CN107192803A - 一种基于北斗的便携式水质观测仪 - Google Patents

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蔡红旭
杨灿军
李德骏
陈燕虎
张锋
梁建毅
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Abstract

本发明公开了一种基于北斗的便携式水质观测仪，包括传感器模块、观测仪主体、上位机；传感器模块包括多个水质检测传感器，观测仪主体包括信号调理模块、基于STM32的嵌入式控制模块、存储单元、北斗收发模块、电源模块；上位机包括北斗收发机和计算机；采用北斗卫星导航系统的导航定位功能获取水质检测点的定位数据，在获取检测点的水质数据之后本地备份了定位数据与水质数据，并利用北斗短报文功能将数据传输给计算机，实现水质的实时在线检测；也可以通过短报文的方式传输对便携式水质观测仪的控制指令，实现对水质观测仪的远程控制。

Description

一种基于北斗的便携式水质观测仪
技术领域
本发明涉及水质检测领域，特别是涉及一种基于北斗的便携式水质观测仪。
背景技术
水质检测，就是检测水体中的物理、化学和微生物指标，监测各种污染物的浓度和变化趋势以评价水质状况，其检测范围包括了工农业用水、生活排水和未被污染的天然水体，应用需求十分广泛。传统的水质检测实验室或者水质检测车能进行比较全面的水质检测，但是利用这些手段进行水质检测有着无法实现水质现场分析，或者成本高昂的局限，在交通、通信条件不好的地区进行水质监测也有很大难度。因此，研究检测功能好、成本低、适用范围广的便携式水质检测仪器十分重要。
中国北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并具备短报文通信能力。在缺乏一般无线通信条件的环境下，利用北斗卫星进行短报文通信是最佳的选择。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗的便携式水质观测仪，用于确定水质检测点的定位信息，进行水体水质的原位检测，并利用北斗卫星的短报文通信功能实时传输水质检测数据和计算机的控制指令。
一种基于北斗的便携式水质观测仪，包括：传感器模块、观测仪主体、上位机；
所述的传感器模块，包括多个水质检测传感器，用于采集检测点的水质数据，并将所得的信息发送给信号调理模块；
观测仪主体包括信号调理模块、基于STM32的嵌入式控制模块、存储单元、北斗收发模块、电源模块；
所述的信号调理模块，包括模拟和数字接口，用于处理模拟和数字式的水质传感器所采集的水质数据，并将处理后的数据发送给基于STM32的嵌入式控制模块；
所述的基于STM32的嵌入式控制模块，用于接收信号调理模块发送的数据及北斗收发模块发送的定位数据和计算机控制指令，将接收的数据和定位数据保存在存储单元中，并对计算机控制指令做出响应；采集完毕，将保存在存储单元中的数据调整为符合北斗通信协议的数据格式后发送给北斗收发模块；
所述的北斗收发模块，包括北斗RDSS模块、北斗通信卡和北斗通信天线，用于接收由北斗卫星导航系统的导航定位功能获取水质检测点的定位数据和来自计算机的控制指令，将所接收的信息发送给基于STM32的嵌入式控制模块；同时也接收来自基于STM32的嵌入式控制模块的信息，并将接收的信息发送给北斗收发机；
所述的电源模块，用于为传感器模块、信号调理模块、基于STM32的嵌入式控制模块、存储单元、北斗收发模块提供电能；
所述的上位机包括北斗收发机和计算机；
所述的北斗收发机，包括北斗RDSS模块、北斗通信卡和北斗通信天线，用于接收北斗收发模块发送的数据并发送给计算机，也用于将接收计算机的控制命令并发送给北斗收发模块。
所述的传感器模块与观测仪主体通过可插拔式接线端子相连，可根据具体检测需要选择不同的传感器模块。
所述的水质信息根据选择的传感器模块的不同可包含检测点的水温、PH值、溶解氧、电导率等信息。
所述的信号调理模块针对模拟式传感器提供ADC转换的基准电平；对传感器采集的模拟信号进行滤波、电压变换处理，并提供基本的输入保护功能(限制输入电压不超过极限)，以使其调理后的电压水平适合STM32主控板的ADC输入范围(典型值为3.3V以内)；针对数字式传感器提供串口通信接口，利用电平转换芯片(如MAX232/MAX485)实现RS232/RS485电平到STM32端的TTL电平的转换。
所述的数据格式可根据用户需要进行定义。
所述的存储单元采用SD卡，用于保存水质数据和定位数据，采用6线制的SD方式与基于STM32的嵌入式控制模块相连接，并采用SDHC协议传输数据，传输速率高。
优选地，所述的存储单元为容量32G的大容量SD卡，采用SDHC协议传输数据的存储卡容量最大为32G。
采用北斗RDSS系统三类非加密用户卡，最快每分钟传输一次短报文，报文长度78.5B。这个数据发送频率远小于传感器的数据采集频率，为了数据分析需求将大量数据保存于水质观测仪本地的存储单元中。
除了电源与地接口之外，北斗收发模块需要与北斗用户卡连接，通过SIM接口，与STM32之间通过串口连接。本发明采用北斗RDSS系统三类非加密用户卡。
本发明采用性能优异的STM32系列微处理器作为主控芯片，它具有丰富的IO、ADC、中断以及内部DMA资源等，时钟频率也足够快，功耗较低，性价比高，能够很好地满足便携式水质观测仪的功能需求；采用北斗卫星导航系统的导航定位功能获取水质检测点的定位数据，在获取检测点的水质数据之后本地备份了定位数据与水质数据，并利用北斗短报文功能将数据传输给计算机，实现水质的实时在线检测；也可以通过短报文的方式传输对便携式水质观测仪的控制指令，实现对水质观测仪的远程控制。
本发明在满足常规水质检测需求的同时，实现了计算机与便携式水质观测仪的双向通信和远程控制；同时能够克服一般通信条件不足的限制，适用范围广。
附图说明
图1是基于北斗的便携式水质观测仪的原理图；
图2是本发明在实现时的原理图。
图中的数字表示：
1-传感器模块；2-信号调理模块；3-基于STM32的嵌入式控制模块；4-存储单元；5-北斗收发模块；6-电源模块；7-观测仪主体；8-北斗收发机；9-计算机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。当然，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1、2所示，本发明的基于北斗的便携式水质观测仪包括传感器模块1；由信号调理模块2；基于STM32的嵌入式控制模块3；存储单元4；北斗收发模块5；电源模块6封装成的观测仪主体7；北斗收发机8；计算机9。
传感器模块1，包括多个水质检测传感器，用于采集检测点的水质数据，并将所得的信息发送给信号调理模块2。
传感器模块1与观测仪主体7采用可插拔的电连接方式。
信号调理模块2，包括模拟和数字接口，用于处理模拟和数字式的水质检测传感器所采集的水质数据，并将处理后的数据发送给基于STM32的嵌入式控制模块3。
信号调理模块2针对模拟式传感器提供ADC转换的基准电平；对传感器采集的模拟信号进行滤波、电压变换处理，并提供基本的输入保护功能，限制输入电压不超过极限，以使其调理后的电压水平适合STM32主控板的ADC输入范围，典型值为3.3V以内；针对数字式传感器提供串口通信接口，利用电平转换芯片，如MAX232或MAX485，实现RS232/RS485电平到STM32端的TTL电平的转换。
基于STM32的嵌入式控制模块3，用于接收信号调理模块2发送的数据及北斗收发模块5发送的定位数据和计算机9的控制指令，将接收的数据和定位数据保存在存储单元4中，并对计算机9的控制指令做出响应；采集完毕，将保存在存储单元4中的数据调整为根据用户需要定义的，符合北斗用户数据接口协议4.0的数据格式后发送给北斗收发模块5。
存储单元4为容量32G的SD卡，用于保存水质数据和定位数据,，采用6线制的SD方式与嵌入式控制模块3相连接，并采用SDHC协议传输数据。
北斗收发模块5和北斗收发机8，均包括北斗RDSS模块、北斗通信卡和北斗通信天线，北斗收发模块5用于接收由北斗卫星导航系统的导航定位功能获取水质检测点的定位数据和来自计算机9的控制指令，将所接收的信息发送给基于STM32的嵌入式控制模块3；同时也接收来自基于STM32的嵌入式控制模块3的信息，并将接收的信息发送给北斗收发机8；北斗收发机8，用于接收北斗收发模块5发送的数据并发送给计算机9，也用于将接收计算机9的控制命令并发送给北斗收发模块5。
电源模块6，用于为传感器模块1、信号调理模块2、基于STM32的嵌入式控制模块3、存储单元4、北斗收发模块5提供电能。
本发明在使用时具体包含如下步骤：
第一步：将便携式水质观测仪主体7和多个水质检测传感器5可靠连接后，开启水质观测仪并将其放置于水质待测点；
第二步：多个水质检测传感器采集水质数据，信号调理模块2对这些数据进行调理，便携式水质观测仪主体7中的基于STM32的嵌入式控制模块3获取由信号调理模块2处理过的水质数据，另一方面，基于STM32的嵌入式控制模块3还以串口的方式通过北斗收发模块5获取水质观测仪的北斗卫星导航系统的定位数据；
第三步：基于STM32的嵌入式控制模块3将第二步中获取的水质数据和定位数据保存于大容量SD卡存储单元4中，另一方面，基于STM32的嵌入式控制模块3通过北斗收发模块5将这些数据以北斗卫星短报文的方式传输至北斗收发机8；同时，基于STM32的嵌入式控制模块3也从北斗收发模块5中接收来自于计算机9的控制指令以做出响应；
第四步：计算机9获取北斗收发机8接收到数据，进行数据处理与存储；必要时，计算机9可以通过北斗收发机8向便携式水质观测仪主体7发送短报文指令；否则返回第二步，直至任务结束。
本发明利用水质检测传感器获取检测点的水质数据并利用信号调理模块进行处理，利用北斗卫星导航系统获取检测点的定位数据，在观测仪内部进行数据存储，并通过北斗卫星导航系统的短报文通信功能将水质数据和定位数据发送至北斗收发机，最终传输至计算机中以供数据处理分析，计算机也可以通过短报文的方式远程控制便携式水质观测仪，在满足常规水质检测需求的同时，实现了计算机与便携式水质观测仪的双向通信和远程控制；同时能够克服一般通信条件不足的限制，适用范围广。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，凡依上述构思所作的类似改变，应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于北斗的便携式水质观测仪，其特征在于，包括：传感器模块、观测仪主体、上位机；
所述的传感器模块，包括多个水质检测传感器，用于采集检测点的水质数据，并将所得的信息发送给信号调理模块；
观测仪主体包括信号调理模块、基于STM32的嵌入式控制模块、存储单元、北斗收发模块、电源模块；
所述的信号调理模块，包括模拟和数字接口，用于处理模拟和数字式的水质传感器所采集的水质数据，并将处理后的数据发送给基于STM32的嵌入式控制模块；
所述的基于STM32的嵌入式控制模块，用于接收信号调理模块发送的数据及北斗收发模块发送的定位数据和计算机控制指令，将接收的数据和定位数据保存在存储单元中，并对计算机控制指令做出响应；采集完毕，将保存在存储单元中的数据调整为符合北斗通信协议的数据格式后发送给北斗收发模块；
所述的北斗收发模块，包括北斗RDSS模块、北斗通信卡和北斗通信天线，用于接收定位数据和来自计算机的控制指令，将所接收的信息发送给基于STM32的嵌入式控制模块；同时接收来自基于STM32的嵌入式控制模块的信息，并将接收的信息发送给北斗收发机；
所述的上位机包括北斗收发机和计算机；
所述的北斗收发机，包括北斗RDSS模块、北斗通信卡和北斗通信天线，用于接收北斗收发模块发送的数据并发送给计算机，同时用于接收计算机的控制命令并发送给北斗收发模块。
2.根据权利要求1所述的基于北斗的便携式水质观测仪，其特征在于，所述的传感器模块与观测仪主体通过可插拔式接线端子相连。
3.根据权利要求1所述的基于北斗的便携式水质观测仪，其特征在于，所述的信号调理模块对模拟式传感器提供ADC转换的基准电平，对传感器采集的模拟信号进行滤波、电压变换处理，并提供输入保护功能，以使其调理后的电压水平适合STM32主控板的ADC输入范围；对数字式传感器提供串口通信接口，利用电平转换芯片将RS232或RS485的电平转换到STM32端的TTL电平。
4.根据权利要求1所述的基于北斗的便携式水质观测仪，其特征在于，所述的存储单元采用SD卡，用于保存水质数据和定位数据。
5.根据权利要求4所述的基于北斗的便携式水质观测仪，其特征在于，所述的SD卡采用6线制的SD方式与嵌入式控制模块相连接，并采用SDHC协议传输数据。
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