CN205785304U - 一种墒情设备采集仪终端及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种墒情设备采集仪终端及系统，属于信号采集、处理、传输与组网等技术领域。本实用新型包括墒情设备采集仪(简称设备)及远端接收与监控系统，其中墒情设备采集仪又主要包括采集与主控模块、通信与定位模块、接口模块、避雷模块以及电源模块；其中，采集与主控模块又包括主控与DSP模块、采集模块、数字信号接口、模拟传感器接口；通信与定位模块又包括通信模块、GPS模块及电台模块；采集与主控模块对各监测点的墒情信息进行高精度采集及处理，通信与定位模块将墒情信息通过GSM/GPRS无线方式传送到远端接收与监控系统。本实用新型对各种传感器输出的信号进行精准采集并实现实时可靠的传输，不受采集数量、时间、地点与空间的限制，实现水利与土壤墒情的无人化采集与管理。

Description

一种墒情设备采集仪终端及系统

技术领域

本实用新型涉及一种墒情设备采集仪终端及系统，更具体的说，本实用新型针对水利、土壤、风速/风向、雨量等墒情传感器，采集各类型数据并实现报警、数据存储及远程传输的设备，属于信号采集、处理、传输与组网等技术领域。

背景技术

墒情设备采集仪终端及系统是对各种传感器信号进行实时高精度采集，并具有预警、报警远程监控、组网等功能，是全天候新型数据采集、监控、组网及传输设备。本实用新型克服了以往采集设备信息中心与各采集点需有线通信传输，或即使无线信息传输，但具有通信实时性差，可靠性低，运行费用高，不能实时监控，不能进行太阳能充电、手持，以及不能自组网络从而实现自适应高效数据传输等缺点。具有兼容以往的各种数据传输接口方式，GSM、GPRS等远程数据传输，应用面广、通信实时性强、可靠性高、运行费用低、可太阳能充电等特点。应我国水利与气象等相关部门对各种信号采集及传输的更高要求而研制。在我国“十一五”、“十二五”灾害天气国家监测网及国防建设等领域也即将开展技术研究。

墒情设备采集仪综合系统可实现GSM、CDMA、4G、WiFi、GPRS、北斗卫星通信和无线电台等多种通信传输方式，包含墒情设备采集仪终端及远端接收及监控系统两部分组成。墒情设备采集仪终端的信号采集部分主要采用经典的信号采集、测量及处理技术，例如∑-△调制技术、脉冲压缩编码、去直流、差分变换、信号积累等技术，并配合极低噪声仪表运放，虽然对有源及无源干扰起到了有效的抑制作用，使信噪比改善很大，从而使测量精度大大提高；控制和存储部分，采用高性能信号处理芯片及海量SDRAM存储芯片，基于自组织协议，实现快速控制、自组织网络、数据高效缓存与自适应传输等功能。

与传统的墒情采集仪相比，具有系统寿命长、运行维护成本低，便携方便的等优点。经过对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号200510029659.0，公开号为CN1744144A，公开日为2006年3月8日，该农田墒情远程监测系统具有以下局限性：(1)兼容传感器类型的能力差，信号采集端只能采集土壤水分、温度及地下水位三种墒情信息，采集信息的种类少；(2)采集精度低，(3)通信方式缺少电台形式，通信的灵活性较差。

发明内容

本实用新型的目的在于克服以往墒情设备采集仪终端及系统的不足，致力于解决以往墒情设备采集仪终端采集精度低、监控困难、组网困难、运行成本高等问题的使用寿命长、运行成本低的缺陷，提出一种墒情设备采集仪终端及系统。

一种墒情设备采集仪终端及系统，简称采集仪系统，包括墒情设备采集仪(简称设备)及远端接收与监控系统，其中墒情设备采集仪又主要包括采集与主控模块、通信与定位模块、接口模块、避雷模块以及电源模块；

其中，采集与主控模块又包括主控与DSP模块、采集模块、数字信号接口、模拟传感器接口；通信与定位模块又包括通信模块、GPS模块及电台模块；接口模块包含与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口、与键盘接口、条码扫描器以及USB接口；

所述的墒情设备采集仪的各模块的连接关系如下：

采集与主控模块中的主控与DSP模块分别与通信与定位模块中的通信模块、GPS模块及电台模块相连；采集与主控模块中的主控与DSP模块分别与接口模块中的与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口及与键盘接口相连；避雷模块与所有模块相连，为所有模块提供避雷保护；供电模块与所有模块相连，为所有模块提供电能；

采集与主控模块中的各种数字传感器与数字信号接口连接；各种模拟信号传感器与模拟传感器接口连接；数字信号接口与模拟传感器接口与采集模块连接，采集模块和主控与DSP模块连接；

其中，所述的各种数字传感器包括风速、风向、水位及雨量为主的数字传感器；所述的各种模拟信号传感器包括土壤、温度以及湿度模拟传感器为主的模拟信号传感器；

此外，远程接收与控制系统和墒情设备采集仪相连；

一种墒情设备采集仪终端及系统中的各模块功能如下：

通信及定位模块中的通信子模块与远程接收及监控系统通过GSM、GPRS、北斗通信及超短波电台为主的无线通信方式进行信息交互；

通信与定位模块将各种土壤及水利墒情信息通过无线方式传送到远端接收与监控系统，远端接收与监控系统对接收到的信息进行管理、发布及反馈控制；另外，接口模块中预留有232、485接口，墒情设备采集仪也可以用有线通信方式和远端接收与监控系统实现墒情信息的交互；

所述的采集与监控模块中采集的传感器信号包括：触发事件量、雨量传感器、N个模拟量传感器：土壤墒情传感器、水位墒情传感器，温度传感器、湿度传感器；

所述的模拟量传感器数量N大于等于4个；

一种墒情设备采集仪终端及系统，具有如下功能：

功能A)墒情设备采集仪实时、高精度采集各种信号；

其中，所述的各种信号包括：事件量、模拟量、格雷码数字量、rs232(SDI－12)信号、485设备信号以及经纬度信息；

具体的，对于电压、电阻及电流三种模拟信号的采集，墒情设备采集仪首先将各种信号统一转换为电压信号，然后根据不同量程的信号对ADC芯片的参考电平进行量程配置，采用高精度、极低噪声仪表运放，放大至满量程再输入ADC芯片中；采用∑-△调制技术进行高精度采集，对0～20mV信号采用差分变换，配合极低噪声仪表运放，输入高精度ADC中，实现了20位的高精度数据采集。对于数字墒情信号，如雨量、风速及风向等墒情传感器传输的数字信号实现及时、准确的捕捉与测量；

功能B)墒情设备采集仪自动切换的多种数据传输与通信方式及工作模式；

具体可实现的多种数据传输与通信方式，包括GSM/GPRS/CDMA/4G/WiFi、GPS、卫星通信和电台接入等多种传输和通信模式,并可设主备通信模式；兼容：串口直连PC机，无线电台传送、短信传送(GSM/CDMA/4G)、GPRS传送、卫星传送、Wifi传输；

一旦主通信方式发生故障，墒情设备采集仪将自动切换到备用通信方式；上报通信方式自动转换，并支持零点重启，工作模式、省电模式切换为主的功能；所有参数均可由仪器自带液晶键盘或远程信息中心进行设置及查询；供电方式采用太阳能电池、可扩展电源接头、锂电等化学可充电池多种供电方式；

功能C)墒情设备采集仪供电灵活，可太阳能供电，同时内置高性能电池和充电接口；可实现高精度定时自动采集、存储及上报；

墒情设备采集仪的电源供应端与电瓶相接，电瓶经过充电控制器与太阳能电池板相接，从而实现太阳能供电；实时时钟电池带电时间长，精度高，可设；除了精准时钟外，单个墒情设备采集仪具有路由功能，每个设备既可以作为传输信息的源，也可以作为消息传输的目的终点；单个墒情设备采集仪还配有大容量存储器，可根据系统设置，实现自动组网、定时自动采集、存储、上报；

定义单个墒情设备采集仪可以一步传输到达的墒情设备采集仪，为当前传输墒情设备采集仪的“直连”设备；整个采集仪系统中，任意两墒情设备采集仪不为“直连”，可假设二者间通过有限次转发可实现通信；

功能D)在单个墒情设备采集仪电流过载时或遭雷电袭击时，该设备通过自检及防过载措施及设置能及时避免，用于防止设备及传感器供电过载过流、防止打雷时产生的感应电流，即具有避雷功能；

采集仪系统所依托的信息传输方法，其“源设备”和“目的设备”间一次完整的信息传输方法，具体步骤如下：

步骤3.1：传输信息前，每个墒情设备采集仪通过其GPS模块存储和发送设备地址信息，每个墒情设备采集仪建立其路由信息传输表，并进行初始化；

所述的“源设备”和“目的设备”分别对应一个墒情设备采集仪；

单个墒情设备采集仪建立的路由信息传输表所含内容为如下四方面内容：

(1)本设备的“直连设备”数量，即从本设备无需转接可直达的设备数目；

(2)本设备的“直连设备”名称及地址列表，这些“直连设备”名称可是设备的全局名称或设备的GPS地址信息；或者是设备IP地址，也可以是设备在采集仪系统中的本地编号，不同设备具有不同的名称及地址；

(3)本设备与各“直达设备”的路由带宽列表；

(4)本设备通过“直达设备”可达采集仪系统中各设备的带宽列表。该列表枚举从本设备出发到采集仪系统中另一设备的历史数据带宽，对于本设备未知的目的设备，此带宽初始值可设置为一预设的最小值；

在采集仪系统中，任一当前设备C的“路由信息传输表”如下表1所示：

表1本设备的路由信息传输表

表1中，当前设备C在采集仪系统中有N个“直连设备”，分别为L₁，L₂，…，L_N，除去“直连设备”外其它设备分别为D₁，D₂，…，D_L，LA₁，LA₂，…，LA_N表示当前设备的“直连设备”名称及地址列表，表1中R₁，R₂，…，R_N表示本节点直达各近邻节点的带宽，表示当前设备通过“直连设备”L_i可达设备D_k的带宽；

设备初始化，也即对采集仪系统中每个设备进行初始化，其初始化过程为：

(1)当前设备发送“直达设备”查询信号，收到该查询信号的设备回送响应信号，当前设备根据此询问信号和响应信号建立“直达设备”数量、“直达设备”名称和地址列表以及本设备与“直达设备”的路由带宽列表；

(2)将本节点通过“直达设备”可达设备其他非近邻节点的带宽均置为预设的最小值，对于本设备的未知目的设备，为其带宽值预留存储器。

步骤3.2：当前设备将欲发送的信息分组，并进行喷泉编码；

具体过程为：当前设备将欲传输的信息先分成K组，再经过喷泉编码编成源源不断的数据包发送给“直连设备”；喷泉编码后的数据包是源源不断产生的，因此在没有收到目的设备的反馈信息前，将当前设备一直发送喷泉编码后的数据包；

其中，步骤3.2中源设备编码方法为LT码、Raptor码等喷泉编码，尤其当欲发送的数据信息重要性不同时，可以将信息进一步分组，并采用UEP及EEP等高效喷泉编码，即对源发送信息进行喷泉编码的参数和形式可以灵活多样，根据传输需求，灵活选择和设计；

步骤3.3：当前设备计算本设备与其“直连设备”到目的设备的度量，度量计算为当前设备和“直连设备”之间的距离，可通过GPS地址的经纬度计算得出；各“直连设备”分别按链路的吞吐能力(此吞吐能力可等效看做是带宽，直接从当前设备的“路由信息传输表”中获得)按正比例发送数据包，以保证接收节点恢复源数据的概率超过预先指定的概率Pr；为均衡资源使用，限定非“直连设备”的转发次数最大值为Y，限定任意两个设备之间路由总数的最大值为X；数据包的包头中包含源设备地址信息、目的设备地址信息和转发次数计数器，并预留Y个转发设备地址的位置，其中转发次数计数器置零；

步骤3.4：“直连设备”收到数据包后，如果本设备为传输信息的“目的设备”，则转步骤3.5；否则，本设备作为中间设备检查转发次数计数器的值，若该值小于Y时存在两种情况：

3.4.1若当前设备存在该“直连设备”的“直连设备”没有可以转发数据包的设备，则转发次数计数器加1，将本设备的名称和地址信息写入数据包头，将更新后的数据包头和数据转发给含有至少一个“直连设备”的“直连设备”；

3.4.2如果当前设备“直连设备”的“直连设备”没有可以进一步转发数据包的“直连设备”，则丢弃此数据包；

步骤3.5：目的设备将各路径收到的数据进行组装并译码，译码成功后反馈“成功接收所有数据包”的通知给源发送数据的设备，并停止数据包的接收；

步骤3.6：发送信息的源设备检测到“目的设备”发送来的“成功接收所有数据包”，停止发送喷泉数据包。至此，完成了从源设备到“目的设备”间的一次信息传送；

经过上述步骤3.1到步骤3.6完成了采集仪系统中“源设备”和“目的设备”间一次完整的信息传输方法。

有益效果

本实用新型所提出的一种墒情设备采集仪终端及系统，与其他墒情设备采集仪终端及系统相比，具有如下有益效果：

1.不受采集时间、空间、数量及采集信号形式的限制，实现无人化墒情采集与高效信息传输；

2.通过各种可选择的无线通信方式将采集到的数据实时传到远程监测中心，供分析人员使用；

3.墒情设备采集仪实时采集多种传感器信号，并实现灵活的远程监控与传输；

4.基于“直连设备”的协作转发具有快速、灵活、低成本、低功耗部署特点，网络可用极低成本运营维护甚至免维护。

附图说明

图1是本实用新型一种墒情设备采集仪终端及系统的功能总框图；

图2是本实用新型一种墒情设备采集仪终端及系统中的墒情设备采集仪的“采集与主控模块”示意图；

图3是本实用新型一种墒情设备采集仪终端及系统中的墒情设备采集仪的“通信与定位模块”示意图；

图4是本实用新型一种墒情设备采集仪终端及系统中的墒情设备采集仪的“接口模块”示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种墒情设备采集仪终端及系统包括墒情设备采集仪及远端接收与监控系统，其中墒情设备采集仪主设备包括“采集与主控模块”、“通信与定位模块”、“接口模块”三个主要部分组成，以及避雷、电源模块二个辅助模块。

其中，采集与主控模块如图2所示，包括主控与DSP模块、采集模块、数字信号接口、模拟传感器接口；“通信与定位模块”如图3所示，包括通信模块、GPS模块及电台模块；“接口模块”包含与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口及与键盘接口，四类接口。条码扫描器，接口方式：USB接口；

墒情设备采集仪主设备中的各主模块及辅助模块的连接关系如下：“采集与主控模块”中的“主控与DSP模块”分别与“通信与定位模块”中的“通信模块”、GPS模块及电台模块相连；“采集与主控模块”中的“主控与DSP模块”分别与“接口模块”中的与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口及与键盘接口，四类接口相连。避雷模块及供电模块与所有模块相连，分别为所有模块提供避雷保护及供电。

风速、风向、水位及雨量等数字传感器；土壤、温度、湿度等模拟传感器。采集与主控模块中的各种数字传感器与数字信号接口连接；各种模拟信号传感器与模拟传感器接口连接；数字信号接口与模拟传感器接口与采集模块连接，采集模块与“主控与DSP模块”连接。

远程接收与控制系统是墒情设备采集系统的不可分割的另一部分。墒情设备采集仪中的五个模块制作在一块电路板上，模块间考虑了电源隔离及抑制共模及差模噪声的相应措施。通信及定位模块中的通信子模块与远程接收及监控系统通过GSM、GPRS、北斗通信及超短波电台四种无线通信方式进行信息交互；通信与定位模块将各种土壤及水利墒情信息通过无线方式传送到远程接收及监控平台，远程接收及监控平台对接收到的信息进行管理、发布及反馈控制。另外，接口模块中预留有232、485接口，采集仪也可以用有线通信方式与接收监控平台实现墒情信息的交互。

所述的采集与监控模块中采集的传感器信号包括：触发事件量，雨量传感器，12个模拟量传感器：土壤、水位等墒情传感器，温度、湿度传感器(有时采用测量电阻的方式测量)。

本实施例中的墒情设备采集仪可以接入的传感器总类及精度、采集范围等相关参数，如下表2所示：

表2墒情设备采集仪可接入的传感器总类、精度及采集范围参数

采集模块中的采集芯片为DS1178，是TI公司生产的一款高性能八通道16位∑型模数转换器(ADC)。该芯片具有出色的DC精度、卓越的AC性能以及低成本集成等优异特性，为各种严格的信号采集应用提供了实时采样的测量系统。ADS1178具有25kHz的带宽、2uV/C的失调电压漂移、高达97dB的信噪比(SNR)，可实现速度优化(52kSPS)或功耗优化(每通道仅消耗7mW)。高阶限幅自稳调制器实现了极低的偏移，而且DC信号带宽噪声也低至奈奎斯特频率。板上抽取滤波器可抑制调制器及带外噪声，从而提供高达90％奈奎斯特速率的可用信号带宽，截止频率衰减仅为100dB。温度范围宽广，可全面设定于-40℃～+105℃这一宽泛的工业温度范围内。这两种ADC采用相同的封装供货，且完全兼容于高性能24位的ADS1278，便于升级。

主控与DSP模块中的微处理器采用MSP430F211，这种新的基于闪存的MCU系列具有更低的功耗和最高16MIPS，且可以在1.8至3.6V下工作。其它优势包括集成的±2％数字控制振荡器(DCO)、超低功耗振荡器(VLO)、内部上拉/下拉电阻并增加了模拟输入的数目，提供了多种低引脚数选择。

通信与定位模块中的GSM模块采用PIML900-1800。监测服务器上采用VC编写界面。逻辑控制电路，集成在ARM芯片中。232接口型号MAX232E。

数字信号传感器用于接入(数字脉冲采集)风速传感器。振弦信号用于接入水位传感器，用于闸坝水位监测。电路板上集成的GPS模块，可以实时采集设备的经纬。

Claims (2)

1.一种墒情设备采集仪终端及系统，其特征在于：包括墒情设备采集仪及远端接收与监控系统，其中墒情设备采集仪又主要包括采集与主控模块、通信与定位模块、接口模块、避雷模块以及电源模块；

所述采集与主控模块又包括主控与DSP模块、采集模块、数字信号接口、模拟传感器接口；通信与定位模块又包括通信模块、GPS模块及电台模块；接口模块包含与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口、与键盘接口、条码扫描器以及USB接口；

其中，墒情设备采集仪的各模块的连接关系如下：

采集与主控模块中的主控与DSP模块分别与通信与定位模块中的通信模块、GPS模块及电台模块相连；采集与主控模块中的主控与DSP模块分别与接口模块中的与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口及与键盘接口相连；避雷模块与所有模块相连，为所有模块提供避雷保护；供电模块与所有模块相连，为所有模块提供电能；

采集与主控模块中的各种数字传感器与数字信号接口连接；各种模拟信号传感器与模拟传感器接口连接；数字信号接口与模拟传感器接口与采集模块连接，采集模块和主控与DSP模块连接；

其中，所述的各种数字传感器包括风速、风向、水位及雨量为主的数字传感器；所述的各种模拟信号传感器包括土壤、温度以及湿度模拟传感器为主的模拟信号传感器；

此外，远程接收与控制系统和墒情设备采集仪相连。

2.如权利要求1所述的一种墒情设备采集仪终端及系统，其特征还在于：

通信及定位模块中的通信子模块与远程接收及监控系统通过GSM、GPRS、北斗通信及超短波电台为主的无线通信方式进行信息交互；

通信与定位模块将各种土壤及水利墒情信息通过无线方式传送到远端接收与监控系统，远端接收与监控系统对接收到的信息进行管理、发布及反馈控制；另外，接口模块中预留有232、485接口，墒情设备采集仪也可以用有线通信方式和远端接收与监控系统实现墒情信息的交互；

所述的采集与监控模块中采集的传感器信号包括：触发事件量、雨量传感器、N个模拟量传感器：土壤墒情传感器、水位墒情传感器，温度传感器、湿度 传感器；

所述的模拟量传感器数量N大于等于4个；

墒情设备采集仪实时、高精度采集各种信号；

其中，所述的各种信号包括：事件量、模拟量、格雷码数字量、rs232信号、485设备信号以及经纬度信息；

其中，rs232信号，也可以是SDI－12信号；

具体的，对于电压、电阻及电流三种模拟信号的采集，墒情设备采集仪首先将各种信号统一转换为电压信号，然后根据不同量程的信号对ADC芯片的参考电平进行量程配置，采用高精度、极低噪声仪表运放，放大至满量程再输入ADC芯片中；采用∑-△调制技术进行高精度采集，对0～20mV信号采用差分变换，配合极低噪声仪表运放，输入高精度ADC中，实现了20位的高精度数据采集；对于数字墒情信号，如雨量、风速及风向等为主的墒情传感器传输的数字信号实现及时、准确的捕捉与测量；

墒情设备采集仪自动切换的多种数据传输与通信方式及工作模式；

可实现的多种数据传输与通信方式，包括GSM/GPRS/CDMA/4G/WiFi、GPS、卫星通信和电台接入等多种传输和通信模式,并可设主备通信模式；兼容：串口直连PC机，无线电台传送、短信传送、GPRS传送、卫星传送、Wifi传输；

其中，短信传送可以采用GSM、CDMA以及4G方式；

一旦主通信方式发生故障，墒情设备采集仪将自动切换到备用通信方式；上报通信方式自动转换，并支持零点重启，工作模式、省电模式切换为主的功能；所有参数均可由仪器自带液晶键盘或远程信息中心进行设置及查询；供电方式采用太阳能电池、可扩展电源接头、锂电为主的化学可充电池多种供电方式；

墒情设备采集仪供电灵活，可太阳能供电，同时内置高性能电池和充电接口；可实现高精度定时自动采集、存储及上报；

墒情设备采集仪的电源供应端与电瓶相接，电瓶经过充电控制器与太阳能电池板相接，从而实现太阳能供电；实时时钟电池带电时间长，精度高，可设；除了精准时钟外，单个墒情设备采集仪既可以作为传输信息的源，也可以作为消息传输的目的终点；单个墒情设备采集仪还配有大容量存储器，可根据系统 设置，实现自动组网、定时自动采集、存储、上报；

定义单个墒情设备采集仪可以一步传输到达的墒情设备采集仪，为当前传输墒情设备采集仪的“直连”设备；整个采集仪系统中，任意两墒情设备采集仪不为“直连”，可假设二者间通过有限次转发可实现通信。