專利名稱：無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及監(jiān)控裝置，具體涉及無線多參數(shù)在線環(huán) 境監(jiān)控裝置。
技術(shù)背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點組成的無線信息 傳輸網(wǎng)絡(luò)，在軍事、工業(yè)、環(huán)境、生活等諸多領(lǐng)域具有廣泛 的用途，是目前國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點之一，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā) 展和國防建設(shè)都具有重要意義。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由眾 多傳感器節(jié)點和一個或多個信息收集節(jié)點組成。傳感器節(jié)點通過傳感器采集所需的信息，并無線發(fā)射出去；無線發(fā)射的 信息一般需經(jīng)過多個傳感器節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，即以多跳的傳輸方 式，到達(dá)信息收集節(jié)點；在網(wǎng)絡(luò)中，相似的信息還將被合并、 融合，以減少網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。與自組織(AdHoc)網(wǎng)絡(luò)類似，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般沒 有固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要，隨意布置傳感器節(jié)點， 然后由傳感器節(jié)點自行組成網(wǎng)絡(luò)。但與典型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) 相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量更大，節(jié)點的成本和功耗 的要求更嚴(yán)格，節(jié)點的移動性一般較小。在國外，由于軍事應(yīng)用等的需要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)近年來發(fā)展較快，在傳感器、無線通信、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計、信息處 理數(shù)據(jù)庫等方面，都取得了較大發(fā)展，構(gòu)建了不少無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)，并擴(kuò)展到其它各個領(lǐng)域，逐步走向?qū)嶋H應(yīng) 用。在國內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了廣泛關(guān)注和深入研究，在國家863計劃等的支持下，國內(nèi)很多高校和研究機(jī)構(gòu)都進(jìn) 行了有關(guān)研究，取得了豐富的研究成果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與應(yīng)用的相關(guān)性非常密切， 一般 需要針對不同的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，任何解決方案都難以 滿足所有的應(yīng)用需求。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容非 常豐富，研究空間很大。國內(nèi)的應(yīng)用環(huán)境一般與國外的應(yīng)用 環(huán)境不盡相同，不能完全照搬國外的解決方案。特別是對關(guān) 系國計民生的重要應(yīng)用，只有通過自主研發(fā)，才能獲得最優(yōu) 的解決方案和自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是水質(zhì)監(jiān)測。目 前，國內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測方面一般仍沿用傳統(tǒng)的方法，即通過設(shè)置 水質(zhì)監(jiān)測站，對水質(zhì)進(jìn)行定點采樣和實驗室分析，覆蓋面有 限，需要大量人力的介入，并且數(shù)據(jù)獲取、分析的實時性不 高。使用大規(guī)模水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行 全面、實時的自動監(jiān)測和分析，對水體質(zhì)量狀況進(jìn)行科學(xué)的 整體評價和預(yù)測，對水環(huán)境保護(hù)和治理，以及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā) 展具有重要的意義。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝置，通過各種傳感器采集到湖泊中各種與藍(lán)藻生長和 爆發(fā)有關(guān)的化學(xué)元素和環(huán)境參數(shù)等的變化，以及湖泊的各個區(qū)域的不同情況；通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將這些信息通過無線 的方式，實時、準(zhǔn)確地傳輸?shù)叫畔⑹占?jié)點進(jìn)行分析，無需 人工的干預(yù)；而信息收集節(jié)點的信息分析系統(tǒng)，能夠?qū)κ占?到的海量信息進(jìn)行實時分析和處理，實現(xiàn)藍(lán)藻水華預(yù)警，為 藍(lán)藻控制決策提供科學(xué)依據(jù)，全面、顯著提高監(jiān)控的準(zhǔn)確性、 科學(xué)性與有效性。本實用新型的技術(shù)解決方案是該監(jiān)控裝置包括采樣器 和監(jiān)控器， 一組采樣器通過無線傳輸接收器連接監(jiān)控器，采 樣器由傳感器模塊、采樣控制與保持模塊、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模 塊、單片機(jī)處理模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊集合而成；傳感器 模塊有電化學(xué)傳感模塊、溫度傳感模塊或光學(xué)傳感模塊；化 學(xué)傳感模塊由離子選擇性電極為工作電極，結(jié)合參考電極以 及輔助電極構(gòu)建一個三電極電化學(xué)分析；光學(xué)傳感模塊采用 數(shù)字?jǐn)z像測量葉綠素和光纖渾濁度指標(biāo)；監(jiān)控器由無線數(shù)據(jù) 接收模塊、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理模塊集合而成。使用時，將采集器分別放置于水域某處，啟動采集器工 作，采集器將信號傳輸給監(jiān)控器實現(xiàn)分析處理。本實用新型的監(jiān)控裝置將信息通過無線方式傳輸，由監(jiān) 控器實時分析和處理，全面顯著提高監(jiān)控的準(zhǔn)確性、科學(xué)性 和有效性。

圖l為本實用新型的框圖。圖2為圖1的分解框圖。圖中1.電源，2.采樣器，3.無線傳輸接收器，4.監(jiān)控 器，5.電化學(xué)傳感器模塊，6.采樣控制與保持模塊，7.A/D 數(shù)據(jù)傳換模塊，8.單片機(jī)處理模塊，9.無線數(shù)據(jù)傳輸模塊， IO.溫度傳感模塊，ll.光學(xué)傳感模塊，12.無線數(shù)據(jù)接收模 塊，13.數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理模塊。
具體實施方式
如圖l、 2所示，該監(jiān)控裝置包括采樣器2和監(jiān)控器4， 一組采樣器2通過無線傳輸接收器3連接監(jiān)控器4，采樣器 2由傳感器模塊5、采樣控制與保持模塊6、 A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模 塊7、單片機(jī)處理模塊8、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊9集合而成； 傳感器模塊有電化學(xué)傳感模塊14、溫度傳感模塊10或光學(xué) 傳感模塊11;化學(xué)傳感模塊14由離子選擇性電極為工作電 極，結(jié)合參考電極以及輔助電極構(gòu)建一個三電極電化學(xué)分 析；光學(xué)傳感模塊11采用數(shù)字?jǐn)z像測量葉綠素和光纖渾濁 度指標(biāo)；監(jiān)控器由無線數(shù)據(jù)接收模塊12、數(shù)據(jù)庫和據(jù)處理模 塊13集合而成。一、傳感器1、集成式傳感器陣列目前市場可以獲得的綜合水質(zhì)分析儀多為較大型的系 統(tǒng)。目前達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)在線檢測方法有很多種，這些 方法同傳統(tǒng)檢測方法相比具有低成本、全自動、實時等優(yōu)點，但這類大型儀器成本很高，不適合大面積多位點監(jiān)測。
在現(xiàn)有比較成熟的檢測技術(shù)基礎(chǔ)上，通過將多個傳感器 集成，開發(fā)低成本、可廢棄、甚至可生物降解的低成本傳感 器陣列，滿足大面積國土水資源的實時監(jiān)測。
這些傳感器均可以集成到可生物降解材料的基片上，形 成無廢棄物的遠(yuǎn)程檢測網(wǎng)絡(luò)。傳感器將微流體技術(shù)同傳感技 術(shù)結(jié)合，采用高靈敏電流、電勢測量電路，達(dá)到在微升體積 液體范圍內(nèi)測量上述水質(zhì)指標(biāo)，檢測系統(tǒng)集成到芯片尺寸，
利用現(xiàn)有實驗室技術(shù)，形成微量液體高靈敏檢測。高錳酸鉀、
C0D、 B0D、 NH3-N、總氮、總磷等檢測精度達(dá)到國家一類水 標(biāo)準(zhǔn)。傳感器采用低功耗技術(shù)，傳感單元功耗低于2瓦。傳 感器得到的多項分析信號通過放大、數(shù)字化、存儲傳送到通 信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送。
2、 分布式傳感網(wǎng)絡(luò) 科學(xué)地設(shè)計傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，可以較低的成本得到最大
的信息。在整個太湖流域的基礎(chǔ)上，考慮水文、地理，如面 積、流速、水力停留時間、容積、水深和岸線系數(shù)等因素的 情況，借助適當(dāng)?shù)睦碚撆c技術(shù)合理地安排傳感器的布局。
3、 傳感器驅(qū)動系統(tǒng) 該系統(tǒng)提供與集成式傳感器陣列和無線傳輸?shù)慕涌?。具
有自檢、提供驅(qū)動電源、D/A、 A/D轉(zhuǎn)換的功能。是傳感系統(tǒng) 的管理核心，能夠?qū)π畔⒌牟杉?、傳輸進(jìn)行控制。并使傳感 系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性與可維護(hù)性。4、傳感器技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用
水體污染與富營養(yǎng)化是一個復(fù)雜的問題，涉及多種多樣 的化學(xué)與生物物質(zhì)。除了一些常規(guī)的檢測項目外，開發(fā)適合 于一些特征性或指標(biāo)性的物質(zhì)或參量的現(xiàn)場自動監(jiān)測技術(shù)
也十分必要。例如1)持久性環(huán)境污染物(POPs)的檢測 根據(jù)二惡英類化合物及其他有機(jī)氯類、有機(jī)氮和磷類環(huán)境污 染物等的致毒作用機(jī)制，構(gòu)建基于功能納米材料的相關(guān)環(huán)境 污染物檢測器件和生物芯片；2)富營養(yǎng)化水體及藍(lán)藻生長 相關(guān)因子傳感技術(shù)藻類水華出現(xiàn)的速度非?？欤@使得表 觀現(xiàn)象上看是瞬時的"爆發(fā)"，但是經(jīng)過數(shù)十年的研究，目 前的觀點認(rèn)為它并不是在短時間內(nèi)以極快的速度生長所致， 而是藻類生物量在水體中的一個逐漸發(fā)展與形成的過程，引 起爆發(fā)的前提是水體中已經(jīng)存在較大的藻類生物量，只是在 環(huán)境適宜條件下，在較短的時間內(nèi)形成"水華"，引起爆發(fā)。 目前多數(shù)研究認(rèn)同藍(lán)藻水華的形成一般是由藍(lán)藻本身的生 理特點以及溫度、光照、營養(yǎng)鹽、其它生物等諸多環(huán)境因素 所引發(fā)的，但尚不明確誘導(dǎo)水華的主導(dǎo)因子，因此需要發(fā)展 與水華消長相關(guān)的因子傳感技術(shù)，從多角度進(jìn)行監(jiān)測，并對 各因素的聯(lián)合作用進(jìn)行分析。
二、大容量、大范圍現(xiàn)場監(jiān)測信息的實時快速傳輸網(wǎng)絡(luò) 與控制
傳感器采集到的信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息 收集節(jié)點，進(jìn)行信息的處理與應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與應(yīng)用密切相關(guān)，需要實現(xiàn)廣域、多節(jié)點、較長單跳通信距 離的實時信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，將主要從物理層無線通信技術(shù)、媒
體接入控制(MAC)層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行研究、設(shè)計與實現(xiàn)。
1、 物理層無線通信技術(shù)
目前，用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層無線通信技術(shù)已較 為成熟，Chipcon和ADI等公司都已推出無線傳輸距離數(shù)百 米、無線信息傳輸速率數(shù)百Kbps的商用芯片，能夠滿足大 多數(shù)低成本、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的位置信息非常重要， 一般情況下，傳感器采集到的信息必須與位置信息相結(jié)合， 才有使用價值。實現(xiàn)方法之一是采用全球定位系統(tǒng)(GPS) 進(jìn)行定位，但由于成本、功耗等的限制，還只能在部分節(jié)點 上實現(xiàn)。傳統(tǒng)的UWB技術(shù)一般應(yīng)用于短距離無線通信，改進(jìn) 的基帶脈沖UWB無線通信技術(shù)能夠達(dá)到較大的無線通信距 離，并具有較高的測距精度。在定位技術(shù)方面基于多維尺度 擴(kuò)展(MDS)的全局優(yōu)化定位算法，在已有的MDS算法基礎(chǔ) 上，針對錨節(jié)點分布不均勻、測距誤差較大等情況進(jìn)行改進(jìn)， 并研究測距信息的高效傳輸方式，以方便在服務(wù)器進(jìn)行集中 處理、獲得定位結(jié)果。
2、 MAC層協(xié)議
MAC層協(xié)議所要解決的問題是如何在單跳范圍內(nèi)，在多 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間共享無線資源。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因為 節(jié)點一般用電池供電，能量非常有限，所以提高能量利用效率、降低能量消耗成為MAC層協(xié)議的首要優(yōu)化目標(biāo)之一。
現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)C層協(xié)議一般采用時分復(fù)用 (TDMA)的方式在多個節(jié)點之間分配資源，即不同的節(jié)點在 不同的時隙中發(fā)送信息，并通過請求發(fā)送/清除發(fā)送 (RTS/CTS)機(jī)制進(jìn)行時隙的預(yù)留，避免沖突和碰撞。
采用中心控制式和分布式兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中分布式結(jié) 構(gòu)無需固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和中心控制節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)功能分布 在各個節(jié)點中實現(xiàn)，較適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點數(shù)量大、總體數(shù)據(jù)量大、但每 個節(jié)點每次發(fā)送數(shù)據(jù)量較小的特點，在分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用 偽隨機(jī)接入的機(jī)制代替常用的RTS/CTS機(jī)制，避免RTS/CTS 幀本身的碰撞所帶來的網(wǎng)絡(luò)資源的消耗，提高網(wǎng)絡(luò)能量利用 效率。并在此框架之下，研究MAC層協(xié)議的公平性問題、服 務(wù)質(zhì)量(QoS)保證機(jī)制與實現(xiàn)方法，與物理層和網(wǎng)絡(luò)層的 聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計、以及協(xié)議的高效實現(xiàn)技術(shù)。需要重點解決的 問題是設(shè)計高效的節(jié)點休眠機(jī)制，既降低節(jié)點的能量消耗， 又不顯著影響網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)。解決的途徑是在偽隨機(jī)接入 中，設(shè)計有效的分布式資源預(yù)留機(jī)制，使得各節(jié)點能夠有序 地利用網(wǎng)絡(luò)資源。
3、 絡(luò)層路由協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議實現(xiàn)信息在多跳網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。因為 節(jié)點可能因為能量耗盡而停止執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能，因此，即使節(jié) 點是靜止的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會經(jīng)常發(fā)生變化；在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 一般還需要在信息傳播時進(jìn)行信 息的融合，即合并相似的信息以更高效地傳輸；另外，無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般不具備常規(guī)網(wǎng)絡(luò)中路由器的信息 存儲和處理能力。
國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議如SPIN協(xié)議和Direct Diffusion協(xié)議等，較好地解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由問 題。針對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、分布廣、節(jié)點功能多樣等特點，采用 分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置少量功能較強(qiáng)的路由輔助節(jié)點， 在網(wǎng)絡(luò)中引入一定的層次與確定信息，提高路由協(xié)議的實現(xiàn) 效率。
本實用新型太陽能供電模塊由太陽能電池板、DC/DC轉(zhuǎn) 換、蓄電池等構(gòu)成。太陽能的供電通過轉(zhuǎn)換芯片驅(qū)動數(shù)據(jù)采 集芯片和采樣保持芯片以及單片機(jī)芯片。
本實用新型無線傳輸采用自動發(fā)射和接受模塊，軟件控 制采集或自動采集發(fā)送，數(shù)據(jù)在主機(jī)上顯示、報警。
權(quán)利要求1.無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝置，其特征在于該監(jiān)控裝置包括采樣器(2)和監(jiān)控器(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝置，其特征在于 一組采樣器(2)通過無線傳輸接收器(3)連接監(jiān)控器(4)，采樣器(2)由傳感器模塊(5)、采樣控 制與保持模塊(6)、 A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊(7)、單片機(jī)處理模 塊(8)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(9)集合而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝 置，其特征在于傳感器模塊有電化學(xué)傳感模塊(14)、溫 度傳感模塊(10)或光學(xué)傳感模塊(11)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝 置，其特征在于化學(xué)傳感模塊(14)由離子選擇性電極為 工作電極，結(jié)合參考電極以及輔助電極構(gòu)建一個三電極電化 學(xué)分析。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝置，其特征在于光學(xué)傳感模塊(11)采用數(shù)字?jǐn)z像測量葉綠素和光纖渾濁度指標(biāo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝置，其特征在于監(jiān)控器由無線數(shù)據(jù)接收模塊(12)、數(shù)據(jù)庫和據(jù)處理模塊(13)集合而成。
專利摘要本實用新型公開了無線多參數(shù)在線環(huán)境監(jiān)控裝置，該監(jiān)控裝置包括采樣器(2)和監(jiān)控器(4)，一組采樣器(2)通過無線傳輸接收器(3)連接監(jiān)控器(4)，采樣器(2)由傳感器模塊(5)、采樣控制與保持模塊(6)、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊(7)、單片機(jī)處理模塊(8)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(9)集合而成；傳感器模塊有電化學(xué)傳感模塊(14)、溫度傳感模塊(10)或光學(xué)傳感模塊(11)；監(jiān)控器由無線數(shù)據(jù)接收模塊(12)、數(shù)據(jù)庫和據(jù)處理模塊(13)集合而成。本實用新型的監(jiān)控裝置將信息通過無線方式傳輸，由監(jiān)控器實時分析和處理，全面顯著提高監(jiān)控的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和有效性。
文檔編號G08B19/00GK201173927SQ20082003203
公開日2008年12月31日 申請日期2008年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月10日
發(fā)明者周金玉, 朱紀(jì)軍 申請人:江蘇杰創(chuàng)科技有限公司