CN206504770U - 一种基于无线传感器网络的水位监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型主要涉及水位监测领域，涉及一种基于无线传感器网络的水位监测系统。基于无线传感器网络的水位监测系统的太阳能电池板的输出端连接着充放电控制电路的输入端；充放电控制电路连接着蓄电池模块的输入端；蓄电池模块、水位检测模块、水温检测模块、GPS定位模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；无线传感器Ⅰ的输出端连接着数据存储模块的输入端；电源模块的输出端连接着无线传感器Ⅱ的输入端；无线传感器Ⅱ的输出端连接着USB接口、显示模块、语音报警模块的输入端。本实用新型通过水位检测模块检测水井的水位值，将检测到的水位值与位置信息一起通过无线传感器传送到控制端显示或报警，检测端采用太阳能电池板进行供电，节省电能。

Description

一种基于无线传感器网络的水位监测系统

技术领域

本实用新型主要涉及水位监测领域，更具体地说，涉及一种基于无线传感器网络的水位监测系统。

背景技术

矿井主排水系统是煤矿大型设备的一个重要组成部分。在煤矿的开采过程中，会产生大量的水。为了保证煤矿的安全和开采煤矿的正常运行，应将这些水通过一水仓安全排放，因此，不仅应控制水仓水位在一定的范围之内，还要设置一定的上下限，当水位不在限定的范围内时，进行报警。因此，对水仓的水位进行监测与监控是非常必要的。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于无线传感器网络的水位监测系统，通过水位检测模块检测水井的水位值，将检测到的水位值与位置信息一起通过无线传感器传送到控制端显示或报警，检测端采用太阳能电池板进行供电，节省电能。

为解决上述技术问题，本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统包括太阳能电池板、水位检测模块、水温检测模块、GPS定位模块、充放电控制电路、蓄电池模块、无线传感器Ⅰ、数据存储模块、电源模块、无线传感器Ⅱ、USB接口、显示模块、语音报警模块，通过水位检测模块检测水井的水位值，将检测到的水位值与位置信息一起通过无线传感器传送到控制端显示或报警，检测端采用太阳能电池板进行供电，节省电能。

其中，所述太阳能电池板的输出端连接着充放电控制电路的输入端；所述充放电控制电路的输出端连接着蓄电池模块的输入端；所述蓄电池模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述水位检测模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述水温检测模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述GPS定位模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述无线传感器Ⅰ的输出端连接着数据存储模块的输入端；所述电源模块的输出端连接着无线传感器Ⅱ的输入端；所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着USB接口的输入端；所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着显示模块的输入端；所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着语音报警模块的输入端。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统所述无线传感器Ⅰ、无线传感器Ⅱ均采用CC2530芯片。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统所述水位检测模块采用BP800压力传感器芯片。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统所述水温检测模块采用DS18B20温度传感器。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统所述GPS定位模块采用GPS_NEO-6M模块。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统所述USB接口采用MAX232芯片。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统所述显示模块采用LCD1602液晶显示屏。

控制效果：本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统，通过水位检测模块检测水井的水位值，将检测到的水位值与位置信息一起通过无线传感器传送到控制端显示或报警，检测端采用太阳能电池板进行供电，节省电能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本实用新型做进一步详细的说明。

图1为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的硬件结构图。

图2为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的无线传感器Ⅰ的电路图。

图3为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的无线传感器Ⅱ的电路图。

图4为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的数据存储模块的电路图。

图5为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的USB接口的电路图。

图6为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的电源模块的电路图。

图7为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的水温检测模块的电路图。

图8为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的显示模块的电路图。

图9为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的蓄电池模块的电路图。

图10为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的太阳能电池板、充放电控制电路的电路图。

图11为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的充放电控制电路的电路图。

图12为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的GPS定位模块的电路图。

图13为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的水位检测模块的电路图。

图14为本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的语音报警模块的电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14说明本实施方式，本实施方式所述一种基于无线传感器网络的水位监测系统包括太阳能电池板、水位检测模块、水温检测模块、GPS定位模块、充放电控制电路、蓄电池模块、无线传感器Ⅰ、数据存储模块、电源模块、无线传感器Ⅱ、USB接口、显示模块、语音报警模块，通过水位检测模块检测水井的水位值，将检测到的水位值与位置信息一起通过无线传感器传送到控制端显示或报警，检测端采用太阳能电池板进行供电，节省电能。

其中，所述太阳能电池板的输出端连接着充放电控制电路的输入端，太阳光照射到电池板上，一部分被吸收，一部分被反射，吸收掉的太阳光一部分变成热，一部分通过电池板的光电转换，转换成电能，传送到充放电控制模块。

所述充放电控制电路的输出端连接着蓄电池模块的输入端，充放电控制电路的充电电路由场效应管及外围电路组成，放电电路采用CD4541芯片，在白天光线通常比较充足的时候，太阳能电池板转换电压经R2和R6两个电阻分压以后，再送给无线传感器Ⅰ，无线传感器Ⅰ的A/D转换口实现对太阳能电池板电压的采样、测量、比较后启动充电模式，太阳能电池板开始给蓄电池充电。无线传感器Ⅰ通过对蓄电池模块端电压不断检测，经R1、R4、R5、R7等电阻分压后通过VAD1送至无线传感器Ⅰ的P0_0引脚，再经过A/D转换后，将连续变化的电压信号转换为便于无线传感器Ⅰ处理的数字信号，然后VAD3通过单片机的P0_1引脚发出高、低电平信号来控制Q1管关断与导通，从而蓄电池的充电状态进行控制。傍晚，当检测到太阳能电池板的电压小于6V时，与V01端相连接的VAD2引脚有低电平变为高电平，晶体管Q2由截止状态变为导通状态， CD4541芯片的MR引脚提供一个由高电平变为低电平的负跳变脉冲信号，使 CD4541内部开始计数，输出端的OUT脚输出为低电平，从而使晶体管Q1截止， V02端与无线传感器Ⅰ的P0_4引脚相连接，无线传感器Ⅰ为各部分进行供电。当早上，系统检测到太阳能电池板的电压高于6V时，与V01端相连接的无线传感器Ⅰ的P0_7引脚由高电平转变为低电平，晶体管Q2由导通状态变为截止状态，CD4541的MR脚复位端变为高电平，CD4541内部计数器清零复位，输出端OUT脚输出高电平，从而使晶体管Q1导通，V01端与VAD2引脚相连接，无线传感器Ⅰ停止为各部分供电。

所述蓄电池模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端，蓄电池模块通过 VCC引脚为各部分进行供电，蓄电池模块将转换的多余能量储存到蓄电池中，为无线传感器Ⅰ进行供电，白天时充放电控制模块控制太阳能电池板将转换的电能对蓄电池模块进行充电，夜晚时控制模块控制蓄电池模块放电，为控制电路进行供电。

所述水位检测模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端，水位检测模块采用BP800压力传感器芯片，压力传感器放置在水井底部，根据压力传感器受到压力信号的大小，可以判断出水位页面的高低，水井水位液面与底部形成一定压力，水位液面越高，压力越大，水位液面越低，压力越小。BP800压力传感器芯片利用单晶硅的压阻效应，以单晶硅为基体，按特定晶向，用先进的微机械加工技术形成弹性元件，在其适当位置用集成电路工艺形成四个等值应变电阻，组成惠斯登电桥，对电桥施加一恒定电压，当有压力作用到弹性元件时，使输出与对应于所加压力成比例的电压信号，输出信号传送到单片机进行处理，压力传感器的Y1引脚与单片机的P1_7引脚相连接。

所述水温检测模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端，水温检测模块采用DS18B20温湿度传感器，水温检测模块用于检测井水中的水温，根据检测到的水温判断井中是否安全，温度传感器检测到的温度值通过T1端传送到无线传感器Ⅰ的P1_0引脚；DS18B20温度传感器的测温原理为温度传感器DS18B20 中的低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，DS18B20温度传感器中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。减法计数器1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器 1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

所述GPS定位模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端，GPS定位模块采用GPS_NEO-6M模块，GPS定位模块用于定位水位检测端的位置信息，GPS 定位模块的GPS_RXD引脚为模块串口接收脚，GPS_TXD引脚为模块串口发送脚，GPS_RXD和GPS_TXD引脚用于GPS定位模块进行数据的接收和发送， GPS定位模块的GPS_SCL为控制引脚，控制GPS定位模块进行数据的发送和接收，GPS定位模块的GPS_SDA为数据引脚，进行数据的传输，GPS定位模块的GPS_TXD、GPS_RXD、GPS_SCL、GPS_SDA引脚与无线传感器Ⅰ的P1_1、 P1_2、P1_3、P1_4引脚相连接。

所述无线传感器Ⅰ的输出端连接着数据存储模块的输入端，数据存储模块采用FEM25256芯片，数据存储模块的CS(片选端)、MISO(SPI总线主机输入/从机输出)、MOSI(SPI总线主输出/从输入)、SCLK(时钟引脚)端分别与无线传感器Ⅰ的P0_2、P0_3、P0_5、P0_6引脚相连接。

所述电源模块的输出端连接着无线传感器Ⅱ的输入端，220V交流电经过变压器进行变压后，通过桥式整流桥的整流后，经过电容滤波，最后经过芯片稳压输出15V电压为控制模块进行供电。

所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着USB接口的输入端，USB接口采用 MAX232芯片，通过USB接口进行有线数据传输，MAX232芯片将无线传感器Ⅱ输出的电压转换成USB接口进行数据传输所需的电压，为USB接口提供电压转换，USB接口的TXD、RXD引脚与无线传感器Ⅱ的P1_1、P1_2引脚连接进行数据传输。

所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着显示模块的输入端，显示模块显示检测到水位值、水温值与水井位置信息，显示模块采用LCD1602液晶显示屏，显示模块的数据端D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7与无线传感器Ⅱ的P2_0、 P2_1、P2_2、P2_3、P2_4、P2_5、P2_6、P2_7引脚相连接，用来显示数据；显示模块的RS端(RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器)与无线传感器Ⅱ的P3_0引脚相连接，用来控制数据命令；显示模块的RW端(RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作)与无线传感器Ⅱ的P3_1引脚相连接，用来控制读写操作；显示模块的使能端 E(E端为使能端)与无线传感器Ⅱ的P3_2引脚相连接；无线传感器Ⅱ的P3_0、 P3_1、P3_2引脚用于控制显示模块中的数码管的选通状态。

所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着语音报警模块的输入端，语音报警模块采用警铃和LM386芯片，无线传感器Ⅱ输出信号经过LM386芯片进行放大后，经过滤波后输出控制扬声器进行发声后，语音报警模块与无线传感器Ⅱ通过 AD1相连接到无线传感器Ⅱ的P0_1引脚。

具体实施方式二：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14说明本实施方式，所述无线传感器Ⅰ、无线传感器Ⅱ均采用CC2530芯片。CC2530芯片是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存， 8-KBRAM和许多其它强大的功能。CC2530芯片有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530芯片具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

具体实施方式三：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14说明本实施方式，所述水位检测模块采用BP800压力传感器芯片。BP800压力传感器利用单晶硅的压阻效应，以单晶硅为基础，按特定品向，用先进的微机械加工技术形成弹性元件，在其适当位置用集成电路工艺形成四个等值应变电阻，组成惠斯登电桥，对电桥施加一恒定电压(流)，当有压力(压差)作用到弹性元件时，使输出与对应于所加压力成比例的电压信号，经电子线路把电压信号放大转换成二进制的4mA～20mADC输出。

具体实施方式四：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14说明本实施方式，所述水温检测模块采用DS18B20温度传感器。DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

具体实施方式五：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14说明本实施方式，所述GPS定位模块采用GPS_NEO-6M模块。GPS_NEO-6M模块，是 ALIENTEK生产的一款呢高性能GPS模块，模块核心采用UBLOX公司的 NEO-6M模组，具有50个通道，追踪灵敏度高达-161dBm，测量输出频率最高可达5Hz。

具体实施方式六：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14说明本实施方式，所述USB接口采用MAX232芯片。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。当用单片机和PC机通过串口进行通信，尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过max232这种类似的芯片进行电平转换。

具体实施方式七：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14说明本实施方式，所述显示模块采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602也叫1602字符型液晶屏，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。LCD1602显示屏是指显示的内容为16×2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。

本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统的工作原理为：本实用新型一种基于无线传感器网络的水位监测系统通过水位检测模块检测井底传感器受到的压力信号，根据检测到的压力信号，判断水位值；水温传感器检测井中水的温度；GPS定位模块将水井的位置信息及检测到水位值、水温值通过无线传感器之间设置相同的通信协议，进行数据传输，监测端接收到数据，将检测到的水温值与水位值在显示模块上显示出来，当水位值超过设置的上下限或水温值超过规定范围，语音报警模块进行报警提醒。检测端检测到的信息存储到数据存储模块中永久保存，便于日后查看；监测端可以通过USB接口进行有线数据通信，将数据传送到电脑。检测端采用太阳能转换的方式进行供电，节省电能，监测端采用电源模块直接进行供电。

虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络的水位监测系统，其特征在于，所述基于无线传感器网络的水位监测系统包括太阳能电池板、水位检测模块、水温检测模块、GPS定位模块、充放电控制电路、蓄电池模块、无线传感器Ⅰ、数据存储模块、电源模块、无线传感器Ⅱ、USB接口、显示模块、语音报警模块，所述太阳能电池板的输出端连接着充放电控制电路的输入端；所述充放电控制电路的输出端连接着蓄电池模块的输入端；所述蓄电池模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述水位检测模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述水温检测模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述GPS定位模块的输出端连接着无线传感器Ⅰ的输入端；所述无线传感器Ⅰ的输出端连接着数据存储模块的输入端；所述电源模块的输出端连接着无线传感器Ⅱ的输入端；所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着USB接口的输入端；所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着显示模块的输入端；所述无线传感器Ⅱ的输出端连接着语音报警模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水位监测系统，其特征在于：所述无线传感器Ⅰ、无线传感器Ⅱ均采用CC2530芯片。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水位监测系统，其特征在于：所述水位检测模块采用BP800压力传感器芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水位监测系统，其特征在于：所述水温检测模块采用DS18B20温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水位监测系统，其特征在于：所述GPS定位模块采用GPS_NEO-6M模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水位监测系统，其特征在于：所述USB接口采用MAX232芯片。

7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水位监测系统，其特征在于：所述显示模块采用LCD1602液晶显示屏。