件模塊。這個嵌入式軟件與無線收發(fā)器相配合，就構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本部件，如網(wǎng)關(guān)(AP)，終端節(jié)點(ED)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(RE)等等。為實現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換功能，YD_Zigbee無線通信接口提供了一個TTL標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口。該接口在保證模塊與外部設(shè)備交互通信的同時，外部設(shè)備還能夠通過該接口控制模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，或者在模塊工作異常時將其復(fù)位。如圖13所示，為YD_Zigbee無線通信接口與單片機(jī)MCU的連接圖。2、GPRS/GSM 無線通信接口對于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送的應(yīng)用場合，系統(tǒng)必須設(shè)置匯聚節(jié)點，因而GPRS/GSM無線通信接口必不可少，如圖14所示為GPRS/GSM無線通信接口電路原理圖。一般來說，監(jiān)測節(jié)點能耗的要求非常小。在休眠狀態(tài)，功耗控制在微安級；采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，功耗也應(yīng)小于10毫安，而且持續(xù)時間為2秒以內(nèi)，這樣使用普通低功耗的電源芯片就可以達(dá)到節(jié)能目的。但對于匯聚節(jié)點來說，因為有了 GPRS/GSM無線通信接口等大功率通信芯片，其數(shù)據(jù)傳送時刻的電流可以達(dá)到300毫安左右，平時待機(jī)工作狀態(tài)的靜態(tài)電流也達(dá)20毫安。為解決總能耗問題，電源電路中專門設(shè)計一個帶通斷控制端的開關(guān)電源芯片供GPRS/GSM無線通信接口工作，在其不傳送數(shù)據(jù)時，用軟件方式直接關(guān)斷GPRS/GSM無線通信接口的電源供給，使GPRS/GSM無線通信接口零電流消耗；在傳送數(shù)據(jù)時，打開電源開關(guān)，直至通信完畢(約10秒時間)，這樣可以達(dá)到節(jié)能目的。如圖15所示，為節(jié)點的電源電路圖，其中J6為直流電源輸入，其工作范圍為+9V +18V，開關(guān)電源芯片U2的通斷控制端第5腳連接至單片機(jī)的I/O 口，以決定GPRS/GSM無線通信接口的電源供給通斷。匯聚節(jié)點是數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點的一種特殊形式，是無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)通信接口的轉(zhuǎn)換功能。因此，匯聚節(jié)點軟件首先包含有數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點的通信(如路由選擇)部分，再加上GPRS通信和internet通信驅(qū)動軟件，兼顧兩者的通信需要，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與中心站之間數(shù)據(jù)交換。根據(jù)其應(yīng)用需求的不同，可以內(nèi)置內(nèi)部時鐘芯片和大容量的存儲器，以便節(jié)點內(nèi)存放較長時間內(nèi)收集的數(shù)據(jù)，并在特定的時間間隔集中與測控中心交換數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括監(jiān)測節(jié)點、匯聚節(jié)點和測控中心； 監(jiān)測節(jié)點包括基本主控電路、數(shù)據(jù)采集電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機(jī)和分別與該單片機(jī)相連的電源電路、硬件時鐘CLOCK及FLASH存儲器電路；數(shù)據(jù)采集電路包含與單片機(jī)相連的采集滲壓、應(yīng)變、位移或滲流信息的振弦式傳感器采集電路、與單片機(jī)相連的采集水位信息的水位傳感器采集電路、與單片機(jī)相連的采集雨量信息的雨量傳感器采集電路中的任一項采集電路、任二項采集電路或全部采集電路；無線通信電路包含與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口 ； 匯聚節(jié)點包括基本主控電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機(jī)和分別與該單片機(jī)相連的電源電路、硬件時鐘CLOLCK及FLASH存儲器電路；無線通信電路包含與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口，或分別與單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口 ； 測控中心包括連接互聯(lián)網(wǎng)的測控中心計算機(jī)，或包括中心節(jié)點和與該中心節(jié)點相連的測控中心計算機(jī)，該中心節(jié)點包含單片機(jī)和與該單片機(jī)相連的YD-Zigbee無線通信接口 ；若干監(jiān)測節(jié)點相鄰在一個有限的區(qū)域范圍之內(nèi)，該若干監(jiān)測節(jié)點與其關(guān)聯(lián)的匯聚節(jié)點之間通過由YD-Zigbee無線通信接口構(gòu)成的微小功率無線通道，形成一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，適時采集水庫水位、雨量及滲壓、應(yīng)變、位移、滲流狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，以單跳或多跳的形式與關(guān)聯(lián)的匯聚節(jié)點交換數(shù)據(jù)；多個匯聚節(jié)點各自集中處理來自相應(yīng)有限區(qū)域范圍內(nèi)的若干監(jiān)測節(jié)點交換過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，視匯聚節(jié)點與測控中心距離的遠(yuǎn)近，以方式一或方式二定時傳輸?shù)綔y控中心處理；所述方式一為:當(dāng)匯聚節(jié)點與測控中心距離較近時，匯聚節(jié)點直接通過由YD-Zigbee無線通信接口構(gòu)成的微小功率無線通道將數(shù)據(jù)交換至中心節(jié)點，再傳輸給測控中心計算機(jī)處理；所述方式二為:當(dāng)匯聚節(jié)點與測控中心距離較遠(yuǎn)時，匯聚節(jié)點通過由GPRS/GSM無線通信接口連通的INTERNET/GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭B接互聯(lián)網(wǎng)的測控中心計算機(jī)處理，測控中心計算機(jī)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過建立的模型對采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估水工當(dāng)前的安全狀態(tài)，進(jìn)而作出預(yù)報預(yù)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測節(jié)點的振弦式傳感器采集電路包含振弦傳感器、激振電路、信號放大與整形電路、恒流源與溫度轉(zhuǎn)換電路以及放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路，監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)的I/O 口輸出激振脈沖，經(jīng)激振電路驅(qū)動振弦傳感器的感應(yīng)線圈發(fā)生諧振；所述信號放大與整形電路輸入振弦式傳感器輸出的諧振頻率信號，對該諧振頻率信號進(jìn)行放大、整流和整形，輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號至監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)的I/O 口，啟動片內(nèi)計數(shù)器計數(shù)，從而得出振弦諧振頻率值，再經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換計算得到所需測量值；所述恒流源與溫度轉(zhuǎn)換電路連接振弦傳感器的熱敏電阻，對振弦傳感器的熱敏電阻提供恒定電流，并將該振弦傳感器熱敏電阻兩端的電壓降輸入放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬量至數(shù)字量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號由監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)讀取，即為傳感器環(huán)境溫度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測節(jié)點的振弦式傳感器采集電路還包含設(shè)置在監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)和信號放大與整形電路之間的分頻與計數(shù)器電路，該分頻與計數(shù)器電路包含D觸發(fā)器、與門A、與門B、時鐘發(fā)生器、分頻電路和外部計數(shù)器，所述信號放大與整形電路的輸出端分別連接D觸發(fā)器的時鐘CP端和與門A的第一輸入端，該D觸發(fā)器的D端和R端分別連接單片機(jī)的I/O 口，該D觸發(fā)器的Q端分別連接與門A的第二輸入端、單片機(jī)的中斷口 INT和與門B的第一輸入端,所述時鐘發(fā)生器輸出的時鐘信號經(jīng)分頻電路分別輸入與門B的第二輸入端和外部計數(shù)器的時鐘輸入端，與門A的輸出端連接單片機(jī)的I/O 口 Tl端，與門B的輸出端連接外部計數(shù)器的啟動停止端，該外部計數(shù)器的計數(shù)值輸入單片機(jī)； 首先，將監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)內(nèi)部定時器、計數(shù)器及外部計數(shù)器初始化，D觸發(fā)器置O，置D觸發(fā)器D端為高電平；當(dāng)捉俘到信號放大與整形電路輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發(fā)器Q端翻轉(zhuǎn)為高電平，開啟與門A和與門B，同時觸發(fā)單片機(jī)的INT引腳，打開片內(nèi)定時器定時中斷，單片機(jī)片內(nèi)計數(shù)器和外部計數(shù)器兩個計數(shù)器同時開始計數(shù)；當(dāng)片內(nèi)定時器定時時間到，置D觸發(fā)器D端為低電平，當(dāng)捉俘到待測脈沖上升沿時，D觸發(fā)器Q端翻轉(zhuǎn)為低電平，使兩與門同時關(guān)閉，停止計數(shù)；單片機(jī)讀取兩個計數(shù)器計數(shù)值，獲得待測脈沖的頻率=分頻電路輸出的時鐘頻率X單片機(jī)片內(nèi)計數(shù)器計數(shù)值/外部計數(shù)器計數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述外部計數(shù)器采用8253計數(shù)器芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測節(jié)點的水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設(shè)置在水位傳感器和單片機(jī)之間的水位傳感器接口電路，所述監(jiān)測節(jié)點的雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設(shè)置在雨量傳感器和單片機(jī)之間的雨量傳感器接口電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述水位傳感器采用浮子式編碼水位計，所述水位傳感器接口電路采用格雷碼編碼器接口電路；所述雨量傳感器采用翻斗式雨量計，所述雨量傳感器接口電路采用霍爾開關(guān)接口電路。
7.根據(jù)權(quán)利要 求6所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述格雷碼編碼器接口電路和霍爾開關(guān)接口電路均包含設(shè)置在傳感器開關(guān)信號輸出端與地之間的P6KE18A穩(wěn)壓瞬態(tài)抑制二極管和電容，設(shè)置在單片機(jī)的I/O 口與地之間的ZD系列二極管，設(shè)置在單片機(jī)電源VCC與傳感器開關(guān)信號輸出端之間的一電阻，設(shè)置在傳感器開關(guān)信號輸出端與單片機(jī)的I/O 口之間的另一電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測節(jié)點的無線通信電路還包含與監(jiān)測節(jié)點單片機(jī)相連的GPRS/GSM無線通信接口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述GPRS/GSM無線通信接口經(jīng)帶通斷控制端的開關(guān)電源芯片供電，該開關(guān)電源芯片的通斷控制端連接相應(yīng)單片機(jī)的I/o 口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測節(jié)點和匯聚節(jié)點還設(shè)有連接單片機(jī)的通信擴(kuò)充接口，該通信擴(kuò)充接口采用RS232接口。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水工安全監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測節(jié)點、匯聚節(jié)點和測控中心。監(jiān)測節(jié)點包括基本主控電路、數(shù)據(jù)采集電路和無線通信電路，匯聚節(jié)點包括基本主控電路和無線通信電路，測控中心包括連接互聯(lián)網(wǎng)的測控中心計算機(jī)，或包括中心節(jié)點和與該中心節(jié)點相連的測控中心計算機(jī)。若干監(jiān)測節(jié)點通過由YD-Zigbee無線通信接口構(gòu)成的微小功率無線通道，形成一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，適時采集水庫水位、雨量及滲壓、應(yīng)變、位移、滲流狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，以單跳或多跳的形式與關(guān)聯(lián)的匯聚節(jié)點交換數(shù)據(jù)；多個匯聚節(jié)點各自集中處理來自相應(yīng)若干監(jiān)測節(jié)點交換過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并定時傳輸?shù)綔y控中心處理。本發(fā)明功耗小、成本低。
文檔編號G01D21/02GK103149917SQ20131009793
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者許旭生, 廖剛堅, 滕軍, 曾庚運, 丁永清, 黎洪生 申請人:廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院