CN103116008A - 基于无线传感器网络的饮用水安全监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的饮用水安全监测装置，现有技术的实时性较差，成本高，对数据源要求高，较难做到同步监测，本发明处理器模块控制模拟开关，选择为ZigBee模块、GPS模块、传感器模块提供电源，控制ZigBee模块、GPS模块、传感器模块的工作状态，传感器模块将采集到的数据发送到控制器，控制器将数据存储在外部存储设备或通过ZigBee模块将数据发送到其他设备节点或者基站，同时控制器通过ZigBee模块接收来自基站的命令，控制器通过GPS模块来定位设备的位置信息，并通过ZigBee模块将数据发送到基站。本发明系统成本低,监测网络部署便捷,监测精度高,监测网络可靠性高，适应性强。

Description

基于无线传感器网络的饮用水安全监测装置

技术领域

本发明属于嵌入式系统和物联网技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的饮用水安全监测装置。

背景技术

水环境由地表水环境与地下水环境组成，包括河流、湖泊、水库、海洋、沼泽、冰川、湿地、浅层和深层地下水等。饮用水环境的安全直接关系到人们日常生活的有序进行。随着我国经济的快速发展，水环境污染日益加剧，因此，对于饮用水环境的监测是必不可少的环节。由于我国幅员辽阔，饮用水环境监测网点分散，仅依靠现有的监测站和传统监测技术不能满足实时、全面地监测饮用水环境的要求。

现有的国内外饮用水环境监测方法主要分为四种：

1）采用人工采样、实验室分析的方式。该方法的不足之处在于无法远程实时监测，耗费人力物力较大。

2）采用由监控中心和若干个监测子站组成的水环境自动监测系统对水环境参数自动连续监测。该方法有预先铺设电缆和建立多个监测子站的施工要求，存在易对水体的生态环境造成破坏、监测水域范围有限、系统投资成本高等缺点。

3) 采用遥感技术进行水环境监测。该方法的缺点是实时性较差，成本高，技术难度大，对数据源要求高，较难做到同步监测。

4）采用水生物监测水质技术。该方法精度较低、可靠性差，只能定性地反映水质变化情况，无法确定水质变化程度。

发明内容

本发明是针对上述四种饮用水环境监测方法的不足而提出的一种基于无线传感器网络的饮用水安全监测装置。

本发明的技术方案：处理器模块通过控制模拟开关，选择为ZigBee模块、GPS模块、传感器模块提供电源，从而控制ZigBee模块、GPS模块、传感器模块的工作状态。传感器模块将采集到的数据发送到控制器，控制器根据需要将数据存储在外部存储设备或通过ZigBee模块将数据发送到其他设备节点或者基站，同时控制器通过ZigBee模块接收来自基站的命令，控制器通过GPS模块来定位设备的位置信息，并通过ZigBee模块将数据发送到基站。

本发明可检测的参数涵盖了地表水环境质量标准GB3838-2002中规定的基本参数（pH值、水温、溶解氧、电解电导率、浊度、盐度）和重金属参数（铜、锌、镉、铬、砷、汞、铅等）。对于水环境基本参数的检测，本发明中的传感器模块选择M45453多参数水质监测传感器，该传感器可同时测量多种基本水质参数，包括pH值、水温、溶解氧、电解电导率、浊度、盐度等，其特点是传感器本身能自动进行校准，从而得到可靠的水质参数，同时可直接挂接设备后潜入水中直测，具有数据保护功能。该传感器可通过RS232与设备通讯。对于重金属参数的检测，本发明的传感器模块选择采用智能数字化传感器模块，该模块采用RS-232接口输出，能够完成外部命令校准，自动温度补偿等功能。但此传感器模块功能单一，只能检测单一的重金属参数，所以需通过现实需求更换相应的重金属智能数字化传感器模块型号。在本发明中还设计了I/V转换电路，以备扩展，该电路可以将标准4-20mA电流信号转换为电压信号，并通过处理器内部集成的AD转换器转换成数字信号。

基于无线传感器网络的饮用水安全监测系统由水环境监测中心和传感器网络子区域两部分组成。系统将监测水域划分为若干个子区域，在子区域中构建基于ZigBee无线技术的传感器网络。每个子区域配置一个带ZigBee网关和GPRS传输通道的数据基站，对分布在子区域中的ZigBee网络的多个传感器设备节点进行数据采集和状态监测，并通过GPRS无线网络将子区域的实时数据传送至监测中心，供监测中心调用。同时，数据基站接受来自监测中心的命令，监控各个现场设备节点。本发明为监测设备节点部分，不包括基站和监测中心。

本发明一种基于无线传感器网络的饮用水安全监测装置包括电源管理模块、通讯模块、外部存储模块、信号采集模块以及控制器模块。其中，电源管理模块包括以LM2596S为核心的5V电压转换电路和以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路，通讯模块包括RS232接口、JTAG接口、GPS模块接口和ZigBee模块接口，以LM2596S为核心的5V电压转换电路为通讯模块中的GPS模块接口、信号采集模块和以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路提供5V电压；以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路为控制器模块、外部存储模块、通讯模块中的JTAG接口、RS232接口和ZigBee模块接口提供3.3V电压。控制器通过模拟开关控制ZigBee模块接口和GPS模块接口的电源，信号采集模块自动采集饮用水环境的参数，并将数据发送到控制器模块，控制器将数据存储在外部存储模块或通过ZigBee模块接口将数据发送，同时控制器接受来自ZigBee模块接口的命令。控制器通过GPS模块接口来进行定位。

5V电压转换电路包括电源管理芯片U1LM2596S、第一极性电容C1、第二极性电容C2、第一电感L1和稳压二极管D1，第一极性电容C1的正极与电源管理芯片U1 LM2596S的1引脚和12V电源连接，第一极性电容C1的负极、电源管理芯片U1LM2596S的3引脚、电源管理芯片U1LM2596S的5引脚、稳压二极管D1的阳极和第二极性电容C2的负极接地，电源管理芯片U1LM2596S的4引脚、第一电感L1的一端、第二极性电容C2的正极与电压输出端VDD5.0连接。电源管理芯片U1LM2596S的2引脚、第一电感L1的另一端和稳压二极管D1的阴极相连。

3.3V电压转换电路包括第一滤波电容C4、第三极性电容C3、电源管理芯片LM1117、第四极性电容C5、第二滤波电容C6和发光二极管DS1，第一滤波电容C4的一端与VDD5.0电压输出端、第三极性电容C3的正极和电源管理芯片LM1117的3引脚连接，第一滤波电容C4的另一端和第三极性电容C3的负极、电源管理芯片LM1117的1引脚、第四极性电容C5的负极、第二滤波电容C6的一端和发光二极管DS1的阴极连接并接地，电源管理芯片LM1117的2引脚与第四极性电容C5的正极、第二滤波电容C6的另一端、发光二极管DS1的阳极连接并接VDD3.3电压输出端。

5V和3.3V模拟开关电路包括第一模拟开关U5、第二开关二极管D2、第三开关二极管D3、第四开关二极管D4、第五开关二极管D5。第一模拟开关U5的7引脚和第一模拟开关U5的8引脚连接并接地；第一模拟开关U5的16引脚与VDD5.0电压输出端连接；第一模拟开关U5的3引脚与VDD5.0电压输出端连接；第一模拟开关U5的13引脚与VDD3.3电压输出端连接；第一模拟开关U5的9引脚与处理器LPC2368的P1_0引脚相连；第一模拟开关U5的10引脚与处理器LPC2368的P1_1引脚相连；第一模拟开关U5的6引脚与处理器LPC2368的P1_4引脚相连；第一模拟开关U5的2引脚与第二开关二极管D2的阳极相连；第一模拟开关U5的5引脚与第三开关二极管D3的阳极相连；第一模拟开关U5的14引脚与第四开关二极管D4的阳极相连；第一模拟开关U5的12引脚与第五开关二极管D3的阳极相连；第二开关二极管D2的阴极和第三开关二极管D3的阴极连接并与V-GPS相连；第四开关二极管D4的阴极和第五开关二极管D5的阴极连接并与V-ZB相连。

5V模拟开关电路包括第二模拟开关U7、第六开关二极管D6、第七开关二极管D7、第八开关二极管D8和第九开关二极管D9。第二模拟开关U7的7引脚和第二模拟开关U7的8引脚连接并接地；第二模拟开关U7的16引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的3引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的13引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的9引脚与处理器LPC2368的P1_10引脚相连；第二模拟开关U7的10引脚与处理器LPC2368的P1_9引脚相连；第二模拟开关U7的6引脚与处理器LPC2368的P1_8引脚相连；第二模拟开关U7的2引脚与第六开关二极管D6的阳极相连；第二模拟开关U7的5引脚与第七开关二极管D7的阳极相连；第二模拟开关U7的14引脚与第八开关二极管D8的阳极相连；第二模拟开关U7的12引脚与第九开关二极管D9的阳极相连；第六开关二极管D6的阴极和第七开关二极管D7的阴极连接并与VDD5-2相连；第八开关二极管D8的阴极和第九开关二极管D9的阴极连接并与VDD5-1相连。

通信模块包括JTAG接口电路、串口通信电平转换电路和接插件；

所述的JTAG接口电路包括第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7和JTAG接口CON1，JTAG接口CON1中的1引脚、2引脚、第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端与VDD3.3相连；JTAG接口CON1中的4引脚与第七电阻R7的一端相连；JTAG接口CON1中的3引脚、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端与处理器LPC2368的nTRST引脚相连； JTAG接口CON1中的5引脚、第五电阻R5的另一端与处理器LPC2368的TDI引脚相连；JTAG接口CON1中的7引脚、第四电阻R4的另一端与处理器LPC2368的TMS引脚相连；JTAG接口CON1中的9引脚、第三电阻R3的另一端与处理器LPC2368的TCK引脚相连；JTAG接口CON1中的6引脚与处理器LPC2368的TDO引脚相连；JTAG接口CON1中的8引脚与JTAG中的10引脚相连并接地。

串口通信电平转换电路包括第四滤波电容C8，第五滤波电容C9，第六滤波电容C10，第七滤波电容C11和串口通信电平接口转换芯片U3 MAX3232；串口通信电平接口转换芯片U3 MAX3232的16引脚与VDD3.3相连；U3 MAX3232的1引脚与第四滤波电容C8的一端相连；U3 MAX3232的3引脚与第四滤波电容C8的另一端相连；U3 MAX3232的4引脚与第七滤波电容C11的一端相连；U3 MAX3232的5引脚与第七滤波电容C11的另一端相连；U3 MAX3232的11引脚与处理器LPC2368的P0_2引脚相连；U3 MAX3232的12引脚与处理器LPC2368的P0_3引脚相连；U3 MAX3232的10引脚与处理器LPC2368的P0_10引脚相连；U3 MAX3232的9引脚与处理器LPC2368的P0_11引脚相连；U3 MAX3232的2引脚与第六滤波电容C10的一端相连；U3 MAX3232的6引脚与第五滤波电容C9的一端相连；U3 MAX3232的15引脚与第五滤波电容C9的另一端、第六滤波电容C10的另一端相连并接地；U3 MAX3232的14引脚与串口COM1的2引脚相连；U3 MAX3232的13引脚与串口COM1的3引脚相连；U3 MAX3232的7引脚与串口COM2的2引脚相连；U3 MAX3232的8引脚与串口COM2的3引脚相连。串口COM1的5引脚接地，串口COM2的5引脚接地，串口COM1和串口COM2的其余引脚均架空。

GP1E 电平接口所述的接插件电路包括GPS接口J1和ZigBee接口JP1，GPS接口J1的1引脚接地，GPS接口J1的2引脚与处理器LPC2368的P4_28引脚相连；GPS接口J1的3引脚与处理器LPC2368的P4_29引脚相连；GPS接口J1的4引脚与V-GPS相连，GPS接口J1的5脚、6脚架空。ZigBee接口JP1的13引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的15引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的17引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚相连并接地；ZigBee接口JP1的18引脚与处理器LPC2368的P2_0引脚相连；ZigBee接口JP1的20引脚与处理器LPC2368的P2_1引脚相连，ZigBee接口JP1的其余引脚架空。

外部存储模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、32Mb存储器SST25VF032 U4和第三滤波电容C7，32Mb存储器SST25VF032 U4的1引脚与处理器LPC2368的P0_16引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的2引脚与处理器LPC2368的P0_17引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的5引脚与处理器LPC2368的P0_18引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的6引脚与处理器LPC2368的P0_15引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的3引脚、处理器LPC2368的P0_25引脚和第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接VDD3.3；32Mb存储器SST25VF032 U4的4引脚接地，32Mb存储器SST25VF032 U4的8引脚、第一电阻R1的一端和第三滤波电容C7的一端接VDD3.3，第三滤波电容C7的另一端接地，32Mb存储器SST25VF032 U4的7引脚与第一电阻R1另一端连接。

信号采集模块包括传感器接口P1、运算放大器U6A LM324、第八电阻R8、第九电阻R9、第八滤波电容C12。传感器接口P1的3引脚接VDD5-1；传感器接口P1的1引脚接地；传感器接口P1的2引脚、第九电阻R9的一端与第八电阻R8的一端相连；第八电阻R8的另一端、第八滤波电容C12的一端与运算放大器U6ALM324的3引脚相连；第九电阻R9另一端与第八滤波电容C12的另一端相连并接地；运算放大器U6ALM324的2引脚与运算放大器U6ALM324的1引脚相连并与处理器LPC2368的P1_31引脚相连；运算放大器U6ALM324的4引脚电源VDD5.0；运算放大器U6ALM324的11引脚接地。

控制器模块为微处理器LPC2368，LPC2368的12引脚、10引脚、84引脚、42引脚、13引脚、96引脚、71引脚、54引脚、28引脚接VDD3.3；11引脚、83引脚、97引脚、72引脚、55引脚、41引脚、31引脚、15引脚接地，除了文中提及的引脚以外的引脚皆架空。

本发明的有益效果：

1系统成本低：相对于现有的水环境自动监测系统和人工采样实验室分析方法，设备和人工的费用大大降低。

2监测网络部署便捷，对水体生态环境影响小：无需进行铺设电缆和建立监测子站的施工，将对水体生态环境的影响小。

3多水质参数采集，监测精度高：每个设备可集成不同的传感器感知多种水质参数，根据监测需求的不同，可以增加和更换不同的传感器，以满足不同的监测需要。

4监测网络可靠性高，适应性强：无线传感器网络采用无线传输，当某个设备节点出现故障后，无线传感器网络能重新自动组网，不会因为个别设备节点的故障而影响整个网络的工作，提高了监测系统的可靠性。 

附图说明：

图1为本发明的监测系统总体架构图；

图2为本发明的硬件结构示意图；

图3为本发明的5V电压转换电路原理图；

图4为本发明的3.3V电压转换电路原理图；

图5（a）为本发明的5V和3.3V模拟开关电路原理图；

图5（b）为本发明的5V模拟开关电路原理图；

图6（a）为通讯模块电路中的JTAG接口电路原理图；

图6（b）为通讯模块电路中的串口通信电平转换电路原理图；

图6（c）为通讯模块电路中的接插件原理图；

图7为本发明的外部存储模块电路原理图；

图8为本发明的信号采集模块电路原理图；

图9为本发明的控制器模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中各个模块做具体的说明。

如图1所示，整个监测系统由水环境监测中心和传感器网络子区域两部分组成。系统将监测水域划分为若干个子区域，在子区域中构建基于ZigBee无线技术的传感器网络。每个子区域配置一个带ZigBee网关和GPRS传输通道的数据基站，对分布在子区域中的ZigBee网络的多个传感器设备节点进行数据采集和状态监测，并通过GPRS无线网络将子区域的实时数据传送至监测中心，供监测中心调用。同时，数据基站接受来自监测中心的命令，监控各个现场设备节点。本发明为监测设备节点部分，不包括基站和监测中心。

如图2所示，本发明包括电源管理模块1、通讯模块2、外部存储模块3、信号采集模块4以及控制器模块5。各模块均采用现有成熟技术，其中，电源管理模块1包括以LM2596S为核心的5V电压转换电路1-2和以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路1-1，通讯模块2包括RS232接口2-1、JTAG接口2-2、GPS模块接口2-3和ZigBee模块接口2-4，以LM2596S为核心的5V电压转换电路1-2为通讯模块2中的GPS模块接口2-3、信号采集模块4和以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路1-1提供5V电压；以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路1-1为控制器模块5、外部存储模块3、通讯模块2中的JTAG接口2-2、RS232接口2-1和ZigBee模块接口2-4提供3.3V电压。控制器5通过模拟开关控制ZigBee模块接口2-4和GPS模块接口2-3的电源，信号采集模块4自动采集饮用水环境的参数，并将数据发送到控制器模块5，控制器5将数据存储在外部存储模块3或通过ZigBee模块接口2-4将数据发送，同时控制器5接受来自ZigBee模块接口2-4的命令。控制器5通过GPS模块接口2-3来进行定位。

如图3所示，5V电压转换电路包括电源管理芯片U1LM2596S、第一极性电容C1、第二极性电容C2、第一电感L1和稳压二极管D1，第一极性电容C1的正极与电源管理芯片U1 LM2596S的1引脚和12V电源连接，第一极性电容C1的负极、电源管理芯片U1LM2596S的3引脚、电源管理芯片U1LM2596S的5引脚、稳压二极管D1的阳极和第二极性电容C2的负极接地，电源管理芯片U1LM2596S的4引脚、第一电感L1的一端、第二极性电容C2的正极与电压输出端VDD5.0连接。电源管理芯片U1LM2596S的2引脚、第一电感L1的另一端和稳压二极管D1的阴极相连。

如图4所示，3.3V电压转换电路包括第一滤波电容C4、第三极性电容C3、电源管理芯片LM1117、第四极性电容C5、第二滤波电容C6和发光二极管DS1，第一滤波电容C4的一端与VDD5.0电压输出端、第三极性电容C3的正极和电源管理芯片LM1117的3引脚连接，第一滤波电容C4的另一端和第三极性电容C3的负极、电源管理芯片LM1117的1引脚、第四极性电容C5的负极、第二滤波电容C6的一端和发光二极管DS1的阴极连接并接地，电源管理芯片LM1117的2引脚与第四极性电容C5的正极、第二滤波电容C6的另一端、发光二极管DS1的阳极连接并接VDD3.3电压输出端。

如图5（a）所示，5V和3.3V模拟开关电路包括第一模拟开关U5、第二开关二极管D2、第三开关二极管D3、第四开关二极管D4、第五开关二极管D5。第一模拟开关U5的7引脚和第一模拟开关U5的8引脚连接并接地；第一模拟开关U5的16引脚与VDD5.0电压输出端连接；第一模拟开关U5的3引脚与VDD5.0电压输出端连接；第一模拟开关U5的13引脚与VDD3.3电压输出端连接；第一模拟开关U5的9引脚与处理器LPC2368的P1_0引脚相连；第一模拟开关U5的10引脚与处理器LPC2368的P1_1引脚相连；第一模拟开关U5的6引脚与处理器LPC2368的P1_4引脚相连；第一模拟开关U5的2引脚与第二开关二极管D2的阳极相连；第一模拟开关U5的5引脚与第三开关二极管D3的阳极相连；第一模拟开关U5的14引脚与第四开关二极管D4的阳极相连；第一模拟开关U5的12引脚与第五开关二极管D3的阳极相连；第二开关二极管D2的阴极和第三开关二极管D3的阴极连接并与V-GPS相连；第四开关二极管D4的阴极和第五开关二极管D5的阴极连接并与V-ZB相连。

如图5（b）所示，5V模拟开关电路包括第二模拟开关U7、第六开关二极管D6、第七开关二极管D7、第八开关二极管D8和第九开关二极管D9。第二模拟开关U7的7引脚和第二模拟开关U7的8引脚连接并接地；第二模拟开关U7的16引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的3引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的13引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的9引脚与处理器LPC2368的P1_10引脚相连；第二模拟开关U7的10引脚与处理器LPC2368的P1_9引脚相连；第二模拟开关U7的6引脚与处理器LPC2368的P1_8引脚相连；第二模拟开关U7的2引脚与第六开关二极管D6的阳极相连；第二模拟开关U7的5引脚与第七开关二极管D7的阳极相连；第二模拟开关U7的14引脚与第八开关二极管D8的阳极相连；第二模拟开关U7的12引脚与第九开关二极管D9的阳极相连；第六开关二极管D6的阴极和第七开关二极管D7的阴极连接并与VDD5-2相连；第八开关二极管D8的阴极和第九开关二极管D9的阴极连接并与VDD5-1相连。

通信模块包括JTAG接口电路、串口通信电平转换电路和接插件。

如图6（a）所示，所述的JTAG接口电路包括第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7和JTAG接口CON1，JTAG接口CON1中的1引脚、2引脚、第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端与VDD3.3相连；JTAG接口CON1中的4引脚与第七电阻R7的一端相连；JTAG接口CON1中的3引脚、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端与处理器LPC2368的nTRST引脚相连； JTAG接口CON1中的5引脚、第五电阻R5的另一端与处理器LPC2368的TDI引脚相连；JTAG接口CON1中的7引脚、第四电阻R4的另一端与处理器LPC2368的TMS引脚相连；JTAG接口CON1中的9引脚、第三电阻R3的另一端与处理器LPC2368的TCK引脚相连；JTAG接口CON1中的6引脚与处理器LPC2368的TDO引脚相连；JTAG接口CON1中的8引脚与JTAG中的10引脚相连并接地。

如图6（b）所示，串口通信电平转换电路包括第四滤波电容C8，第五滤波电容C9，第六滤波电容C10，第七滤波电容C11和串口通信电平接口转换芯片U3 MAX3232；串口通信电平接口转换芯片U3 MAX3232的16引脚与VDD3.3相连；U3 MAX3232的1引脚与第四滤波电容C8的一端相连；U3 MAX3232的3引脚与第四滤波电容C8的另一端相连；U3 MAX3232的4引脚与第七滤波电容C11的一端相连；U3 MAX3232的5引脚与第七滤波电容C11的另一端相连；U3 MAX3232的11引脚与处理器LPC2368的P0_2引脚相连；U3 MAX3232的12引脚与处理器LPC2368的P0_3引脚相连；U3 MAX3232的10引脚与处理器LPC2368的P0_10引脚相连；U3 MAX3232的9引脚与处理器LPC2368的P0_11引脚相连；U3 MAX3232的2引脚与第六滤波电容C10的一端相连；U3 MAX3232的6引脚与第五滤波电容C9的一端相连；U3 MAX3232的15引脚与第五滤波电容C9的另一端、第六滤波电容C10的另一端相连并接地；U3 MAX3232的14引脚与串口COM1的2引脚相连；U3 MAX3232的13引脚与串口COM1的3引脚相连；U3 MAX3232的7引脚与串口COM2的2引脚相连；U3 MAX3232的8引脚与串口COM2的3引脚相连。串口COM1的5引脚接地，串口COM2的5引脚接地，串口COM1和串口COM2的其余引脚均架空。

如图6（c）所示，GP1E 电平接口所述的接插件电路包括GPS接口J1和ZigBee接口JP1，GPS接口J1的1引脚接地，GPS接口J1的2引脚与处理器LPC2368的P4_28引脚相连；GPS接口J1的3引脚与处理器LPC2368的P4_29引脚相连；GPS接口J1的4引脚与V-GPS相连，GPS接口J1的5脚、6脚架空。ZigBee接口JP1的13引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的15引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的17引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚相连并接地；ZigBee接口JP1的18引脚与处理器LPC2368的P2_0引脚相连；ZigBee接口JP1的20引脚与处理器LPC2368的P2_1引脚相连，ZigBee接口JP1的其余引脚架空。

如图7所示，外部存储模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、32Mb存储器SST25VF032 U4和第三滤波电容C7，32Mb存储器SST25VF032 U4的1引脚与处理器LPC2368的P0_16引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的2引脚与处理器LPC2368的P0_17引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的5引脚与处理器LPC2368的P0_18引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的6引脚与处理器LPC2368的P0_15引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的3引脚、处理器LPC2368的P0_25引脚和第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接VDD3.3；32Mb存储器SST25VF032 U4的4引脚接地，32Mb存储器SST25VF032 U4的8引脚、第一电阻R1的一端和第三滤波电容C7的一端接VDD3.3，第三滤波电容C7的另一端接地，32Mb存储器SST25VF032 U4的7引脚与第一电阻R1另一端连接。

如图8所示，信号采集模块包括传感器接口P1、运算放大器U6A LM324、第八电阻R8、第九电阻R9、第八滤波电容C12。传感器接口P1的3引脚接VDD5-1；传感器接口P1的1引脚接地；传感器接口P1的2引脚、第九电阻R9的一端与第八电阻R8的一端相连；第八电阻R8的另一端、第八滤波电容C12的一端与运算放大器U6ALM324的3引脚相连；第九电阻R9另一端与第八滤波电容C12的另一端相连并接地；运算放大器U6ALM324的2引脚与运算放大器U6ALM324的1引脚相连并与处理器LPC2368的P1_31引脚相连；运算放大器U6ALM324的4引脚电源VDD5.0；运算放大器U6ALM324的11引脚接地。

如图9所示，控制器模块为微处理器LPC2368，LPC2368的12引脚、10引脚、84引脚、42引脚、13引脚、96引脚、71引脚、54引脚、28引脚接VDD3.3；11引脚、83引脚、97引脚、72引脚、55引脚、41引脚、31引脚、15引脚接地，除了文中提及的引脚以外的引脚皆架空。

饮用水安全监测设备的工作过程如下：处理器模块控制模拟开关，选择是否为ZigBee模块、GPS模块、传感器模块提供电源，从而控制ZigBee模块、GPS模块、传感器模块的工作状态。传感器模块将采集到的数据发送到控制器，控制器根据需要将数据存储在外部存储设备或通过ZigBee模块将数据发送到其他设备节点或者基站，同时控制器通过ZigBee模块接收来自基站的命令，控制器通过GPS模块来定位设备的位置信息，并通过ZigBee模块将数据发送到基站。

Claims (1)

1. 基于无线传感器网络的饮用水安全监测装置，包括电源管理模块、通讯模块、外部存储模块、信号采集模块以及控制器模块；其特征在于：电源管理模块包括以LM2596S为核心的5V电压转换电路和以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路，通讯模块包括RS232接口、JTAG接口、GPS模块接口和ZigBee模块接口，以LM2596S为核心的5V电压转换电路为通讯模块中的GPS模块接口、信号采集模块和以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路提供5V电压；以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路为控制器模块、外部存储模块、通讯模块中的JTAG接口、RS232接口和ZigBee模块接口提供3.3V电压；控制器通过模拟开关控制ZigBee模块接口和GPS模块接口的电源，信号采集模块自动采集饮用水环境的参数，并将数据发送到控制器模块，控制器将数据存储在外部存储模块或通过ZigBee模块接口将数据发送，同时控制器接受来自ZigBee模块接口的命令；控制器通过GPS模块接口来进行定位；

5V电压转换电路包括电源管理芯片U1LM2596S、第一极性电容C1、第二极性电容C2、第一电感L1和稳压二极管D1，第一极性电容C1的正极与电源管理芯片U1 LM2596S的1引脚和12V电源连接，第一极性电容C1的负极、电源管理芯片U1LM2596S的3引脚、电源管理芯片U1LM2596S的5引脚、稳压二极管D1的阳极和第二极性电容C2的负极接地，电源管理芯片U1LM2596S的4引脚、第一电感L1的一端、第二极性电容C2的正极与电压输出端VDD5.0连接；电源管理芯片U1LM2596S的2引脚、第一电感L1的另一端和稳压二极管D1的阴极相连；

3.3V电压转换电路包括第一滤波电容C4、第三极性电容C3、电源管理芯片LM1117、第四极性电容C5、第二滤波电容C6和发光二极管DS1，第一滤波电容C4的一端与VDD5.0电压输出端、第三极性电容C3的正极和电源管理芯片LM1117的3引脚连接，第一滤波电容C4的另一端和第三极性电容C3的负极、电源管理芯片LM1117的1引脚、第四极性电容C5的负极、第二滤波电容C6的一端和发光二极管DS1的阴极连接并接地，电源管理芯片LM1117的2引脚与第四极性电容C5的正极、第二滤波电容C6的另一端、发光二极管DS1的阳极连接并接VDD3.3电压输出端；

5V和3.3V模拟开关电路包括第一模拟开关U5、第二开关二极管D2、第三开关二极管D3、第四开关二极管D4、第五开关二极管D5；第一模拟开关U5的7引脚和第一模拟开关U5的8引脚连接并接地；第一模拟开关U5的16引脚与VDD5.0电压输出端连接；第一模拟开关U5的3引脚与VDD5.0电压输出端连接；第一模拟开关U5的13引脚与VDD3.3电压输出端连接；第一模拟开关U5的9引脚与处理器LPC2368的P1_0引脚相连；第一模拟开关U5的10引脚与处理器LPC2368的P1_1引脚相连；第一模拟开关U5的6引脚与处理器LPC2368的P1_4引脚相连；第一模拟开关U5的2引脚与第二开关二极管D2的阳极相连；第一模拟开关U5的5引脚与第三开关二极管D3的阳极相连；第一模拟开关U5的14引脚与第四开关二极管D4的阳极相连；第一模拟开关U5的12引脚与第五开关二极管D3的阳极相连；第二开关二极管D2的阴极和第三开关二极管D3的阴极连接并与V-GPS相连；第四开关二极管D4的阴极和第五开关二极管D5的阴极连接并与V-ZB相连；

5V模拟开关电路包括第二模拟开关U7、第六开关二极管D6、第七开关二极管D7、第八开关二极管D8和第九开关二极管D9；第二模拟开关U7的7引脚和第二模拟开关U7的8引脚连接并接地；第二模拟开关U7的16引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的3引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的13引脚与VDD5.0电压输出端连接；第二模拟开关U7的9引脚与处理器LPC2368的P1_10引脚相连；第二模拟开关U7的10引脚与处理器LPC2368的P1_9引脚相连；第二模拟开关U7的6引脚与处理器LPC2368的P1_8引脚相连；第二模拟开关U7的2引脚与第六开关二极管D6的阳极相连；第二模拟开关U7的5引脚与第七开关二极管D7的阳极相连；第二模拟开关U7的14引脚与第八开关二极管D8的阳极相连；第二模拟开关U7的12引脚与第九开关二极管D9的阳极相连；第六开关二极管D6的阴极和第七开关二极管D7的阴极连接并与VDD5-2相连；第八开关二极管D8的阴极和第九开关二极管D9的阴极连接并与VDD5-1相连；

通信模块包括JTAG接口电路、串口通信电平转换电路和接插件；

所述的JTAG接口电路包括第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7和JTAG接口CON1，JTAG接口CON1中的1引脚、2引脚、第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端与VDD3.3相连；JTAG接口CON1中的4引脚与第七电阻R7的一端相连；JTAG接口CON1中的3引脚、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端与处理器LPC2368的nTRST引脚相连； JTAG接口CON1中的5引脚、第五电阻R5的另一端与处理器LPC2368的TDI引脚相连；JTAG接口CON1中的7引脚、第四电阻R4的另一端与处理器LPC2368的TMS引脚相连；JTAG接口CON1中的9引脚、第三电阻R3的另一端与处理器LPC2368的TCK引脚相连；JTAG接口CON1中的6引脚与处理器LPC2368的TDO引脚相连；JTAG接口CON1中的8引脚与JTAG中的10引脚相连并接地；

串口通信电平转换电路包括第四滤波电容C8，第五滤波电容C9，第六滤波电容C10，第七滤波电容C11和串口通信电平接口转换芯片U3 MAX3232；串口通信电平接口转换芯片U3 MAX3232的16引脚与VDD3.3相连；U3 MAX3232的1引脚与第四滤波电容C8的一端相连；U3 MAX3232的3引脚与第四滤波电容C8的另一端相连；U3 MAX3232的4引脚与第七滤波电容C11的一端相连；U3 MAX3232的5引脚与第七滤波电容C11的另一端相连；U3 MAX3232的11引脚与处理器LPC2368的P0_2引脚相连；U3 MAX3232的12引脚与处理器LPC2368的P0_3引脚相连；U3 MAX3232的10引脚与处理器LPC2368的P0_10引脚相连；U3 MAX3232的9引脚与处理器LPC2368的P0_11引脚相连；U3 MAX3232的2引脚与第六滤波电容C10的一端相连；U3 MAX3232的6引脚与第五滤波电容C9的一端相连；U3 MAX3232的15引脚与第五滤波电容C9的另一端、第六滤波电容C10的另一端相连并接地；U3 MAX3232的14引脚与串口COM1的2引脚相连；U3 MAX3232的13引脚与串口COM1的3引脚相连；U3 MAX3232的7引脚与串口COM2的2引脚相连；U3 MAX3232的8引脚与串口COM2的3引脚相连；串口COM1的5引脚接地，串口COM2的5引脚接地，串口COM1和串口COM2的其余引脚均架空；

GP1E 电平接口所述的接插件电路包括GPS接口J1和ZigBee接口JP1，GPS接口J1的1引脚接地，GPS接口J1的2引脚与处理器LPC2368的P4_28引脚相连；GPS接口J1的3引脚与处理器LPC2368的P4_29引脚相连；GPS接口J1的4引脚与V-GPS相连，GPS接口J1的5脚、6脚架空；ZigBee接口JP1的13引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的15引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的17引脚与V-ZB相连；ZigBee接口JP1的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚相连并接地；ZigBee接口JP1的18引脚与处理器LPC2368的P2_0引脚相连；ZigBee接口JP1的20引脚与处理器LPC2368的P2_1引脚相连，ZigBee接口JP1的其余引脚架空；

外部存储模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、32Mb存储器SST25VF032 U4和第三滤波电容C7，32Mb存储器SST25VF032 U4的1引脚与处理器LPC2368的P0_16引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的2引脚与处理器LPC2368的P0_17引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的5引脚与处理器LPC2368的P0_18引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的6引脚与处理器LPC2368的P0_15引脚相连，32Mb存储器SST25VF032 U4的3引脚、处理器LPC2368的P0_25引脚和第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接VDD3.3；32Mb存储器SST25VF032 U4的4引脚接地，32Mb存储器SST25VF032 U4的8引脚、第一电阻R1的一端和第三滤波电容C7的一端接VDD3.3，第三滤波电容C7的另一端接地，32Mb存储器SST25VF032 U4的7引脚与第一电阻R1另一端连接；

信号采集模块包括传感器接口P1、运算放大器U6A LM324、第八电阻R8、第九电阻R9、第八滤波电容C12；传感器接口P1的3引脚接VDD5-1；传感器接口P1的1引脚接地；传感器接口P1的2引脚、第九电阻R9的一端与第八电阻R8的一端相连；第八电阻R8的另一端、第八滤波电容C12的一端与运算放大器U6ALM324的3引脚相连；第九电阻R9另一端与第八滤波电容C12的另一端相连并接地；运算放大器U6ALM324的2引脚与运算放大器U6ALM324的1引脚相连并与处理器LPC2368的P1_31引脚相连；运算放大器U6ALM324的4引脚电源VDD5.0；运算放大器U6ALM324的11引脚接地；

控制器模块为微处理器LPC2368，LPC2368的12引脚、10引脚、84引脚、42引脚、13引脚、96引脚、71引脚、54引脚、28引脚接VDD3.3；11引脚、83引脚、97引脚、72引脚、55引脚、41引脚、31引脚、15引脚接地，除了文中提及的引脚以外的引脚皆架空。

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