CN202275506U

CN202275506U - 多参数多功能低功耗自动环境监测装置

Info

Publication number: CN202275506U
Application number: CN2011204119488U
Authority: CN
Inventors: 谷瑑; 杨春勇; 牛磊; 陆恒; 覃敏; 郭建平; 马健壮
Original assignee: South Central University for Nationalities
Current assignee: South Central Minzu University
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2021-10-26

Abstract

本实用新型公开了一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置，涉及现代化工业、农业、建筑工地和公用场所的环境参数监测技术领域。本实用新型包括封装盒（00），安装于封装盒（00）外的传感器阵列（10），安装于封装盒（00）内的微控制器平台（20）、无线传输模块（30）和智能电源模块（40）；传感器阵列（10）、微控制器平台（20）和无线传输模块（30）依次连接；智能电源模块（40）分别与微控制器平台（20）、无线传输模块（30）和智能电源模块（40）连接。本实用新型适用于现代化多参数环境全天候自动监测的需求，具有较大推广应用价值。

Description

多参数多功能低功耗自动环境监测装置

技术领域

本实用新型涉及现代化工业、农业、建筑工地和公用场所的环境参数监测技术领域，尤其涉及基于Zigbee无线传感器网络中终端(End Device)设备多种供电方式全天候的一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置。

背景技术

环境参数监测技术是一种通过更快捷的方式在更大的区域内得到有效的集中搜集和处理监测的信息的技术。环境参数监测技术可以发现故障报警随时解决，能对安全隐患进行记录和综合分析，最终寻求解决途径。近年来，以色列、荷兰等国在自动环境监测上的研究和生产方面已经达到了很高的水平。我国的自动环境监测设备水平相对落后，主要市场被国外设备占据。

现有的自动环境监测设备存在的问题是：

1、同一终端可采集环境参数较少，若需多参数采集，则需多个终端，成本高，不能满足现代化多参数的监测需求；

2、供电方式单一，大部分为固定市电供电，不适用于多种场合全天候监测；

3、功耗较大，加剧电源的消耗等；

4、严重制约了无线传感器网络自动环境监测系统的推广应用。

经综合分析所检文献，未见设计具有如下特点的一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置的报道：

1、以太阳能、市电、蓄电池构成FILO(First Input，Last Output)三级智能电源系统；

2、实现传感器阵列中多种传感器的TDM(Time Division Multiplexed)节能供电方案。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的无线传感器网络中多环境参数自动采集终端设备供电方式固定和传感器阵列功耗大的问题，并且缺少适量的监测现场实时形态图像信息现状，而提供一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

针对多种供电方式的全天候多参数自动环境监测的需要，首先，本装置配置多种传感器构成传感器阵列，对环境参数进行综合采集，并研究设计传感器阵列TDM节能供电方案，降低设备功耗；其次，研究设计智能电源模块，提供多种能源接入方式；第三，精简数据采集设备配置，用现有的技术实现无线收发功能，与上位机通信，并处理数据。因此，本装置不提供数据储存和显示功能。

具体地说，本实用新型包括封装盒，安装于封装盒外的传感器阵列，安装于封装盒内的微控制器平台、无线传输模块和智能电源模块；

传感器阵列、微控制器平台和无线传输模块依次连接，实现采样数据的传输；

智能电源模块分别与微控制器平台、无线传输模块和智能电源模块连接，实现供电。

其工作原理是：

利用现有的温度、湿度、气体浓度、光照强度、酸碱度和形态图像等多种传感器组成传感器整列，采集环境参数数据至微控制器平台；微控制器平台处理环境参数数据，以串口数据包形式传递至无线传输模块；无线传输模块以基于Zigbee协议的方式通过无线信号把传感器阵列采集的环境参数包传递至远程设备；微控制器平台对传感器阵列运用采样时间可调的TDM节能供电方案，确保传感器阵列正常工作和本实用新型的较低功率。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①提供一种智能电源。采用太阳能、市电和蓄电池构成三级FILO队列智能电源，可以为系统提供适用于多种应用场合的全天候供电方案，最大程度降低本实用新型掉电的概率；有效解决了环境监测设备供电方式单一的问题。

②提供一种多种传感器的TDM节能供电方案。解决了环境监测设备功耗大和非采样时段的传感器能耗问题。TDM节能供电方案是根据传感器的功能特性和功耗大小，对传感器进行组合，把采样周期内的功率控制在平稳的状态，降低了对电源的要求，并且采样周期内只给正在等待采样的传感器供电，其余传感器处于掉电状态，有效的降低电源的开销，有利于延长本装置的工作时间。

③提供一种较低监测现场形态图像数量要求情况下的低成本无线传输方案，可为用户提供监测现场实时图像信息，符合现代化监测的要求。

④适用于现代化多参数环境全天候自动监测的需求，具有较大推广应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图(简图)；

图2是本实用新型的结构框图(详图)；

图3是微控制器平台的串口选通原理图；

图4是传感器阵列TDM的节能供电方案示意图；

图5是传感器阵列TDM的节能供电方案实现原理图；

图6.1是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列示意图之一；

图6.2是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列示意图之二；

图6.3是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列示意图之三；

图6.4是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列示意图之四；

图7.1是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列实现原理图之一；

图7.2是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列实现原理图之二；

图7.3是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列实现原理图之三；

图7.4是太阳能、市电和蓄电池FILO三级供电队列实现原理图之四；

图8是本实用新型的结构连接示意图。

图中：

00-封装盒；

10-传感器阵列，

11-空气温度和湿度传感器，

12-环境光照传感器，

13-摄像头，

14-土壤湿度传感器，

15-空气二氧化碳浓度传感器，

16-水环境PH值传感器；

20-微控制器平台；

30-无线传输模块；

40-智能电源模块，

41-太阳能，

42-市电，

43-蓄电池；

50-低RON SPDT模拟开关NLAS4157芯片；

60-双四选一多路模拟开关CD4052芯片；

70-低RON SPST模拟开关芯片ADG1402芯片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明：

一、总体

如图1，本实用新型包括封装盒00，安装于封装盒00外的传感器阵列10，安装于封装盒00内的微控制器平台20、无线传输模块30和智能电源模块40；

传感器阵列10、微控制器平台20和无线传输模块30依次连接，实现采样数据的传输；

智能电源模块40分别与微控制器平台20、无线传输模块30和智能电源模块40连接，实现供电。

二、功能块

1、传感器阵列10

如图2，传感器阵列10包括空气温度和湿度传感器11、环境光照传感器12、摄像头13、土壤湿度传感器14、空气二氧化碳浓度传感器15和水环境PH值传感器16，分别通过I²C、I²C、UART、A/D、A/D和A/D六种方式与微控制器平台20连接(I²C是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准；UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信；A/D是模数转换方式)。

1-1)空气温度和湿度传感器11

空气温度和湿度传感器11选用瑞士SENSIRION公司的SHT11模块；

温、湿度测量范围：-40～123.8℃，0～100RH％。

1-2)环境光照传感器12

环境光照传感器12选用美国MAXIM公司的MAX44009芯片；

光谱范围：0～800nm，针对人眼对环境光的响应进行优化，集成红外及紫外线屏蔽，敏感峰值波长为555nm(绿色)；

光照度范围：0.045～188000流明。

1-3)摄像头13

摄像头13选用ZSV-01P系列串口摄像头；

最大像素130万；最大传输速率可达115200比特/每秒。

1-4)土壤湿度传感器14

土壤湿度传感器14选用锦州阳光科技公司的TDR-3土壤湿度传感器；；

土壤湿度量程：0～100％，精度：±2％。

1-5)空气二氧化碳浓度传感器15

空气二氧化碳浓度传感器15选用深圳市旺晟达科技有限公司的SH-300-ND空气二氧化碳浓度传感模块；

气体浓度测量范围：0～3000ppm；

工作温度：-20℃～+70℃；

测量精度：±2ppm。

1-6)水环境PH值传感器16

水环境PH值传感器选用罗素科技公司的E-201-C-9复合电极；

有效测量水环境PH值范围：0.1～13PH；

测量精度：＜0.2PH。

综上所述，可根据实际需求灵活配置传感器阵列10中传感器种类，以此实现多种环境参数的综合采集。

2、微控制器平台20

微控制器平台20作为本实用新型的核心，主要负责控制传感器阵列10执行多参数综合采集和TDM节能切换方案，数据处理，传输数据至XBee无线传输模块30；

如图2，微控制器平台选用C8051F350，用I²C与空气温度和湿度传感器11通信，用I²C与环境光照传感器12通信，用UART与摄像头13通信，用A/D与土壤湿度传感器14通信，用A/D与空气二氧化碳浓度传感器15通信，用A/D与水环境PH值传感器16通信，用UART与XBee无线传输模块30通信。

如图3，微控制器平台20通过与双四选一多路模拟开关CD4052芯片60连接，实现摄像头13、无线传输模块30与微控制器平台20的串口选通；

如图4、5，与低RON SPDT模拟开关NLAS4157芯片50连接实现微控制器平台20对传感器阵列10的TDM节能供电方案。

3、无线传输模块30

无线传输模块30采用美国Digi公司的XBee ZNet 2.5低功耗模块，用Digi提供的无线通讯产品测试软件和设置工具X-CTU把XBee无线传输模块30设置为终端(End Device)模式，它内置ZigBee协议栈，用于微控制器平台20与协调器(Coordinator)的近距离数据传输。

4、智能电源模块40

智能电源模块40包括太阳能41、市电42和蓄电池43构成FILO(FirstInput，Last Output，第一个输入，最后输出)三级供电队列：

如图6.1，太阳能41、市电42和蓄电池43同时接入，太阳能41优先供电；

如图6.2，仅有蓄电池43接入，蓄电池43供电；

如图6.3，太阳能41和蓄电池43组合接入，太阳能41优先供电；

如图6.4，市电42和蓄电池43组合接入，市电42优先供电。

蓄电池43置于栈底，是最后一道能源保障；太阳能41和市电42可视本装置监测现场实际需求配置，同时太阳能41、市电42存在时均可以为蓄电池43充电和为本实用新型供电。当三种电源共存时，优先使用太阳能41；当没有太阳能41和市电42的情况下，采用蓄电池43供电；当太阳能41或市电42二者之一搭配蓄电池43使用时，太阳能41或市电42优于蓄电池43使用。

4-1)太阳能41

太阳能41选用Eco-Worthy公司的ICO-SPC-20W多晶硅太阳能电池板；

峰值电压：17.8伏特；

峰值电流：1.20安培；

开路电压：22.0伏特；

短路电流：1.30安培。

4-2)市电42

市电42选用Shendk公司的9V/1000mA电源适配器。

4-3)蓄电池43

蓄电池43选用日本三洋18650 2600mAh 3.7V可充电电池。

智能电源模块40实现方法：

如图7.1，本实用新型内部采用DC5V、DC9V和DC12V供电，设计实现了多个稳压电路。太阳能41输出为DC18V，通过LM2596-ADJ 411芯片降压至DC9V；市电42采用9V/1000mA电源适配器；DC9V电压可直接给蓄电池41充电。

如图7.2，蓄电池41采用4节三洋18650 2600mAh 3.7V可充电电池，两两串联后再并联，经过前端稳压至DC5V再接入供电电路；也可通过DC9V经LM2596-5.0412降压获得DC5V。

如图7.3，本实用新型选用美国Intersil公司生产的EL7156芯片将DC5V升压至DC12V。

如图7.4，智能电源模块40FILO队列实现是选用了美国ON Semiconductor公司生产的低RON SPDT模拟开关芯片NLAS4157 50和美国Analog Device公司生产的低RON SPST模拟开关芯片ADG1402 70。NLAS4157 50与ADG1402 70对太阳能41、市电42和蓄电池43三种电源划分优先级，形成堆栈。

三、结构连接

如图8，在装置封装盒00侧面嵌入6枚公口航空插头，从左至右依次接入空气温度和湿度传感器11和环境光照传感器12、摄像头13、土壤湿度传感器14、空气二氧化碳浓度传感器15和水环境PH值传感器16；装置封装盒00相邻侧面嵌入母口DC插座；装置封装盒00底部嵌入蓄电池43；

将本实用新型放于监测场地，根据监测现场实际需求连接好传感器阵列10(空气温度和湿度传感器11和环境光照传感器12、摄像头13、土壤湿度传感器14、空气二氧化碳浓度传感器15和水环境PH值传感器16)，开启电源。将另一块无线传输模块30设置为协调器(Coordinator)，与上位机PC连接，即可开始接收并保存数据。

Claims

1.一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置，其特征在于：

包括封装盒（00），安装于封装盒（00）外的传感器阵列（10），安装于封装盒（00）内的微控制器平台（20）、无线传输模块（30）和智能电源模块（40）；

传感器阵列（10）、微控制器平台（20）和无线传输模块（30）依次连接；

智能电源模块（40）分别与微控制器平台（20）、无线传输模块（30）和智能电源模块（40）连接。

2.按权利要求1所述的一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置，其特征在于：

所述的传感器阵列（10）包括空气温度和湿度传感器（11）、环境光照传感器（12）、摄像头（13）、土壤湿度传感器（14）、空气二氧化碳浓度传感器（15）和水环境PH值传感器（16），分别通过I²C、I²C、UART、A/D、A/D和A/D六种方式与微控制器平台（20）连接。

3.按权利要求1所述的一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置，其特征在于：

所述的微控制器平台（20）用I²C与空气温度和湿度传感器（11）通信，用I²C与环境光照传感器（12）通信，用UART与摄像头（13）通信，用A/D与土壤湿度传感器（14）通信，用A/D与空气二氧化碳浓度传感器（15）通信，用A/D与水环境PH值传感器（16）通信，用UART与XBee无线传输模块（30）通信。

4.按权利要求1所述的一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置，其特征在于：

所述的无线传输模块（30）采用美国Digi公司的XBee ZNet 2.5低功耗模块。

5.按权利要求1所述的一种多参数多功能低功耗自动环境监测装置，其特征在于：

智能电源模块（40）包括太阳能（41）、市电（42）和蓄电池（43）构成FILO三级供电队列。