CN106017430B - 基于实时嵌入式cps的水文监测无线传感器节点装置 - Google Patents
基于实时嵌入式cps的水文监测无线传感器节点装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，属水文监测设备领域。本发明包括数据采集模块、控制模块、无线通信模块、供电模块；所述数据采集模块与控制模块相连，控制模块与无线通信模块、供电模块分别与数据采集模块、控制模块、无线通信模块相连。本发明结构简单、成本低廉，操作便捷，利用具有感知能力、计算能力和无线通信能力的微型无线传感器，以及节点本身的低成本、低功耗、多功能、监测区域覆盖范围广、地址位置分布分散等特点，通过无线传感器节点对野外地理环境的水文变化进行实时监测。供电模块采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式，不仅降低了能耗，还节约了人力成本，避免铅蓄电池的二次污染，起到了节能环保的作用。
Description
技术领域
本发明涉及基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，属于水文监测设备技术领域。
背景技术
我国水资源分布不均，由于地形环境复杂、气候多样，经济发展不平衡，使得我国水旱灾害频繁发生，水旱灾害给人类生活和经济发展带来巨大损失。水文工作是水利工作的基础，水文测量是衡量水利工作的一个重要指标，水文监测系统检测水文信息的准确性及实时性，直接影响到人身财产安全、水库防洪安全及农业灌溉等。
为了防止水灾、减少水旱灾害带来的经济损失，我国在江河治理方面投入了大量的精力，尤其是近年来，在水利部等国家政府部门的关心和支持下，我国增加了多项水利工作项目，加快了水文工作现代化建设步伐，基本建成了各大江河的防洪预报体系，在山洪灾害发生之前，对水情准确、及时、可靠的预报成为重要的防洪手段，大大减少了人身财产的损失。
我国幅员辽阔，自然环境复杂，很多人迹罕至的偏远地区，防汛站和水文监测站的水文监测技术比较落后，水文站的测洪能力不能满足预测大洪水的要求，现有产品存在可靠性差、通用性不强等问题，距离水文信息的现代化还有很长的距离。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，填补了现有水文监测技术手段中没有与无线传感器网络技术的空白，解决了现有水文监测装置能满足预测大洪水的要求、针对性差、效率低、可靠性差、通用性不强的问题。
本发明技术方案是：基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，包括数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3、供电模块4、天线Ⅰ5、天线Ⅱ6、树脂胶封层Ⅰ10、树脂胶封层Ⅱ11、树脂胶封层Ⅲ12、聚砜铸模层Ⅰ13、聚砜铸模层Ⅱ14、太阳能电池板15；所述数据采集模块1包括液位传感器7、雨量传感器8、数字温湿传感器9；数据采集模块1与控制模块2相连，控制模块2与无线通信模块3连接，供电模块4分别与数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3相连；天线Ⅰ5通过树脂胶封层Ⅲ12固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，天线Ⅱ6通过树脂胶封层Ⅱ11固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，液位传感器7、雨量传感器8通过树脂胶封层Ⅰ10固定连接在聚砜铸模层Ⅰ13，数字温湿传感器9通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ13里层的聚砜铸模层Ⅱ14内部，太阳能电池板15通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上。
优选地，所述无线通信模块3采用通用的2.4G无线通讯模块。
优选地，所述供电模块4采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式。
优选地，所述液位传感器7包括直角形玻璃板23、衍射光学元件Ⅱ24、红外光敏接收器25、RC环形振荡电路Ⅱ26、聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27、红外发光二极管28、遮光层29、增益放大电路Ⅱ30；所述直角形玻璃板23的斜边通过不影响光透的聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅱ24无缝连接，红外发光二极管28的上半发光部分嵌入衍射光学元件Ⅱ24，衍射光学元件Ⅱ24通过聚碳酸酯和硅胶与红外光敏接收器25无缝连接，把暴露在衍射光学元件Ⅱ24外，并嵌入红外光敏接收器25的红外发光二极管28的下半部分包裹上一层遮光层29；红外光敏接收器25下边左侧设有RC环形振荡电路Ⅱ26，增益放大电路Ⅱ30与RC环形振荡电路Ⅱ26并排，设在红外光敏接收器25下边右侧，红外光敏接收器25与增益放大电路Ⅱ30连接，增益放大电路Ⅱ30与RC环形振荡电路Ⅱ26连接；整个液位传感器7通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27将其整体封装。
优选地，所述雨量传感器8包括拱形玻璃板16、衍射光学元件Ⅰ17、聚焦红外光束发送器18、RC环形振荡电路Ⅰ19、聚碳酸酯透明壳体20、光学接收器21、增益放大电路Ⅰ22；其中拱形玻璃板16的直线边通过聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅰ17无缝连接，聚焦红外光束发送器18的光束发送端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，聚焦红外光束发送器18没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止发出的红外光束有一部分不通过衍射光学元件Ⅰ17直接被光学接收器21接收，光学接收器21的光束接收端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，光学接收器21没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止光学接收器21的接收端因接收非来自衍射光学元件Ⅰ17的红外光束而影响雨量传感器的工作能力；聚焦红外光束发送器18的下方设有R C环形振荡电路Ⅰ19，光学接收器21下方设有增益放大电路Ⅰ22，衍射光学元件Ⅰ17与增益放大电路Ⅰ22相连，增益放大电路Ⅰ22与R C环形振荡电路Ⅰ19相连；整个雨量传感器8通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ20将其整体封装。
优选地，所述数字温湿传感器9选用一种改进型智能温度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度。DS18B20可以直接读出被测温度值，测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增，而且采用了线制与单片机相连，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信，无需外部器件减少了外部的硬件电路，而且成本低使用方便。
优选地，所述控制模块2包括单片机模块35、充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34；其中，单片机模块35分别与雨量传感器8中的RC环形振荡电路Ⅰ19、增益放大电路Ⅰ22连接；单片机模块35分别与液位传感器7中的RC环形振荡电路Ⅱ26、增益放大电路Ⅱ30连接；单片机模块35再分别与充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34相连。
优选地，所述充电控制电路31包括CN3063芯片、电容C2、C3、电阻R2、R3、发光二极管L1、L2；其中CN3063芯片的TEMP引脚与GND引脚串接，然后一起接地，ISET引脚通过下拉电阻R3接地，BAT引脚通过下拉电容C3接地，FB引脚与BAT引脚并联接入锂电池的正负极BATH+和BATH-，锂电池的正极BATH+与电容C3的一端相连接，锂电池的负极BATH-与电容C3的另一端相连接，DONE引脚和CHRG引脚分别接发光二极管L1，发光二极管L2，然后并联连接电阻R2，最后与VIN引脚并联且通过一个二极管接入太阳能电池板输出端，二极管电流流出端通过下拉电容C2接地。
优选地，所述温度传感器电路32包括18B20芯片、电容C4、电阻R4；其中18B20芯片的管脚1连接电容C4的一端，电容C4的另一端直接接地，18B20芯片的管脚2连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与18B20芯片的管脚1并联，并接入5V电源，18B20芯片的管脚3直接接地。
优选地，所述12V-5V转换电路33包括电源J1、LM7805芯片J2、LM7805芯片J3、二极管D1、D2、电解电容CS1、CS2、CS3、CS4、电容C5、C6、C7、C8、电阻R5；其中电源J1的正极与二极管D1的正极相连接，二极管D1的负极与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电源J1的负极直接接地，电解电容CS1与电容C5并联，并联的一端与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电解电容CS1与电容C5并联的另一端直接接地，LM7805芯片J2的GND管脚直接接地，LM7805芯片J2的Vout管脚连接5V电源，电解电容CS2与电容C6并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS2与电容C6并联的另一端直接接地；电源J1的正极与二极管D2的正极相连接，二极管D2的负极与LM7805芯片J3的Vin管教相连接，LM7805芯片J3的GND管脚直接接地，电解电容CS3与电容C7并联，并联的一端与LM7805芯片J3的Vin管脚相连接，电解电容CS3与电容C7并联的另一端直接接地，LM7805芯片J3的Vout管脚直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，电阻R5的一端与5V电源相连接，电阻R5的另一端直接接地。
优选地，所述5V-3.3V转换电路34包括LM1117-3.3芯片、电解电容CS5、CS6、电容C9、C10；其中电解电容CS5与电容C9并联，并联的一端同时与5V电源、LM1117-3.3芯片的Vin管脚相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，LM1117-3.3芯片的ADJ管脚直接接地，电解电容CS6与电容C10并联，并联的一端与LM1117-3.3芯片的Vout管脚相连接，作为3.3V电源的正极，电解电容CS6与电容C10并联的另一端直接接地，作为3.3V电源的负极。
优选地，所述RC环形振荡电路Ⅰ19和RC环形振荡电路Ⅱ26采用同一种电路连接方式，均包括放大器G1、G2、G3、电阻R6，可变电阻Rs、电容C11；其中放大器G1的输出端与放大器G2的输入端相连接，放大器G2的输出端与电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端与可变电阻Rs的一端相连接，可变电阻Rs的另一端与放大器G3的输入端相连接，放大器G3的输出端作为电路的输出端，同时引出与放大器G1的输入端相连接，构成反馈，电容C11的一端与放大器G1的输出端相连接，电容C11的另一端连接至电阻R6与可变电阻Rs的连接线上，与其电性连接。
本发明的工作原理是：
当本装置被散布在野外并开始工作时，装置的供电模块4首先开始工作，为保证装置的工作时间，续航能力，供电模块4中的可充电电池采用12V电源，通过12V-5V转换电路33将12V电压转换为5V电压为控制模块2供电，控制模块2上电后开始工作；同时，经过12V-5V转换电路33转换成5V的电压作为5V-3.3V转换电路34输入，将5V电压转换为3.3V电压为数据采集模块1，无线通信模块3供电，数据采集模块1，无线通信模块3上电后，开始工作。
数据采集模块1上电工作后，其中的液位传感器7开始实时监测环境中的液位情况。首先，红外发光二极管28发出的红外光线不断地通过衍射光学元件Ⅱ24射入直角型玻璃板23，当直角型玻璃板23、衍射光学元件Ⅱ24的折射角调整为某一合适的固定值时，通过衍射光学元件Ⅱ24进入到直角型玻璃板23后，光线会以一定角度射到一条直角边，由于光的反射，光线被反射到另外一条直角边，然后，继续反射回到直角型玻璃板23的斜边上，通过衍射光学元件Ⅱ24射到红外光敏接收器25上，被红外光敏接收器25接收。当装置被液体包围时，由于液体和直角型玻璃板23是两种不同的介质，所以红外发光二极管28发出的光会被外部环境中的液体折射一部分，故被红外光敏接收器25接收的光线强度会产生变化，根据外部环境中液体的也为的不同的，在液体折射出的光线强度会规律性变化，进而被被红外光敏接收器25接收的光线强度也会规律性变化，红外光敏接收器25根据接收光线强度的不同，输出的电流值也会不同，液位传感器7输出的电流强度由于过于弱，无法被控制模块2监测，所以先通过增益放大电路Ⅱ30，对输出信号进行放大，然后经过RC环形振荡电路Ⅱ26后，将输出信号做进一步放大，并通过 RC环形振荡电路Ⅱ26的作用降低输出信号的信噪比，以便控制模块2的检测与处理。
数据采集模块1上电工作后，其中的雨量传感器8开始实时监测环境中的雨量情况。首先，当外部环境没有降雨时，聚焦红外光束发送器18不断发送红外光束，由于聚焦红外光束发送器18除发射端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，其他部位均被不透光的遮光材料所包裹，所以聚焦红外光束发送器18发出的红外光束通过不影响透光性的衍射光学元件Ⅰ17以一定的角度射入拱形玻璃板16，入射到拱形玻璃板16的红外光束通过玻璃板本身射到拱形玻璃板16的拱形面，当拱形玻璃板16的拱形面取某一合适的弧度时，入射到拱形面一边的红外光束将以一定的角度被反射到拱形面的另一边，然后又被反射回衍射光学元件Ⅰ17，通过衍射光学元件Ⅰ17被光学接收器21接收，此时接收的是没有降雨时的光束强度。当外部环境产生降雨时，根据降雨强度的不同，雨滴滴落到雨量传感器8的拱形玻璃板16外表面形成的水膜厚度不同，会对入射到拱形玻璃板16内表面的红外光束产生不同程度的反射，则通过拱形玻璃板16反射回衍射光学元件Ⅰ17，被学接收器21接收的红外光束强度不同，产生不同强度的输出值；雨量传感器8检测雨量大小的输出值由于很弱，不能被控制模块2检测到，所以，首先通过增益放大电路Ⅰ22，对输出信号进行放大，然后经过RC环形振荡电路Ⅰ19后，将输出信号做进一步放大，并通过 RC环形振荡电路Ⅰ19的作用降低输出信号的信噪比，以便控制模块2的检测与处理。
数据采集模块1上电工作后，其中的数字温湿传感器9开始实时监测外部环境的温湿度变化。本装置中，为满足无线传感器资源受限的客观要求，选用美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温湿度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度。DS18B20可以直接读出被测温湿度值，采用线制与单片机相连，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信，无需外部器件减少了外部的硬件电路，数字温湿传感器9监测到的数值可以直接被控制模块2读取，成本低使用方便。
当控制模块2上电工作后，实时接收数据采集模块1传来的数据信息，这些数据信息被单片机接收，然后通过无线通信模块3将数据发送给远程控制中心。
本传感器节点装置是结合水文监测环境的特点，设计的一种有针对性的面向水文检测的中小河流水文监测传感器节点装置，具有针对性、高效率、面向对象设计等特点；同时利用传感器节点装置本身具有的感知能力、计算能力和无线通信能力等技术特性，以及传感器节点装置本身的的低成本、低功耗、多功能、监测区域覆盖范围广、地址位置分布分散等物理特点，通过无线传感器节点装置对野外地理环境的水文变化进行实时监测，极大的降低了人力、物力、财力，保障了传统野外水文监测人员的生命安全，并且由于本装置具有面向对象设计的特点，还大大提高了水文监测的效率和效果。
本发明的有益效果是：本发明结构简单、成本低廉，操作便捷，利用具有感知能力、计算能力和无线通信能力的微型无线传感器，以及节点本身的的低成本、低功耗、多功能、监测区域覆盖范围广、地址位置分布分散等特点，通过无线传感器节点对野外地理环境的水文变化进行实时监测。本节点中的供电模块采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式，不仅降低了能耗，还节约了人力成本，避免铅蓄电池的二次污染，起到了节能环保的作用。
附图说明
图1为本发明的装置外观图；
图2为本发明的装置结构图；
图3为本发明的控制模块示意图；
图4为本发明的雨量传感器示意图；
图5为本发明的液位传感器示意图；
图6为本发明的温度传感器电路原理图；
图7为本发明的充电控制电路原理图；
图8为本发明的RC环形震荡电路原理图；
图9为本发明的12V-5V转换电路原理图；
图10为本发明的5V-3.3V转换电路原理图。
图1-10中各标号：1-数据采集模块，2-控制模块，3-无线通信模块，4-供电模块，5-天线Ⅰ，6-天线Ⅱ，7-液位传感器，8-雨量传感器，9-数字温湿传感器，10-树脂胶封层Ⅰ，11-树脂胶封层Ⅱ，12-树脂胶封层Ⅲ，13-聚砜铸模层Ⅰ，14-聚砜铸模层Ⅱ，15-太阳能电池板，16-拱形玻璃板，17-衍射光学元件Ⅰ，18-聚焦红外光束发送器，19-RC环形振荡电路Ⅰ，20-聚碳酸酯透明壳体，21-光学接收器，22-增益放大电路Ⅰ，23-直角形玻璃板，24-衍射光学元件Ⅱ，25-红外光敏接收器，26-RC环形振荡电路Ⅱ，27-聚碳酸酯透明壳体Ⅱ，28-红外发光二极管，29-遮光层，30-增益放大电路Ⅱ，31-充电控制电路，32-温度传感器电路，33-12V-5V转换电路，34-5V-3.3V转换电路，35-单片机模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，包括数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3、供电模块4、天线Ⅰ5、天线Ⅱ6、树脂胶封层Ⅰ10、树脂胶封层Ⅱ11、树脂胶封层Ⅲ12、聚砜铸模层Ⅰ13、聚砜铸模层Ⅱ14、太阳能电池板15；所述数据采集模块1包括液位传感器7、雨量传感器8、数字温湿传感器9；数据采集模块1与控制模块2相连，控制模块2与无线通信模块3连接，供电模块4分别与数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3相连；天线Ⅰ5通过树脂胶封层Ⅲ12固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，天线Ⅱ6通过树脂胶封层Ⅱ11固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，液位传感器7、雨量传感器8通过树脂胶封层Ⅰ10固定连接在聚砜铸模层Ⅰ13，数字温湿传感器9通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ13里层的聚砜铸模层Ⅱ14内部，太阳能电池板15通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上。
优选地，所述无线通信模块3采用通用的2.4G无线通讯模块。
优选地，所述供电模块4采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式。
优选地，所述液位传感器7包括直角形玻璃板23、衍射光学元件Ⅱ24、红外光敏接收器25、RC环形振荡电路Ⅱ26、聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27、红外发光二极管28、遮光层29、增益放大电路Ⅱ30；所述直角形玻璃板23的斜边通过不影响光透的聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅱ24无缝连接，红外发光二极管28的上半发光部分嵌入衍射光学元件Ⅱ24，衍射光学元件Ⅱ24通过聚碳酸酯和硅胶与红外光敏接收器25无缝连接，把暴露在衍射光学元件Ⅱ24外，并嵌入红外光敏接收器25的红外发光二极管28的下半部分包裹上一层遮光层29；红外光敏接收器25下边左侧设有RC环形振荡电路Ⅱ26，增益放大电路Ⅱ30与RC环形振荡电路Ⅱ26并排，设在红外光敏接收器25下边右侧，红外光敏接收器25与增益放大电路Ⅱ30连接，增益放大电路Ⅱ30与RC环形振荡电路Ⅱ26连接；整个液位传感器7通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27将其整体封装。
实施例2：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，本实施例与实施例1相同，其中：
优选地，所述雨量传感器8包括拱形玻璃板16、衍射光学元件Ⅰ17、聚焦红外光束发送器18、RC环形振荡电路Ⅰ19、聚碳酸酯透明壳体20、光学接收器21、增益放大电路Ⅰ22；其中拱形玻璃板16的直线边通过聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅰ17无缝连接，聚焦红外光束发送器18的光束发送端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，聚焦红外光束发送器18没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止发出的红外光束有一部分不通过衍射光学元件Ⅰ17直接被光学接收器21接收，光学接收器21的光束接收端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，光学接收器21没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止光学接收器21的接收端因接收非来自衍射光学元件Ⅰ17的红外光束而影响雨量传感器的工作能力；聚焦红外光束发送器18的下方设有R C环形振荡电路Ⅰ19，光学接收器21下方设有增益放大电路Ⅰ22，衍射光学元件Ⅰ17与增益放大电路Ⅰ22相连，增益放大电路Ⅰ22与R C环形振荡电路Ⅰ19相连；整个雨量传感器8通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ20将其整体封装。
实施例3：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，本实施例与实施例2相同，其中：
优选地，所述数字温湿传感器9选用一种改进型智能温度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度。DS18B20可以直接读出被测温度值，测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增，而且采用了线制与单片机相连，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信，无需外部器件减少了外部的硬件电路，而且成本低使用方便。
实施例4：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，本实施例与实施例3相同，其中：
优选地，所述控制模块2包括单片机模块35、充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34；其中，单片机模块35分别与雨量传感器8中的RC环形振荡电路Ⅰ19、增益放大电路Ⅰ22连接；单片机模块35分别与液位传感器7中的RC环形振荡电路Ⅱ26、增益放大电路Ⅱ30连接；单片机模块35再分别与充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34相连。
实施例5：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，本实施例与实施例4相同，其中：
优选地，所述充电控制电路31包括CN3063芯片、电容C2、C3、电阻R2、R3、发光二极管L1、L2；其中CN3063芯片的TEMP引脚与GND引脚串接，然后一起接地，ISET引脚通过下拉电阻R3接地，BAT引脚通过下拉电容C3接地，FB引脚与BAT引脚并联接入锂电池的正负极BATH+和BATH-，锂电池的正极BATH+与电容C3的一端相连接，锂电池的负极BATH-与电容C3的另一端相连接，DONE引脚和CHRG引脚分别接发光二极管L1，发光二极管L2，然后并联连接电阻R2，最后与VIN引脚并联且通过一个二极管接入太阳能电池板输出端，二极管电流流出端通过下拉电容C2接地。
实施例6：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，本实施例与实施例5相同，其中：
优选地，所述温度传感器电路32包括18B20芯片、电容C4、电阻R4；其中18B20芯片的管脚1连接电容C4的一端，电容C4的另一端直接接地，18B20芯片的管脚2连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与18B20芯片的管脚1并联，并接入5V电源，18B20芯片的管脚3直接接地。
实施例7：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，本实施例与实施例6相同，其中：
优选地，所述12V-5V转换电路33包括电源J1、LM7805芯片J2、LM7805芯片J3、二极管D1、D2、电解电容CS1、CS2、CS3、CS4、电容C5、C6、C7、C8、电阻R5；其中电源J1的正极与二极管D1的正极相连接，二极管D1的负极与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电源J1的负极直接接地，电解电容CS1与电容C5并联，并联的一端与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电解电容CS1与电容C5并联的另一端直接接地，LM7805芯片J2的GND管脚直接接地，LM7805芯片J2的Vout管脚连接5V电源，电解电容CS2与电容C6并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS2与电容C6并联的另一端直接接地；电源J1的正极与二极管D2的正极相连接，二极管D2的负极与LM7805芯片J3的Vin管教相连接，LM7805芯片J3的GND管脚直接接地，电解电容CS3与电容C7并联，并联的一端与LM7805芯片J3的Vin管脚相连接，电解电容CS3与电容C7并联的另一端直接接地，LM7805芯片J3的Vout管脚直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，电阻R5的一端与5V电源相连接，电阻R5的另一端直接接地。
实施例8：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，本实施例与实施例7相同，其中：
优选地，所述5V-3.3V转换电路34包括LM1117-3.3芯片、电解电容CS5、CS6、电容C9、C10；其中电解电容CS5与电容C9并联，并联的一端同时与5V电源、LM1117-3.3芯片的Vin管脚相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，LM1117-3.3芯片的ADJ管脚直接接地，电解电容CS6与电容C10并联，并联的一端与LM1117-3.3芯片的Vout管脚相连接，作为3.3V电源的正极，电解电容CS6与电容C10并联的另一端直接接地，作为3.3V电源的负极。
实施例9：如图1-10所示，基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，包括数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3、供电模块4、天线Ⅰ5、天线Ⅱ6、树脂胶封层Ⅰ10、树脂胶封层Ⅱ11、树脂胶封层Ⅲ12、聚砜铸模层Ⅰ13、聚砜铸模层Ⅱ14、太阳能电池板15；所述数据采集模块1包括液位传感器7、雨量传感器8、数字温湿传感器9；数据采集模块1与控制模块2相连，控制模块2与无线通信模块3连接，供电模块4分别与数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3相连；天线Ⅰ5通过树脂胶封层Ⅲ12固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，天线Ⅱ6通过树脂胶封层Ⅱ11固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，液位传感器7、雨量传感器8通过树脂胶封层Ⅰ10固定连接在聚砜铸模层Ⅰ13，数字温湿传感器9通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ13里层的聚砜铸模层Ⅱ14内部，太阳能电池板15通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上。
优选地，所述无线通信模块3采用通用的2.4G无线通讯模块。
优选地，所述供电模块4采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式。
优选地，所述液位传感器7包括直角形玻璃板23、衍射光学元件Ⅱ24、红外光敏接收器25、RC环形振荡电路Ⅱ26、聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27、红外发光二极管28、遮光层29、增益放大电路Ⅱ30；所述直角形玻璃板23的斜边通过不影响光透的聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅱ24无缝连接，红外发光二极管28的上半发光部分嵌入衍射光学元件Ⅱ24，衍射光学元件Ⅱ24通过聚碳酸酯和硅胶与红外光敏接收器25无缝连接，把暴露在衍射光学元件Ⅱ24外，并嵌入红外光敏接收器25的红外发光二极管28的下半部分包裹上一层遮光层29；红外光敏接收器25下边左侧设有RC环形振荡电路Ⅱ26，增益放大电路Ⅱ30与RC环形振荡电路Ⅱ26并排，设在红外光敏接收器25下边右侧，红外光敏接收器25与增益放大电路Ⅱ30连接，增益放大电路Ⅱ30与RC环形振荡电路Ⅱ26连接；整个液位传感器7通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27将其整体封装。
优选地，所述雨量传感器8包括拱形玻璃板16、衍射光学元件Ⅰ17、聚焦红外光束发送器18、RC环形振荡电路Ⅰ19、聚碳酸酯透明壳体20、光学接收器21、增益放大电路Ⅰ22；其中拱形玻璃板16的直线边通过聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅰ17无缝连接，聚焦红外光束发送器18的光束发送端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，聚焦红外光束发送器18没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止发出的红外光束有一部分不通过衍射光学元件Ⅰ17直接被光学接收器21接收，光学接收器21的光束接收端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，光学接收器21没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止光学接收器21的接收端因接收非来自衍射光学元件Ⅰ17的红外光束而影响雨量传感器的工作能力；聚焦红外光束发送器18的下方设有R C环形振荡电路Ⅰ19，光学接收器21下方设有增益放大电路Ⅰ22，衍射光学元件Ⅰ17与增益放大电路Ⅰ22相连，增益放大电路Ⅰ22与R C环形振荡电路Ⅰ19相连；整个雨量传感器8通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ20将其整体封装。
优选地，所述数字温湿传感器9选用一种改进型智能温度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度。DS18B20可以直接读出被测温度值，测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增，而且采用了线制与单片机相连，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信，无需外部器件减少了外部的硬件电路，而且成本低使用方便。
优选地，所述控制模块2包括单片机模块35、充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34；其中，单片机模块35分别与雨量传感器8中的RC环形振荡电路Ⅰ19、增益放大电路Ⅰ22连接；单片机模块35分别与液位传感器7中的RC环形振荡电路Ⅱ26、增益放大电路Ⅱ30连接；单片机模块35再分别与充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34相连。
优选地，所述充电控制电路31包括CN3063芯片、电容C2、C3、电阻R2、R3、发光二极管L1、L2；其中CN3063芯片的TEMP引脚与GND引脚串接，然后一起接地，ISET引脚通过下拉电阻R3接地，BAT引脚通过下拉电容C3接地，FB引脚与BAT引脚并联接入锂电池的正负极BATH+和BATH-，锂电池的正极BATH+与电容C3的一端相连接，锂电池的负极BATH-与电容C3的另一端相连接，DONE引脚和CHRG引脚分别接发光二极管L1，发光二极管L2，然后并联连接电阻R2，最后与VIN引脚并联且通过一个二极管接入太阳能电池板输出端，二极管电流流出端通过下拉电容C2接地。
优选地，所述温度传感器电路32包括18B20芯片、电容C4、电阻R4；其中18B20芯片的管脚1连接电容C4的一端，电容C4的另一端直接接地，18B20芯片的管脚2连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与18B20芯片的管脚1并联，并接入5V电源，18B20芯片的管脚3直接接地。
优选地，所述12V-5V转换电路33包括电源J1、LM7805芯片J2、LM7805芯片J3、二极管D1、D2、电解电容CS1、CS2、CS3、CS4、电容C5、C6、C7、C8、电阻R5；其中电源J1的正极与二极管D1的正极相连接，二极管D1的负极与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电源J1的负极直接接地，电解电容CS1与电容C5并联，并联的一端与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电解电容CS1与电容C5并联的另一端直接接地，LM7805芯片J2的GND管脚直接接地，LM7805芯片J2的Vout管脚连接5V电源，电解电容CS2与电容C6并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS2与电容C6并联的另一端直接接地；电源J1的正极与二极管D2的正极相连接，二极管D2的负极与LM7805芯片J3的Vin管教相连接，LM7805芯片J3的GND管脚直接接地，电解电容CS3与电容C7并联，并联的一端与LM7805芯片J3的Vin管脚相连接，电解电容CS3与电容C7并联的另一端直接接地，LM7805芯片J3的Vout管脚直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，电阻R5的一端与5V电源相连接，电阻R5的另一端直接接地。
优选地，所述5V-3.3V转换电路34包括LM1117-3.3芯片、电解电容CS5、CS6、电容C9、C10；其中电解电容CS5与电容C9并联，并联的一端同时与5V电源、LM1117-3.3芯片的Vin管脚相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，LM1117-3.3芯片的ADJ管脚直接接地，电解电容CS6与电容C10并联，并联的一端与LM1117-3.3芯片的Vout管脚相连接，作为3.3V电源的正极，电解电容CS6与电容C10并联的另一端直接接地，作为3.3V电源的负极。
优选地，所述RC环形振荡电路Ⅰ19和RC环形振荡电路Ⅱ26采用同一种电路连接方式，均包括放大器G1、G2、G3、电阻R6，可变电阻Rs、电容C11；其中放大器G1的输出端与放大器G2的输入端相连接，放大器G2的输出端与电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端与可变电阻Rs的一端相连接，可变电阻Rs的另一端与放大器G3的输入端相连接，放大器G3的输出端作为电路的输出端，同时引出与放大器G1的输入端相连接，构成反馈，电容C11的一端与放大器G1的输出端相连接，电容C11的另一端连接至电阻R6与可变电阻Rs的连接线上，与其电性连接。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：包括数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）、供电模块（4）、天线Ⅰ（5）、天线Ⅱ（6）、树脂胶封层Ⅰ（10）、树脂胶封层Ⅱ（11）、树脂胶封层Ⅲ（12）、聚砜铸模层Ⅰ（13）、聚砜铸模层Ⅱ（14）、太阳能电池板（15）；所述数据采集模块（1）包括液位传感器（7）、雨量传感器（8）、数字温湿传感器（9）；数据采集模块（1）与控制模块（2）相连，控制模块（2）与无线通信模块（3）连接，供电模块（4）分别与数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）相连；天线Ⅰ（5）通过树脂胶封层Ⅲ（12）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，天线Ⅱ（6）通过树脂胶封层Ⅱ（11）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，液位传感器（7）、雨量传感器（8）通过树脂胶封层Ⅰ（10）固定连接在聚砜铸模层Ⅰ（13），数字温湿传感器（9）通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ（13）里层的聚砜铸模层Ⅱ（14）内部，太阳能电池板（15）通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上；
所述数字温湿传感器（9）选用一种改进型智能温度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度；
所述控制模块（2）包括单片机模块（35）、充电控制电路（31）、温度传感器电路（32）、12V-5V转换电路（33）、5V-3.3V转换电路（34）；其中，单片机模块（35）分别与雨量传感器（8）中的RC环形振荡电路Ⅰ（19）、增益放大电路Ⅰ（22）连接；单片机模块（35）分别与液位传感器（7）中的RC环形振荡电路Ⅱ（26）、增益放大电路Ⅱ（30）连接；单片机模块（35）再分别与充电控制电路（31）、温度传感器电路（32）、12V-5V转换电路（33）、5V-3.3V转换电路（34）相连；
所述充电控制电路（31）包括CN3063芯片、电容C2、C3、电阻R2、R3、发光二极管L1、L2；其中CN3063芯片的TEMP引脚与GND引脚串接，然后一起接地，ISET引脚通过下拉电阻R3接地，BAT引脚通过下拉电容C3接地，FB引脚与BAT引脚并联接入锂电池的正负极BATH+和BATH-，锂电池的正极BATH+与电容C3的一端相连接，锂电池的负极BATH-与电容C3的另一端相连接，DONE引脚和CHRG引脚分别接发光二极管L1，发光二极管L2，然后并联连接电阻R2，最后与VIN引脚并联且通过一个二极管接入太阳能电池板输出端，二极管电流流出端通过下拉电容C2接地；
所述温度传感器电路（32）包括18B20芯片、电容C4、电阻R4；其中18B20芯片的管脚1连接电容C4的一端，电容C4的另一端直接接地，18B20芯片的管脚2连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与18B20芯片的管脚1并联，并接入5V电源，18B20芯片的管脚3直接接地；
所述12V-5V转换电路（33）包括电源J1、LM7805芯片J2、LM7805芯片J3、二极管D1、D2、电解电容CS1、CS2、CS3、CS4、电容C5、C6、C7、C8、电阻R5；其中电源J1的正极与二极管D1的正极相连接，二极管D1的负极与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电源J1的负极直接接地，电解电容CS1与电容C5并联，并联的一端与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电解电容CS1与电容C5并联的另一端直接接地，LM7805芯片J2的GND管脚直接接地，LM7805芯片J2的Vout管脚连接5V电源，电解电容CS2与电容C6并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS2与电容C6并联的另一端直接接地；电源J1的正极与二极管D2的正极相连接，二极管D2的负极与LM7805芯片J3的Vin管教相连接，LM7805芯片J3的GND管脚直接接地，电解电容CS3与电容C7并联，并联的一端与LM7805芯片J3的Vin管脚相连接，电解电容CS3与电容C7并联的另一端直接接地，LM7805芯片J3的Vout管脚直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，电阻R5的一端与5V电源相连接，电阻R5的另一端直接接地；
所述5V-3.3V转换电路（34）包括LM1117-3.3芯片、电解电容CS5、CS6、电容C9、C10；其中电解电容CS5与电容C9并联，并联的一端同时与5V电源、LM1117-3.3芯片的Vin管脚相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，LM1117-3.3芯片的ADJ管脚直接接地，电解电容CS6与电容C10并联，并联的一端与LM1117-3.3芯片的Vout管脚相连接，作为3.3V电源的正极，电解电容CS6与电容C10并联的另一端直接接地，作为3.3V电源的负极；
所述RC环形振荡电路Ⅰ（19）和RC环形振荡电路Ⅱ（26）采用同一种电路连接方式，均包括放大器G1、G2、G3、电阻R6，可变电阻Rs、电容C11；其中放大器G1的输出端与放大器G2的输入端相连接，放大器G2的输出端与电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端与可变电阻Rs的一端相连接，可变电阻Rs的另一端与放大器G3的输入端相连接，放大器G3的输出端作为电路的输出端，同时引出与放大器G1的输入端相连接，构成反馈，电容C11的一端与放大器G1的输出端相连接，电容C11的另一端连接至电阻R6与可变电阻Rs的连接线上，与其电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述无线通信模块（3）采用通用的2.4G无线通讯模块。
3.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述供电模块（4）采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式。
4.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述液位传感器（7）包括直角形玻璃板（23）、衍射光学元件Ⅱ（24）、红外光敏接收器（25）、RC环形振荡电路Ⅱ（26）、聚碳酸酯透明壳体Ⅱ（27）、红外发光二极管（28）、遮光层（29）、增益放大电路Ⅱ（30）；所述直角形玻璃板（23）的斜边通过不影响光透的聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅱ（24）无缝连接，红外发光二极管（28）的上半发光部分嵌入衍射光学元件Ⅱ（24），衍射光学元件Ⅱ（24）通过聚碳酸酯和硅胶与红外光敏接收器（25）无缝连接，把暴露在衍射光学元件Ⅱ（24）外，并嵌入红外光敏接收器（25）的红外发光二极管（28）的下半部分包裹上一层遮光层（29）；红外光敏接收器（25）下边左侧设有RC环形振荡电路Ⅱ（26），增益放大电路Ⅱ（30）与RC环形振荡电路Ⅱ（26）并排，设在红外光敏接收器（25）下边右侧，红外光敏接收器（25）与增益放大电路Ⅱ（30）连接，增益放大电路Ⅱ（30）与RC环形振荡电路Ⅱ（26）连接；整个液位传感器（7）通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ（27）将其整体封装。
5.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述雨量传感器（8）包括拱形玻璃板（16）、衍射光学元件Ⅰ（17）、聚焦红外光束发送器（18）、RC环形振荡电路Ⅰ（19）、聚碳酸酯透明壳体（20）、光学接收器（21）、增益放大电路Ⅰ（22）；其中拱形玻璃板（16）的直线边通过聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅰ（17）无缝连接，聚焦红外光束发送器（18）的光束发送端嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）中，聚焦红外光束发送器（18）没有嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）的其他部分由不透光的遮光材料密封，光学接收器（21）的光束接收端嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）中，光学接收器（21）没有嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）的其他部分由不透光的遮光材料密封，聚焦红外光束发送器（18）的下方设有R C环形振荡电路Ⅰ（19），光学接收器（21）下方设有增益放大电路Ⅰ（22），衍射光学元件Ⅰ（17）与增益放大电路Ⅰ（22）相连，增益放大电路Ⅰ（22）与R C环形振荡电路Ⅰ（19）相连；整个雨量传感器（8）通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ（20）将其整体封装。
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Inventor after: Zhang Jing Inventor after: Rong Hui Inventor after: Ma Chen Inventor after: Gong Libo Inventor after: Li Yingna Inventor after: Wu Cheng Inventor after: Jiang Hong Inventor after: Fan Hongbo Inventor after: Jia Lianyin Inventor after: Li Runxin Inventor before: Zhang Jing Inventor before: Ma Chen Inventor before: Li Yingna Inventor before: Wu Cheng Inventor before: Jiang Hong Inventor before: Fan Hongbo Inventor before: Jia Lianyin Inventor before: Li Runxin Inventor before: Rong Hui |
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| GR01 | Patent grant | ||
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