CN101315361A - 基于无线网络型盐度、温度的检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线网络型盐度、温度的检测系统及检测方法，将无线盐度、温度传感器连接到信号调理电路，信号调理电路串接单片机和射频模块组成一个水池的传感节点；将若干个传感器节点和若干个控制节点的输出信号通过射频模块发送到一个汇聚节点，再将若干个汇聚节点的输出并接到一个控制站点的输入，将每个控制站点的输入并接到监控中心的输入，控制节点连接执行机构，本发明设置汇聚节点与覆盖范围内的传感器节点、控制节点形成星型网络，具有高精度的传感器信号调理电路，并且对盐度的测量具有自动温度补偿功能，无线传感器网络使用普遍的2.4GHz全球公开免费频段，减少了无线通信对其它设备的干扰，同时有效降低发送功率。

Description

基于无线网络型盐度、温度的检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及水质检测和通信领域，是一种基于无线网络型水中盐度、温度参数的检测系统及检测方法，主要应用于水环境监测、水产养殖、生物发酵工程等领域。

背景技术

水质环境、水产养殖中盐度和温度的参数检测与控制在水产养殖、城市供水等领域中至关重要。现有的盐度检测仪表大多是实验室盐度计或便携式盐度计。例如：专利号为03204211.6、名称为“实验室盐度计”的专利公开了一种测量海水样品盐度的实验室仪器，由被测海水电导池、标准海水电导池、测量电路、单片机、水槽、搅拌器、水泵等构成，可显示、记录或存储海水样品的温度、盐度测量值。专利号为89200668.4，名称为“MF-10型多功能水质检测仪”的专利公开了一种能在现场条件下对水样的温度、酸度、电导率和含盐量四种参数进行快速测量的便携式化学分析仪器。这种盐度计或水质检测仪的缺陷是：1、没有通信接口，或者只有基于简单RS-232串口通信功能，不能满足仪器组网的要求；2、采用的是有线通信，受到现场布线的限制，在某些受环境约束的地方应用比较困难，3、成本较高，不能满足水环境监测、工厂化养殖的进一步发展要求。

随着网络技术和通信技术的飞速发展，无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理限制少、安装施工方便灵活等特点，在许多领域有着广阔的应用前景。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。由于其简单易用、可靠、高性价比、低功耗，所以应用前景十分广阔，在远程控制领域有实用价值。而目前未见无线传感器网络具体应用在工厂化水产养殖中。

发明内容

本发明的目的在于针对当前盐度、温度检测仪表有线通信的不足，提供了一种基于无线传感器网络的盐度、温度的检测系统，可实现池水盐度、温度数据的无线传输和控制指令的无线传输，避免了有线网络带来的线路铺设成本高、布线复杂、维护困难等不利因素。

本发明的另一目的在于提供一种基于无线网络型盐度、温度的检测方法，该方法简单可靠且灵敏度和精度都很高。

基于无线网络型盐度、温度的检测系统采用的技术方案是：将无线盐度传感器和无线温度传感器连接到信号调理电路，信号调理电路再串接单片机和射频模块组成一个水池的传感节点；将若干个传感器节点和若干个控制节点的输出信号通过射频模块发送到一个汇聚节点，再将若干个汇聚节点的输出并接到一个控制站点的输入，将每个控制站点的输入并接到监控中心的输入，控制节点连接执行机构。

基于无线网络型盐度、温度的检测方法采用的技术方案是：依次采用如下步骤：

A、将无线盐度传感器和无线温度传感器检测到的参数信号经过调理电路放大，然后由单片机进行信号处理，再通过射频模块发射给汇聚节点；

B、汇聚节点通过射频模块将接收的信号再经单片机处理后发送到控制站点，控制站点和监控中心可进行双向通讯，控制站点发出的控制指令通过汇聚节点发送给控制节点；

C、控制节点驱动执行机构执行控制任务；

D、监控中心对所有水池统一管理和监控，控制站点接收监控中心的PC机的控制命令，传送给汇聚节点，汇聚节点通过射频电路把信号发送给传感器节点和控制节点，同时显示器显示参数值和控制执行情况。

本发明的优点是：

1、克服盐度、温度检测仪表有线传感器的不足，设置汇聚节点与覆盖范围内的传感器节点、控制节点形成星型网络。

2、具有高精度的传感器信号调理电路，并且对盐度的测量具有自动温度补偿功能。

3、无线传感器网络使用比较普遍的2.4GHz全球公开免费频段，可减少无线通信对其它设备的干扰，同时有效降低发送功率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明无线网络体系结构图；

图2是图1中传感器节点2的结构图；

图3是图1中汇聚节点1的结构图；

图4是图2中无线盐度传感器调理电路图；

图5是图2中无线温度传感器调理电路图；

图6是图2、3中射频电路原理图；

图7是图2、3中单片机10、12与射频模块11、15的接口电路图。

具体实施方式

如图1、2，每个水池中的传感器网络由若干汇聚节点1、若干传感器节点2、若干控制节点3和一个控制站点4组成。无线盐度传感器7和无线温度传感器8连接到信号调理电路9，信号调理电路9再串接C8051F310单片机10和nRF2401射频模块11组成一个水池的传感节点2；将若干个传感器节点2和若干个控制节点3的输出信号通过nRF2401射频模块11发送到一个汇聚节点1，再将若干个汇聚节点1的输出并接到一个控制站点4的输入，将每个控制站点4的输入并接到监控中心5的输入，控制节点3连接执行机构6。其中无线盐度传感器7和无线温度传感器8经过调理电路9放大，然后由C8051F310单片机10进行信号处理，再通过nRF2401射频电路发射给汇聚节点1。控制站点4起着所在传感器网络任务管理器的作用，而监控中心5则对所有水池进行统一管理和监控。在每个水池中，汇聚节点1是传感器节点2、控制节点3与控制站点4之间连接的桥梁，所有采集数据均通过汇聚节点1发送到控制站点4，而控制指令则由控制站点4发出后通过汇聚节点1发送给控制节点3，有控制节点3驱动执行机构6执行控制任务。

图3所示，汇聚节点1包括连接nRF2401射频模块15的C8051F310单片机12以及分别连接到单片机12的PC机13和LCD显示器14。汇聚节点1的工作工程可以分为两种：

(1)通过nRF2401射频电路，接收传感器节点2传过来的数据，并且做相应的转换后发送给PC机13；

(2)单片机12接收PC机13的控制命令，通过nRF2401射频电路，把信号发送给传感器节点2和控制节点3。

图4所示，信号调理电路9由无线盐度传感器7调理电路和无线温度传感器8调理电路组成，其中无线盐度传感器7调理电路包括将传感器电极Rx和分压电阻R6串联接入RC桥式正弦波振荡电路电源两端，再将分压电阻R6的两端依次连接滤波电路、放大电路、整流电路，其中的传感器采用DJS-10型镀铂黑电导电极Rx。RC桥式正弦波振荡电路产生一定频率和幅值的正弦信号。由于不同浓度的盐溶液导电性不同，电极两端反映的电阻值不同，从而分压电阻R6两端的分压值不同。分压电阻R6两端的交流电压信号通过滤波、放大、整流后转化为反映溶液盐度值大小的直流电压信号，送C8051F310单片机10进行数据处理。

图5所示，温度传感器采用pt100热电阻，并把它作为测量电桥的一个桥臂，将该测量电桥的两臂依次连接一个三运放数据放大器IC201:1、IC201:2、IC201:3和电压跟随器。pt100热电阻的电阻值在0℃时为100Ω；100℃时为138.5Ω，当温度为0℃时，测量电桥平衡，输出为零。一旦温度不为零，电桥平衡被破坏，输出对应一定温度值的电压信号。只要标定其中的对应关系，就可以计算出实际的温度值。图5中左边三运放数据放大器组成测量放大电路，将电桥的微弱信号放大到0～5V范围送单片机进行A/D转换和数据处理。

图6所示，射频芯片选用nRF2401。图2左边为射频芯片与单片机10的接口，其中：PWR_UP、CE、CS为控制线，接单片机10的I/O口，用于控制芯片的激活、配置和保持的工作模式；DR1、CLK1、DATA为发送/接收通道一，DR1一般接单片机的外部中断引脚，CLK1、DATA为时钟和数据引脚，可接单片机10的I/O口或SPI；DR2、CLK2、DOUT2为接收通道二，该通道只有接收功能，没有发送功能。传感节点2的盐度和温度传感器将测量的信号经调理电路9调理后送单片机10的A/D转换引脚，数据处理后通过接收通道一传输到nRF2401，并控制nRF2401发送出去。汇聚节点1分时接收各传感节点2发送过来的数据，当接收到有效数据后，产生中断通知单片机10来取数据。

图7所示，单片机10的P1.0～P1.2引脚分别接射频模块的PWR_UP、CE、CS引脚，控制射频模块的工作状态。P1.3～P1.5与接收通道二相连，用软件模拟SPI来接收有效数据。接收通道一接单片机10自带的硬件SPI接口，配置单片机10使SPI工作于三线方式，端口分配为P0.0(CLK)、P0.1(MISO)和P0.6(MOSI)。与单片机10标准的SPI接口相比，nRF2401只有一个双向的数据端口(DATA)。当nRF2401工作在配置模式和发射模式时，它的DATA引脚是数据输入端口；当nRF2401工作在接收模式时，DATA引脚是数据输出端口。为了防止冲突，实现阻抗匹配和隔离，将单片机10的P0.1(MISO)和P0.6(MOSI)端口分别接上一个10KΩ的电阻后再与nRF2401的DATA引脚相连。此外单片机10的P2.0和P2.1引脚配置为模拟量输入端口，用于传感器采集信号的A/D转换；P0.4和P0.5引脚配置为UART接口，用于与上位机的串口通信。

本发明检测时先将无线盐度传感器7和无线温度传感器8检测到的参数信号经过调理电路9放大，然后由单片机10进行信号处理，再通过射频模块11发射给汇聚节点1；汇聚节点1通过射频模块15将接收的信号后经单片机12处理后发送到控制站点4，控制站点4和监控中心5可进行双向通讯，控制站点4发出的控制指令通过汇聚节点1发送给控制节点3；控制节点3驱动执行机构6执行控制任务；监控中心5对所有水池统一管理和监控，控制站点4接收监控中心5的PC机的控制命令，传送给汇聚节点1，汇聚节点1中单片机12接收控制站点4的控制命令，通过射频电路15把信号发送给传感器节点2和控制节点3，同时显示器14显示参数值和控制执行情况。

Claims (4)

1.一种基于无线网络型盐度、温度的检测系统，包括无线盐度传感器(7)和无线温度传感器(8)，其特征是：将无线盐度传感器(7)和无线温度传感器(8)连接到信号调理电路(9)，信号调理电路(9)再串接单片机(10)和射频模块(11)组成一个水池的传感节点(2)；将若干个传感器节点(2)和若干个控制节点(3)的输出信号通过射频模块(11)发送到一个汇聚节点(1)，再将若干个汇聚节点(1)的输出并接到一个控制站点(4)的输入，将每个控制站点(4)的输入并接到监控中心(5)的输入，控制节点(3)连接执行机构(6)。

2.根据权利要求1所述的基于无线网络型盐度、温度的检测系统，其特征是：汇聚节点(1)包括连接射频模块(15)的单片机(12)以及分别连接到单片机(12)的PC机(13)和显示器(14)。

3.根据权利要求1所述的基于无线网络型盐度、温度的检测系统，其特征是：信号调理电路(9)由无线盐度传感器(7)调理电路和无线温度传感器(8)调理电路组成，其中无线盐度传感器(7)调理电路包括将传感器电极(Rx)和分压电阻(R6)串联接入RC桥式正弦波振荡电路电源两端，再将分压电阻(R6)的两端依次连接滤波电路、放大电路、整流电路；无线温度传感器(8)调理电路包括将热电阻(pt100)作为测量电桥的一个桥臂，将该测量电桥的两臂依次连接一个三运放数据放大器(IC201：1、IC201：2、IC201：3)和电压跟随器。

4.一种基于无线网络型盐度、温度的检测方法，其特征是依次采用如下步骤：

A、将无线盐度传感器(7)和无线温度传感器(8)检测到的参数信号经过调理电路(9)放大，然后由单片机(10)进行信号处理，再通过射频模块(11)发射给汇聚节点(1)；

B、汇聚节点(1)通过射频模块(15)将接收的信号再经单片机(12)处理后发送到控制站点(4)，控制站点(4)和监控中心(5)可进行双向通讯，控制站点(4)发出的控制指令通过汇聚节点(1)发送给控制节点(3)；

C、控制节点(3)驱动执行机构(6)执行控制任务；

D、监控中心(5)对所有水池统一管理和监控，控制站点(4)接收监控中心(5)的PC机的控制命令，传送给汇聚节点(1)，汇聚节点(1)通过射频电路把信号发送给传感器节点(2)和控制节点(3)，同时显示器(14)显示参数值和控制执行情况。

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