CN105241430A - 河道环境特征参数测量系统 - Google Patents

Abstract

河道环境特征参数测量系统，涉及河流检测。设有环境参数获取、数据传输和控制子系统；环境参数获取子系统设有Cortex内核、信号发送模块、信号接收模块，信号发送模块设有数据采集卡、时间同步模块、功率放大模块和高频换能器；信号接收模块设有水听器、信号放大与滤波电路、时间同步模块和数据采集卡；Cortex内核的数字信号输出端接发送数据采集卡输入端，发送数据采集卡、发送时间同步模块、功率放大模块和高频换能器依次连接，水听器、信号放大与滤波电路、接收时间同步模块和接收数据采集卡依次连接；数据传输子系统由至少2个ZigBee无线传感器模块组成一个MESH网络；控制子系统的串口输入输出接口接数据传输子系统。

Description

河道环境特征参数测量系统

技术领域

本发明涉及河流检测，尤其是涉及一种能够准确反映长距离河道的平均环境参数以及实现实时观测河道环境参数变化，在小范围内的河道区域进行长时间的连续的高精度的河道环境特征参数测量系统。

背景技术

我国水利资源丰富，属于河流最多的国家之一。由于地势高低起伏，河道宽度小，水流速度大，因此实现对河道环境特征参数的实时获取具有十分重大的意义。当前对河口以及河道范围内实现监测的主要方法为单点入侵式监测方法，测量方法有机械式流量计、电磁流量计等。这些方法获取环境特征参数虽然简单方便，但是其可测范围有限，只能检测某一位置的环境特征参数，不能准确反映河道的平均环境特征参数，容易产生误差。基于这些方法的检测还需要在河道中固定放置传感器，这不仅耗费巨大的人力物力，并且会对河道内运行的船只造成影响。因此基于该方法的河道环境特征监测实施起来极为困难，得不到广泛运用。声学技术在海洋监测中具有重要的作用，在河口即河道区域内利用高频声层析技术为实现监测河口与河道区域的温度、盐度、流速等环境参数提供了一种有效的方法。研究成果相对较成熟的声层析系统主要针对的是利用中频声层析技术在10km海域范围内对获取环境特征参数，而对于围绕河口以及河道区域高频声层析的研究力度较小，实现系统也不够完善。

发明内容

本发明的目的在于为了克服单点入侵方式监测河道环境特征参数的精度低的问题，以及现有的基于声学测量法的单点监测单点分析的不可持续性问题，以及现有的仪器设备常常以工具箱的形式出现而需要工作人员到现场获取环境参数，无法长时间连续远距离检测等问题，提供一种能够可以实现在河口以及小型河道区域进行长时间的连续的高精度，把环境特征参数采集、数据传输以及应用系统集合为一体的远距离的一种河道环境特征参数测量系统。

本发明设有环境参数获取子系统、数据传输子系统和控制子系统；

所述环境参数获取子系统安装在河道边上，环境参数获取子系统用于根据声传播时间和时间差反推算出温度、盐度、压力等环境参数，环境参数获取子系统设有Cortex内核、信号发送模块、信号接收模块和电源模块，Cortex内核用于对数据的处理和存储，信号发送模块设有发送数据采集卡、发送时间同步模块、功率放大模块和高频换能器；信号接收模块设有水听器、信号放大与滤波电路、接收时间同步模块和接收数据采集卡；Cortex内核的数字信号输出端接发送数据采集卡的输入端，发送数据采集卡、发送时间同步模块、功率放大模块和高频换能器依次连接，高频换能器的输出端将高频声波信号从水中发射出去；水听器从水中接收高频声波信号，水听器、信号放大与滤波电路、接收时间同步模块和接收数据采集卡依次连接，接收数据采集卡的数字输出端接Cortex内核的输入端；

所述数据传输子系统由至少2个ZigBee无线传感器模块组成一个MESH网络，用于实现数据的接收和转发，起路由的作用，ZigBee无线传感器模块包括ZigBee终端节点、ZigBee协调器节点和ZigBee路由接点，ZigBee终端节点与Cortex内核相连，ZigBee终端节点用于将环境参数获取子系统监测得到的河道环境特征参数上传，ZigBee协调器节点与控制子系统连接，ZigBee协调器节点用于收集来自各ZigBee终端节点个ZigBee终端节点的无线数据并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令下传，ZigBee路由接点用于对数据的接收和转发；

所述控制子系统的串口输入输出接口接收来自数据传输子系统的数据。

所述控制子系统还支持WIFI数据的接收与发送，实现多接口输入的功能。

所述控制子系统为计算机上运行的Win32应用程序，用于读写串口数据，通过串口实现计算机与ZigBee无线传感器模块的通信。

所述河道环境特征参数包括但不限于温度、盐度、压力等参数。

数据传输子系统用于搭建自组织网络，实现数据的传输。

所述控制子系统为计算机上运行的win32应用程序，控制子系统用于接收ZigBee无线传感器发送的数据，并对该数据进行分析、处理以及存储，用户可通过应用程序发送指令，经无线传感器网络传递给环境参数获取子系统，环境参数获取子系统则根据该指令执行具体操作。

所述环境参数获取子系统设有发送电路和接收电路两部分，但是同一时刻一个子系统只能作为发送端或接收端，作为发送端的子系统经过数据采集卡作模拟信号和数字信号转换，产生中心频率为60KHz，带宽为40～80KHz的由PN码调制的高频载波信号，再经过功率放大电路后，由高频换能器在水中产生高频声波；作为接收端的子系统则通过水听器接收声波信号，然后再经过信号放大和过滤调理电路，然后由数据采集卡作模拟信号和数字信号的转换。当一个子系统作为发送端时，另一个子系统作为接收端并获取一个数据，最后利用该两组数据根据声学层析技术计算出该环境下的温度、盐度、压力等环境参数。

所述数据传输子系统由多个ZigBee无线传感器组成，其为一个MESH网络。该MESH网络具有自动组网、自动路由以及自动路由修复的功能。ZigBee模块分为三种功能模块：与环境参数获取子系统相连的作为无线终端节点，负责将环境参数获取子系统监测得到的温度、盐度、压力环境参数向上传递，并向下传递接收到的指令；与控制子系统相连的作为协调器节点，主要负责收集来自各个终端节点的无线数据，并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令向下传递；除此之外的ZigBee都作为路由设备，主要负责对数据的接收和转发。

所述时间同步模块是基于GPS时间信号的时间同步。在环境参数获取子系统中都配备GPS-OEM板，基于GPS高精度时间作为系统的时钟，在发送端发送完信号和接收端接收到信号的时刻各记下当前时刻。接收时刻减去发送时刻即为声信号在河水中传播的时间。利用GPS实现时间同步可以提高系统获取的环境特征参数的精度值。

所述控制子系统则为主要通过串口输入输出接口接收来自ZigBee模块的数据；除此之外还支持WiFi数据的接收与发送，实现多接口输入的功能。

本发明克服了单点入侵方式监测河道环境特征参数的精度低的问题，克服了单点入侵式的测量方法实施难度大、不能准确反映长距离河道的平均环境参数的困难以及无法实现实时观测河道环境参数变化等问题，克服了现有的基于声学测量法的单点监测单点分析的不可持续性问题，克服了现有的仪器设备常常以工具箱的形式出现而需要工作人员到现场获取环境参数，无法长时间连续远距离检测等问题，本发明可以实现在河口以及小型河道区域进行长时间的连续的高精度远距离把环境特征参数采集、数据传输以及应用系统集合为一体。

附图说明

图1是本发明实施例的结构框图。

图2是环境参数获取子系统结构框图。

图3是数据传输子系统中ZigBee模块分布图。

图4是环境参数获取子系统河道安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步说明。

我国水利资源丰富，属于河流最多的国家之一。由于地势高低起伏，河道宽度小，水流速度大，因此实现对河道环境特征参数的实时获取具有十分重大的意义。本发明的河道环境特征参数测量系统，能够准确反映长距离河道的平均环境参数以及实现实时观测河道环境参数的变化情况，提供了一种可以实现在河口以及小型河道区域进行长时间的连续的高精度的河道环境特征参数测量系统。

参见图1，本发明实施例设有环境参数获取子系统1、数据传输子系统2和控制子系统3；

所述环境参数获取子系统1安装在河道边上，环境参数获取子系统1用于根据声传播时间和时间差反推算出温度、盐度、压力等环境参数，环境参数获取子系统1设有Cortex内核C、信号发送模块、信号接收模块和电源模块，Cortex内核C用于对数据的处理和存储，信号发送模块设有发送数据采集卡11、发送时间同步模块12、功率放大模块13和高频换能器14；信号接收模块设有水听器15、信号放大与滤波电路16、接收时间同步模块17和接收数据采集卡18；Cortex内核C的数字信号输出端接发送数据采集卡11的输入端，发送数据采集卡11、发送时间同步模块12、功率放大模块13和高频换能器14依次连接，高频换能器14的输出端将高频声波信号从水中发射出去；水听器15从水中接收高频声波信号，水听器15、信号放大与滤波电路16、接收时间同步模块17和接收数据采集卡18依次连接，接收数据采集卡18的数字输出端接Cortex内核C的输入端；

所述数据传输子系统2由至少2个ZigBee无线传感器模块组成一个MESH网络，用于实现数据的接收和转发，起路由的作用，ZigBee无线传感器模块包括ZigBee终端节点21、ZigBee协调器节点22和ZigBee路由接点23，ZigBee终端节点21与Cortex内核C相连，ZigBee终端节点21用于将环境参数获取子系统1监测得到的河道环境特征参数上传，ZigBee协调器节点22与控制子系统3连接，ZigBee协调器节点22用于收集来自各ZigBee终端节点个ZigBee终端节点21的无线数据并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令下传，ZigBee路由接点23用于对数据的接收和转发，控制子系统3的串口输入输出接口接收来自数据传输子系统2的数据。

所述控制子系统3还支持WIFI数据的接收与发送，实现多接口输入的功能。

所述控制子系统3为计算机上运行的Win32应用程序，用于读写串口数据，通过串口实现计算机与ZigBee无线传感器模块的通信。

所述河道环境特征参数包括但不限于温度、盐度、压力等参数。

数据传输子系统用于搭建自组织网络，实现数据的传输。

在图1中，标记D为电源管理模块，在图4中，标记H表示河水。

所述控制子系统为计算机上运行的win32应用程序，控制子系统用于接收ZigBee无线传感器发送的数据，并对该数据进行分析、处理以及存储，用户可通过应用程序发送指令，经无线传感器网络传递给环境参数获取子系统，环境参数获取子系统则根据该指令执行具体操作。

所述环境参数获取子系统设有发送电路和接收电路两部分，但是同一时刻一个子系统只能作为发送端或接收端，作为发送端的子系统经过数据采集卡作模拟信号和数字信号转换，产生中心频率为60KHz，带宽为40～80KHz的由PN码调制的高频载波信号，再经过功率放大电路后，由高频换能器在水中产生高频声波；作为接收端的子系统则通过水听器接收声波信号，然后再经过信号放大和过滤调理电路，然后由数据采集卡作模拟信号和数字信号的转换。当一个子系统作为发送端时，另一个子系统作为接收端并获取一个数据，最后利用该两组数据根据声学层析技术计算出该环境下的温度、盐度、压力等环境参数。

所述数据传输子系统由多个ZigBee无线传感器组成，其为一个MESH网络。该MESH网络具有自动组网、自动路由以及自动路由修复的功能。ZigBee模块分为三种功能模块：与环境参数获取子系统相连的作为无线终端节点，负责将环境参数获取子系统监测得到的温度、盐度、压力环境参数向上传递，并向下传递接收到的指令；与控制子系统相连的作为协调器节点，主要负责收集来自各个终端节点的无线数据，并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令向下传递；除此之外的ZigBee都作为路由设备，主要负责对数据的接收和转发。

所述时间同步模块是基于GPS时间信号的时间同步。在环境参数获取子系统中都配备GPS-OEM板，基于GPS高精度时间作为系统的时钟，在发送端发送完信号和接收端接收到信号的时刻各记下当前时刻。接收时刻减去发送时刻即为声信号在河水中传播的时间。利用GPS实现时间同步可以提高系统获取的环境特征参数的精度值。

所述控制子系统则为主要通过串口输入输出接口接收来自ZigBee模块的数据；除此之外还支持WiFi数据的接收与发送，实现多接口输入的功能。

图2为环境参数获取子系统的结构框图，环境参数获取子系统分为Cortex内核、数据采集卡、时间同步模块、功率放大模块、信号调理模块、高频换能器、水听器以及电源模块。安装示意图如图4所示，由于环境参数获取子系统是安装在河道边上，供电以及更换电池很方便，所以本系统的电源模块采用蓄电池供电；Cortex内核，负责对数据的处理和存储，是实现算法的主要部分；除此之外，该子系统主要分为信号发送模块和信号接收模块；信号发送模块由数据采集卡、时间同步模块、功率放大模块、高频换能器组成，在Cortex内核中通过软件编程输出一个数字信号，该信号经过数据采集卡由数字信号转换为模拟信号，产生中心频率为60KHz，带宽为40～80KHz的高频信号，再经过功率放大电路对信号进行放大，信号的放大主要为了使音频信号能够传输得更远，最后通过高频换能器将高频声波信号从水中发送出去；信号接收模块由水听器、信号调理模块、时间同步模块、数据采集卡组成，水听器从水中接收高频声信号，经过信号调理模块即经过信号放大和滤波处理，在通过数据采集卡进行模拟信号和数字信号的转换，将数字信号传递给Cortex进行数据的处理，结合时间同步模块计算得当前时刻河道环境特征参数。环境参数获取子系统成对使用，虽然每个子系统都包含了信号接收模块和信号发送模块，但是同一时刻一个子系统只能作为发送端或接收端。假设A和B是一对子系统，当A作为发送端，B作为接收端时获取一个时间数据，当B作为发送端，A作为接收端时获取另一个时间数据，最后利用该两组数据根据声学层析技术计算出该环境下的温度、盐度、压力环境参数。图2中的时间同步模块是基于GPS时间信号的时间同步模块。在环境参数获取子系统中都配备GPS-OEM板，基于GPS高精度时间作为系统的时钟，在发送端发送完信号和接收端接收到信号的时刻各记下当前时刻。接收时刻减去发送时刻即为声信号在河水中传播的时间。利用GPS实现时间同步可以提高系统获取的环境特征参数的精度值。

再根据得到的两组发送和接收时间即可计算得到正向传播时间T⁺和负向传播时间T^-，根据计算得到水中声速平均值。水中声速受到温度、盐度、压力等影响，根据DelGrosso声速公式即可反演出温度、流速和压力的平均值。

图3为数据传输子系统中ZigBee模块的分布图，数据传输子系统由多个ZigBee无线模块组成一个MESH网络。该网络具有自动组网、自动路由以及自动路由修复的功能。数据传输子系统负责实现数据的接收和转发功能。ZigBee模块分为三种功能模块：与环境参数获取子系统相连的作为无线终端节点，负责将环境参数获取子系统监测得到的温度、盐度、压力环境参数向上传递，并向下传递接收到的指令，ZigBee无线终端与环境参数获取子系统之间的通信接口为串口，环境参数获取子系统通过串口通信就可以实现与ZigBee的简单通信；与控制子系统相连的ZigBee作为协调器节点，主要负责收集来自各个终端节点的无线数据，并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令向下传递，该ZigBee协调器节点除了可以利用串口直接与计算机通信以外，还可以利用WiFI模块，将ZigBee模块的输出接到WiFi模块的输入接口，通过WiFI模块的USB转WiFI功能，可以以无线的方式与计算机通信，如果需要实现WiFi通信的功能时，则应用程序需要运行在安装有网卡的PC机或者笔记本；除此之外的ZigBee都作为路由设备，主要负责对数据的接收和转发，当无线传感器网络组建完成后，数据的传输会根据ZigBee协议会自动选择最短路径进行。三种不用功能的ZigBee模块负责不同的工作任务，三者相互配合完成整个系统的数据传输功能，实现远程监测河道环境特征参数。由于ZigBee组成的无线传感器网络具有自动组网、自动路由的功能，当作为路由作用的某一个节点损坏，不影响整个系统的正常运行。

所述环境参数获取子系统放置在小尺度范围的河口及河道两侧，一对环境参数子系统协调合作，与河水流向呈一定角度。

一个环境参数获取子系统集成了发送电路和接收电路两部分，但是同一时刻一个子系统只能作为发送端或接收端。环境参数获取子系统成对出现，如一对子系统A和B，当A作为发送端，B作为接收端时获取一个数据，当B作为发送端，A作为接收端时获取另一个数据，最后利用该两组数据根据声学层析技术计算出该环境下的温度、盐度、压力等环境参数。

作为发送端的子系统经过数据采集卡作模拟信号和数字信号转换，产生中心频率为60KHz，带宽为40～80KHz的高频信号，再经过功率放大电路后，由高频换能器在水中产生高频声波。

作为接收端的子系统则通过水听器接收声波信号，然后再经过信号放大和过滤调理电路，然后由数据采集卡作模拟信号和数字信号的转换。

所述数据传输子系统由多个ZigBee无线模块组成一个MESH网络。该网络具有自动组网、自动路由以及自动路由修复的功能。数据传输子系统负责实现数据的接收和转发功能，起路由的作用。

ZigBee模块分为三种功能模块：与环境参数获取子系统相连的作为无线终端节点，负责将环境参数获取子系统监测得到的温度、盐度、压力环境参数向上传递，并向下传递接收到的指令；与控制子系统相连的作为协调器节点，主要负责收集来自各个终端节点的无线数据，并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令向下传递；除此之外的ZigBee都作为路由设备，主要负责对数据的接收和转发。三种不用功能的ZigBee模块负责不同的工作任务，三者相互配合完成整个系统的数据传输功能，实现远程监测河道环境特征参数。由ZigBee组成的无线传感器网络具有自动组网、自动路由的功能，当作为路由作用的某一个节点损坏，不影响整个系统的正常运行。

所述控制子系统主要通过串口输入输出接口接收来自ZigBee模块的数据；除此之外还支持WiFi数据的接收与发送，实现多接口输入的功能。

所述时间同步模块是基于GPS时间信号的时间同步。在环境参数获取子系统中都配备GPS-OEM板，基于GPS高精度时间作为系统的时钟，在发送端发送完信号和接收端接收到信号的时刻各记下当前时刻。接收时刻减去发送时刻即为声信号在河水中传播的时间。

环境参数获取子系统利用声学层析技术，根据声传播时间和时间差反推算出温度、盐度、压力等环境参数。数据传输子系统主要由ZigBee无线传感器模块搭建的自组织网络实现数据的传输。控制子系统为计算机上运行的win32应用程序，接收ZigBee无线传感器模块发送过来的数据，对该数据进行分析、处理以及存储，用户可通过应用程序发送特殊指令，经无线传感器网络传递给环境参数获取子系统，环境参数获取子系统则根据该指令执行具体操作。通过本发明，克服单点入侵式的测量方法实施难度大、不能准确反映长距离河道的平均环境参数的困难以及无法实现实时观测河道环境参数变化的问题，提供了一种可以实现在河口以及小型河道区域进行长时间的连续的高精度远的远距离的河道环境特征参数测量系统。

Claims (5)

1.河道环境特征参数测量系统，其特征在于设有环境参数获取子系统、数据传输子系统和控制子系统；

所述环境参数获取子系统安装在河道边上，环境参数获取子系统用于根据声传播时间和时间差反推算出温度、盐度、压力等环境参数，环境参数获取子系统设有Cortex内核、信号发送模块、信号接收模块和电源模块，Cortex内核用于对数据的处理和存储，信号发送模块设有发送数据采集卡、发送时间同步模块、功率放大模块和高频换能器；信号接收模块设有水听器、信号放大与滤波电路、接收时间同步模块和接收数据采集卡；Cortex内核的数字信号输出端接发送数据采集卡的输入端，发送数据采集卡、发送时间同步模块、功率放大模块和高频换能器依次连接，高频换能器的输出端将高频声波信号从水中发射出去；水听器从水中接收高频声波信号，水听器、信号放大与滤波电路、接收时间同步模块和接收数据采集卡依次连接，接收数据采集卡的数字输出端接Cortex内核的输入端；

所述数据传输子系统由至少2个ZigBee无线传感器模块组成一个MESH网络，用于实现数据的接收和转发，起路由的作用，ZigBee无线传感器模块包括ZigBee终端节点、ZigBee协调器节点和ZigBee路由接点，ZigBee终端节点与Cortex内核相连，ZigBee终端节点用于将环境参数获取子系统监测得到的河道环境特征参数上传，ZigBee协调器节点与控制子系统连接，ZigBee协调器节点用于收集来自各ZigBee终端节点个ZigBee终端节点的无线数据并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令下传，ZigBee路由接点用于对数据的接收和转发；

所述控制子系统的串口输入输出接口接收来自数据传输子系统的数据。

2.如权利要求1所述河道环境特征参数测量系统，其特征在于所述控制子系统支持WIFI数据的接收与发送，实现多接口输入的功能。

3.如权利要求1所述河道环境特征参数测量系统，其特征在于所述控制子系统为计算机上运行的Win32应用程序，用于读写串口数据，通过串口实现计算机与ZigBee无线传感器模块的通信。

4.如权利要求1所述河道环境特征参数测量系统，其特征在于所述河道环境特征参数包括但不限于温度、盐度、压力参数。

5.如权利要求1所述河道环境特征参数测量系统，其特征在于所述环境参数获取子系统设有发送电路和接收电路。