地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括通訊主機和傳感器組件；通訊主機的時鐘模塊的時鐘信號輸出端與主控制器的時鐘信號輸入端連接，主控制器的存儲數(shù)據輸入輸出端與存儲模塊的存儲數(shù)據輸入輸出端連接，主控制器塊的無線數(shù)據輸入輸出端與無線傳輸模塊的無線數(shù)據輸入輸出端連接；傳感器組件的每個傳感器的數(shù)據輸出端均與通訊主機中的主控制器的數(shù)據輸入端連接。本實用新型通過分離的通訊主機和傳感器組件，能夠實現(xiàn)地下水監(jiān)測從傳統(tǒng)的混合監(jiān)測到分層監(jiān)測，室內分析為主到現(xiàn)場監(jiān)測的轉變，與地下水監(jiān)測信息管理系統(tǒng)結合，可直接服務于國家級地下水監(jiān)測工程建設、運行與管理，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，屬于地下水監(jiān)測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的地下水自動化監(jiān)測技術已經實現(xiàn)了地下水水位水溫的自動監(jiān)測，但是針對一孔多層監(jiān)測井的監(jiān)測所采用的設備仍然比較昂貴。而傳統(tǒng)的地下水監(jiān)測井多為單井單層監(jiān)測為主，監(jiān)測方式多為人工監(jiān)測，對于多層監(jiān)測一般采用采用的是孔組形式(一個監(jiān)測點布設多個監(jiān)測井，監(jiān)測不同層位)或巢式監(jiān)測孔(一個監(jiān)測井中布設多根套管監(jiān)測不同層位)。但是，專門針對多層監(jiān)測井技術開展一孔多層自動監(jiān)測的設備尚屬空白。

【發(fā)明內容】

[0003]本實用新型為解決現(xiàn)有的地下水自動化監(jiān)測技術存在的沒有專門針對多層監(jiān)測井技術的問題，進而提供了一種地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)。
[0004]本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0005]一種地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括通訊主機和傳感器組件；通訊主機包括:時鐘模塊、主控制器、存儲模塊和無線傳輸模塊；時鐘模塊的時鐘信號輸出端與主控制器的時鐘信號輸入端連接 ，主控制器的存儲數(shù)據輸入輸出端與存儲模塊的存儲數(shù)據輸入輸出端連接，主控制器塊的無線數(shù)據輸入輸出端與無線傳輸模塊的無線數(shù)據輸入輸出端連接；傳感器組件包括:若干個具有存儲功能和數(shù)字接口的傳感器，每個傳感器的數(shù)據輸出端均與通訊主機中的主控制器的數(shù)據輸入端連接。
[0006]本實用新型的有益效果是，通過分離的通訊主機和傳感器組件，能夠實現(xiàn)地下水監(jiān)測從傳統(tǒng)的混合監(jiān)測到分層監(jiān)測，室內分析為主到現(xiàn)場監(jiān)測的轉變，與地下水監(jiān)測信息管理系統(tǒng)結合，可直接服務于國家級地下水監(jiān)測工程建設、運行與管理，具有廣闊的應用前
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【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本實用新型提供的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0008]為了能夠更清晰地闡明本實用新型的特點和工作基本原理，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行說明。
[0009]本【具體實施方式】提供了一種地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示，包括通訊主機I和傳感器組件2 ;通訊主機I包括:時鐘模塊11、主控制器12、存儲模塊13和無線傳輸模塊14 ;時鐘模塊11的時鐘信號輸出端與主控制器12的時鐘信號輸入端連接，主控制器12的存儲數(shù)據輸入輸出端與存儲模塊13的存儲數(shù)據輸入輸出端連接，主控制器塊12的無線數(shù)據輸入輸出端與無線傳輸模塊14的無線數(shù)據輸入輸出端連接；傳感器組件2包括:若干個具有存儲功能和數(shù)字接口的傳感器21，每個傳感器21的數(shù)據輸出端均與通訊主機I中的主控制器12的數(shù)據輸入端連接。
[0010]本【具體實施方式】提供的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)的組成結構包括:時鐘模塊11是所述監(jiān)測系統(tǒng)工作在線性采樣模式的主要核心部件，時鐘模塊11控制所述監(jiān)測系統(tǒng)按照事先設定好的時間以及間隔定期地喚醒系統(tǒng)采樣，時鐘模塊11的計時電流消耗是很重要的指標，本【具體實施方式】中采用了低功耗時鐘芯片作為核心器件，該時鐘芯片計時電流消耗約為0.5微安，基本上實現(xiàn)“零功耗”的要求。主控制器12以德州儀器公司專門針對低功耗應用的16位控制器MSP430為核心元件，該控制器已做到每百萬指令只消耗160uA電流，配合各種低功耗器件以及自身的多種低功耗模式，可以方便的組建電池供電的便攜設備。所述監(jiān)測系統(tǒng)需要記錄地下水以及氣壓等監(jiān)測信息，所以應配置較大容量的存儲芯片，綜合考慮容量、功耗以及封裝體積等因素，采用FLASH存儲器系列芯片作為存儲核心，以M25PXX存儲器為例，該存儲器的最小位密度為8M，已經滿足地下水常規(guī)監(jiān)測應用需要，同時該存儲器在進入深度睡眠模式后，典型電流消耗指標為luA，非常適合在低功耗的監(jiān)測設備中應用。無線傳輸模塊14可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據的無線發(fā)送與接收，隨著應用定位的不同，出現(xiàn)了專門為數(shù)據傳輸開發(fā)的芯片級專用無線通訊模塊，這種類型的無線模塊沒有過多的功能部件與接口，但是它們的封裝尺寸都很小，同時性能也更加強大，以某低功耗無線傳輸模塊為例，該器件采用貼片式封裝，封裝尺寸(長*寬*高)僅為27.5mm*24mm*3.6mm,最低待機電流消耗僅0.9mA，在數(shù)據傳輸技術研究方面，可主要使用GSM/GPRS網絡。
[0011]本【具體實施方式】提供的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是:針對一孔多層監(jiān)測井，本【具體實施方式】提供了具有單一接口的地下水多通道分層監(jiān)測傳感器和多通道在線監(jiān)測傳輸設備。具體包括:
[0012]1、具有單一接口的多通道復合探頭
[0013](I)、數(shù)據采集前端(傳感器)主要分為兩種類型:
[0014]①、具有數(shù)據存儲功能的記錄型傳感器
[0015]該類型傳感器采用通用標準傳輸協(xié)議，物理連接方式為標準RS232或RS485連接，具備地下水動態(tài)數(shù)據定時采集，自動計算自動存儲等功能，配合多通道集中數(shù)據傳輸監(jiān)測儀器，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據的無線傳輸。
[0016]②、具有數(shù)字接口的智能傳感器
[0017]該類型智能傳感器內嵌標準通訊協(xié)議，通訊接口的物理連接方式為RS485總線，但不具備數(shù)據自動采集處理功能，需要外接二次儀表完成數(shù)據讀取等操作，通訊主機可以隨時發(fā)送命令協(xié)議獲取地下水變化的數(shù)據，應用較為方便，相對具有數(shù)據記錄功能的專用水位計智能型傳感器成本上更具有優(yōu)勢。這類智能傳感器采用RS485總線作為信號傳輸總線，同樣具有不易受到外界干擾的影響等特點，并且可以長距離傳輸，避免因電纜過長導致的信號衰減等問題。
[0018](2)、具有單一接口的多通道復合傳感器
[0019]針對一孔多層監(jiān)測井，采用具有單一通訊接口的多通道復合探頭，將多個傳感器集中為一個監(jiān)測通道出口，配合多通道監(jiān)測主機，實現(xiàn)多個監(jiān)測層位地下水動態(tài)變化的獲取，既簡化了安裝方案也降低了成本，同時可以顯著降低因為監(jiān)測主機過多而引發(fā)的人為錯誤。研究中重點解決:滿足一孔多層監(jiān)測井要求的多通道分層監(jiān)測傳感器結構、密封方式、封裝工藝等問題。
[0020]2、多通道監(jiān)測與集中傳輸設備集中數(shù)據傳輸監(jiān)測設備
[0021]采用具有分辨七通道監(jiān)測儀器的通訊主機，實現(xiàn)七個通道地下水動態(tài)變化的自動采集、存儲、處理與發(fā)送。通訊主機內部具有無線收發(fā)模塊，可以通過無線網絡將現(xiàn)場采集的數(shù)據遠程傳送至控制中心站，并且可以遠程響應中心站授權的控制終端發(fā)來的配置命令，實現(xiàn)監(jiān)測儀器的“遠程控制”。
[0022]3、多種模式的遠程通訊方案
[0023]結合當今較為流行的多種無線通訊方式，研究適合各種監(jiān)測需求的無線通訊方案。主要包含以下方式:
[0024](I)基于GSM通訊網絡的數(shù)據傳輸方式
[0025]GPRS無線通訊技術可以讓監(jiān)測設備“實時在線”，對于地下水應急響應應用而言具有很好的優(yōu)勢，但是通訊模塊需要一直保持開機，對于電源要求較為嚴格。GSM數(shù)據短消息傳輸方式可以彌補上述無線通訊方式的不足，但是對于監(jiān)測數(shù)據的長度有限制，上述兩種無線通訊方式可以滿足絕大多數(shù)野外監(jiān)測應用的需求。根據實際需要，本項目重點研制GSM短信通訊方式的傳輸設備。
[0026](2)基于衛(wèi)星通訊終端的無線通訊方式
[0027]衛(wèi)星傳輸技術應用在地下水自動監(jiān)測在國外多數(shù)發(fā)達國家已經采用，通過衛(wèi)星傳輸技術實時將地下水的監(jiān)測信息傳輸?shù)綌?shù)據中心，實時數(shù)據反映了測點水井狀況。衛(wèi)星通訊不受應用場合通訊信號的限制，可以真正實現(xiàn)野外監(jiān)測站的全天候無人值守。
[0028]4、低功耗設備
[0029]針對監(jiān)測系統(tǒng)野外惡劣的應用環(huán)境，進行低功耗應用研究。主要從硬件選型、原理設計、電路布局、軟件控制等方面著手，優(yōu)選低功耗器件，優(yōu)化原理圖與電路板的設計，同時采用“事件觸發(fā)程序結構”設計控制軟件，使得監(jiān)測儀器在功耗與性能之間得到最大程度的平衡。
[0030]本【具體實施方式】提供的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)在安裝調試過程中需要滿足以下的要求:
[0031](I)監(jiān)測系統(tǒng)的便攜性
[0032]當利用CMT監(jiān)測井進行地下水監(jiān)測時，需要分別為每一層位的地下水配置一個傳感器，基于以上要求，必須考慮監(jiān)測設備在野外應用時，運輸與安裝的便攜性需求。擬采用監(jiān)測主機與傳感器(復合探頭)系統(tǒng)分離設計，復合式探頭與監(jiān)測主機設計為分體形式，并考慮將連接口設計成通用方式，方便系統(tǒng)擴展。并且，監(jiān)測系統(tǒng)的防護、連接工藝，監(jiān)測儀器工作環(huán)境較為惡劣，需要對防護等級做出要求，對于傳感器組件和通訊主機均至少要達到IP65的級別，對機械結構設計的要求極為嚴格，同時又兼顧設備野外維護的便捷性。
[0033](2)低功耗
[0034]功耗是電池供電設備首先考慮的重要因素之一。受野外自然條件制制約，許多監(jiān)測設備的供電不能得到保證，只能選擇電池供電，因此系統(tǒng)功耗直接影響監(jiān)測設備的使用壽命?；谝陨弦螅捎靡韵路椒ń档凸?選取低功耗器件。監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心優(yōu)先考慮德州儀器公司的低功耗處理器MSP430，并嚴格控制系統(tǒng)活躍周期。監(jiān)測系統(tǒng)需按照外部設備運行方式設計至少兩組供電，嚴格控制持續(xù)供電組件的靜態(tài)電流消耗，將電流消耗較大的器件用間斷方式供電。
[0035](3)監(jiān)測系統(tǒng)的模塊化
[0036]監(jiān)測系統(tǒng)的設計應遵循模塊化與標準化要求。監(jiān)測系統(tǒng)按照功能劃分為以下幾個功能模塊:傳感器組件、實時模塊、主控制器、存儲模塊、無線傳輸模塊、供電模塊等。
[0037](4)監(jiān)測系統(tǒng)控制軟件的通用性
[0038]Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業(yè)標準。當在Modbus網絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網絡上，包含了 Modbus協(xié)議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。
[0039](5)室內試驗與野外運行相結合
[0040]地下水分層監(jiān)測設備的三維可視化管理系統(tǒng)的研發(fā)將極大方便分層監(jiān)測井的監(jiān)測工作，三維仿真模塊將能使用戶直觀、生動的查看監(jiān)測井的地層狀況、設備的立體分布情況以及每個監(jiān)測層位的實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據，并可實現(xiàn)信息交互；實時監(jiān)控模塊可以隨時監(jiān)測設備的運行狀體以及對設備進行遠程控制。
[0041]采用本【具體實施方式】提供的技術方案，通過分離的通訊主機和傳感器組件，能夠實現(xiàn)地下水監(jiān)測從傳統(tǒng)的混合監(jiān)測到分層監(jiān)測，室內分析為主到現(xiàn)場監(jiān)測的轉變，與地下水監(jiān)測信息管理系統(tǒng)結合，可直接服務于國家級地下水監(jiān)測工程建設、運行與管理，具有廣闊的應用前景。
[0042]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，這些【具體實施方式】都是基于本實用新型整體構思下的不同實現(xiàn)方式，而且本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括通訊主機⑴和傳感器組件⑵；通訊主機(I)包括:時鐘模塊(11)、主控制器(12)、存儲模塊(13)和無線傳輸模塊(14)；時鐘模塊(11)的時鐘信號輸出端與主控制器(12)的時鐘信號輸入端連接，主控制器(12)的存儲數(shù)據輸入輸出端與存儲模塊(13)的存儲數(shù)據輸入輸出端連接，主控制器塊(12)的無線數(shù)據輸入輸出端與無線傳輸模塊(14)的無線數(shù)據輸入輸出端連接；傳感器組件(2)包括:若干個具有存儲功能和數(shù)字接口的傳感器(21)，每個傳感器(21)的數(shù)據輸出端均與通訊主機(I)中的主控制器(12)的數(shù)據輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，時鐘模塊(I)采用計時電流消耗為0.5暈安的時鐘芯片。
3.根據權利要求1所述的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，主控制器(2)采用16位控制器MSP430。
4.根據權利要求1所述的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，存儲模塊(3)采用進入深度睡眠模式后典型電流消耗指標為I μ A的Μ25ΡΧΧ型存儲器。
5.根據權利要求1所述的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，無線傳輸模塊(4)采用最低待機電流消耗為0.9mA的無線傳輸模塊。
6.根據權利要求1所述的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，每個傳感器(21)均通過RS232或RS485總線與主控制器(12)連接。
7.根據權利要求1所述的地下水分層自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，通訊主機(I)和傳感器組件(2)均設置在防水等級為IP65的外殼中。
【文檔編號】H04L29/08GK203827385SQ201420192508
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】史云, 馮建華, 張磊, 袁愛軍, 龐麗麗, 馮蒼旭, 張建偉 申請人:中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心