CN201417142Y - 基于ZigBee技术的超声波深度探测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于ZigBee技术的超声波深度探测装置，包括超声波传感器和控制单元，其特征在于，还包括ZigBee无线通信单元；所述超声波传感器、控制单元和ZigBee无线通信单元顺次电连接；所述控制单元基于ZigBee协议标准，控制ZigBee无线通信单元定时监测接收外来ZigBee信号，实时控制超声波传感器完成深度探测并对测量数据进行处理后送至ZigBee无线通信单元无线发送。本实用新型由于采用了ZigBee技术，可以在无需连线和其他外界无线传输模块时通过无线数传网络将数据传输到主机中，从而保证了系统的可靠性和安装维护简便性，可广泛用于气象测量等领域的深度在线监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声波深度探测装置，尤其涉及一种基于ZigBee技术的超声波自动无线深度探测装置。
背景技术
目前，基于超声波原理测量深度的测量装置已经很多，这种设备一般都是由超声波传感器加控制测量电路组成，如公告日2008年8月6日，专利号为200720192277.4的中国专利“一种超声波距离测量传感器”即是采用该种结构。
公告日2008年8月27日，授权公告号为CN 201107410Y的中国专利也公开了“一种基于超声波传感器的通用测距装置”，其特征是超声波传感器、超声波驱动模块与单片机输入端相连接，单片机接收超声波传感器的发射与接收脉冲信号，以两脉冲信号的时间差来测量两个物体之间的距离。
再具体如气象测量中采用超声波传感器测量积雪深度，超声波在空气中传输的速度是一定的，超声波发射出去，然后接收积雪面反射回来的波，控制从发射开始计时，到接收到回波结束，超声波在空气中传输的时间就定了；利用距离L等于速度S乘以时间T，因为是一个来回，那实际距离就是计算距离L的一半。由于超声波传感器探头所处已知位置的高度一定，那实际雪深就是探头的高度减去超声波测量的距离。
上述测量结果的采集传输通常采用有线方式直接输出显示数据、控制信号或通过串口通讯直接或连接其它无线传输模块如GPRS/CDMA等传输发送至上位机或监控中心主机。这种方法实现虽然实现了深度的测量与测量数据的传输，但是其数据的传输需要铺设数据传输线或外接其他数据传输装置，而通常气象监测点分散分布在较大区域，个别地方还地处偏僻，铺设线缆难度大，费用高，采用GPRS/CDMA移动网传输设备投入高，需要长期支付网络使用费。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接，尤其适用于传感控制应用。它依据IEEE802.15.4标准，可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。与移动通信的CDMA网相比，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而它具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点，使用2.4GHZ免费、免执照频段，可以嵌入各种设备，组成高可靠的无线数传网络，相对蓝牙(Bluetooth)技术的复杂，应用系统费用高，功耗高，供电电池寿命短，低功耗的ZigBee可最大程度地延长电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。因此，自2003年正式问世以来，在自动控制和远程控制领域已得到快速的发展，市场已可提供完整的实用的ZigBee内嵌式无线通信模块。
发明内容
本实用新型的目的是：针对现有技术存在的不足，新设计一种集成ZigBee无线协议的新型自动无线深度探测装置，该设备能够方便工作人员在恶劣环境中用最便捷的方式通过ZigBee无线数传网络获得测量数据。
本实用新型的技术方案是：一种基于ZigBee技术的超声波深度探测装置，包括顺次电连接的超声波传感器、控制单元和ZigBee无线通信单元；所述控制单元基于ZigBee协议标准，控制ZigBee无线通信单元定时监测接收外来ZigBee信号，实时控制超声波传感器完成深度探测并对测量数据进行处理后送至ZigBee无线通信单元无线发送。
进一步地，所述的控制单元包括顺次连接的传感器控制电路和ZigBee微控制器；所述的ZigBee无线通信单元采用ZigBee无线模块，包括顺次连接的射频电路和天线单元。
本实用新型与现有技术比较，具有如下优点：
1、本实用新型由于采用了ZigBee技术组成高可靠的无线数传网络，可以在无需连线和其他外界无线传输模块时将数据传输到主机中，从而保证了系统的可靠性和安装维护简便性。
2、本实用新型可实现在正常状态下装置处于休眠状态，并按照配置定时监测是否有外来ZigBee信号，只有当监测到有外来ZigBee信号并连接时才进入工作状态，由控制单元实时控制完成测量并实时将测量数据传输到主机中，从而保证系统处于极低的功耗，最大程度地延长电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。
3、本实用新型可通过测量控制单元方便地设定深度测量的预警值，从而当测量值达到预警值时，自动触发ZigBee数据传输模式，从而保证在发生预警情况时，实时上传预警信息。
附图说明
图1为本实用新型的装置结构原理框图；
图2为本实用新型的实施例的结构原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
参照图1本实用新型的装置结构原理框图，超声波传感器和控制单元双向电连接，控制单元和ZigBee无线通信单元双向电连接；控制单元基于ZigBee协议标准，控制ZigBee无线通信单元定时监测接收外来ZigBee信号，实时控制超声波传感器完成深度探测并对测量数据进行处理后送至ZigBee无线通信单元无线发送。
参照图2本实用新型的实施例的结构原理框图，超声波传感器和控制单元连接，控制单元包括顺次连接的传感器控制电路和ZigBee微控制器。利用现有技术，超声波深度探测装置的控制单元通常包括控制测量计算的微控制器和传感器控制电路。其工作原理是：微控制器根据设定的工作方式发出电信号通过控制电路驱动超声波换能器将电能转换为超声波能量，发射出超声波，超声波碰到障碍物时，超声波传感器接收回波信号并将回波电信号回馈给微控制器，微控制器根据上述两点信号的时间差来计算出距离值，以此完成深度探测功能，并保存测量结果等待读出。
本实用新型采用支持ZigBee的嵌入式微控制器，ZigBee无线通信单元与超声波传感器的测量控制共用一个ZigBee微控制器。所述ZigBee微控制器可采用低功耗设计的单片机，有足够容量存放ZigBee协议栈的RAM，支持ZigBee组网通信程序功能，且有在线编程功能，固化的程序包括多线程实时操作系统、ZigBee协议栈、ZigBee设备管理以及自动睡眠与苏醒功能等。
ZigBee无线通信单元采用市售ZigBee无线模块，包括顺次连接的射频电路和天线单元。射频电路包括均衡器、组合开关和功率放大器等，与天线单元连接，完成无线信号的阻抗匹配、信号平衡、发送或接收状态的自动切换、无线信号的功率放大等功能。ZigBee无线模块通过SPI总线接口与ZigBee微控制器相连，由ZigBee微控制器控制。ZigBee微控制器通过ZigBee无线模块定时监测接收外来ZigBee信号，实时控制超声波传感器完成深度探测并将测量数据进行打包处理后通过ZigBee无线模块无线发送到上位机或监控中心主机。
ZigBee无线模块采用2.4GHz直接序列扩频通信方式，有SPI接口，低功耗设计，延长供电干电池的使用寿命。
本实用新型采用2.4GHz工控频段无线通信，无需国家无线电管理机关批准，不必缴纳频谱占用费用，也不必租用公网，不用缴纳通信费用，可以显著降低运行成本。目前市场已有成熟的支持ZigBee的无线通信模块低功耗智能设备，其微小体积可以方便的嵌入传感器设备，从而降低安装和维护的要求与成本。
本装置设计采用电池供电，在正常状态下装置处于休眠状态，并按照ZigBee微控制器固化的配置程序定时监测是否有外来ZigBee信号或接收数据监控中心的查询指令，只有当监测到有外来ZigBee信号并连接时才唤醒装置进入工作状态，由微控制器实时控制超声波传感器完成测量并实时将测量、计算数据无线发送到主机中，然后再次进入睡眠模式，从而保证系统处于极低的功耗，最大程度地延长电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。
本实用新型还可通过微控制器串口方便地设定深度测量的预警值，从而当测量值达到预警值时，内置预设程序自动触发ZigBee数据传输模式，从而保证在发生预警情况时，实时上传预警信息。
本实用新型通过在超声波传感器内集成ZigBee微处理器和ZigBee无线通信模块，实现了自动无线深度探测和ZigBee无线数传网络的数据传输。利用ZigBee无线数传网络，本装置的换能器和主机之间的信号传输距离可达到1000米，而且功耗低，ZigBee传输功率只有5mW。
该设备能够方便工作人员在恶劣环境中用最便捷的方式获得测量数据，可广泛用于气象测量等领域的深度在线监测。
Claims (2)
1、一种基于ZigBee技术的超声波深度探测装置，包括超声波传感器和控制单元，其特征在于，还包括ZigBee无线通信单元；所述超声波传感器、控制单元和ZigBee无线通信单元顺次电连接；所述控制单元基于ZigBee协议标准，控制ZigBee无线通信单元定时监测接收外来ZigBee信号，实时控制超声波传感器完成深度探测并对测量数据进行处理后送至ZigBee无线通信单元无线发送。
2、如权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的超声波深度探测装置，其特征在于，所述的控制单元包括顺次连接的传感器控制电路和ZigBee微控制器；所述的ZigBee无线通信单元采用ZigBee无线模块，包括顺次连接的射频电路和天线单元。
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