CN108267227A - 检测水体颜色的Zigbee无线传感装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测水体颜色的Zigbee无线传感装置及其控制方法。无线传感装置包括浮板、设于浮板上的暗盒及设在暗盒中的水体颜色无线传感节点，暗盒底面及浮板设有互相对齐的检测孔。水体颜色无线传感节点包括从下往上排列的快门、隔离镜片、第二凸透镜、半透镜、第一凸透镜和白色LED灯，半透镜旁边设有第三凸透镜，颜色传感器朝向第三凸透镜。控制方法为：控制电路分别控制快门的开合及白色LED灯的亮灭；快门打开，白色LED灯发出的光经光路系统照射到水体上，水体反射的光线经光路系统聚焦至颜色传感器获得水体颜色及光强信号输送给控制电路再上传到Zigbee网络。本发明增加检测距离，减少环境光线、风浪雨水对水体颜色检测结果的影响，提高准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种水体颜色检测设备，尤其涉及一种检测水体颜色的Zigbee无线传感装置及其控制方法。
背景技术
水体的环境污染最直观的体现就是颜色的变化，如黑色的金属污染、红色的赤潮、蓝色的蓝藻，因此为了监控水质就要对水体颜色进行监测。目前监控水体颜色较多采用遥感技术，这种技术适用于大面积监控，不适用于局部水体颜色的监控。
目前非遥感颜色的识别主要有二种方式，一种是用摄像机(如CCD面阵)采集目标图像，把图像的RGB分值，作为识别依据，这种方式适合距离相对远的颜色识别，但易受环境光的影响，且处理数据量大。另一种是工业上广泛应用的RGB颜色传感器，其数据量少，采用照明光源补光，受环境光的影响相对较少，但检测距离较小。二种方式均无法直接用于水体颜色识别。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种检测水体颜色的Zigbee无线传感装置及其控制方法，其有效增加水体颜色检测距离，并有效减少环境光线、风浪雨水对水体颜色检测结果的影响，提高水体颜色监测的准确性和可靠性，无线传感器可以多点分布，通过Zigbee无线网络进行数据采集。本发明可用于污水排放监控、赤潮或蓝藻等微生物爆发预警等场合，也可以用于其它需要无线识别颜色的场合。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，包括浮板、设于浮板上的暗盒及设在暗盒中的水体颜色无线传感节点，暗盒底面及暗盒底面下方的浮板上设有互相对齐的检测孔，所述的水体颜色无线传感节点位于检测孔的上方；所述的水体颜色无线传感节点包括快门、隔离镜片、第二凸透镜、半透镜、第一凸透镜、白色LED灯、第三凸透镜、颜色传感器和控制电路，快门、隔离镜片、第二凸透镜、半透镜、第一凸透镜及白色LED灯依次从下往上排列设置，第三凸透镜设在所述的半透镜的旁边，颜色传感器朝向所述的第三凸透镜，快门、白色LED灯及颜色传感器分别和所述的控制电路相连。浮板浮于水面上，浮板通过连接绳索或锚链达到定位的目的，使浮板固定在水体待检测位置处，以防止浮板在水面上随意漂移。浮板的面积要足够大，浮力远大于整个装置及定位绳索或锚链的重量，确保水体颜色无线传感节点到水面的高度不变。暗盒起到遮光效果，大面积的浮板及暗盒的设置可以减少自然光线对暗盒下方水体颜色的影响以及风浪引起水面晃动对颜色识别的影响。水体颜色无线传感节点采用密封结构，快门起到隔离作用，对光路系统进行防湿保护。快门的开合、白色LED灯的亮灭由控制电路控制。检测时，快门打开，点亮白色LED灯，白色LED灯发出的光通过第一凸透镜聚焦至半透镜，经过半透镜直线传播至第二凸透镜，通过第二凸透镜聚焦再通过隔离镜片照射到水体上，水体反射的光线经隔离镜片后通过第二凸透镜聚焦至半透镜，再由半透镜反射至第三凸透镜，经第三凸透镜聚焦至颜色传感器，颜色传感器将测得的水体颜色及水体光强信号输送给控制电路，再由控制电路上传到Zigbee网络。也可检测白色LED灯不亮时水体的颜色，水体反射路径同上，实现光线补偿处理。光路系统的设置，有效增加水体颜色检测距离。本发明有效减少环境光线、风浪雨水对水体颜色检测结果的影响，提高水体颜色监测的准确性和可靠性，无线传感器可以多点分布，通过Zigbee无线网络进行数据采集。
作为优选，所述的暗盒的每个侧面各设有上下分布的两个导气孔，导气孔的内侧及外侧均设有遮光盖板，遮光盖板的底部和暗盒的侧面间形成有向下导气口。遮光盖板的设置，用于减少暗盒外部光线对暗盒内部亮度的影响，遮光盖板可设置成倾斜状或遮光盖板呈球面形凸起，使遮光盖板的底部和暗盒的侧面间形成有向下导气口，暗盒的内、外空气可以通过导气孔、向下导气口进行对流，减少暗盒内空气的湿度。暗盒的内壁及遮光盖板上还可涂上吸光材料，以增加遮光效果。
作为优选，所述的水体颜色无线传感节点包括用于测量所述的浮板的水平度的倾角传感器，倾角传感器和所述的控制电路相连。倾角传感器用于检测浮板和暗盒构成的浮体的三轴倾角，测得的倾角值输送给控制电路，控制电路经过处理，将倾角数据上传到Zigbee网络，同时控制电路进行判断，如果测得的倾角大于设定值，则控制电路输出控制信号给颜色传感器，禁止颜色传感器进行水体颜色检测，以减少风浪雨水对颜色测量的影响，提高水体颜色检测的可靠性。
作为优选，所述的控制电路包括Zigbee片上系统单元、快门控制单元、LED调光控制单元和射频单元及为整个水体颜色无线传感节点提供工作电压的电源单元，快门控制单元、LED调光控制单元、射频单元及所述的颜色传感器分别和所述的Zigbee片上系统单元相连，快门控制单元和所述的快门相连，LED调光控制单元和所述的白色LED灯相连。Zigbee片上系统单元通过快门控制单元控制快门的开闭。通过LED调光控制单元控制白色LED灯的光线强度，采用PWM恒流调光控制方式，一方面可保持白色LED灯工作电流恒定，另一方面，当环境光线(如强太阳光)影响水体颜色时，可以调节白色LED灯的工作电流进行一定的补偿。颜色传感器测得的水体颜色及水体光强信号输送给Zigbee片上系统单元，Zigbee片上系统单元经过处理再通过射频单元上传到Zigbee网络。
作为优选，所述的控制电路包括时钟电路，所述的电源单元由和光伏电池相连的锂电池供电，时钟电路的工作电源端和所述的锂电池的电压输出端相连，时钟电路和所述的Zigbee片上系统单元的掉电唤醒端相连。Zigbee片上系统单元采用外部时钟中断唤醒技术。Zigbee片上系统单元完成一次检测后，进入掉电状态，以降低功耗。在水体颜色检测间隔时间较长的场合，如微生物爆发监控，每小时或几小时检测一次，采用掉电唤醒技术后，有效节约电能，可大大延长连续阴天时系统的工作时间。Zigbee片上系统单元进入掉电状态后，需要通过外部中断进行唤醒，时钟电路用于定时唤醒掉电状态的Zigbee片上系统单元，并提供实时时钟信号。时钟电路直接由锂电池电压输出端BAT+供电，不受放电控制回路输出端关断时的影响。
作为优选，所述的Zigbee片上系统单元包括Zigbee片上系统芯片U81，Zigbee片上系统芯片U81采用CC2530片上系统；所述的快门采用相机电磁铁式机械快门，所述的快门控制单元包括MOS管Q41，MOS管Q41采用N沟道MOS管；所述的颜色传感器采用TCS3200颜色传感器；Zigbee片上系统芯片U81的1～4脚接地，Zigbee片上系统芯片U81的7脚、6脚、5脚、38脚及37脚分别和颜色传感器的1脚、2脚、7脚、8脚、6脚相连，颜色传感器的3脚及4脚接地，颜色传感器的5脚接+3.3V电压，Zigbee片上系统芯片U81的10脚即接电压VDD又经电容C812接地，Zigbee片上系统芯片U81的20脚即经电阻R82接电压VDD又经电容C811接地，Zigbee片上系统芯片U81的21脚即接电压VDD又经电容C810接地，Zigbee片上系统芯片U81的22脚和23脚之间连接有晶振Y81，晶振Y81的两端分别经电容C88、电容C89接地，Zigbee片上系统芯片U81的24脚即接电压VDD又经电容C87接地，Zigbee片上系统芯片U81的27脚、28脚、29脚均接电压VDD，Zigbee片上系统芯片U81的29脚和接地端之间连接有电容C85和电容C86，Zigbee片上系统芯片U81的30脚经电阻R81接地，Zigbee片上系统芯片U81的31脚即接电压VDD又经电容C84接地，Zigbee片上系统芯片U81的36脚经电阻R41和MOS管Q41的栅极相连，MOS管Q41的源极接地，MOS管Q41的漏极，一路经快门电磁线圈L41接+5V电压，另一路和二极管D41的正极相连，二极管D41的负极接+5V电压，Zigbee片上系统芯片U81的39脚即接电压VDD又经电容C83接地，Zigbee片上系统芯片U81的40脚经电容C82接地。快门电磁线圈采用PWM(脉宽调制)驱动方式，有效降低快门开启与关闭的时间，减小电磁线圈产生的电流冲击与功耗。选用TCS3200颜色传感器，是一块可编程彩色光电频率转换的传感器芯片，传感器的典型输出频率范围2Hz～500kHz，为占空比50％的方波。每个彩色信道有10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路。通过S0、S1(1脚、2脚)两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子，或电源关断模式，关断模式下的电流小于0.1uA。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS3200的输出频率和计数器相匹配。S2、S3引脚(7脚、8脚)的不同组合，可以选择红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)滤波器，即选择R、G、B分量及无滤波时对应的频率，从OUT端(6脚)输出。每次测量完成后，通过将S0、S1置00进入掉电状态。TCS3200在LED光源、环境光线、检测距离改变时，均需进行白平衡调整，本发明中，使用中保证了环境光线、检测距离基本不变，可定期进行白平衡调整。Zigbee片上系统芯片U81通过对TCS3200颜色传感器的S0～S3的控制及对OUT端的输出频率进行计数测量，即可测量出水体颜色中的R、G、B分量及无滤光片的光强。
作为优选，所述的LED调光控制单元包括三极管Q51～三极管Q53和运放U13；Zigbee片上系统芯片U81的19脚经电阻R51和三极管Q51的基极相连，三极管Q51的发射极接地，三极管Q51的集电极，一路经电阻R52接电压+5V，另一路经电阻R53、电阻R54和电阻R55的串联电路与运放U13的同相输入端相连，电阻R53和电阻R54的连接点经电容C51接+5V电压，电阻R54和电阻R55的连接点经电容C52和电阻R59的并联电路接+5V电压，运放U13的反相输入端经电阻R56和三极管Q53的发射极相连，三极管Q53的发射极经电阻R57接+5V电压，运放U13的输出端经电阻R58和三极管Q52的基极相连，三极管Q52的发射极和三极管Q53的基极相连，三极管Q52的集电极既经电容C53接地又和三极管Q53的集电极相连，三极管Q53的集电极和所述的白色LED灯的正极相连，白色LED灯的负极接地，Zigbee片上系统芯片U81的17脚和所述的电源单元相连。采用PWM恒流调光可以调整并稳定作为光源的白色LED灯的电流。Zigbee片上系统芯片U81的19脚输出PWM方波，通过三极管Q51电平转换，经电阻R53、电容C51、电阻R54、电容C52滤波后，加到运放U13的同相输入端，作为恒流源的基准电压。电阻R57为电流取样电阻，取样电压加到运放u13反相输入端，通过运放U13及三极管Q52、三极管Q53的调整，可确保运放两个输入端电压相同，使电阻R57二端的电压不变，从而使流过电阻R57也即流过白色LED灯上的电流恒定。改变PWM方波的占空比，可以调整恒流值，改变电阻R57电流取样电阻值，可以改变电流量程。采用PWM恒流调光，一方面可以稳定LED灯的工作电流，另一方面可以根据环境光强(不开LED灯，用TCS3200无滤波器状态测得的值)，通过PWM调光方式调整LED灯的亮度进行一定的补偿。PWM恒流调光控制电路工作电压由电源单元输出的+5V电压提供，并可通过Zigbee片上系统芯片U81的17脚进行关断。
本发明检测水体颜色的Zigbee无线传感装置的控制方法为：所述的控制电路分别控制所述的快门的开合及所述的白色LED灯的亮灭；首先，快门打开，所述的浮板下面的水体反射的光线经所述的隔离镜片后通过所述的第二凸透镜聚焦至所述的半透镜，再由半透镜反射至所述的第三凸透镜，经第三凸透镜聚焦至所述的颜色传感器，颜色传感器将测得的水体光强信号输送给所述的控制电路；接着，点亮白色LED灯，白色LED灯发出的光通过所述的第一凸透镜聚焦至所述的半透镜，经过半透镜直线传播至第二凸透镜，通过第二凸透镜聚焦再通过隔离镜片照射到水体上，水体反射的光线经隔离镜片后通过第二凸透镜聚焦至半透镜，再由半透镜反射至第三凸透镜，经第三凸透镜聚焦至颜色传感器，颜色传感器将测得的水体颜色及水体光强信号输送给所述的控制电路；控制电路经过处理，将颜色传感器测得的数据上传到Zigbee网络。光路系统的设置，有效增加水体颜色检测距离。本发明有效减少环境光线、风浪雨水对水体颜色检测结果的影响，提高水体颜色监测的准确性和可靠性，无线传感器可以多点分布，通过Zigbee无线网络进行数据采集。
作为优选，所述的水体颜色无线传感节点包括用于测量所述的浮板的水平度的倾角传感器，倾角传感器和所述的控制电路相连；所述的控制方法包括：倾角传感器检测所述的浮板的三轴倾角并输送给控制电路，控制电路经过处理，将倾角传感器测得的数据上传到Zigbee网络，同时控制电路进行判断，如果测得的浮板的倾角大于设定值，则控制电路输出控制信号给所述的颜色传感器，禁止颜色传感器进行水体颜色检测。浮板倾角大于设定值，说明水体风浪很大，此时禁止颜色测量，以减少风浪雨水对颜色测量的影响，提高水体颜色检测的可靠性。
作为优选，所述的电源单元包括光伏电池、光伏充放电控制电路、锂电池、电压采集电路和电源变换电路，光伏充放电控制电路分别和光伏电池、锂电池、电源变换电路相连，电压采集电路的输入端和锂电池相连，电压采集电路的输出端、光伏充放电控制电路的充放电状态数据输出端分别和所述的控制电路相连；所述的控制方法包括：电压采集电路检测锂电池的电压，并将测得的锂电池的电压值输送给控制电路，控制电路经过处理并进行判断，如果测得的锂电池的电压值小于设定值，则控制电路输出控制信号给所述的颜色传感器，禁止颜色传感器进行水体颜色检测，同时控制电路经过处理将充放电状态数据、锂电池电压值上传到Zigbee网络。对充放电状态、锂电池状态实现远程监控。并用当锂电池电压低于设定值时，禁止颜色测量，提高水体颜色检测的可靠性。
本发明的有益效果是：采用防晃动的浮板及具有遮光效果的暗盒，减少了环境光线、风浪雨水对水体颜色测量的影响；水体颜色无线传感节点采用密封结构，采用快门将光路系统中的隔离镜片和暗盒中的空气进行隔离，实现防湿保护；低电压状态及风浪较大状态时禁止颜色识别；白色LED灯采用PWM恒流调光控制方式，一方面可保持LED灯工作电流恒定，另一方面，当环境光线(如强太阳光)影响水体颜色时，可以调节LED灯的工作电流进行一定的补偿。本发明通过光路系统有效增加水体颜色检测距离，并有效减少环境光线、风浪雨水对水体颜色检测结果的影响，提高水体颜色监测的准确性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种主视结构示意图。
图2是本发明中水体颜色无线传感节点的一种结构示意图。
图3是本发明中水体颜色无线传感节点的光路系统的一种结构示意图。
图4是本发明中控制电路的一种电路原理连接结构框图。
图5是本发明的控制电路中Zigbee片上系统单元、快门控制单元、颜色传感器、倾角传感器和时钟电路的一种电路原理图。
图6是本发明的控制电路中LED调光控制单元的一种电路原理图。
图7是本发明的控制电路中射频单元的一种电路原理图。
图8是本发明的控制电路中射频单元的又一种电路原理图。
图9是本发明的控制电路中电源单元的一种电路原理图。
图中1.浮板，2.暗盒，3.水体颜色无线传感节点，4.检测孔，6.导气孔，7.遮光盖板，8.光伏电池，11.Zigbee片上系统单元，12.快门控制单元，13.LED调光控制单元，14.时钟电路，15.射频单元，16.电源单元，31.快门，32.隔离镜片，33.光路系统，34.颜色传感器，35.线路板，36.第二凸透镜，37.半透镜，38.第一凸透镜，39.白色LED灯，40.第三凸透镜，41.倾角传感器，42.水体。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，如图1所示，包括浮板1、暗盒2和水体颜色无线传感节点3，暗盒安装在浮板上，水体颜色无线传感节点安装在暗盒中，暗盒底面及暗盒底面下方的浮板上开有互相对齐的检测孔4，水体颜色无线传感节点位于检测孔的上方。浮板浮于水面上，浮板的四个角落处开有用于定位的安装孔，通过安装孔连接绳索或锚链，将浮板固定在水体的检测位置处，以防止浮板在水面上随意漂移。浮板的面积要足够大，浮力远大于整个装置及定位绳索的重量，确保水体颜色无线传感节点到水面的高度不变。大面积的浮板可以减少自然光线对暗盒下方水体颜色的影响以及风浪引起水面晃动对颜色识别的影响。暗盒的四个侧面各开有上下分布的两个导气孔6，导气孔的内侧及外侧均安装有遮光盖板7，遮光盖板设置成倾斜状或遮光盖板呈球面形凸起，使遮光盖板的底部和暗盒的侧面间形成有向下导气口，暗盒的内、外空气可以通过导气孔、向下导气口进行对流，减少暗盒内空气的湿度。暗盒的内壁及遮光盖板上均涂有吸光材料。水体颜色无线传感节点的顶部露出在暗盒的顶面上，水体颜色无线传感节点由安装在其顶部内部的光伏电池8供电，顶部侧面安装有射频天线，天线的安装接口采用防水结构。
如图2、图3所示，水体颜色无线传感节点3包括快门31、隔离镜片32、光路系统33、颜色传感器34和焊接有控制电路的线路板35，光路系统包括第二凸透镜36、半透镜37、第一凸透镜38、白色LED灯39和第三凸透镜40，快门、隔离镜片、第二凸透镜、半透镜、第一凸透镜及白色LED灯依次在暗盒中从下往上排列设置，隔离镜片和水体颜色无线传感节点外壳无缝连接，完全密封，使后面的光路、控制电路等与暗盒内的空气完全隔离，第三凸透镜位于半透镜的旁边，颜色传感器朝向第三凸透镜，快门、白色LED灯及颜色传感器分别和控制电路相连。水体颜色无线传感节点还包括用于测量浮板的水平度的倾角传感器41，倾角传感器和控制电路相连。
如图4所示，控制电路包括Zigbee片上系统单元11、快门控制单元12、LED调光控制单元13、时钟电路14和射频单元15及为整个水体颜色无线传感节点提供工作电压的电源单元16，快门控制单元、LED调光控制单元、射频单元及颜色传感器34、倾角传感器41分别和Zigbee片上系统单元相连，快门控制单元和快门31相连，LED调光控制单元和白色LED灯39相连。电源单元由和光伏电池相连的锂电池供电，电源单元包括光伏电池、光伏充放电控制电路、锂电池、电压采集电路和电源变换电路，光伏充放电控制电路分别和光伏电池、锂电池、电源变换电路相连，电压采集电路的输入端和锂电池相连，电压采集电路的输出端、光伏充放电控制电路的充放电状态数据输出端分别和Zigbee片上系统单元相连。时钟电路的工作电源端和锂电池的电压输出端相连，时钟电路和Zigbee片上系统单元的掉电唤醒端相连。
如图5所示，Zigbee片上系统单元包括Zigbee片上系统芯片U81，Zigbee片上系统芯片U81采用CC2530片上系统；快门采用相机电磁铁式机械快门，快门控制单元包括MOS管Q41，MOS管Q41采用N沟道MOS管；颜色传感器采用TCS3200颜色传感器(图5中的芯片U31)；倾角传感器采用SC7A30E倾角传感器(图5中的芯片U61)；时钟电路包括时钟芯片U71，时钟芯片U71采用PCF8563时钟芯片。Zigbee片上系统芯片U81的1～4脚接地，Zigbee片上系统芯片U81的7脚、6脚、5脚、38脚及37脚分别和颜色传感器的1脚、2脚、7脚、8脚、6脚相连，颜色传感器的3脚及4脚接地，颜色传感器的5脚接+3.3V电压，Zigbee片上系统芯片U81的10脚即接电压VDD又经电容C812接地，Zigbee片上系统芯片U81的20脚即经电阻R82接电压VDD又经电容C811接地，Zigbee片上系统芯片U81的21脚即接电压VDD又经电容C810接地，Zigbee片上系统芯片U81的22脚和23脚之间连接有晶振Y81，晶振Y81的两端分别经电容C88、电容C89接地，Zigbee片上系统芯片U81的24脚即接电压VDD又经电容C87接地，Zigbee片上系统芯片U81的27脚、28脚、29脚均接电压VDD，Zigbee片上系统芯片U81的29脚和接地端之间连接有电容C85和电容C86，Zigbee片上系统芯片U81的30脚经电阻R81接地，Zigbee片上系统芯片U81的31脚即接电压VDD又经电容C84接地，Zigbee片上系统芯片U81的36脚经电阻R41和MOS管Q41的栅极相连，MOS管Q41的源极接地，MOS管Q41的漏极，一路经快门电磁线圈L41接+5V电压，另一路和二极管D41的正极相连，二极管D41的负极接+5V电压，Zigbee片上系统芯片U81的39脚即接电压VDD又经电容C83接地，Zigbee片上系统芯片U81的40脚经电容C82接地。倾角传感器的3脚和Zigbee片上系统芯片U81的18脚相连，倾角传感器的3脚和4脚间连接有电容C61和电容C62，倾角传感器的3脚和倾角传感器的9脚相连，倾角传感器的8脚既经电容C63和倾角传感器的9脚又接地，倾角传感器的7脚、6脚分别和Zigbee片上系统芯片U81的12脚、13脚相连。倾角传感器的工作电压由Zigbee片上系统芯片U81的18脚提供，以实现间隙式工作控制。时钟芯片U71的1脚经电容C71接地，时钟芯片U71的1脚和2脚间连接有晶振Y71，时钟芯片U71的3脚和Zigbee片上系统芯片U81的14脚(芯片U81的掉电唤醒脚)相连，时钟芯片U71的4脚接地，时钟芯片U71的8脚和锂电池的电压输出端BAT+相连，时钟芯片U71的5脚、6脚分别和Zigbee片上系统芯片U81的12脚、13脚相连。时钟芯片U71的3脚定时输出中断信号给Zigbee片上系统芯片U81的14脚，用于对Zigbee片上系统芯片U81实现掉电唤醒。
如图6所示，LED调光控制单元包括三极管Q51～三极管Q53和运放U13；图7中发光二极管LED51即为白色LED灯；Zigbee片上系统芯片U81的19脚经电阻R51和三极管Q51的基极相连，三极管Q51的发射极接地，三极管Q51的集电极，一路经电阻R52接电压+5V，另一路经电阻R53、电阻R54和电阻R55的串联电路与运放U13的同相输入端相连，电阻R53和电阻R54的连接点经电容C51接+5V电压，电阻R54和电阻R55的连接点经电容C52和电阻R59的并联电路接+5V电压，运放U13的反相输入端经电阻R56和三极管Q53的发射极相连，三极管Q53的发射极经电阻R57接+5V电压，运放U13的输出端经电阻R58和三极管Q52的基极相连，三极管Q52的发射极和三极管Q53的基极相连，三极管Q52的集电极既经电容C53接地又和三极管Q53的集电极相连，三极管Q53的集电极和发光二极管LED51的正极相连，发光二极管LED51的负极接地，Zigbee片上系统芯片U81的17脚和电源单元中+5V电源变换电路的使能端相连，Zigbee片上系统芯片U81的17脚输出信号可以关断电源变换电路中+5V电压的输出，从而切断白色LED灯的工作电压，使白色LED灯熄灭。
如图7所示，射频单元包括电感L82、电感L83和接口SMB1；Zigbee片上系统芯片U81的26脚经电容C813和电感L82的一端相连，Zigbee片上系统芯片U81的25脚经电容C814和电容C816的一端相连，电感L82的另一端和电容C816的另一端相连并经电容C817和接口SMB1相连，接口SMB1外接射频天线，射频天线安装在水体颜色无线传感节点的顶部侧面，电容C813和电感L82的连接点经电容C815接地，电容C814和电容C816的连接点经电感L83接地。
当然射频单元也可采用另外一种电路，如图8所示，射频单元包括电感L82、电感L83、射频芯片U82和接口SMB2，射频芯片U82采用RFX2401射频芯片；Zigbee片上系统芯片U81的26脚经电容C813和电感L82的一端相连，Zigbee片上系统芯片U81的25脚经电容C814和电容C816的一端相连，电感L82的另一端和电容C816的另一端相连并经电容C817和射频芯片U82的4脚相连，电容C813和电感L82的连接点经电容C815接地，电容C814和电容C816的连接点经电感L83接地，射频芯片U82的5脚、6脚分别和Zigbee片上系统芯片U81的33脚、32脚相连，射频芯片U82的1脚、2脚、3脚、7脚、8脚、9脚、11脚、12脚、15脚均接地，射频芯片U82的14脚即接电压VDD又经电容C819接地，射频芯片U82的16脚即接电压VDD又经电容C818接地，射频芯片U82的10脚和接口SMB2相连，接口SMB2外接单极子天线。该射频单元中RFX2401射频芯片起到功率放大作用，再通过接口SMB2外接射频天线，射频天线安装在水体颜色无线传感节点的顶部侧面，以增加通信距离。
如图9所示，电源单元包括光伏电池、光伏充放电控制电路、锂电池、电压采集电路和电源变换电路。光伏充放电控制电路包括充电管理芯片U11和电池检测芯片U5，充电管理芯片U4采用CN3063充电管理芯片，电池检测芯片U5采用CN302电池检测芯片；电压采集电路包括电阻R12、电阻R13和运放A1；电源变换电路包括升压DC-DC芯片U21和DC/DC转换器U22，升压DC-DC芯片U21采用TPS61252A升压DC-DC芯片，DC/DC转换器U22采用LTC3440转换器。充电管理芯片U11的1脚、3脚均接地，充电管理芯片U11的2脚经电阻R11接地，充电管理芯片U11的4脚既和光伏电池E11的正极相连又经电容C11接地，光伏电池E11的负极接地，充电管理芯片U11的5脚及8脚均和锂电池E12的正极相连，锂电池E12的负极接地，锂电池E12上并联有电容C12，充电管理芯片U11的6脚、7脚分别和Zigbee片上系统芯片U81的9脚、11脚相连。电池检测芯片U12的2脚接地，电池检测芯片U12的1脚和6脚之间连接有电阻R15，电池检测芯片U12的1脚和电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端，一路接锂电池E12的正极，另一路和电池检测芯片U12的4脚相连，还有一路经电容C13接地，电池检测芯片U12的6脚经电阻R16接地，电池检测芯片U12的3脚和MOS管Q11的栅极相连，MOS管Q11的源极和电池检测芯片U12的4脚相连，MOS管Q11的漏极输出电压BAT_OUT给电源变换电路。电阻R12的一端和锂电池E12的正极相连，电阻R12的另一端经电阻R13和锂电池E12的负极相连，电阻R12和电阻R13的连接点与运放A1的同相输入端相连，运放A1的反相输入端和运放A1的输出端相连，运放A1的输出端和Zigbee片上系统芯片U81的15脚相连。
充电管理芯片U11对充电进行实时控制及过充保护。CN3063充电管理芯片采用线性充电模式，纹波电流小，具有涓流、恒流、恒压多阶段充电模式，能够根据太阳能电池电流输出能力自动调整充电电流。电阻R11为恒流充电电流值设定电阻，改变电阻R11可改变充电电流。充电管理芯片U11的7脚及6脚为充电状态输出信号，开漏输出，作为充电状态数据由Zigbee片上系统芯片U81进行采集，可以对正在充电、充电结束、锂电池未接及异常状态进行指示，异常状态有三种：输入电压低于电源低电压锁存阈值，输入电压低于锂电池电压输出端BAT+电压，电池温度异常。CN302电池检测芯片对锂电池过度放电进行保护。具有迟滞特性，与单一“过度放电阀值”芯片相比，可解决电池电压接近“过度放电阀值”时频繁开启、关闭放电回路的问题。电阻R14、电阻R15、电阻R16用于放电控制的上行阀值(放电开启)、下行阀值(放电截止)的设置。MOS管Q11为P沟道MOS管，用于锂电池负载输出的开关控制。锂电池电压测量：锂电池的电压较高，大于Zigbee片上系统芯片U81(CC2530)内置AD转换器测量范围，需要采用电阻分压进行电平转换，在分压电阻与AD转换器之间加了一级微功耗运放A1构成的跟随器，运放A1的输出端输出的信号就是锂电池分压后的电压，输送给Zigbee片上系统芯片U81的15脚。
升压DC-DC芯片U21的两个SW脚均和电感L21的一端相连，电感L21的另一端，一路连接升压DC-DC芯片U21的VIN脚，另一路经电容C21接地，还有一路接电压BAT_OUT，升压DC-DC芯片U21的FN脚和Zigbee片上系统芯片U81的17脚相连，升压DC-DC芯片U21的两个VOUT脚相连并输出+5V电压，升压DC-DC芯片U21的两个GND脚接地，+5V电压和接地端之间连接有电容C22、电容C23及电容C24。升压DC-DC芯片U21提供+5V工作电源。主要为高亮度白色LED灯及快门提供+5V的工作电压。+5V工作电源还具有关断控制功能，以降低白色LED灯及电磁铁式机械快门不工作时稳压线路自身的功耗。升压DC-DC芯片U21的FN端接Zigbee片上系统芯片U81的17脚，低电平进入关断状态，关断+5V电压的输出。
DC/DC转换器U22的1脚经电阻R21接地，DC/DC转换器U22的2脚和Zigbee片上系统芯片U81的16脚相连，DC/DC转换器U22的3脚和4脚间连接有电感L22，DC/DC转换器U22的5脚接地，DC/DC转换器U22的7脚及8脚均接电压BAT_OUT，并且经电容C25接地，DC/DC转换器U22的6脚输出+3.3V电压，+3.3V电压经电阻R23和电阻R24的串联电路接地，电阻R23和电阻R24的连接点，一路和DC/DC转换器U22的9脚相连，另一路经电阻R22和电容C26的串联电路和DC/DC转换器U22的10脚相连，电阻R23和电阻R24的串联电路上并联有电容C27。DC/DC转换器U22提供3.3V工作电源。由于单节锂电压的工作电压范围一般在2.8V～4.2V之间，需采用DC/DC转换器稳压到3.3V，且其空载时电流要求要小，以降低CC2530及外围电路长时间掉电状态时的维持功耗。LTC3440转换器为微功率同步降压升压型DC/DC转换器，适合锂电池工作电压范围，效率高达96％，突发模式操作时的静态电流为25uA，其突发模式端由CC2530的P0.3引脚控制，在CC2530进入掉电状态前，将LTC3440置成突发模式，以降低功耗，CC2530掉电唤醒后，再将LTC3440置成正常工作模式。
上述检测水体颜色的Zigbee无线传感装置的控制方法为：电压采集电路实时检测锂电池的电压，测得的电压值输送给Zigbee片上系统芯片，如果锂电池的电压值低于设定值，则Zigbee片上系统芯片输出信号给颜色传感器，禁止其进行颜色检测；如果锂电池的电压值在正常范围，则Zigbee片上系统芯片输出电压给倾角传感器，倾角传感器开始工作，对整个浮体的姿态进行检测，并将测得的信号输送给Zigbee片上系统芯片，当风浪造成浮体的倾角较大，并大于设定值时，则Zigbee片上系统芯片输出信号给颜色传感器，禁止其进行颜色检测。如果浮体的倾角在正常范围，则进行如下工作：
Zigbee片上系统芯片通过快门控制单元控制快门的开合，通过LED调光控制单元控制白色LED灯的点亮，通过控制升压DC-DC芯片切断+5V电压的输出控制白色LED灯的熄灭。首先，快门打开，浮板下面的水体42反射的光线经隔离镜片后通过第二凸透镜聚焦至半透镜，再由半透镜反射至第三凸透镜，经第三凸透镜聚焦至颜色传感器，颜色传感器将测得的水体光强信号输送给Zigbee片上系统芯片；接着，点亮白色LED灯，白色LED灯发出的光通过第一凸透镜聚焦至半透镜，经过半透镜直线传播至第二凸透镜，通过第二凸透镜聚焦再通过隔离镜片照射到水体上，水体反射的光线经隔离镜片后通过第二凸透镜聚焦至半透镜，再由半透镜反射至第三凸透镜，经第三凸透镜聚焦至颜色传感器，颜色传感器将测得的水体颜色及水体光强信号输送给Zigbee片上系统芯片；Zigbee片上系统芯片经过处理，将颜色传感器测得的数据通过射频单元上传到Zigbee网络。然后关掉颜色传感器、熄灭白色LED灯、关闭快门，关掉+5V电源。
Zigbee片上系统芯片采用外部时钟中断唤醒技术。Zigbee片上系统芯片完成一次检测后，进入掉电状态，以降低功耗。在水体颜色检测间隔时间较长的场合，如微生物爆发监控，每小时或几小时检测一次，采用掉电唤醒技术后，可大大延长连续阴天时系统的工作时间。Zigbee片上系统芯片进入掉电状态后，需要通过外部中断进行唤醒，时钟电路用于定时唤醒掉电状态的Zigbee片上系统芯片，并提供实时时钟信号。时钟电路直接由锂电池电压输出端BAT+供电，不受放电控制回路BAT_OUT端关断时的影响。
锂电池电压值、充放电状态、浮体倾角值、实时时钟及颜色传感器测得的数据都会经Zigbee片上系统芯片处理后，再通过射频单元上传到Zigbee网络。当无线网络数据传输功能不正常时，利用Zigbee片上系统芯片的Flash ROM进行现地保存，等无线网络正常后再上传到Zigbee网络。
本发明具有如下优点：
1、采用2.4GHz射频，支持IEEE 802.15.4及Zigbee RF4CE无线传输标准。
2、采用一体化锂电池微光伏供电系统，并设有扩展光电池输入接口(适合于测量间隔较短的场合)，其充放电状态可进行远程监控。
3、浮体装置采用防晃动的浮板及带导气孔且具有遮光效果的暗盒，减少了环境光线、风浪雨水对颜色测量的影响。
4、无线传感节点的光路等主体部分采用完全密封设计，光路系统采用相机用快门装置进行防湿保护，天线及扩展光电池输入接口采用防水结构设计。
5、具有禁止测量功能：低电压状态及风浪较大状态禁止进行颜色识别，通过三轴倾角传感器，对风浪进行监测。
6、采用外部时钟中断唤醒技术。Zigbee片上系统单元完成一次检测后，进入掉电状态，以降低功耗。在水体颜色检测间隔时间较长的场合，如微生物爆发监控，每小时或几小时检测一次，采用掉电唤醒技术，节约电能，可大大延长连续阴天时系统的工作时间。Zigbee片上系统单元进入掉电状态后，通过时钟电路外部中断进行唤醒。
7、具有检测数据Flash贮存功能，当无线网络数据传输功能不正常时，利用Zigbee片上系统单元的Flash ROM进行现地保存，正常后再进行数据传送。
8、快门电磁线圈采用PWM(脉宽调制)驱动方式，有效降低了快门开启与关闭的时间，减少电磁线圈产生的电流冲击与功耗。
9、补光用白色LED灯，采用PWM恒流调光控制方式，一方面可保持LED灯工作电流恒定，另一方面，当环境光线(如强太阳光)影响水体颜色时，可以调节LED灯的工作电流进行一定的补偿。
Claims (10)
1.一种检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，其特征在于包括浮板、设于浮板上的暗盒及设在暗盒中的水体颜色无线传感节点，暗盒底面及暗盒底面下方的浮板上设有互相对齐的检测孔，所述的水体颜色无线传感节点位于检测孔的上方；所述的水体颜色无线传感节点包括快门、隔离镜片、第二凸透镜、半透镜、第一凸透镜、白色LED灯、第三凸透镜、颜色传感器和控制电路，快门、隔离镜片、第二凸透镜、半透镜、第一凸透镜及白色LED灯依次从下往上排列设置，第三凸透镜设在所述的半透镜的旁边，颜色传感器朝向所述的第三凸透镜，快门、白色LED灯及颜色传感器分别和所述的控制电路相连。
2.根据权利要求1所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，其特征在于所述的暗盒的每个侧面各设有上下分布的两个导气孔，导气孔的内侧及外侧均设有遮光盖板，遮光盖板的底部和暗盒的侧面间形成有向下导气口。
3.根据权利要求1所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，其特征在于所述的水体颜色无线传感节点包括用于测量所述的浮板的水平度的倾角传感器，倾角传感器和所述的控制电路相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，其特征在于所述的控制电路包括Zigbee片上系统单元、快门控制单元、LED调光控制单元和射频单元及为整个水体颜色无线传感节点提供工作电压的电源单元，快门控制单元、LED调光控制单元、射频单元及所述的颜色传感器分别和所述的Zigbee片上系统单元相连，快门控制单元和所述的快门相连，LED调光控制单元和所述的白色LED灯相连。
5.根据权利要求4所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，其特征在于所述的控制电路包括时钟电路，所述的电源单元由和光伏电池相连的锂电池供电，时钟电路的工作电源端和所述的锂电池的电压输出端相连，时钟电路和所述的Zigbee片上系统单元的掉电唤醒端相连。
6.根据权利要求4所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，其特征在于所述的Zigbee片上系统单元包括Zigbee片上系统芯片U81，Zigbee片上系统芯片U81采用CC2530片上系统；所述的快门采用相机电磁铁式机械快门，所述的快门控制单元包括MOS管Q41，MOS管Q41采用N沟道MOS管；所述的颜色传感器采用TCS3200颜色传感器；Zigbee片上系统芯片U81的1～4脚接地，Zigbee片上系统芯片U81的7脚、6脚、5脚、38脚及37脚分别和颜色传感器的1脚、2脚、7脚、8脚、6脚相连，颜色传感器的3脚及4脚接地，颜色传感器的5脚接+3.3V电压，Zigbee片上系统芯片U81的10脚即接电压VDD又经电容C812接地，Zigbee片上系统芯片U81的20脚即经电阻R82接电压VDD又经电容C811接地，Zigbee片上系统芯片U81的21脚即接电压VDD又经电容C810接地，Zigbee片上系统芯片U81的22脚和23脚之间连接有晶振Y81，晶振Y81的两端分别经电容C88、电容C89接地，Zigbee片上系统芯片U81的24脚即接电压VDD又经电容C87接地，Zigbee片上系统芯片U81的27脚、28脚、29脚均接电压VDD，Zigbee片上系统芯片U81的29脚和接地端之间连接有电容C85和电容C86，Zigbee片上系统芯片U81的30脚经电阻R81接地，Zigbee片上系统芯片U81的31脚即接电压VDD又经电容C84接地，Zigbee片上系统芯片U81的36脚经电阻R41和MOS管Q41的栅极相连，MOS管Q41的源极接地，MOS管Q41的漏极，一路经快门电磁线圈L41接+5V电压，另一路和二极管D41的正极相连，二极管D41的负极接+5V电压，Zigbee片上系统芯片U81的39脚即接电压VDD又经电容C83接地，Zigbee片上系统芯片U81的40脚经电容C82接地。
7.根据权利要求6所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置，其特征在于所述的LED调光控制单元包括三极管Q51～三极管Q53和运放U13；Zigbee片上系统芯片U81的19脚经电阻R51和三极管Q51的基极相连，三极管Q51的发射极接地，三极管Q51的集电极，一路经电阻R52接电压+5V，另一路经电阻R53、电阻R54和电阻R55的串联电路与运放U13的同相输入端相连，电阻R53和电阻R54的连接点经电容C51接+5V电压，电阻R54和电阻R55的连接点经电容C52和电阻R59的并联电路接+5V电压，运放U13的反相输入端经电阻R56和三极管Q53的发射极相连，三极管Q53的发射极经电阻R57接+5V电压，运放U13的输出端经电阻R58和三极管Q52的基极相连，三极管Q52的发射极和三极管Q53的基极相连，三极管Q52的集电极既经电容C53接地又和三极管Q53的集电极相连，三极管Q53的集电极和所述的白色LED灯的正极相连，白色LED灯的负极接地，Zigbee片上系统芯片U81的17脚和所述的电源单元相连。
8.一种如权利要求1所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置的控制方法，其特征在于所述的控制电路分别控制所述的快门的开合及所述的白色LED灯的亮灭；首先，快门打开，所述的浮板下面的水体反射的光线经所述的隔离镜片后通过所述的第二凸透镜聚焦至所述的半透镜，再由半透镜反射至所述的第三凸透镜，经第三凸透镜聚焦至所述的颜色传感器，颜色传感器将测得的水体光强信号输送给所述的控制电路；接着，点亮白色LED灯，白色LED灯发出的光通过所述的第一凸透镜聚焦至所述的半透镜，经过半透镜直线传播至第二凸透镜，通过第二凸透镜聚焦再通过隔离镜片照射到水体上，水体反射的光线经隔离镜片后通过第二凸透镜聚焦至半透镜，再由半透镜反射至第三凸透镜，经第三凸透镜聚焦至颜色传感器，颜色传感器将测得的水体颜色及水体光强信号输送给所述的控制电路；控制电路经过处理，将颜色传感器测得的数据上传到Zigbee网络。
9.根据权利要求8所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置的控制方法，其特征在于所述的水体颜色无线传感节点包括用于测量所述的浮板的水平度的倾角传感器，倾角传感器和所述的控制电路相连；所述的控制方法包括：倾角传感器检测所述的浮板的三轴倾角并输送给控制电路，控制电路经过处理，将倾角传感器测得的数据上传到Zigbee网络，同时控制电路进行判断，如果测得的浮板的倾角大于设定值，则控制电路输出控制信号给所述的颜色传感器，禁止颜色传感器进行水体颜色检测。
10.根据权利要求8或9所述的检测水体颜色的Zigbee无线传感装置的控制方法，其特征在于所述的电源单元包括光伏电池、光伏充放电控制电路、锂电池、电压采集电路和电源变换电路，光伏充放电控制电路分别和光伏电池、锂电池、电源变换电路相连，电压采集电路的输入端和锂电池相连，电压采集电路的输出端、光伏充放电控制电路的充放电状态数据输出端分别和所述的控制电路相连；所述的控制方法包括：电压采集电路检测锂电池的电压，并将测得的锂电池的电压值输送给控制电路，控制电路经过处理并进行判断，如果测得的锂电池的电压值小于设定值，则控制电路输出控制信号给所述的颜色传感器，禁止颜色传感器进行水体颜色检测，同时控制电路经过处理将充放电状态数据、锂电池电压值上传到Zigbee网络。
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