專利名稱：多參數(shù)模塊化養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，主要是涉及適用于養(yǎng)殖水域的水環(huán)境參數(shù)在 線監(jiān)測技術(shù)。
背景技術(shù)：
水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正朝著高密度、精養(yǎng)高產(chǎn)的工廠化養(yǎng)殖方向發(fā)展，對養(yǎng)殖水體的水參 數(shù)進行監(jiān)測可以為合理地選擇養(yǎng)殖物種、控制生產(chǎn)過程、改良水質(zhì)防治污染提供科學依據(jù)， 也是進行養(yǎng)殖水環(huán)境評價、預測和有效開發(fā)利用水資源的重要前提。水產(chǎn)養(yǎng)殖水域?qū)拸V，有 時由多個養(yǎng)殖池組成，為了對養(yǎng)殖水域的水質(zhì)參數(shù)的分布及其變化情況進行監(jiān)測，需要在 這些水域部署多個觀測點進行水質(zhì)參數(shù)的長期連續(xù)在線監(jiān)測和記錄。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法主要有兩種(1)人工采樣實驗室分析或采用手持便攜式監(jiān) 測儀現(xiàn)場采樣檢測；(2)在特定區(qū)域建設(shè)水質(zhì)自動監(jiān)測站。前者采樣頻率低，勞動強度大， 無法實時監(jiān)控，不能反映水體水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)動態(tài)變化。后者能實現(xiàn)水質(zhì)自動監(jiān)測，但存在 投資成本高、建設(shè)周期長、需鋪設(shè)電纜和征地建站等局限性，其覆蓋水域不可能很廣，也無 法實施多點監(jiān)測。近年來，無線傳感網(wǎng)絡的技術(shù)研究正在蓬勃發(fā)展之中，將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應 用于環(huán)境監(jiān)測和生態(tài)研究是熱點之一。由于無線傳感網(wǎng)絡的自組織特性和節(jié)點設(shè)計的微 型化、低成本和低能耗，將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)與傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測儀器相結(jié)合，可以實現(xiàn)區(qū) 域水參數(shù)多監(jiān)測節(jié)點的快速配置和自組網(wǎng)，無線傳輸和低能耗的特點能適應戶外多變的環(huán) 境。基于無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)的水環(huán)境檢測系統(tǒng)可以在低成本的條件下實現(xiàn)大范圍水域的空 間和時間二維實時數(shù)據(jù)的在線采樣，高密度空時水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)描述可以實現(xiàn)對養(yǎng)殖物種 及其水體環(huán)境進行高質(zhì)量的分析與管理，達到科學養(yǎng)殖、預防污染和污染分析的目的。目前的水質(zhì)檢測儀器可分為單參數(shù)檢測和多參數(shù)檢測，如美國YSI多參數(shù)復合水 質(zhì)分析儀，可同時監(jiān)測十多個測量項目。但是這些多參數(shù)水質(zhì)分析儀，由于傳感電極和信號 處理與控制電路的一體化設(shè)計，它們允許檢測的水質(zhì)參數(shù)也是固定的，不能隨意增減，而且 允許檢測的參數(shù)越多，儀器越昂貴。以往的監(jiān)測儀器和監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率由系統(tǒng)設(shè)定或手工設(shè)置，設(shè)定后不能自動 改變，不能實現(xiàn)根據(jù)所采樣的水質(zhì)數(shù)據(jù)自動調(diào)整采樣頻度的功能。本實用新型公開一種基于無線傳感網(wǎng)絡原理設(shè)計的水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，本系 統(tǒng)采用傳感功能模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以靈活配置監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測節(jié)點的個數(shù)，而且，能夠 根據(jù)采集到的水質(zhì)參數(shù)進行綜合分析，根據(jù)水質(zhì)狀況自動調(diào)整采樣頻度，實現(xiàn)“智能化采樣”。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種監(jiān)測點部署快速、監(jiān)測參數(shù)配置靈活、組網(wǎng)方便、低 成本的無線智能化養(yǎng)殖水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組 成，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有水質(zhì)傳感節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點三種類型，它們通過自組織形式組成無線傳感器網(wǎng)絡，其中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過串口或無線數(shù)據(jù)傳輸接口與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心 計算機相連。本實用新型提出的無線智能化養(yǎng)殖水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是通過以下方案實現(xiàn)的水質(zhì)傳感節(jié)點由傳感功能模塊、控制與通信模塊和電源模塊組成。其中的傳感功 能模塊由傳感探頭、信號調(diào)理電路、協(xié)處理器、串行輸出總線組成，不同參數(shù)的水質(zhì)監(jiān)測有 不同的傳感功能模塊，但它們都具有統(tǒng)一的輸出總線類型。傳感功能模塊通過輸出總線與 控制與通信模塊連接，不同的水質(zhì)傳感功能模塊具有不同的地址號，它們可以連接在同一 輸出總線上，數(shù)目在一定范圍內(nèi)可增可減，控制與通信模塊采用主從通信方式與各個傳感 功能模塊通信。水質(zhì)傳感節(jié)點的控制與通信模塊由總線信號轉(zhuǎn)換電路、主處理器電路、無線 通信電路組成，無線通信電路輸出的信號連接到天線。電源模塊由電池和直流變壓電路組 成，分別與傳感功能模塊、控制與通信模塊連接，為它們提供電源。路由節(jié)點由控制與通信模塊和電源模塊組成，控制與通信模塊由主處理器電路、 無線通信電路組成，無線通信電路輸出的信號連接到天線。電源模塊由電池和直流變壓電 路組成，與控制與通信模塊連接，為它提供電源。網(wǎng)關(guān)節(jié)點由控制與通信模塊、網(wǎng)關(guān)處理模塊、電源模塊組成，控制與通信模塊由主 處理器電路、無線通信電路組成，無線通信電路輸出的信號連接到天線，網(wǎng)關(guān)模塊由本地通 信/遠程通信接口電路組成，網(wǎng)關(guān)模塊的本地通信接口以串行口方式連接到本地數(shù)據(jù)監(jiān)控 中心計算機的串行口，網(wǎng)關(guān)模塊的遠程通信接口以GPRS或CDMA方式無線傳輸?shù)竭h程的數(shù) 據(jù)監(jiān)控中心計算機。電源模塊由電池和直流變壓電路組成，與控制與通信模塊和網(wǎng)關(guān)模塊 連接，為它們提供電源。所述的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心由監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件、數(shù)據(jù)庫組成。監(jiān)控計算機 可以是帶本地數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件的本地計算機，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過串行口與本地計算 機相連；監(jiān)控計算機可以是帶遠程數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件的遠程計算機，該計算機配置 GPRS或CDMA通信模塊，通過GPRS或CDMA模塊與遠程的無線傳感器網(wǎng)絡建立連接。本實用新型的有益效果是(1)水質(zhì)傳感節(jié)點采用模塊化設(shè)計，每個節(jié)點可連接多個不同參數(shù)的傳感功能模 塊，傳感功能模塊可以根據(jù)測試任務的需要進行添加和更換，而不需重新設(shè)計節(jié)點其它模 塊的硬件電路，增加了水質(zhì)傳感節(jié)點功能的靈活性和通用型。(2)水質(zhì)傳感節(jié)點的數(shù)量可多可少，可以根據(jù)監(jiān)測需要來布署，每個傳感節(jié)點可以 是單參數(shù)測量，也可以是多參數(shù)測量，組成分布式多參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡；(3)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，結(jié)構(gòu)簡單，避免了建站和架設(shè)線路的投入，即節(jié)省成 本，又安裝方便，特別為惡劣地理環(huán)境下的戶外水質(zhì)監(jiān)測帶來了很大便利；(4)采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，具有網(wǎng)絡自組織、通信質(zhì)量可靠、節(jié)點小型化、功耗小、 網(wǎng)絡容量大等優(yōu)點。(5) “智能化采樣”使得系統(tǒng)能及時準確詳細地反映任意參數(shù)水質(zhì)的異常變化，為 可能的污染事件提供高分辨率的空時分布水質(zhì)數(shù)據(jù)。

圖1為監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖；[0021]圖2為水質(zhì)傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖；圖3為水質(zhì)傳感節(jié)點中的傳感功能模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖4為網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)框具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型所述的監(jiān)測系統(tǒng)做進一步的說明。圖1是本發(fā)明所述的監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖。圖中的監(jiān)測水域是水產(chǎn)養(yǎng)殖水域，可 以是海水養(yǎng)殖場或淡水養(yǎng)殖池。本系統(tǒng)在監(jiān)測水域內(nèi)由三種不同類型的節(jié)點組成一個無線 自組織網(wǎng)絡，它們是水質(zhì)傳感節(jié)點、路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點，水質(zhì)傳感節(jié)點的數(shù)量可以根據(jù)監(jiān) 測點的要求設(shè)定，各節(jié)點之間通過無線信道進行通訊，無線信道可以選用2. 4GHz的全球公 開無線免費頻段，組網(wǎng)方式可以選用ZigBee技術(shù)。水質(zhì)傳感節(jié)點采集所需要的水質(zhì)參數(shù)后，直接發(fā)送或經(jīng)路由節(jié)點多跳發(fā)送至網(wǎng)關(guān) 節(jié)點集中處理；網(wǎng)關(guān)節(jié)點將壓縮后的數(shù)據(jù)通過串口連接到本地監(jiān)控計算機，或通過GPRS或 CDMA接口和遠程的監(jiān)控計算機相連。運行于監(jiān)控計算機上的監(jiān)控軟件負責對數(shù)據(jù)進行解 碼、提取、分析和綜合，然后顯示數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結(jié)果，并判斷監(jiān)測水域的水質(zhì)狀態(tài)以決定是否 告警和發(fā)布更新采樣頻度的命令。圖2是水質(zhì)傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖。圖3是水質(zhì)傳感節(jié)點中的傳感功能模塊結(jié)構(gòu)框圖。 水質(zhì)傳感節(jié)點固定安裝于監(jiān)測點處，其中的傳感功能模塊的水質(zhì)傳感探頭可采用沉浸式或 管道式固定于水體流通處，除了水質(zhì)傳感探頭外，水質(zhì)傳感節(jié)點的其他部分密封處理以對 抗戶外惡劣環(huán)境，保證節(jié)點的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。傳感功能模塊可以是溫度傳感模 塊、PH值傳感模塊、溶解氧傳感模塊、鹽度傳感模塊等，這些模塊的傳感探頭不同，模塊中的 信號調(diào)理電路根據(jù)測量原理和探頭的要求設(shè)計，不同測量參數(shù)模塊的協(xié)處理器可以采用同 一種型號，如AT公司的51系列單片機或MICROCHIP公司的PIC單片機，傳感功能模塊的輸 出可以采用串行RS485總線接口，通過總線電纜與水質(zhì)傳感節(jié)點中的控制與通信模塊的輸 入端相連。水質(zhì)傳感節(jié)點的控制與通信模塊采用Chipcon公司的CC2430芯片設(shè)計，CC2430 單片集成了一個高性能低功耗的8051微控制器核、一個符合IEEE802. 15. 4標準的2. 4GHz 頻段射頻收發(fā)機、128KB可編程閃存和8KB的RAM、符合IEEE802. 15. 4規(guī)范的MAC定時器， 硬件上完全支持CSMA/⑶功能，其中的128KB的閃存可以足夠容納完整的ZigBee無線協(xié)議 棧(約占1/2的存儲空間)和用戶程序代碼。除此以外，CC2430還含有定時器、AES-128協(xié) 同處理器、看門狗定時器、32KHz晶振休眠模式定時器、電池監(jiān)測電路和21個可編程I/O引 腳、兩個可編程的USART用于主/從SPI或UART。CC2430芯片通過擴展一個RS485接口芯 片MAX3485和少量的外圍器件即可實現(xiàn)圖2中的控制與通信模塊的功能。電源模塊可采用 18V蓄電池，其中的直流變壓電路可以采用電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2576，從18V電壓中產(chǎn)生12V和 3. 3V電壓，其中12V電壓為傳感功能模塊供電，3. 3V電壓為控制與通信模塊供電。路由節(jié)點負責多跳轉(zhuǎn)發(fā)水質(zhì)傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)包到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，在監(jiān)測區(qū)域中，可根 據(jù)一定的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置相應數(shù)量的固定路由節(jié)點，分布密度合理的路 由節(jié)點可使水質(zhì)傳感節(jié)點在監(jiān)測水域內(nèi)穩(wěn)定地收發(fā)數(shù)據(jù)包，減少數(shù)據(jù)丟包的發(fā)生。路由節(jié) 點由控制與通信模塊和電源模塊組成，相比水質(zhì)傳感節(jié)點僅減少水質(zhì)傳感模塊。路由節(jié)點 的控制與通信模塊的設(shè)計與水質(zhì)傳感節(jié)點相同，可以選用Chipcon公司的CC2430芯片。電源模塊可采用2節(jié)3. 6V的LS14500C電池，串聯(lián)形成7. 2V電源，通過電壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生3. 3V 電壓，為控制與通信模塊供電。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，由控制與通信模塊、網(wǎng)關(guān)處理模塊、電源模塊組 成，其中的控制與通信模塊的設(shè)計與水質(zhì)傳感節(jié)點相同，可以選用Chipcon公司的CC2430 芯片。網(wǎng)關(guān)處理模塊由串行接口電路和GPRS/CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸接口電路組成，串行接口 電路采用RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，將3. 3V電平的信號轉(zhuǎn)換為士 12V的RS232電平的信號，從 而可以通過電纜直接與本地監(jiān)控計算機的串口相連；GPRS/CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸接口電路可 以選用Wavecom公司的Q2403系列無線通信模塊或國產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品，GPRS/CDMA無線數(shù)據(jù)傳 輸接口電路與控制與通信模塊之間的連接采用USART串口連接，網(wǎng)關(guān)處理模塊通過GPRS/ CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸接口電路實現(xiàn)與遠程監(jiān)控計算機之間的通信。
權(quán)利要求一種多參數(shù)模塊化養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它由分布于監(jiān)測水域的多個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有水質(zhì)傳感節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點三種類型，它們之間組成無線傳感器網(wǎng)絡，所述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過串口或無線數(shù)據(jù)傳輸接口與本地或遠程的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心計算機相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)模塊化養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的水質(zhì)傳感節(jié)點由水質(zhì)傳感功能模塊、控制與通信模塊和電源模塊組成，水質(zhì)傳感功能模 塊由傳感探頭、信號調(diào)理電路、協(xié)處理器、串行輸出總線組成，不同參數(shù)的水質(zhì)監(jiān)測采用不 同的傳感功能模塊，但它們都具有統(tǒng)一的輸出總線類型，傳感功能模塊通過輸出總線與控 制與通信模塊連接，不同的傳感功能模塊具有不同的地址號，控制與通信模塊通過不同的 地址來區(qū)分傳感功能模塊，水質(zhì)傳感節(jié)點的控制與通信模塊由總線信號轉(zhuǎn)換電路、主處理 器電路、無線通信電路組成，無線通信電路輸出的信號連接到天線，水質(zhì)傳感節(jié)點的電源模 塊由電池和直流變壓電路組成，分別與水質(zhì)傳感功能模塊、控制與通信模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)模塊化養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的路由節(jié)點由控制與通信模塊和電源模塊組成，控制與通信模塊由主處理電路、無線通信 電路組成，無線通信電路輸出的信號連接到天線，所述的路由節(jié)點的電源模塊由電池和直 流變壓電路組成，與控制與通信模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)模塊化養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的網(wǎng)關(guān)節(jié)點由控制與通信模塊、網(wǎng)關(guān)處理模塊、電源模塊組成，控制與通信模塊由主處理器 電路、無線通信電路組成，無線通信電路連接到天線，網(wǎng)關(guān)模塊由本地通信/遠程通信接 口電路組成，網(wǎng)關(guān)模塊的本地通信接口以串行口方式連接到本地數(shù)據(jù)監(jiān)控中心計算機的串 行口，網(wǎng)關(guān)模塊的遠程通信接口以GPRS或CDMA方式無線傳輸?shù)竭h程的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心計算 機，所述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點的電源模塊由電池和直流變壓電路組成，與控制與通信模塊和網(wǎng)關(guān)模 塊連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)模塊化養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心由監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件和數(shù)據(jù)庫組成。
專利摘要一種多參數(shù)模塊化養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，它由分布于監(jiān)測水域的多個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有水質(zhì)傳感節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)三種類型，它們通過自組織形式組成無線傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過串口/無線數(shù)據(jù)傳輸接口與本地/遠程的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心計算機相連。本實用新型的特點是；(1)水質(zhì)傳感節(jié)點采用模塊化設(shè)計，每個節(jié)點可連接多個不同參數(shù)的傳感功能模塊，且傳感功能模塊可以根據(jù)測試任務的需要進行添加和更換；(2)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心根據(jù)采集到的水質(zhì)參數(shù)進行綜合分析，根據(jù)水質(zhì)狀況自動調(diào)整采樣頻度，實現(xiàn)“智能化采樣”，使得系統(tǒng)能及時準確詳細地反映任意參數(shù)水質(zhì)的異常變化。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正朝著高密度、精養(yǎng)高產(chǎn)的工廠化養(yǎng)殖方向發(fā)展，本實用新型可以在低成本的條件下實現(xiàn)大范圍水域的空間和時間二維實時數(shù)據(jù)的在線采樣，為對養(yǎng)殖水體的水質(zhì)進行高質(zhì)量的分析與管理提供技術(shù)于段，達到科學養(yǎng)殖、預防污染和污染分析的目的。
文檔編號G01N33/18GK201681071SQ20092020212
公開日2010年12月22日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者樓喜中, 金寧 申請人:中國計量學院