專利名稱：一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置和實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，具體是利用液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感 器進行水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置和實現(xiàn)方法。技術(shù)背景我國是一個洪澇災(zāi)害比較頻繁的國家，為避免和減小洪澇帶來的經(jīng)濟損失，眾多的江河湖 泊需要及時準(zhǔn)確的檢測水位等水文信息。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水下養(yǎng)殖、水下打撈、水下探測、 水下?lián)屝蕖⑺侣糜蔚人禄顒釉絹碓筋l繁，由于水下情況的未知性使得這些水下活動具有 一定的危險性。這些使得安全可靠的采集水下信息成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)的水下信息采 集方法主要有以下幾種方式其一是手持竹竿人工取樣方式，此種方式精度差、操作難度大、 勞動強度高，尤其在汛期時危險性高；其二是潛水取樣，此種方式在近海作業(yè)時采用較為頻 繁，除存在上述的缺點外，其采集成本高、采樣次數(shù)少、采集數(shù)據(jù)不及時、受氣候影響大。 因此，發(fā)明一種安全、及時、可靠、方便的水下信息采集裝置成為發(fā)展未來水下活動首要解 決的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置和實現(xiàn)方法。本發(fā)明要解決的傳統(tǒng)水下信息采集方法存在的精度差、操作難度大、勞動強度高、采集 成本高、采樣次數(shù)少、采集數(shù)據(jù)不及時、受氣候影響大的問題。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置由液位傳 送器、傾角傳感器、溫度傳感器、控制單元、數(shù)據(jù)交換單元和射頻單元組成；液位傳送器、 傾角傳感器、溫度傳感器分別與控制單元互相連接，控制單元與數(shù)據(jù)交換單元互相連接，數(shù) 據(jù)交換單元與射頻單元互相連接。液位傳送器用來檢測裝置所處位置的水壓信息并輸出模擬信號；傾角傳感器用來檢測裝置所處位置的地形信息并輸出數(shù)字信號；溫度傳感器用來檢測裝置所處位置的溫度信息并輸出模擬信號；控制單元通過控制單元的輸入輸出管腳口對液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器的開關(guān)進行控制，保證裝置的低功耗特性及運行的靈活性；控制單元利用自帶的AD采集液位傳送器及溫度傳感器的模擬輸出信號； 控制單元利用串行外設(shè)接口與傾角傳感器進行數(shù)據(jù)交換，傾角傳感器的輸出信號與AD采集的液位傳送器信號、溫度傳感器信號在控制單元內(nèi)進行轉(zhuǎn)換算法及協(xié)議處理； 控制單元還協(xié)調(diào)整個裝置的有效運行，控制系統(tǒng)功耗，延長裝置工作時間； 數(shù)據(jù)交換單元將控制單元與射頻單元連接，以便兩者進行數(shù)據(jù)交換； 射頻單元與基站建立無線通信聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)交換； 本發(fā)明裝置電源由電池提供。本發(fā)明所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法包括傳感器輸 出信號的采集方法，采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理方法，傳感器的控制方法，低功耗控制方法，裝置 與基站的組網(wǎng)方法，上報數(shù)據(jù)方法，射頻喚醒方法及無線傳輸通信方法。傳感器輸出信號的采集方法是控制單元利用自帶的AD采集液位傳送器及溫度傳感器的 模擬輸出信號，利用自帶的串行外設(shè)接口與傾角傳感器進行數(shù)據(jù)交換。釆集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理方法是控制單元根據(jù)固化在其存儲單元里的程序?qū)囊何粋魉推鳌?傾角傳感器、溫度傳感器采集來的信號進行轉(zhuǎn)換，以準(zhǔn)確反映出裝置所在位置的水位、水下 地形、水溫。傳感器的控制方法是利用控制單元利用輸入輸出管腳控制液位傳送器、傾角傳感器、溫 度傳感器的開關(guān)，根據(jù)具體要求進行水下信息采集。低功耗控制方法是指控制單元周期地進入低功耗狀態(tài)并間歇式地切斷液位傳送器、傾角 傳感器、溫度傳感器的電源，同時可控制射頻單元進入休眠低功耗狀態(tài)，從而把功耗降到最 低；裝置絕大部分時間處于休眠狀態(tài)，只有需要進行采集時才處于正常工作狀態(tài)。裝置與基站的組網(wǎng)方法是指裝置與基站的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明上報數(shù)據(jù)方法為實時上報和定時上報，定時時間由基站設(shè)置。射頻喚醒方法指通過射頻模塊的射頻喚醒功能使裝置在正常工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)間進行 轉(zhuǎn)換。無線傳輸通信方法指檢測裝置和基站之間采用無線通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，維護簡單 方便。本發(fā)明具有成本低、布設(shè)維護方便、使用安全、及時準(zhǔn)確等優(yōu)點。有效的解決了傳統(tǒng)人 工作業(yè)所存在的問題。本發(fā)明的該裝置在水下活動作業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1為本發(fā)明的裝置框圖。圖2為本發(fā)明裝置的工作流程圖。圖3為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓樸圖。圖4為本發(fā)明裝置的端機程序流程圖。圖5為本發(fā)明裝置的基站程序流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明所述的一種用于水下信息釆集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置包括液位傳送 器、傾角傳感器、溫度傳感器、控制單元、數(shù)據(jù)交換單元和射頻單元組成液位傳送器、傾 角傳感器、溫度傳感器分別與控制單元互相連接，控制單元與數(shù)據(jù)交換單元互相連接，數(shù)據(jù) 交換單元與射頻單元互相連接。液位傳送器用來檢測裝置所處位置的水壓信息并輸出模擬信號；傾角傳感器用來檢測裝置所處位置的地形信息并輸出數(shù)字信號；溫度傳感器用來檢測裝置所處位置的溫度信息并輸出模擬信號；控制單元通過控制單元的輸入輸出管腳口對液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器的開關(guān)進行控制，保證裝置的低功耗特性及運行的靈活性；控制單元利用自帶的AD采集液位傳送器及溫度傳感器的模擬輸出信號； 控制單元利用串行外設(shè)接口與傾角傳感器進行數(shù)據(jù)交換，傾角傳感器的輸出信號與AD采集的液位傳送器信號、溫度傳感器信號在控制單元內(nèi)進行轉(zhuǎn)換算法及協(xié)議處理； 控制單元還協(xié)調(diào)整個裝置的有效運行，控制系統(tǒng)功耗，延長裝置工作時間； 數(shù)據(jù)交換單元將控制單元與射頻單元連接，以便兩者進行數(shù)據(jù)交換； 射頻單元與基站建立無線通信聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)交換。液位傳送器采用MOTOROLA公司的MPX5700，傾角傳感器采用VTI公司的SCA3100， 溫度傳感器采用負溫度系數(shù)熱敏電阻。射頻單元工作頻率為433MHz,信道數(shù)目255個，數(shù)據(jù) 傳輸速率及功率可調(diào)，最大傳輸速率500kbps，最大傳輸功率10dBm,布設(shè)在水面時的無線傳 輸距離最大可到500m，射頻單元采用垂直極化方向的全向陶瓷天線，最大天線增益0.5dBi， 最大駐波比2.0。控制單元利用自帶的AD采集液位傳送器及溫度傳感器的模擬輸出信號，利 用自帶的串行外設(shè)接口同傾角傳感器進行數(shù)據(jù)交換。整個裝置在一套完善的低功耗模式下工作，控制單元和射頻單元只有在短暫的檢測時間 內(nèi)處于正常工作模式，其余時間處于超低功耗模式并可根據(jù)需要切斷液位傳送器、傾角傳感 器、溫度傳感器的供電電源，保證系統(tǒng)以最低的功耗進行工作。正常工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)之 間的切換靠射頻喚醒功能來實現(xiàn)。裝置的工作電壓為5V，統(tǒng)處于休眠時的工作電流為0.3mA， 正常工作時的電流為8mA，最大工作電流為38mA。裝置的供電由電池提供。裝置與基站采用自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成網(wǎng)絡(luò)。裝置的控制單元將處理過的數(shù)據(jù)通 過射頻單元發(fā)送至基站，發(fā)送方式為實時和定時，定時時間可由基站方便設(shè)置。裝置上電后，首先進行圖2所示的初始化工作，完成初始化工作后裝置將加入網(wǎng)絡(luò)，加 入網(wǎng)絡(luò)后即進入休眠狀態(tài)，當(dāng)射頻喚醒的命令到來時裝置進入正常工作狀態(tài)，采集結(jié)束重新 進入休眠狀態(tài)。本發(fā)明所述的用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法為通過控制單元控 制液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器的開關(guān)，根據(jù)具體要求進行水下信息采集。控制單 元通過對采集的信號進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理后得到準(zhǔn)確的水位、水下地形、水溫信息?？刂茊卧?除根據(jù)需求可定期進入超低功耗狀態(tài)外，還可控制液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器的 電源進行間歇式的切斷，并可控制射頻單元進入休眠低功耗狀態(tài)，在裝置電源由電池提供時， 最大程度提高了電源的續(xù)航能力，延長了使用壽命。裝置絕大部分時間處于休眠狀態(tài)，只有 需要進行采集時才處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)采用權(quán)利要求9所述的一系列低功耗技術(shù)時，系統(tǒng) 處于休眠時的工作電流為0.3mA，正常工作時的電流為8mA，最大工作電流為38mA。裝置 的正常工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間通過射頻喚醒功能來實現(xiàn)。裝置與基站的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用自組 織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。射頻單元數(shù)據(jù)傳輸模式為實時和定時方式，定時時間可由基站方便設(shè) 置。本發(fā)明采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有成本低、布設(shè)維護方便、使用安全、及時準(zhǔn)確等優(yōu) 點。本發(fā)明在水下信息采集領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置，其特征在于它由液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器、控制單元、數(shù)據(jù)交換單元和射頻單元組成；液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器分別與控制單元互相連接，控制單元與數(shù)據(jù)交換單元互相連接，數(shù)據(jù)交換單元與射頻單元互相連接。液位傳送器用來檢測裝置所處位置的水壓信息并輸出模擬信號；傾角傳感器用來檢測裝置所處位置的地形信息并輸出數(shù)字信號；溫度傳感器用來檢測裝置所處位置的溫度信息并輸出模擬信號；控制單元通過控制單元的輸入輸出管腳口對液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器的開關(guān)進行控制，保證裝置的低功耗特性及運行的靈活性；控制單元利用自帶的AD采集液位傳送器及溫度傳感器的模擬輸出信號；控制單元利用串行外設(shè)接口與傾角傳感器進行數(shù)據(jù)交換，傾角傳感器的輸出信號與AD采集的液位傳送器信號、溫度傳感器信號在控制單元內(nèi)進行轉(zhuǎn)換算法及協(xié)議處理；控制單元還協(xié)調(diào)整個裝置的有效運行，控制系統(tǒng)功耗，延長裝置工作時間；數(shù)據(jù)交換單元將控制單元與射頻單元連接，以便兩者進行數(shù)據(jù)交換；射頻單元與基站建立無線通信聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)交換。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置，其特征在于液 位傳送器采用MOTOROLA公司的MPX5700,傾角傳感器采用VTI公司的SCA3100，溫度 傳感器采用負溫度系數(shù)熱敏電阻。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置，其特征在于射 頻單元工作頻率為433MHz，信道數(shù)目255個，數(shù)據(jù)傳輸速率及功率可調(diào)，最大傳輸速率 500kbps，最大傳輸功率10dBm，布設(shè)在水面時的無線傳輸距離最大可到500m，射頻單元采 用垂直極化方向的全向陶瓷天線，最大天線增益0.5dBi，最大駐波比2.0。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法，其 特征在于控制單元利用自帶的AD采集液位傳送器及溫度傳感器的模擬輸出信號，利用自帶 的串行外設(shè)接口同傾角傳感器進行數(shù)據(jù)交換。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法，其 特征在于通過控制單元控制液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器的開關(guān)，根據(jù)具體要求進 行水下信息采集；控制單元通過對采集的信號進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理后得到準(zhǔn)確的水位、水下地 形、水溫信息。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法，其特征在于控制單元除根據(jù)需求可定期進入超低功耗狀態(tài)外，還可控制液位傳送器、傾角傳感 器、溫度傳感器的電源進行間歇式的切斷，并可控制射頻單元進入休眠低功耗狀態(tài)，在裝置 電源由電池提供時，最大程度提高了電源的續(xù)航能力，延長了使用壽命。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法，其 特征在于裝置絕大部分時間處于休眠狀態(tài)，只有需要進行采集時才處于正常工作狀態(tài)；正常 工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間通過射頻喚醒功能來實現(xiàn)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法，其 特征在于裝置與基站的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置的實現(xiàn)方法，其 特征在于射頻單元數(shù)據(jù)傳輸模式為實時和定時方式，定時時間可由基站方便設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，具體是提供了一種利用液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器進行水下信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置和實現(xiàn)方法。本發(fā)明所述的裝置包括傳感器單元、控制單元、數(shù)據(jù)交換單元和射頻單元。本發(fā)明所述的實現(xiàn)方法包括傳感器輸出信號的采集方法，采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理方法，傳感器的控制方法，低功耗控制方法，裝置與基站的組網(wǎng)方法，上報數(shù)據(jù)方法，射頻喚醒方法及無線傳輸通信方法。本發(fā)明利用液位傳送器、傾角傳感器、溫度傳感器對水位、水下地形和水溫等水下信息進行采集，通過控制單元對采集數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化處理，實時檢測出發(fā)明裝置所在水下位置的水文信息，并通過無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞桨褦?shù)據(jù)發(fā)送至基站以進行水下信息方面的檢測。本發(fā)明采用自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在使用過程中可根據(jù)實際情況靈活布設(shè)，快速組網(wǎng)，具有布設(shè)維護簡單、操作安全，運行成本低等特點。
文檔編號G01K7/22GK101324987SQ20081005997
公開日2008年12月17日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者劉海濤, 波 吳, 周璐巍, 華 姜, 帆 張, 李中一, 李保海, 康 趙, 鮑星合 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心