CN201845090U - 基于ZigBee的压力式雨量测量装置 - Google Patents

基于ZigBee的压力式雨量测量装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公布了一种基于ZigBee的压力式雨量测量装置，包括电源模块、雨量收集模块、数据采集电路、数据处理及通信控制器、LCD接口及外围电路，其中雨量收集模块的输出端依次串接数据采集电路、数据处理及通信控制器后分别接LCD接口及外围电路的输入端，电源模块分别给数据采集电路和数据处理及通信控制器供电。本实用新型具有实时性好、精度高、受环境影响小的优点，能较好的满足现有气象观测的要求，可用于自动气象站中对雨量的实时精确的测量。

Description

基于ZigBee的压力式雨量测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种以高精度压力式雨量计代替传统虹吸式或翻斗式雨量计的雨量测量装置，该装置通过zigbee协议组建无线传感网络，可实现雨量测量的实时采集、处理、上传,属于基于无线传感网络的气象观测领域。
背景技术
雨量是气象测量中十分重要的元素之一，人们的日常生活和社会活动都和雨量密切相关。目前，国内外普遍使用的雨量计有虹吸式雨量计及翻斗式雨量计。虹吸式雨量计适合于人工观测，但虹吸雨量计存在两大缺陷：一是在虹吸时的十几秒钟里,下的雨都被虹吸掉了,没有被记录上；二是北方易下“泥巴雨”,虹吸管脏后虹吸不正常。翻斗式雨量计通过来回翻动两个平衡的翻斗来记录降水量，但存在小雨无反应，大雨、暴雨时误差值大的问题。因为强降水时,翻斗来回翻动的频率太大,而每次翻动翻斗内都残存一点水,翻动次数越多,误差越大，且使用维护麻烦。由于气候变暖后气象灾害日趋严重，因此对气象数据的采集、存储、处理的要求越来越高，以提高天气预报的正确率，延长预报的有效时间。
此外，传感器技术正向着智能化网络化的方向发展,无线自组传感器网络正是适应这种需求而出现的,它集传感器技术、微电子技术和网络通讯技术于一身,具有信息采集、处理和传输等技术。无线自组传感器网络在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面有着潜在的应用价值。
实用新型内容
本实用新型目的是针对现有虹吸式雨量计和翻斗式雨量计的缺点，以及对现有自动气象站中雨量值实时数据采集、处理、上传困难的问题，设计了一种基于ZigBee的压力式雨量测量装置，并使之成为无线传感网络的节点，与已有的温度计、湿度计以及风速风向仪等一起组成新型的无线网络化自动气象站。
本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：
本实用新型基于ZigBee的压力式雨量测量装置，包括电源模块、雨量收集模块、数据采集电路、数据处理及通信控制器、LCD接口及外围电路，其中雨量收集模块的输出端依次串接数据采集电路、数据处理及通信控制器后分别接LCD接口及外围电路的输入端，电源模块分别给数据采集电路和数据处理及通信控制器供电。
其中，所述雨量收集模块由用于信号放大的承雨器和测量筒构成。
其中，所述数据采集电路包括差压传感器、温度传感器及A/D转换模块，其中差压传感器串接A/D转换模块后与温度传感器的输出端分别接接数据处理及通信控制器的输入端。
其中，所述数据处理及通信控制器为ZigBee协议栈芯片CC2430。
其中，所述差压传感器为表压型集成硅压力传感器154N-001G。
其中，所述温度传感器采用温度传感器DS18B20。
其中，所述A/D转换模块为24位A/D转换器ADS1218。
其中，所述LCD接口为LCD1602接口。
本实用新型具有如下有益效果：
（1）该计量主体是一种高分辩力的水位计，由于取压装置的比例关系使得雨量计在一定范围内达到较高的测量精度，从而实现了自动气象站中的高精度雨量实时测量。更好地提高天气预报的正确率，延长预报的有效时间。
      （2）该装置具有测量误差不受雨量强度变化及外部环境（高温、高湿、沙尘、雷电等）、沙尘气候环境影响的突出优点，减小了环境因素对雨量测量的影响。
（3）该装置通过工作方式的切换，正常工作时电流消耗为26mA,休眠方式电流消耗为0.6微安，使得能耗大大降低，理论上电池可使用十年不需更换，在节约能源的同时减少了工作人员的工作量。
（4）顺应现代通信及自动气象站的发展趋势，采用物联自组网技术，克服了铺设线路难而致使气象要素测量困难的状况，使得雨量测量受地理位置的影响达到减小。
（5）利用硬件提供的LCD1602扩展接口，方便雨量的现场观察。
（6）利用射频技术可以方便地实现人机之间的信息交互。
附图说明
图1为本实用新型雨量采集器的结构图。
图2为本实用新型的系统结构框图。
图3为本实用新型的模数转换电路连接图。
图4为CC2430的硬件应用电路。
图5为本实用新型的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明：
如图1、图2 系统框图所示，本实用新型基于ZigBee的压力式雨量测量装置，包括数据采集电路和数据通信单元的设计,数据采集电路负责将差压传感器、温度传感器采集到的数据上传，在MCU控制下内部存储，并由无线传输电路送至采集器节点汇总。整个硬件结构包括电源模块、雨量收集模块、数据采集电路(包括传感器模块、A/D转换模块)、CC2430控制器、LCD接口及外围电路。
雨量收集模块：负责将降雨量的采集并通过液位的高度变化放大信号，此模块是提高雨量测量精度的关键所在。
数据采集电路：包括传感器模块和A/D转换模块,传感器模块包括表压型集成硅压力传感器154N-001G和数字化温度集成芯片DS18B20。微压力传感器量程为6 kPa ，适合雨量的测量量程；DS18B20使用一个端口实现通信，节省了宝贵的IO资源，测量温度范围从-55℃到+125℃。A/D转换模块采用24位的ADS1218，此模数转换器集成了模拟开关、放大电路等。硅压力传感器采集的电信号经ADS1218模数转换，等待控制器对其进行处理。由于硅元件温度系数较大，传感器本身提供了温度补偿之后仍然存在较大的温度误差，所以还需额外的温度补偿，即设置了温度测量电路进行温度补偿。ADS1218外围电路连接如图3所示。
控制器模块：该雨量计采用无线传感网络来构成自动气象站，基于对低功耗并节约成本的考虑，在进行数据测量和处理时采用了CC2430模块自带的处理器，它在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。芯片能耗极底，工作状态电流只有20mA，休眠状态电流仅0.6微安。图4为CC2430的硬件应用电路。该装置采用ZigBee协议栈实现无线网络的数据传输。该雨量测量装置由CC2430控制和处理来自数据采集电路的数据（数据的处理主要包括特殊的非线性、温度等补偿及校正措施），并且保存数据，控制进水阀和出水阀的动作，以及与无线传感网络主节点的数据通信。
电源：电源是整个系统的基础，设计一个高效而稳定的电源，才能使系统的功能发挥出来。由于各硬件模块芯片所用的供电电压不同，因此需要采用两节锂电池进行供电，降压产生5v 和3.3v两套电源，5v主要对数据采集和LCD显示电路供电，3.3v电源主要对CC2430控制器处理和发送数据供电。
LCD接口：用于雨量值的现场显示提供即插即用接口。
外围电路主要包括RS23串中通信电路的设计，通时串口与PC机交互数据，便于程序的调试。
压力的输出信号经简单的滤波后直接送模数转换器进行放大及模数转换。由于传感器所测量水柱的压力量程很小，仅6 kPa，属于微压力传感器，正常情况下难于取得高精度。因此为提高压力的测量精度，采用了特殊的非线性、温度等补偿及校正措施，从而确保精度。压力测量精度可达到0.1%，即在500mm水位高度时，保证0.5 mm的液位精度。经过换算成实际的降水量时，还需除以雨量计收集器与量筒的口径面积比10。因此降水量的测量精度还可进一步提高到0.02 mm。
本实用新型的具体工作流程如图5所示。系统整体上采用结构程序方法设计，通过ZigBee协议栈所提供的用户程序接口来实现整个通信程序的开发。程序中大量使用了子程序段，如延时子程序、发送子程序。整个程序包括，主控制模块、数据采集及温度补偿模块、无线传输模块、上位机通信接口模块等。数据采集及温度补偿模块主要负责雨量值的采集及转换；无线通信单元主要负责节点组网、数据传输和数据安全。这两个单元是本系统的核心，主要涉及应用程序与ZigBee协议栈的交互，采集数据的补偿及校正，通过调用相应的子程序实现。系统设定了30S的采样时间，每隔30S采样一次，采样实现后系统转入省电模式，在数据实时性高的同时使节点功降到最低。
本实用新型压力式雨量测量装置满足了低功耗、高精度的要求，没有降水测量上限的限制。雨量计的承水器可涂覆聚四氟乙烯等纳米材料，以减少雨水浸湿以及蒸发所带来的误差。本实用新型较好地满足世界气象组织规定≤±2%的误差要求，可以用在基于无线传感器网络的自动气象站中。

Claims (8)

1.一种基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：包括电源模块、雨量收集模块、数据采集电路、数据处理及通信控制器、LCD接口及外围电路，其中雨量收集模块的输出端依次串接数据采集电路、数据处理及通信控制器后分别接LCD接口及外围电路的输入端，电源模块分别给数据采集电路和数据处理及通信控制器供电。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：所述雨量收集模块由用于信号放大的承雨器和测量筒构成。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：所述数据采集电路包括差压传感器、温度传感器及A/D转换模块，其中差压传感器串接A/D转换模块后与温度传感器的输出端分别接接数据处理及通信控制器的输入端。
4.根据权利要求1或3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：所述数据处理及通信控制器为ZigBee协议栈芯片CC2430。
5.根据权利要求3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：所述差压传感器为表压型集成硅压力传感器154N-001G。
6.根据权利要求3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：所述温度传感器采用温度传感器DS18B20。
7.根据权利要求3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：所述A/D转换模块为24位A/D转换器ADS1218。
8.根据权利要求1所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于：所述LCD接口为LCD1602接口。
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CN103868552A (zh) * 2014-03-25 2014-06-18 成都国科海博信息技术股份有限公司 实用性强的无线传感器网络节点
CN104880740A (zh) * 2015-06-25 2015-09-02 北京林业大学 一种实时测量各种强度降雨的传感器式雨量计
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