CN202043294U

CN202043294U - 监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置

Info

Publication number: CN202043294U
Application number: CN2011200547956U
Authority: CN
Inventors: 陈分雄; 李明明; 陈春晖; 王典洪; 沈耀东; 肖万源; 韩家宝; 彭岳其; 刘经龙; 王勇; 郭红想
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-03-04

Abstract

本实用新型涉及一种监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置，包括氡气浓度数据采集单元、无线单片机控制单元和无线射频收发前端单元；氡气浓度数据采集单元与无线单片机控制单元电互连，无线单片机控制单元与无线射频收发前端单元电互连；氡气浓度数据采集单元电路中包含两个或两个以上分别以横向和纵向连成十字交叉排列的组合氡气浓度数据采集单元，氡气浓度数据采集单元的输出引脚与无线单片机控制单元相应引脚连接；无线射频收发前端单元含有外接天线、外接滤波电容和无线收发芯片。本实用新型具有采集数据可靠性高、成本低廉和体积小的特点，适用于在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合，推广应用前景好。

Description

监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置

技术领域

本实用新型涉及一种监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息,并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪,具有快速展开、抗毁性强等特点，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息，有着广阔的应用前景。现在,无线传感器网络已经引起了各大学、科研机构乃至于各个国家的高度重视,将其应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域；是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点，已经被认为是将对21世纪产生最大影响的技术之一。

氡是放射性气体，其能够沿着裂隙、构造等从地下深处运移到近地表，在滑坡蠕动和变化时，赋存于滑床的氡气运移将加剧,在近地表测得的氡气浓度值也必将有所变化。目前，据国外研究资料表明,研究人员已经开始应用地下氡气浓度变化信息作为辅助参数，来配合其它主要参数研究滑坡运动规律。

氡气测量技术是近年来我国应用较多的一种放射性勘探方法，目前已在寻找基岩裂隙水、找矿、探查油及探测岩溶等方面取得显著效果及经济效益。在滑坡勘查中,也取得一定的进展。随着仪器仪表技术和计算机技术的发展，地质灾害勘查技术与监测技术逐渐融合，氡气测量技术在地质灾害勘查领域的成功应用,为把氡气测量技术应用于长期的地质灾害监测提供了依据和可能。

目前监测滑坡体氡气浓度，是将一个氡气浓度检测传感器装置放置到地下井，在滑坡体附近采用有线连接的方式将装置所采集的氡气浓度数据传输到接收设备,由于在滑坡体附近区域内打井、部署通信电缆或光缆造价高，工程施工有很多不便；且氡气浓度监测设备的可靠性不高。因此,研究和开发一种监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置,对地质灾害监测预警系统的建立和运行具有很强的现实意义和必要性。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有使用有线方式采集传输氡气浓度数据存在工程造价高、施工不便及存在极大危险、氡气浓度监测设备的可靠性低的缺陷,而提供一种硬件电路性能稳定、可靠性高、功耗低、成本低廉和体积小巧的监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置。

本实用新型为达到上述目的所采取的具体的技术方案是：提供一种监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置，包括氡气浓度数据采集单元、无线单片机控制单元和无线射频收发前端单元，所述的氡气浓度数据采集单元与无线单片机控制单元电互连，无线单片机控制单元与无线射频收发前端单元电互连；

所述的氡气浓度数据采集单元的电路中包含两个或两个以上分别以横向和纵向连接成十字交叉排列的组合氡气浓度数据采集单元，横向与纵向排列的氡气浓度数据采集单元的输出引脚分别与无线单片机控制单元的相应引脚连接；

所述的无线射频收发前端单元含有外接天线、外接滤波电容和无线收发芯片，外接天线通过多个电感电容与无线收发芯片耦合连接。无线射频收发前端单元主要完成射频信号的功率放大，其中的外接滤波电容用于消除电源噪声对无线收发芯片性能的干扰。

本实用新型网络节点装置所述的氡气浓度数据采集单元含有氡气半导体探测器和氡气浓度采集模块，氡气浓度采集模块由LF351D芯片、OP07芯片、LM324芯片构成的微弱电荷敏感放大电路、主放大电路和波形整形电路组成，所述的无线单片机控制单元含有CC2430芯片，所述的无线射频收发前端单元含有CC2590芯片。

本实用新型网络节点装置所述的无线射频收发前端单元的外接天线经可调电感L2、可调电容C3与CC2590芯片的第11引脚ANT连接，外接天线还经电感L1接地； CC2590芯片的第4引脚RF_P与无线单片机控制单元的CC2430芯片的第32引脚连接，CC2590芯片的第2引脚RF_N与CC2430芯片的第34引脚连接，并且在第4引脚与第2引脚之间接有一电感L3；CC2590芯片的第5引脚PAEN与第6引脚EN均与CC2430芯片的第23引脚连接，CC2590芯片的第7引脚HGM与CC2430芯片的第8引脚连接， CC2590芯片的第3引脚RXTX与CC2430芯片的第33引脚连接, CC2590芯片的第8、9、12、14引脚均接地，第15引脚通过电阻接地，CC2590芯片的第10、13、16引脚连接VCC及电容接地。

本实用新型网络节点装置具有以下积极效果：

（1）本装置采用在一个无线传感器节点上配置多个氡气浓度数据采集单元，当其中的一个氡气浓度数据采集单元发生故障时,其余的氡气浓度数据采集单元也能够采集到该节点的氡气浓度数据，使得氡气浓度监测仍然能够正常工作，提高了氡气浓度监测的可靠性。

（2）本实用新型采用数个氡气浓度数据采集单元分别横向和纵向成十字排列组合，每个氡气浓度数据采集单元与无线单片机控制单元相应引脚连接，能充分利用CC2430芯片

内部I/O口资源，节约系统硬件电路空间，使得单元硬件电路设计最小化。

（3）本实用新型网络节点装置配置的无线射频收发前端单元对射频信号实现功率放大，扩大了传输距离，提高了本装置的适用性。

（4）本装置无需在滑坡体附近区域内部署通信电缆或光缆，即可将氡气浓度监测数据以无线传输方式发送到网关设备，减小了施工量与工程造价，且本装置整体硬件电路简单、成本低廉、便于制造实施，使用方便,特别是在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合，降低了监测成本、推广应用前景好。

附图说明

图1是本实用新型的节点装置系统结构框图。

图2是本实用新型的采用8个氡气浓度数据采集单元的横向和纵向排列示意图。

图3是本实用新型的氡气浓度数据采集单元的连接电路图。

图4是本实用新型的无线射频收发前端单元与无线单片机控制单元的连接电路图。

上述图中；1为氡气浓度数据采集单元，2为无线单片机控制单元，3为无线射频收发前端单元，X为横向，Y为纵向。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明：

实施例1：本实用新型提供的一种监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置，其结构框图参见图1，包括氡气浓度数据采集单元1、无线单片机控制单元2和无线射频收发前端单元3，氡气浓度数据采集单元与无线单片机控制单元电互连，无线单片机控制单元与无线射频收发前端单元电互连。

氡气浓度数据采集单元的电路参见图2，本装置设了8个氡气浓度数据采集单元，其中横向排列有4个,纵向排列也有4个。每个氡气浓度数据采集单元含有氡气半导体探测器和氡气浓度采集模块,氡气半导体探测器为一购置模块，用于感应氡气，而氡气浓度采集模块用于将感应到的氡气浓度信息转换为电信号。每个氡气浓度采集模块由LF351D芯片、OP07芯片、LM324芯片组成微弱电荷敏感放大电路、主放大电路和波形整形电路构成，每个氡气浓度数据采集单元的输出引脚分别与无线单片机控制单元的相应引脚连接。

由于监测滑坡体氡气浓度数据采集单元被埋设在地底下测试井中的氡气收集室中，施工工程造价高,为了提高监测数据可靠性，本装置控制无线单片机控制单元将一次采集的8个氡气浓度数据求取其均值、最大值、最小值，将氡气浓度均值、最大值、最小值，作为一次观测过程数据发送给网关设备。

[0021] 氡气浓度数据采集单元的连接电路图参见图3，氡气半导体探测器将探测的氡气浓度信息转换为微弱的电荷信号，经过LF351D芯片特殊设计的电荷敏感放大电路转换为电压信号，再经由OP07芯片中高精度集成运算放大器组成的主放大电路放大，最终由LM324芯片中整形电路形成脉宽2us左右，幅度3V左右的电压脉冲信号，并送入CC2430芯片的I/O口进行中断计数，氡气浓度与此脉冲个数的呈正比，即可计算出监测点氡气浓度值。具体计算公式如下：

B = C/(T·V·f)

上式中，B 为氡气浓度（单位为 Bq/m³），C 为CC2430的I/O口脉冲计数值，T 为计数时间（单位为s），V 为测试井中收集室体积（单位为m³），f 为修正因子（通过仪器在标准氡室进行标定获得f值）。

本装置中氡气浓度数据采集单元含有由LF351D芯片组成的电荷敏感放大电路，具体的引脚连接关系为： LF351D的第2引脚通过电容C1与氡气半导体探测器的输出连接，获取来自氡气半导体探测器的微弱电荷信号,LF351D的第1引脚与第5引脚间接可变电阻R3, 第3引脚通过电阻R2接地, 第2引脚与输出第6引脚之间并联电阻R1与电容C2连接;LF351D通过电容C3与电阻R4与主放大部分OP07芯片的反相输入端连接,OP07的同相输入端通过R6接地，输入与输出引脚间接电阻R5;OP07通过电容C4与整形电路LM324芯片的第3引脚连接，LM324的第2引脚与电阻R7和可变电阻R8连接，整形电路的输出通过电阻R9串联接入无线单片机控制单元CC2430的P0_0引脚。

其他各个氡气浓度数据采集单元的连接方法与氡气浓度数据采集单元1基本相同，不同之处仅在于它们的输出分别连接无线单片机控制单元不同的I/O口引脚，分别为CC2430的P0_1、P0_2、P0_3、P0_4、P0_5、P0_6、P0_7引脚。

本装置在工作时，无线单片机控制单元将在内部定时器的控制下，采用轮询方式对8个氡气浓度数据采集单元采集的脉冲进行计数。由于无线单片机控制单元中CC2430芯片的P0、P1口共计16个引脚都设有外部中断工作方式，因而可充分利用该硬件资源对8个氡气浓度数据采集单元进行轮询计数。由于每个单元的轮询时间极短,近似认为每次轮询采集的8个氡气浓度数据是在同一时间采集，可以对其求平均值作为此次轮询采集到的氡气浓度，以提高采集氡气浓度值的准确性。

图4为本实用新型中无线单片机控制单元和无线射频前端单元的连接电路图：

无线单片机控制单元的核心部件采用CC2430芯片，是基于 IEEE802.15.4 协议和ZigBee协议应用的片上系统芯片，集成了业界领先的射频收发器和增强工业标准的8051MCU内核；

无线射频前端单元采用CC2590芯片构成，CC2590芯片集成了可将输出功率提高 +22dBm的功率放大器以及可以将接受灵敏度提高+6dB的低噪声放大器，从而能够显著地提高系统的抗干扰能力与灵敏度。

进一步地，所述的无线射频前端单元的具体连接如下：

无线射频收发前端单元的外接天线经可调电感 L2、可调电容C3与CC2590芯片的第11引脚ANT连接，外接天线还经电感L1 接地；CC2590 芯片的第2引脚 RF_N与CC2430芯片的第34引脚连接，CC2590芯片的第4引脚RF_P与无线单片机控制单元的CC2430芯片的第32引脚连接，并且在第4引脚与第2引脚之间接有一电感L3；CC2590芯片的第5引脚PAEN与第6引脚EN均与 CC2430 芯片的第23引脚连接， CC2590 芯片的第7引脚HGM与CC2430 芯片的第8引脚连接，CC2590 芯片的第3引脚RXTX与CC2430芯片的第33引脚连接, CC2590芯片的第8、9、12、14引脚均接地，第15引脚通过电阻接地，第10引脚AVDD_PA2、第13引脚AVDD_LNA、第16引脚AVDD_BIAS分别连接电源VCC，并分别通过电容C4、C5、C6接地，以滤除电源噪声对芯片性能的影响。

所述的无线单片机控制单元的具体连接如下：无线单片机控制单元的核心器件是CC2430芯片，其第32引脚RF_P、第34引脚RF_N、第23引脚RFG_IN、第8引脚P2_0、第33引脚TX/RX分别与CC2590的第4引脚、第2引脚、第5引脚、第7引脚、第3引脚连接；其第43引脚32K_2接晶振Y2的第2引脚，并通过电容C10接地；其第44引脚 32K_1接晶振Y2的第1引脚，并通过电容C9接地；其第21引脚 32M_1接晶振Y1的第2引脚，并通过电容C8接地；其第19引脚32M_2接晶振Y1的第1引脚，并通过电容C7接地；其第11引脚P0_0至第18引脚P0_7分别接8个氡气浓度数据采集单元输出端INPUT_1、INPUT_2、INPUT_3、INPUT_4、INPUT_5、INPUT_6、INPUT_7、INPUT_8。

本实用新型具有采集数据可靠性高、成本低廉和体积小的特点，使用本装置无需在滑坡体附近区域内部署通信电缆或光缆,且能远距离采集与传输滑坡体氡气浓度的监测数据,减小了施工量与工程造价,降低了监测成本，因此特别适用于在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合，推广应用前景好。

Claims

1.一种监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置，包括氡气浓度数据采集单元、无线单片机控制单元和无线射频收发前端单元，其特征在于：所述的氡气浓度数据采集单元与无线单片机控制单元电互连，无线单片机控制单元与无线射频收发前端单元电互连；

所述的无线射频收发前端单元含有外接天线、外接滤波电容和无线收发芯片，外接天线通过多个电感电容与无线收发芯片耦合连接。

2.根据权利要求1所述的监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述的氡气浓度数据采集单元含有氡气半导体探测器和氡气浓度采集模块，氡气浓度采集模块由LF351D芯片、OP07芯片、LM324芯片构成的微弱电荷敏感放大电路、主放大电路和波形整形电路组成，所述的无线单片机控制单元含有CC2430芯片，所述的无线射频收发前端单元含有CC2590芯片。

3.根据权利要求1所述的监测滑坡体氡气浓度的无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述的无线射频收发前端单元的外接天线经可调电感L2、可调电容C3与CC2590芯片的第11引脚ANT连接，外接天线还经电感L1接地； CC2590芯片的第4引脚RF_P与无线单片机控制单元的CC2430芯片的第32引脚连接，CC2590芯片的第2引脚RF_N与CC2430芯片的第34引脚连接，并且在第4引脚与第2引脚之间接有一电感L3；CC2590芯片的第5引脚PAEN与第6引脚EN均与CC2430芯片的第23引脚连接，CC2590芯片的第7引脚HGM与CC2430芯片的第8引脚连接， CC2590芯片的第3引脚RXTX与CC2430芯片的第33引脚连接, CC2590芯片的第8、9、12、14引脚均接地，第15引脚通过电阻接地，CC2590芯片的第10、13、16引脚连接VCC及电容接地。