CN103149917B - 基于无线传感器网络的水工安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无线传感器网络的水工安全监测系统，包括监测节点、汇聚节点和测控中心。监测节点包括基本主控电路、数据采集电路和无线通信电路，汇聚节点包括基本主控电路和无线通信电路，测控中心包括连接互联网的测控中心计算机，或包括中心节点和与该中心节点相连的测控中心计算机。若干监测节点通过由YD-Zigbee无线通信接口构成的微小功率无线通道，形成一个自组织的无线传感器网络，适时采集水库水位、雨量及渗压、应变、位移、渗流状态参数数据，以单跳或多跳的形式与关联的汇聚节点交换数据；多个汇聚节点各自集中处理来自相应若干监测节点交换过来的现场数据，并定时传输到测控中心处理。本发明功耗小、成本低。

Description

基于无线传感器网络的水工安全监测系统

技术领域

本发明涉及基于无线传感器网络的水工安全监测系统，直接应用于水利行业。

背景技术

传感器网络是全球未来四大高技术产业之一。作为当前各国研究的热点，无线传感器网络已逐步开始应用于许多领域，包括基础设施监测、军事领域、环境科学和医疗健康等方面。目前，水工安全监测主要采用传感器+有线传输+集中式MCU的系统结构，个别研究单位和公司推出了基于GPRS的无线渗压监测装置，但还不是真正意义上的无线传感器网络技术概念，而且这样运用还受公共网络覆盖、功耗、运行费用等因素的严重制约。

发明内容

本发明的目的就是为了克服背景技术的不足，提出一种基于无线传感器网络的水工安全监测系统，功耗小、成本低。

为实现上述目的，本发明基于无线传感器网络的水工安全监测系统，包括监测节点、汇聚节点和测控中心。

监测节点包括基本主控电路、数据采集电路和无线通信电路，其中：基本主控电路包含单片机和分别与该单片机相连的电源电路、硬件时钟CLOCK及FLASH存储器电路；数据采集电路包含与单片机相连的采集渗压、应变、位移或渗流信息的振弦式传感器采集电路、与单片机相连的采集水位信息的水位传感器采集电路、与单片机相连的采集雨量信息的雨量传感器采集电路中的任一项采集电路、任二项采集电路或全部采集电路；无线通信电路包含与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口。

汇聚节点包括基本主控电路和无线通信电路，其中：基本主控电路包含单片机和分别与该单片机相连的电源电路、硬件时钟CLOLCK及FLASH存储器电路；无线通信电路包含与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口，或分别与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口和GPRS/GSM无线通信接口。

测控中心包括连接互联网的测控中心计算机，或包括中心节点和与该中心节点相连的测控中心计算机，该中心节点包含单片机和与该单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口。

若干监测节点相邻在一个有限的区域范围之内，该若干监测节点与其关联的汇聚节点之间通过由YD-Zigbee无线通信接口构成的微小功率无线通道，形成一个自组织的无线传感器网络，适时采集水库水位、雨量及渗压、应变、位移、渗流状态参数数据，以单跳或多跳的形式与关联的汇聚节点交换数据；多个汇聚节点各自集中处理来自相应有限区域范围内的若干监测节点交换过来的现场数据，视汇聚节点与测控中心距离的远近，以方式一或方式二定时传输到测控中心处理。所述方式一为：当汇聚节点与测控中心距离较近时，汇聚节点直接通过由YD-Zigbee无线通信接口构成的微小功率无线通道将现场数据交换至中心节点，再传输给测控中心计算机处理；所述方式二为：当汇聚节点与测控中心距离较远时，汇聚节点通过由GPRS/GSM无线通信接口连通的INTERNET/GPRS网络将现场数据传输到连接互联网的测控中心计算机处理，测控中心计算机的数据分析系统通过建立的模型对采集到的现场数据进行分析，评估水工当前的安全状态，进而作出预报预测。

在一般实施方式中，所述监测节点的振弦式传感器采集电路包含振弦传感器、激振电路、信号放大与整形电路、恒流源与温度转换电路以及放大电路与A/D转换电路，监测节点单片机的I/O口输出激振脉冲，经激振电路驱动振弦传感器的感应线圈发生谐振；所述信号放大与整形电路输入振弦式传感器输出的谐振频率信号，对该谐振频率信号进行放大、整流和整形，输出标准的方波信号至监测节点单片机的I/O口，启动片内计数器计数，从而得出振弦谐振频率值，再经过单片机转换计算得到所需测量值。所述恒流源与温度转换电路连接振弦传感器的热敏电阻，对振弦传感器的热敏电阻提供恒定电流，并将该振弦传感器热敏电阻两端的电压降输入放大电路与A/D转换电路进行模拟量至数字量转换，转换后的数字量信号由监测节点单片机读取，即为传感器环境温度值。

在高精度实施方式中，所述监测节点的振弦式传感器采集电路还包含设置在监测节点单片机和信号放大与整形电路之间的分频与计数器电路，该分频与计数器电路包含D触发器、与门A、与门B、时钟发生器、分频电路和外部计数器，所述信号放大与整形电路的输出端分别连接D触发器的时钟CP端和与门A的第一输入端，该D触发器的D端和R端分别连接单片机的I/O口，该D触发器的Q端分别连接与门A的第二输入端、单片机的中断口INT和与门B的第一输入端，所述时钟发生器输出的时钟信号经分频电路分别输入与门B的第二输入端和外部计数器的时钟输入端，与门A的输出端连接单片机的I/O口T1端，与门B的输出端连接外部计数器的启动停止端，该外部计数器的计数值输入单片机。

首先，将监测节点单片机内部定时器、计数器及外部计数器初始化，D触发器置0，置D触发器D端为高电平；当捉俘到信号放大与整形电路输出的待测脉冲上升沿时，D触发器Q端翻转为高电平，开启与门A和与门B，同时触发单片机的INT引脚，打开片内定时器定时中断，单片机片内计数器和外部计数器两个计数器同时开始计数；当片内定时器定时时间到，置D触发器D端为低电平，当捉俘到待测脉冲上升沿时，D触发器Q端翻转为低电平，使两与门同时关闭，停止计数；单片机读取两个计数器计数值，获得待测脉冲的频率=分频电路输出的时钟频率×单片机片内计数器计数值／外部计数器计数值。

所述外部计数器优选8253计数器芯片。

所述监测节点的水位传感器采集电路包含水位传感器和设置在水位传感器和单片机之间的水位传感器接口电路，所述监测节点的雨量传感器采集电路包含雨量传感器和设置在雨量传感器和单片机之间的雨量传感器接口电路。

所述水位传感器优选浮子式编码水位计，所述水位传感器接口电路采用格雷码编码器接口电路；所述雨量传感器优选翻斗式雨量计，所述雨量传感器接口电路采用霍尔开关接口电路。

在一种最佳实施方式中，所述格雷码编码器接口电路和霍尔开关接口电路均包含设置在传感器开关信号输出端与地之间的P6KE18A稳压瞬态抑制二极管和电容，设置在单片机的I/O口与地之间的ZD系列二极管，设置在单片机电源VCC与传感器开关信号输出端之间的一电阻，设置在传感器开关信号输出端与单片机的I/O口之间的另一电阻。

所述监测节点的无线通信电路还可包含与监测节点单片机相连的GPRS/GSM无线通信接口。

所述GPRS/GSM无线通信接口最佳经带通断控制端的开关电源芯片供电，该开关电源芯片的通断控制端连接相应单片机的I/O口。

所述监测节点和汇聚节点还可设有连接单片机的通信扩充接口，该通信扩充接口优选RS232接口。

本发明基于无线传感器网络的水工安全监测系统，实现了数据在各智能监测节点和测控中心的双备份，实现分布式数据存储和处理，增加系统数据的可用性和可靠性；通过无线通信协议，建立适于水工安全监测的数据分发机制，降低算法复杂度和信息收集过程的功率开销，系统软硬件成本和功耗比大大降低；省却了各类线路铺设，有效避免了长距离传输线路分布参数变化影响带来的测量精度等问题。本发明从根本上改变了传统安装施工方式和维护维修方法，降低工程实施及管理成本，使水工安全监测技术大面积推广应用成为可能；使用本发明，免去工程开挖等土建量，综合直接投资费用节省至少50%以上，年平均维护管理费用节省至少60%以上，是水工工程信息化领域上的一次重大变革。

附图说明

图1为本发明的拓扑结构图；

图2为实施例监测节点的电路方框图；

图3为实施例汇集节点的电路方框图；

图4为实施例监测节点的单线圈型振弦式渗压传感器内部电路结构图；

图5为实施例监测节点的激振电路原理图；

图6为实施例监测节点的信号放大与整形电路原理图；

图7为实施例监测节点的分频与计数器电路图；

图8为实施例监测节点的恒流源电路图；

图9为实施例监测节点的A/D转换电路图；

图10为实施例浮子式编码水位计12位格雷码编码器接口电路图；

图11为实施例翻斗式雨量计霍尔开关接口电路图；

图12为YD_Zigbee无线通信接口电路原理图；

图13为YD_Zigbee无线通信接口与单片机的连接图；

图14为GPRS/GSM无线通信接口电路原理图；

图15为节点的电源电路图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明最佳实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例基于无线传感器网络的水工安全监测系统，包括三组相邻在一个有限区域范围之内的监测节点1、2…N，分别与这三组监测节点1、2…N关联的汇聚节点1、2、3和测控中心，该测控中心包括中心节点和与该中心节点相连的测控中心计算机，该测控中心计算机连接互联网。

本发明实施例基于无线传感器网络的水工安全监测系统完成数据采集与传输、数据分析处理二大功能。数据采集与传输部分由无线传感器网络节点完成，无线传感器网络节点内置YD-Zigbee无线通信模块，监测节点与其关联的汇聚节点之间通过微小功率无线通道形成了一个自组织的无线传感器网络，适时采集水库水位及水工位移、应力、渗漏等多个状态参数数据，以单跳或多跳的形式与汇聚节点交换数据；现场数据经过汇聚节点集中处理后，视其与中心节点距离的远近，定时传输到中心节点或测控中心计算机网络处理。即：如汇聚节点与中心节点距离较近，汇聚节点就可以直接通过微小功率无线通道将数据交换至中心节点，再传输给测控中心计算机；如汇聚节点与中心节点距离较远，汇聚节点就可以通过INTERNET/GPRS网络将现场数据传输到测控中心计算机网络处理。测控中心计算机网络的数据分析系统通过建立的模型对采集的数据进行分析，评估水工当前的安全状态，进而作出预报预测。用户通过WEB方式可以在客户端在线查询水工安全的相关信息。

也就是说，在监测系统中，监测节点担负了两个方面的职能，第一是用于实现水工环境状态的监测，亦即对坝体表面变形、坝体内部变形、渗流、坝体内部温度、坝体应力等参数监测功能；第二是无线通信功能，亦即具有自组织功能的监测节点以单跳或多跳的形式，将数据传送给汇聚节点。一般情况下，汇聚节点是一个特殊网关设备，所以监测节点在增强计算能力和通信能力后，也可以承担汇聚节点职能。它把收集到的数据进行数据融合后，通过无线通信传输网络传送至中心节点。测控中心承担了监测系统的信息中心作用，它完成系统监测数据的收集、数据处理分析，在对数据进行自动备份存储后，通过图形、表格、报警等形式形成监测结果。

在监测节点的实现中，各个模块互相关联而又相对独立。由于水工安全监测系统的监测参数内容繁多，如坝体表面变形监测、坝体内部变形监测、渗流观测和坝体应力监测等，所以独立实现监测节点的采集模块具有更佳的灵活性，可以针对不同的监测参数实现不同的传感器采集模块，而不必修改节点的其他模块。

本发明实施例基于无线传感器网络的水工安全监测系统主要功能指标如下：

（1）无线自组网，多路径、多跳、智能化数据传输；

（2）网络容量大，网络能够容纳128个节点；

（3）电池寿命2-3年（也可采用太阳能供电方式代替）；

（4）可选择的通信频段，支持REMT协议；

（5）体积小，便于不同的安装环境；

（6）模块化设计，节点成本低廉；

（7）串口支持奇偶校验，支持数据包重发机制；

（8）运用短距多跳无线通信技术，节点能耗低，支持低功耗休眠，使用太阳能供电持续时间长（连续阴天情况下可达28天）；

（9）可以有效解决防水、防腐、防雷、防鼠害等问题。

主要技术参数如下：

（1）频率：2400-2483.5MHz；

（2）数据速率：≤1Mbps；

（3）链路预算：最大106dBm；

（4）集成的倒F型PCB天线，无需外接天线，模块结构实现简单；

（5）大容量Flash，SRAM，集成可修改配置的协议栈；

（6）16条RF通道，多个GPIO及ADC；

（7）安全性：硬件128位AES加密；

（8）深度睡眠电流：1.0μA～5μA（最大值）；

（9）无线通信距离30～300米（需要时可加大通信距离）；

（10）抗干扰能力强：2.4G DSSS扩频技术；

（11）可同时测量温湿度，精度达1℃，RH1%；

（12）工业指标：产品工作温度-30度至+70度，EMC抗干扰实现；

（13）提供振弦量、模拟量、数字量、开关量输入接口；

（14）对外提供RS232/485通信接口；

（15）工作温度：0℃～70℃，工作湿度0～100%RH。

监测节点由传感器单元、数据采集和无线通信单元组成。

对于水工安全检测仪器来说，传感器单元主要为振弦式监测传感器，兼或一部分模拟量（如传感器环境温度、水位等）、数字量传感器（雨量、蒸发量等）。相对应地，数据采集单元的主要处理对象就是振弦式监测传感器，同时兼顾其他传感器的采集功能。

对大坝的监测是一个长期的过程，监测节点通过对振弦式传感器的频率、温度等参数的在线监测，将采集的数据进行分析、整理、存储，再利用YD-Zigbee无线通信接口，经自组织的无线传感器通信网络，与汇聚节点进行交互通讯，将测量结果传回汇聚节点。根据具体情况的不同，对坝段检测可以按巡测、点测或设置时间等方式进行测量。为方便直接查询、显示测量结果，无线传感器网络节点带有LCD液晶显示和键盘电路。

如图2所示，监测节点硬件电路主要由以下几部分组成：

1）基本主控电路：包含单片机和分别与该单片机相连的电源电路、实时时钟CLOCK、FLASH存储器电路、复位、LCD显示及键盘电路。

2）数据采集电路：包含与单片机相连的采集渗压、应变、位移或渗流信息的振弦式传感器采集电路、与单片机相连的采集水位信息的水位传感器采集电路、与单片机相连的采集雨量信息的雨量传感器采集电路。振弦式传感器采集电路包含振弦传感器、激振电路、信号放大与整形电路、分频与计数器电路、恒流源与温度转换电路以及放大电路与A/D转换电路。监测节点单片机的I/O口输出激振脉冲，经激振电路驱动振弦传感器的感应线圈发生谐振；信号放大与整形电路输入振弦式传感器输出的谐振频率信号，对该谐振频率信号进行放大、整流和整形，输出标准的方波信号至分频与计数器电路，再经单片机片内计数器计数，得到振弦谐振频率值，并经过单片机转换计算得到所需测量值；恒流源与温度转换电路连接振弦传感器的热敏电阻，对振弦传感器的热敏电阻提供恒定电流，并将该振弦传感器热敏电阻两端的电压降输入放大电路与A/D转换电路进行模拟量至数字量转换，转换后的数字量信号由监测节点单片机读取，即为传感器环境温度值。水位传感器采集电路包含水位传感器和设置在水位传感器和单片机之间的水位传感器接口电路，水位传感器采用浮子式编码水位计，水位传感器接口电路采用格雷码编码器接口电路。雨量传感器采集电路包含雨量传感器和设置在雨量传感器和单片机之间的雨量传感器接口电路，雨量传感器采用翻斗式雨量计，雨量传感器接口电路采用霍尔开关接口电路。

3）无线通信电路：包含与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口、GPRS/GSM无线通信接口和RS232接口。

图2中，数据采集电路和无线通信电路均选用PIC系列单片机作为单元的核心，配以自动复位电路以提高节点可靠性；实时时钟的配置是为了实现以时间为基准的测量方式和节能睡眠功能；而FLASH存储器则是保证掉电后数据保存的需要。

无线通信电路中，YD-Zigbee无线通信接口满足微小功率无线自组局域网络的需要；GPRS/GSM无线通信接口为远程无线数据网络提供硬件支持，这样可以满足特殊情况下，监测节点不通过自组无线传感器局域网络，可将其采集的数据通过GPRS/GSM网络直接传输至中心节点；同时，监测节点还提供一个RS232接口，以便节点通信功能的扩充，即可采用有线方式或其他无线方式。

将监测节点的硬件稍加改造，也就是将数据采集部分硬件舍去，同时配置YD-Zigbee无线通信接口和GPRS/GSM无线通信接口，即形成汇聚节点的硬件结构，如图3所示。汇聚节点包括基本主控电路和无线通信电路，其中：基本主控电路包含单片机和分别与该单片机相连的电源电路、硬件时钟CLOLCK、FLASH存储器电路、LCD显示及键盘电路；无线通信电路包含分别与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口和GPRS/GSM无线通信接口；同时，汇集节点还可提供一个RS232接口，以便节点通信功能的扩充，即可采用有线方式或其他无线方式。

而中心节点则包含单片机和与该单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口，以满足汇聚节点与测控中心距离较近时，汇聚节点可以直接通过微小功率无线通道将数据交换至中心节点，再传输给测控中心计算机。

节点采取定时采集工作方式。为节省能源，节点一般情况下均处于休眠状态，待采集时刻到，立即采集传感器的数据，并通过自主无线网络传送，然后又进入休眠状态。因此，节点内部内置硬件时钟电路，以保证网络的同步开启和关闭；同时网络协议另设置有节点校时功能，以便对个别节点的时钟误差进行实时校正。有了以上硬件平台后，具体功能的实现则由内置嵌入式软件来完成。

以下详细描述数据采集电路和无线通信电路的实现：

一、数据采集电路

1、振弦式传感器采集电路

1.1、振弦传感器

从应用角度出发，由于振弦传感器的固有特性，采用振弦传感器作为测量系统的一次采集元件。根据振动体的结构形状差异，一般又可以分为振动筒式、振动膜式、振动弦式等振弦传感器。

工程上较多采用的振弦传感器为单线圈间歇激振型传感器，其激振和接收共用一组线圈，当激发信号脉冲施加至磁芯线圈上，磁芯就会产生一个脉动磁场拨动振弦，振弦被拨动将引起振荡，从而切割磁芯的磁力线在磁芯输出端产生出衰减的正弦波。接收、鉴别振弦传感器发出的频率即为振弦传感器的自振频率，又叫谐振频率，或称共振频率。

在水工安全监测中，不仅要求测试系统采集渗压信息，同时还要采集应变、位移、绕渗等信号，由于这些传感器具有相同的单线圈振弦特征，数据采集电路几乎没有区别，具有较强的一致性和通用性。因此，一个采集信号（如渗压、应变、位移、渗流信息）分别各采用一个对应的振弦式传感器，信号的采集和预处理方法基本一样，后处理可以在网络中心完成，这样能够大大降低本发明监测系统的成本。如图4所示，为单线圈型振弦式渗压传感器内部电路结构图，其中U0端输入激振信号，P端输出共振信号，R2为热敏电阻。

1.2、激振电路

激振电路，又称振荡激励电路，是用一串有一定幅度的频率信号，采取连续扫描的方式对振弦传感器钢弦激振线圈进行激励，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦感应线圈能迅速达到共振状态，钢弦起振后，它在线圈中产生出衰减的正弦信号，其输出是毫伏级信号，持续时间一般不超过1秒。这个信号就是传感器在目前压力作用下的固有频率。

由于每个厂家对其生产的传感器的固有频率的范围一般均有一定规定并加以说明，因此本发明采取软件、硬件相结合的方式，由单片机的I/O口输出脉冲来产生激振信号。脉冲的频率从低到高步进输出，每个频率约持续2秒钟时间，然后检测振弦传感器的输出信号，直至检测到共振信号。

如图5所示，为实施例监测节点的激振电路原理图，L1为振弦传感器。激振电路由单片机的I/O口P0.1发脉冲，经信号放大电路（如三极管复合放大），直接驱动振弦感应线圈。单片机I/O口P0.1的脉冲频率一般从振弦传感器的下限频率开始，每个频率输出约2秒钟时间即停止，然后检测振弦传感器输出，若没有得到一定幅度而且稳定频率的信号，则步进一个间隔频率再输出脉冲，直到能够检测得到振弦传感器的谐振信号输出。

为加快捕捉振弦传感器的谐振频率信号的过程，单片机I/O口P0.1的输出信号采用方波形式，以保证丰富的谐波分量；同时，尽量加大放大电路的驱动能力，使得较小谐波分量也能够激励振弦传感器感应线圈起振。

1.3、信号放大与整形电路

如图6所示，为信号放大与整形电路原理示意图。信号放大与整形电路输入来自L1振弦传感器感应线圈的谐振频率LE。该电路将谐振频率LE信号进行放大、整流和整形，其输出端P0.2输出标准的方波信号，将该信号送至单片机的I/O口，以启动片内计数器计数。

1.4、分频与计数器电路

这个电路是能否准确测量振弦传感器检测数值的关键。

由于谐振频率信号在线衰减速度较快，持续稳定时间很短，必须在这个有限的时间内完成频率测量任务。常规的直接测频法精度与被测信号频率直接相关，并随被测信号频率的下降而下降。本发明采用多周期同步测量法（即等精度测频法）测量振弦传感器感应线圈的谐振频率，可以保证在较短时间内，获得较高测试精度及分辨率。

多周期同步测量法是通过测量输入信号的多个周期值，再进行倒数运算而得出频率数值。设fx、fc分别为输入信号频率和时钟脉冲频率，A、B分别为事件计数器和时间计数器，Na、Nb分别为计数器A、B的计数值，则在一个规定的闸门时间T内计数器A、B的计数值为Na=fxT和Nb=fcT，因此被测输入信号的频率为：fx=fc*Na/Nb。

如图7所示，为监测节点的根据多周期同步测量法原理设计的分频与计数器电路，该电路设置在监测节点单片机和信号放大与整形电路之间，该分频与计数器电路包含D触发器、与门A、与门B、时钟发生器、分频电路和外部计数器8253芯片，信号放大与整形电路的输出端P0.2分别连接D触发器的时钟CP端和与门A的第一输入端，该D触发器的D端连接单片机PIC16XX的I/O口P1.7，R端连接单片机PIC16XX的I/O口P1.6，该D触发器的Q端分别连接与门A的第二输入端、单片机PIC16XX的中断口INT和与门B的第一输入端，时钟发生器输出的时钟信号经分频电路分别输入与门B的第二输入端和外部计数器8253芯片的时钟输入端Clk，与门A的输出端连接单片机PIC16XX的I/O口T1端，与门B的输出端连接外部计数器8253芯片的启动停止Gate端，该外部计数器8253芯片的计数值输入单片机PIC16XX。

该电路的两组计数器分别为：第一组为单片机PIC16XX的内部计数器0，计数信号放大与整形电路输出端P0.2输出的待测脉冲的上升沿；第二组采用外部计数器8253芯片，单片机内部定时器1预置闸门定时时间T。其工作过程：1、初始化单片机PIC16XX内部定时器、计数器及外部计数器8253芯片，D触发器置0，2、置D触发器D端为高电平，当捉俘到信号放大与整形电路输出端P0.2输出的待测脉冲上升沿时，D触发器Q端翻转为高电平，开启与门A和与门B，同时触发单片机的INT引脚，打开片内定时器定时中断，单片机PIC16XX片内计数器和外部计数器两个计数器同时开始计数；3、当片内定时器定时时间到，置D触发器D端为低电平，当捉俘到信号放大与整形电路输出端P0.2输出的待测脉冲上升沿时，D触发器Q端翻转为低电平，使两与门同时关闭，停止计数；4、单片机PIC16XX读取两个计数器计数值，获得待测脉冲的频率=分频电路输出的时钟频率×单片机PIC16XX片内计数器计数值／外部计数器8253芯片计数值。

从图7可以看出，D触发器实现计数闸门信号与待测信号同步开门，开门时间T准确等于待测信号周期的整倍数，因此Na没有量化误差；同时，由于单片机的时钟脉冲频率比待测信号高出4～5个数量级以上，所以Nb的量化误差相对值基本可以忽略不计。从而可以推论在整个测量频率范围内，多周期同步测量法可以保证与时钟发生器同等精度的测量，也就是说，该测量法的测量精度取决于预置门宽度和标准频率，在预置门时间和常规测频闸门时间相同而待测信号频率不同的情况下，多周期同步测量法的测量精度不变。由于单片机时钟频率高达50MHz，中断计算累加、均值化处理精确度较高，计算时刻选择在最稳定的时间段内，避免了不一致产生的误差。在本系统中，实际测频精度在整个测量频段上可达10-7量级。

1.5恒流源和A/D转换电路

在振弦传感器工作环境温度恒定的条件下，钢弦的质量、钢弦有效长度、钢弦横截面积、体密度及弹性模量也相对恒定，因此钢弦的谐振频率与其承受的压力存在确切的数学关系。但当周围环境温度发生变化时，钢弦产生物理形变，其谐振频率会发生相应的变化，必须以温度值为参考量对输出频率进行修正补偿。因此，这个电路的目的是测量传感器环境温度，温度值作为计算振弦传感器的谐振频率时的校正参数。

在实际应用中，振弦传感器均内置封装一个热敏电阻，以供适时测量传感器外部的环境温度。温度参数为一个模拟量，为保证测值的可靠性，采用恒流源对振弦传感器中的热敏电阻提供恒定电流，如图8所示，为恒流源电路图，热敏电阻R3两端产生电压降，此电压经过放大电路、滤波电路，直接进单片机A/D输入端，经模拟量至数字量转换，可求出热敏电阻R3的实际阻值，再由热敏电阻的温度特性完成阻值到温度的转换。

图8恒流源电路采用稳压管D2作为基准器件，其电压基准为2.5V，运算放大器U2采用低噪声低功耗高精度运放OP07。三极管U1作为调整管，当基准电压确定后，通过改变不同数值的取样电阻R4，能够得到不同量值的输出电流。R2为恒流源的开路保护电阻，以保证恒流源输出开路时不会损坏运算放大器和调整管。

由于温度传感器电阻值变化范围较大（-50℃～+150℃），所以至少采用12位A/D采样，才能保持一定要求的精度要求。通过多次采集均值处理，提高温度测值的平稳度，如图9所示，为A/D转换电路图。A/D转换电路采用4位半数字电压表芯片ICL7135，精度相当于二进制14位，利用其BUSY端，只要一个I/O口和PIC单片机内部一个定时器就可以获得A/D转换的结果数据。

2、水位、雨量传感器采集电路

水位传感器采集电路包含水位传感器和设置在水位传感器和单片机之间的水位传感器接口电路，雨量传感器采集电路包含雨量传感器和设置在雨量传感器和单片机之间的雨量传感器接口电路。

大坝坝前、坝后的水位是影响水工安全状态的重要因素。在实际应用中，通常采用浮子式编码水位计作为水位传感器采集水位数据，水位传感器接口电路则采用格雷码编码器接口电路。采用翻斗式雨量计作为雨量传感器采集雨量数据，雨量传感器接口电路则采用霍尔开关接口电路。

浮子式编码水位计安装在测井口或测管上方，以浮子和线轮、不锈钢丝绳、重锤、防浪锤、精密的变速机构等部件组成。其工作原理是该当液位变化时，浮子随之上下沉浮,不锈钢丝绳就带动线轮运动，与线轮同轴连接的编码器就输出与液位对应的并行12位开关量信号，从而达到了对液位的实时测量与显示的目的。为减少编码器的机械动作频率，编码器以格雷码方式编码。

翻斗式雨量计由盛水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗、和汇集漏斗、调节螺钉和干簧管等部件组成，计数翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上端有干簧管。其工作原理是当计量翻斗雨量积到一个测量单位（0.5mm、1mm）时，计量翻斗翻倒，带动干簧管开关，使干簧接点因磁化而瞬间闭合一次，发出一个开关脉冲信号，将非电量转换成电量输出。同时将雨水倒入计数翻斗，使计数翻斗翻动一次，即另一半翻斗开始盛雨，当这个翻斗盛积的水量达到一个测量单位时，翻斗翻倒，如此反复，达到测量雨量目的。

如图10所示，为浮子式编码水位计12位格雷码编码器接口电路图，12位格雷码编码器接口电路包含设置在12位传感器U1、U2……U12开关信号输出端与地之间的P6KE18A稳压瞬态抑制二极管D1、D2……D12和电容C1、C2……C12，设置在单片机的I/O口P2.0、P2.1……P2.11与地之间的ZD系列二极管D21、D22……D32，设置在单片机电源VCC与12位传感器U1、U2……U12开关信号输出端之间的电阻R1、R2……R12，设置在12位传感器U1、U2……U12开关信号输出端与单片机的I/O口P2.0、P2.1……P2.11之间的电阻R21、R22……R32。如图11所示为翻斗式雨量计霍尔开关接口电路图。霍尔开关接口电路包含设置在传感器U13开关信号输出端与地之间的P6KE18A稳压瞬态抑制二极管D13和电容C13，设置在单片机的I/O口P1.0与地之间的ZD系列二极管D33，设置在单片机电源VCC与传感器U13开关信号输出端之间的电阻R13，设置在传感器U13开关信号输出端与单片机的I/O口P1.0之间的电阻R33。

不论是水位计的机械编码器，还是雨量计的干簧管，实际上都是机械式开关，不同的是前者为12位并行方式，后者为单开关量。由于雨量传感器、水位传感器均安装在野外，因此节点电路除通常的稳定性和可靠性要求外，还必须有良好的防雷效果。这两种传感器的接口电路原理基本类似，都是以长线方式将传感器的开关信号接入，因此主要实现思想是保证开关量采集的同时，必须解决防雷以及瞬间过流、过压信号的干扰和冲击问题。图中P6KE18A稳压瞬态抑制二极管与ZD系列二极管配合，可起到良好的防雷作用和过电压保护作用。图中电阻和电容组成的微分电路，既可以直接消除外部高频感应信号、线路高频串扰，也可以滤除传感器的开关抖动。

监测节点单片机通过内部时钟定时，每5分钟采集一次水位数据；通过实时中断方式响应雨量霍尔开关的动作，或定时循环方式查询霍尔开关的动作变化。电路内置固态存储器基本配置4M至8M，能保证存储2年的水情数据。单片机将采集到的水位、雨量数据写入固态存储器保存。一旦到数据传输时刻，单片机马上将该时段的水位、雨量数据报送至中心站。

二、无线通信电路

1、YD-ZigBee无线通信接口

YD-ZigBee无线通信接口集无线收发器、微处理器、存储器和用户API等软硬件于一体，可实现ZigBee协议栈的功能。

YD-ZigBee无线通信接口是以一个单片计算机为主控中心，外接射频通信单元、储存器、实时时钟和外部设备接口组成。这样，YD-ZigBee无线通信接口既可以根据外部设备的指令将有关数据通过射频单元发射出去，也可以将射频单元接收的数据转送给外部设备，实现无线双向通信。

如图12所示，为YD_Zigbee无线通信接口电路原理图。YD_Zigbee无线通信接口包括YD_Zigbee无线单片机CC2510，该CC2510由一个高性能的CC8051微控制器和一个2.4GHZ的无线收发器集成组成，CC8051单片机与射频芯片之间通过SPI接口交换数据。无线单片机通过内置的几个ADC接口或者温度传感器，可以实现低分辨率的模数转换或者温度监控；通过串口通信接口与外部设备之间交换数据。

YD_Zigbee无线通信接口的嵌入式软件采用标准C语言编写代码实现，方便代码的移植；内部集成了一整套软件通讯协议栈，可以录制不同的软件模块。这个嵌入式软件与无线收发器相配合，就构成了无线传感器网络的基本部件，如网关（AP），终端节点（ED）和转发节点（RE）等等。

为实现与外部设备的数据交换功能，YD_Zigbee无线通信接口提供了一个TTL标准的串行通信接口。该接口在保证模块与外部设备交互通信的同时，外部设备还能够通过该接口控制模块进入休眠状态，或者在模块工作异常时将其复位。如图13所示，为YD_Zigbee无线通信接口与单片机MCU的连接图。

2、GPRS/GSM无线通信接口

对于远距离数据传送的应用场合，系统必须设置汇聚节点，因而GPRS/GSM无线通信接口必不可少，如图14所示为GPRS/GSM无线通信接口电路原理图。一般来说，监测节点能耗的要求非常小。在休眠状态，功耗控制在微安级；采集数据状态，功耗也应小于10毫安，而且持续时间为2秒以内，这样使用普通低功耗的电源芯片就可以达到节能目的。但对于汇聚节点来说，因为有了GPRS/GSM无线通信接口等大功率通信芯片，其数据传送时刻的电流可以达到300毫安左右，平时待机工作状态的静态电流也达20毫安。

为解决总能耗问题，电源电路中专门设计一个带通断控制端的开关电源芯片供GPRS/GSM无线通信接口工作，在其不传送数据时，用软件方式直接关断GPRS/GSM无线通信接口的电源供给，使GPRS/GSM无线通信接口零电流消耗；在传送数据时，打开电源开关，直至通信完毕（约10秒时间），这样可以达到节能目的。如图15所示，为节点的电源电路图，其中：J6为直流电源输入，其工作范围为+9V～+18V，开关电源芯片U2的通断控制端第5脚连接至单片机的I/O口，以决定GPRS/GSM无线通信接口的电源供给通断。

汇聚节点是数据监测节点的一种特殊形式，是无线通信接口的特殊网关设备，主要承担数据通信接口的转换功能。因此，汇聚节点软件首先包含有数据监测节点的通信（如路由选择）部分，再加上GPRS通信和internet通信驱动软件，兼顾两者的通信需要，实现传感器网络与中心站之间数据交换。根据其应用需求的不同，可以内置内部时钟芯片和大容量的存储器，以便节点内存放较长时间内收集的数据，并在特定的时间间隔集中与测控中心交换数据。

Claims (8)

1.基于无线传感器网络的水工安全监测系统，其特征在于：包括监测节点、汇聚节点和测控中心；

监测节点包括基本主控电路、数据采集电路和无线通信电路，其中：基本主控电路包含单片机和分别与该单片机相连的电源电路、硬件时钟CLOCK及FLASH存储器电路；数据采集电路包含与单片机相连的采集渗压、应变、位移或渗流信息的振弦式传感器采集电路、与单片机相连的采集水位信息的水位传感器采集电路、与单片机相连的采集雨量信息的雨量传感器采集电路中的任一项采集电路、任二项采集电路或全部采集电路；无线通信电路包含与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口；

汇聚节点包括基本主控电路和无线通信电路，其中：基本主控电路包含单片机和分别与该单片机相连的电源电路、硬件时钟CLOLCK及FLASH存储器电路；无线通信电路包含与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口，或分别与单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口和GPRS/GSM无线通信接口；

测控中心包括连接互联网的测控中心计算机，或包括中心节点和与该中心节点相连的测控中心计算机，该中心节点包含单片机和与该单片机相连的YD-Zigbee无线通信接口；

若干监测节点相邻在一个有限的区域范围之内，该若干监测节点与其关联的汇聚节点之间通过由YD-Zigbee无线通信接口构成的微小功率无线通道，形成一个自组织的无线传感器网络，适时采集水库水位、雨量及渗压、应变、位移、渗流状态参数数据，以单跳或多跳的形式与关联的汇聚节点交换数据；多个汇聚节点各自集中处理来自相应有限区域范围内的若干监测节点交换过来的现场数据，视汇聚节点与测控中心距离的远近，以方式一或方式二定时传输到测控中心处理；所述方式一为：当汇聚节点与测控中心距离较近时，汇聚节点直接通过由YD-Zigbee无线通信接口构成的微小功率无线通道将数据交换至中心节点，再传输给测控中心计算机处理；所述方式二为：当汇聚节点与测控中心距离较远时，汇聚节点通过由GPRS/GSM无线通信接口连通的INTERNET/GPRS网络将现场数据传输到连接互联网的测控中心计算机处理，测控中心计算机的数据分析系统通过建立的模型对采集到的现场数据进行分析，评估水工当前的安全状态，进而作出预报预测；

所述监测节点的振弦式传感器采集电路包含振弦传感器、激振电路、信号放大与整形电路、恒流源与温度转换电路以及放大电路与A/D转换电路，监测节点单片机的I/O口输出谐振脉冲，经激振电路驱动振弦传感器的感应线圈发生谐振；所述信号放大与整形电路输入振弦式传感器输出的谐振频率信号，对该谐振频率信号进行放大、整流和整形，输出标准的方波信号至监测节点单片机的I/O口，启动片内计数器计数，从而得出振弦谐振频率值，再经过单片机转换计算得到所需测量值；所述恒流源与温度转换电路连接振弦传感器的热敏电阻，对振弦传感器的热敏电阻提供恒定电流，并将该振弦传感器热敏电阻两端的电压降输入放大电路与A/D转换电路进行模拟量至数字量转换，转换后的数字量信号由监测节点单片机读取，即为传感器环境温度值；

所述监测节点的振弦式传感器采集电路还包含设置在监测节点单片机和信号放大与整形电路之间的分频与计数器电路，该分频与计数器电路包含D触发器、与门1、与门2、时钟发生器、分频电路和外部计数器，所述信号放大与整形电路的输出端分别连接D触发器的时钟CP端和与门1的第一输入端，该D触发器的D端和R端分别连接单片机的I/O口，该D触发器的Q端分别连接与门1的第二输入端、单片机的中断口INT和与门2的第一输入端，所述时钟发生器输出的时钟信号经分频电路分别输入与门2的第二输入端和外部计数器的时钟输入端，与门1的输出端连接单片机的I/O口T1端，与门2的输出端连接外部计数器的启动停止端，该外部计数器的计数值输入单片机；

首先，将监测节点单片机内部定时器、计数器及外部计数器初始化，D触发器置0，置D触发器D端为高电平；当捉俘到信号放大与整形电路输出的待测脉冲上升沿时，D触发器Q端翻转为高电平，开启与门1和与门2，同时触发单片机的INT引脚，打开片内定时器定时中断，单片机片内计数器和外部计数器两个计数器同时开始计数；当片内定时器定时时间到，置D触发器D端为低电平，当捉俘到待测脉冲上升沿时，D触发器Q端翻转为低电平，使两与门同时关闭，停止计数；单片机读取两个计数器计数值，获得待测脉冲的频率=分频电路输出的时钟频率×单片机片内计数器计数值／外部计数器计数值。

2.根据权利要求1所述的水工安全监测系统，其特征在于：所述外部计数器采用8253计数器芯片。

3.根据权利要求1所述的水工安全监测系统，其特征在于：所述监测节点的水位传感器采集电路包含水位传感器和设置在水位传感器和单片机之间的水位传感器接口电路，所述监测节点的雨量传感器采集电路包含雨量传感器和设置在雨量传感器和单片机之间的雨量传感器接口电路。

4.根据权利要求3所述的水工安全监测系统，其特征在于：所述水位传感器采用浮子式编码水位计，所述水位传感器接口电路采用格雷码编码器接口电路；所述雨量传感器采用翻斗式雨量计，所述雨量传感器接口电路采用霍尔开关接口电路。

5.根据权利要求4所述的水工安全监测系统，其特征在于：所述格雷码编码器接口电路和霍尔开关接口电路均包含设置在传感器开关信号输出端与地之间的P6KE18A稳压瞬态抑制二极管和电容，设置在单片机的I/O口与地之间的ZD系列二极管，设置在单片机电源VCC与传感器开关信号输出端之间的一电阻，设置在传感器开关信号输出端与单片机的I/O口之间的另一电阻。

6.根据权利要求1所述的水工安全监测系统，其特征在于：所述监测节点的无线通信电路还包含与监测节点单片机相连的GPRS/GSM无线通信接口。

7.根据权利要求1或6所述的水工安全监测系统，其特征在于：所述GPRS/GSM无线通信接口经带通断控制端的开关电源芯片供电，该开关电源芯片的通断控制端连接相应单片机的I/O口。

8.根据权利要求1所述的水工安全监测系统，其特征在于：所述监测节点和汇聚节点还设有连接单片机的通信扩充接口，该通信扩充接口采用RS232接口。

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