CN204270486U - 一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置 - Google Patents
一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，包括用于供电的电源、电导率传感器探头、核心控制单元，以及与核心控制单元双向连接的数据传输单元，所述电导率传感器探头通过信号调理单元与数据采集单元连接，所述核心控制单元采用STM32F407芯片，所述数据传输单元采用CC2530芯片。本实用新型的整体硬件电路简单、集成度高、成本低廉、便于制造实施，特别适用于需要大规模地部署无线传感器网络节点的监测区域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，属于水质监测的无线传感器网络技术领域。
背景技术
近年来，对水资源实施监测与保护方面，国内外已经出现了许多重要方法。无线传感器网络(WSN)集计算机技术、通信技术和传感器技术于一体，具有监测范围广、系统成本低、可靠性高、监测节点自组织以及对生态环境破坏小等优点，十分适合野外大型水域的水质监测。
上世纪中期以后，美国等发达国家就开始对河流、湖泊等地表水质实行自动在线监测。在美国，密苏里等州的水域于1948年以后相继开始进行水质监测，到1958年共建立44个水质监测站，初步形成了全国性的水质监测网。1960年纽约州的环保部门开始着手建立自动水质监测系统，用以代替人工监测网络的工作，在1966年安装了第一台水质自动电化学监测仪。美国在1975年各州共有1.3万个站点组成水质监测网，在这个监测网中有150个组建成了全美水质监测网，即国家水质监测网(NWMS)。
我国在水质监测方面的研究虽然起步较晚，但发展速度非常快，已经能够建立基于WSN和其它现代化科技的水质监测系统。20世纪60年代初期，水利部在全国多条大中型河流上建立了900多个水质监测站，对河水的主要物理性质、离子成分等进行了监测。1998年以来,我国先后在七大水系的10个流域建成了100个国家地表水水质移动监测站,各地方根据环境管理需求,也陆续建立了400多个地方级水质监测站,并实现对污染总负荷65％的企业排污进行自动监测。
许多科研机构已经开始在内陆淡水湖或近海海洋环境中进行小规模的组网实验，中国科学院、中国海洋大学、哈尔滨工业大学等大学和科研机构在组网协议、网络体系结构等方面已经取得了一定的研究成果，并成功组建了很多有价值的水质监测系统平台。
然而，现有的水质监测系统所采用的水质电导率检测装置，通常使用复杂的采集单元、信号处理单元、以及控制单元来实现，体积庞大，组网后不便维护，成本高，不利于大规模投入使用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，集成度高，采集到的水质电导率信号处理高效稳定，适合大规模组网。
本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，包括用于供电的电源、电导率传感器探头、核心控制单元，以及与核心控制单元双向连接的数据传输单元，所述电导率传感器探头通过信号调理单元与数据采集单元连接，所述核心控制单元采用STM32F407芯片，所述数据传输单元采用CC2530芯片。
所述信号调理单元包括CD4060芯片和TL084芯片(U21)，其中，CD4060芯片的第1、2、3、4、5、6、13、14、15引脚悬空，第16引脚接5V电源VDD5V，并通过瓷片电容C13接地，CD4060芯片的第8引脚和第12引脚接-5V电源VDD-5V，并一起通过0.1uF的瓷片电容C67接地，CD4060芯片的的第9引脚与1.5nF的瓷片电容C11的一端连接，第10引脚与2.5KΩ的电阻R21的一端连接，第11引脚与51KΩ的电阻R18的一端连接，电阻R18、电阻R21以及瓷片电容C11的另一端连接在一起，CD4060芯片的第7引脚与TL084芯片(U21)的第3引脚间通过100KΩ的电阻R19连接，TL084芯片(U21)的第4引脚接+5V电源VDD5V，并通过0.1uF的瓷片电容C68接地，第11引脚接-5V电源，并通过0.1uF的瓷片电容C69接地，TL084芯片(U21)的第2引脚通过10KΩ的电阻R25与电导率传感器探头的输入端RES+4连接，同时TL084芯片(U21)的第1引脚与电导率传感器探头的输入端RES+4连接，TL084芯片(U21)的第6引脚与电导率传感器探头的输出端RES-4连接，第7引脚与第6引脚间通过249Ω的电阻R26连接，第7引脚与第9引脚间通过10KΩ电阻R17连接，TL084芯片(U21)的第8引脚与第一二极管SS14(D1)的阳极以及第二二极管SS14(D2)的阴极连接，第9引脚通过36KΩ的电阻R22与第二二极管SS14(D2)的阳极连接，第9引脚通过36KΩ的电阻R27与二极管SS14的阴极连接，TL084芯片(U21)的第12引脚与第一二极管SS14(D1)的阴极连接，第13引脚通过36KΩ的电阻R23与第二二极管SS14(D2)连接，第14引脚与第13引脚间通过36KΩ的电阻R24连接，第14引脚通过10KΩ的电阻R20与STM32F407芯片的PA6端口、第三二极管SS14(D3)的阴极以及20pF的电容C12的一端连接，第三二极管SS14(D3)的阳极以及电容C12的另一端接地。
本实用新型基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本实用新型的核心控制单元采用STM32F407芯片，该芯片具有十分丰富的存储器和外设资源如USART、ADC、SPI、I2C以及IO，其内嵌的FPU可以用于数据融合，调高了监测节点装置的扩展性能；；
(2)本实用新型的信号调理单元利用了集成芯片CD4060芯片和TL084芯片(U21)，再设计其外围电路，用来对电导率传感器探头的信号进行矩形波产生、I/V变换、精密整流和低通滤波等处理，元件参数进过精心计算和试验调整得出，电路稳定性好、准确度高，并且芯片普遍易得、成本低廉、电路体积小；
(3)本实用新型的数据传输单元的射频芯片CC2530具有低功耗特性，并且采用ZigBee协议栈编程，能够组建大规模无线传感器网络，极大地提高了数据传输的可靠性；
(4)利用多个本实用新型的基于无线传感器网络的水质PH监测节点装置，能够组件无线传感器网络，实现大面积水域的电导率监测，提高了监测数据的准确性和监测的可靠性，克服了传统方式单传感器节点的局限性；
(5)本实用新型的整体硬件电路简单、成本低廉、便于制造实施，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。
附图说明
图1是本实用新型的基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置的结构框图。
图2是本实用新型的信号调理单元的连接电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
结合图1和图2，本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，包括用于供电的电源、电导率传感器探头、核心控制单元，以及与核心控制单元双向连接的数据传输单元，所述电导率传感器探头通过信号调理单元与数据采集单元连接，所述核心控制单元采用STM32F407芯片，所述数据传输单元采用CC2530芯片。
所述信号调理单元包括CD4060芯片(U5)和TL084芯片(U21)，其中，CD4060芯片(U5)的第1、2、3、4、5、6、13、14、15引脚悬空，第16引脚接5V电源VDD5V，并通过瓷片电容C13接地，CD4060芯片(U5)的第8引脚和第12引脚接-5V电源VDD-5V，并一起通过0.1uF的瓷片电容C67接地，CD4060芯片(U5)的的第9引脚与1.5nF的瓷片电容C11的一端连接，第10引脚与2.5KΩ的电阻R21的一端连接，第11引脚与51KΩ的电阻R18的一端连接，电阻R18、电阻R21以及瓷片电容C11的另一端连接在一起，CD4060芯片(U5)的第7引脚与TL084芯片(U21)的第3引脚间通过100KΩ的电阻R19连接，TL084芯片(U21)的第4引脚接+5V电源VDD5V，并通过0.1uF的瓷片电容C68接地，第11引脚接-5V电源，并通过0.1uF的瓷片电容C69接地，TL084芯片(U21)的第2引脚通过10KΩ的电阻R25与电导率传感器探头的输入端RES+4连接，同时TL084芯片(U21)的第1引脚与电导率传感器探头的输入端RES+4连接，TL084芯片(U21)的第6引脚与电导率传感器探头的输出端RES-4连接，第7引脚与第6引脚间通过249Ω的电阻R26连接，第7引脚与第9引脚间通过10KΩ电阻R17连接，TL084芯片(U21)的第8引脚与第一二极管SS14(D1)的阳极以及第二二极管SS14(D2)的阴极连接，第9引脚通过36KΩ的电阻R22与第二二极管SS14(D2)的阳极连接，第9引脚通过36KΩ的电阻R27与二极管SS14的阴极连接，TL084芯片(U21)的第12引脚与第一二极管SS14(D1)的阴极连接，第13引脚通过36KΩ的电阻R23与第二二极管SS14(D2)连接，第14引脚与第13引脚间通过36KΩ的电阻R24连接，第14引脚通过10KΩ的电阻R20与STM32F407芯片的PA6端口、第三二极管SS14(D3)的阴极以及20pF的电容C12的一端连接，第三二极管SS14(D3)的阳极以及电容C12的另一端接地。
Claims (2)
1.一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，包括用于供电的电源、电导率传感器探头、核心控制单元，以及与核心控制单元双向连接的数据传输单元，其特征在于：所述电导率传感器探头通过信号调理单元与数据采集单元连接，所述核心控制单元采用STM32F407芯片，所述数据传输单元采用CC2530芯片。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，其特征在于：所述信号调理单元包括CD4060芯片和TL084芯片，其中，CD4060芯片的第1、2、3、4、5、6、13、14、15引脚悬空，第16引脚接5V电源VDD5V，并通过瓷片电容C13接地，CD4060芯片的第8引脚和第12引脚接-5V电源VDD-5V，并一起通过0.1uF的瓷片电容C67接地，CD4060芯片的的第9引脚与1.5nF的瓷片电容C11的一端连接，第10引脚与2.5KΩ的电阻R21的一端连接，第11引脚与51KΩ的电阻R18的一端连接，电阻R18、电阻R21以及瓷片电容C11的另一端连接在一起，CD4060芯片的第7引脚与TL084芯片的第3引脚间通过100KΩ的电阻R19连接，TL084芯片的第4引脚接+5V电源VDD5V，并通过0.1uF的瓷片电容C68接地，第11引脚接-5V电源，并通过0.1uF的瓷片电容C69接地，TL084芯片的第2引脚通过10KΩ的电阻R25与电导率传感器探头的输入端RES+4连接，同时TL084芯片的第1引脚与电导率传感器探头的输入端RES+4连接，TL084芯片的第6引脚与电导率传感器探头的输出端RES-4连接，第7引脚与第6引脚间通过249Ω的电阻R26连接，第7引脚与第9引脚间通过10KΩ电阻R17连接，TL084芯片的第8引脚与第一二极管SS14的阳极以及第二二极管SS14的阴极连接，第9引脚通过36KΩ的电阻R22与第二二极管SS14的阳极连接，第9引脚通过36KΩ的电阻R27与二极管SS14的阴极连接，TL084芯片的第12引脚与第一二极管SS14的阴极连接，第13引脚通过36KΩ的电阻R23与第二二极管SS14连接，第14引脚与第13引脚间通过36KΩ的电阻R24连接，第14引脚通过10KΩ的电阻R20与STM32F407芯片的PA6端口、第三二极管SS14的阴极以及20pF的电容C12的一端连接，第三二极管SS14的阳极以及电容C12的另一端接地。
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