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專利名稱：基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統，直接應用于水利行業。
背景技術：
傳感器網絡是全球未來四大高技術產業之一。作為當前各國研究的熱點，無線傳感器網絡已逐步開始應用于許多領域，包括基礎設施監測、軍事領域、環境科學和醫療健康等方面。目前，水工安全監測主要采用傳感器+有線傳輸+集中式MCU的系統結構，個別研究單位和公司推出了基于GPRS的無線滲壓監測裝置，但還不是真正意義上的無線傳感器網絡技術概念，而且這樣運用還受公共網絡覆蓋、功耗、運行費用等因素的嚴重制約。

發明內容
本發明的目的就是為了克服背景技術的不足，提出一種基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統，功耗小、成本低。為實現上述目的，本發明基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統，包括監測節點、匯聚節點和測控中心。監測節點包括基本主控電路、數據采集電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機和分別與該單片機相連的電源電路、硬件時鐘CLOCK及FLASH存儲器電路；數據采集電路包含與單片機相連的采集滲壓、應變、位移或滲流信息的振弦式傳感器采集電路、與單片機相連的采集水位信息的水位傳感器采集電路、與單片機相連的采集雨量信息的雨量傳感器采集電路中的任一項采集電路、任二項采集電路或全部采集電路；無線通信電路包含與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口。匯聚節點包括基本主控電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機和分別與該單片機相連的電源電路、硬件時鐘CLOLCK及FLASH存儲器電路；無線通信電路包含與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口，或分別與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口。測控中心包括連接互聯網的測控中心計算機，或包括中心節點和與該中心節點相連的測控中心計算機，該中心節點包含單片機和與該單片機相連的YD-Zigbee無線通信接□。若干監測節點相鄰在一個有限的區域范圍之內，該若干監測節點與其關聯的匯聚節點之間通過由YD-Zigbee無線通信接口構成的微小功率無線通道，形成一個自組織的無線傳感器網絡，適時采集水庫水位、雨量及滲壓、應變、位移、滲流狀態參數數據，以單跳或多跳的形式與關聯的匯聚節點交換數據；多個匯聚節點各自集中處理來自相應有限區域范圍內的若干監測節點交換過來的現場數據，視匯聚節點與測控中心距離的遠近，以方式一或方式二定時傳輸到測控中心處理。所述方式一為:當匯聚節點與測控中心距離較近時，匯聚節點直接通過由YD-Zigbee無線通信接口構成的微小功率無線通道將現場數據交換至中心節點，再傳輸給測控中心計算機處理；所述方式二為:當匯聚節點與測控中心距離較遠時，匯聚節點通過由GPRS/GSM無線通信接口連通的INTERNET/GPRS網絡將現場數據傳輸到連接互聯網的測控中心計算機處理，測控中心計算機的數據分析系統通過建立的模型對采集到的現場數據進行分析，評估水工當前的安全狀態，進而作出預報預測。在一般實施方式中，所述監測節點的振弦式傳感器采集電路包含振弦傳感器、激振電路、信號放大與整形電路、恒流源與溫度轉換電路以及放大電路與A/D轉換電路，監測節點單片機的I/O 口輸出激振脈沖，經激振電路驅動振弦傳感器的感應線圈發生諧振；所述信號放大與整形電路輸入振弦式傳感器輸出的諧振頻率信號，對該諧振頻率信號進行放大、整流和整形，輸出標準的方波信號至監測節點單片機的I/O 口，啟動片內計數器計數，從而得出振弦諧振頻率值，再經過單片機轉換計算得到所需測量值。所述恒流源與溫度轉換電路連接振弦傳感器的熱敏電阻，對振弦傳感器的熱敏電阻提供恒定電流，并將該振弦傳感器熱敏電阻兩端的電壓降輸入放大電路與A/D轉換電路進行模擬量至數字量轉換，轉換后的數字量信號由監測節點單片機讀取，即為傳感器環境溫度值。在高精度實施方式中，所述監測節點的振弦式傳感器采集電路還包含設置在監測節點單片機和信號放大與整形電路之間的分頻與計數器電路，該分頻與計數器電路包含D觸發器、與門A、與門B、時鐘發生器、分頻電路和外部計數器，所述信號放大與整形電路的輸出端分別連接D觸發器的時鐘CP端和與門A的第一輸入端，該D觸發器的D端和R端分別連接單片機的I/O 口，該D觸發器的Q端分別連接與門A的第二輸入端、單片機的中斷口INT和與門B的第一輸入端，所述時鐘發生器輸出的時鐘信號經分頻電路分別輸入與門B的第二輸入端和外部計數器的時鐘輸入端，與門A的輸出端連接單片機的I/O 口 Tl端，與門B的輸出端連接外部計數器的啟動停止端，該外部計數器的計數值輸入單片機。首先，將監測節點單片機內部定時器、計數器及外部計數器初始化，D觸發器置0，置D觸發器D端為高電平；當捉俘到信號放大與整形電路輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發器Q端翻轉為高電平，開啟與門A和與門B，同時觸發單片機的INT引腳，打開片內定時器定時中斷，單片機片內計數器和外部計數器兩個計數器同時開始計數；當片內定時器定時時間到，置D觸發器D端為低電平，當捉俘到待測脈沖上升沿時，D觸發器Q端翻轉為低電平，使兩與門同時關閉，停止計數；單片機讀取兩個計數器計數值，獲得待測脈沖的頻率=分頻電路輸出的時鐘頻率X單片機片內計數器計數值/外部計數器計數值。所述外部計數器優選8253計數器芯片。所述監測節點的水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設置在水位傳感器和單片機之間的水位傳感器接口電路，所述監測節點的雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設置在雨量傳感器和單片機之間的雨量傳感器接口電路。所述水位傳感器優選浮子式編碼水位計，所述水位傳感器接口電路采用格雷碼編碼器接口電路；所述雨量傳感器優選翻斗式雨量計，所述雨量傳感器接口電路采用霍爾開關接口電路。在一種最佳實施方式中，所述格雷碼編碼器接口電路和霍爾開關接口電路均包含設置在傳感器開關信號輸出端與地之間的P6KE18A穩壓瞬態抑制二極管和電容，設置在單片機的I/O 口與地之間的ZD系列二極管，設置在單片機電源VCC與傳感器開關信號輸出端之間的一電阻，設置在傳感器開關信號輸出端與單片機的I/O 口之間的另一電阻。所述監測節點的無線通信電路還可包含與監測節點單片機相連的GPRS/GSM無線通信接口。所述GPRS/GSM無線通信接口最佳經帶通斷控制端的開關電源芯片供電，該開關電源芯片的通斷控制端連接相應單片機的I/o 口。所述監測節點和匯聚節點還可設有連接單片機的通信擴充接口，該通信擴充接口優選RS232接口。本發明基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統，實現了數據在各智能監測節點和測控中心的雙備份，實現分布式數據存儲和處理，增加系統數據的可用性和可靠性；通過無線通信協議，建立適于水工安全監測的數據分發機制，降低算法復雜度和信息收集過程的功率開銷，系統軟硬件成本和功耗比大大降低；省卻了各類線路鋪設，有效避免了長距離傳輸線路分布參數變化影響帶來的測量精度等問題。本發明從根本上改變了傳統安裝施工方式和維護維修方法，降低工程實施及管理成本，使水工安全監測技術大面積推廣應用成為可能；使用本發明，免去工程開挖等土建量，綜合直接投資費用節省至少50%以上，年平均維護管理費用節省至少60%以上，是水工工程信息化領域上的一次重大變革。


圖1為本發明的拓撲結構圖；圖2為實施例監測節點的電路方框圖；圖3為實施例匯集節點的電路方框圖；圖4為實施例監測節點的單線圈型振弦式滲壓傳感器內部電路結構圖；圖5為實施例監測節點的激振電路原理
圖6為實施例監測節點的信號放大與整形電路原理圖；圖7為實施例監測節點的分頻與計數器電路圖；圖8為實施例監測節點的恒流源電路圖；圖9為實施例監測節點的A/D轉換電路圖；圖10為實施例浮子式編碼水位計12位格雷碼編碼器接口電路圖；圖11為實施例翻斗式雨量計霍爾開關接口電路圖；圖12為YD_Zigbee無線通信接口電路原理圖；圖13為YD_Zigbee無線通信接口與單片機的連接圖；圖14為GPRS/GSM無線通信接口電路原理圖；圖15為節點的電源電路具體實施例方式下面結合附圖對本發明最佳實施例進行詳細描述。如圖1所示，本發明實施例基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統，包括三組相鄰在一個有限區域范圍之內的監測節點1、2…N，分別與這三組監測節點1、2…N關聯的匯聚節點1、2、3和測控中心，該測控中心包括中心節點和與該中心節點相連的測控中心計算機，該測控中心計算機連接互聯網。本發明實施例基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統完成數據采集與傳輸、數據分析處理二大功能。數據采集與傳輸部分由無線傳感器網絡節點完成，無線傳感器網絡節點內置YD-Zigbee無線通信模塊，監測節點與其關聯的匯聚節點之間通過微小功率無線通道形成了一個自組織的無線傳感器網絡，適時采集水庫水位及水工位移、應力、滲漏等多個狀態參數數據，以單跳或多跳的形式與匯聚節點交換數據；現場數據經過匯聚節點集中處理后，視其與中心節點距離的遠近，定時傳輸到中心節點或測控中心計算機網絡處理。即:如匯聚節點與中心節點距離較近，匯聚節點就可以直接通過微小功率無線通道將數據交換至中心節點，再傳輸給測控中心計算機；如匯聚節點與中心節點距離較遠，匯聚節點就可以通過INTERNET/GPRS網絡將現場數據傳輸到測控中心計算機網絡處理。測控中心計算機網絡的數據分析系統通過建立的模型對采集的數據進行分析，評估水工當前的安全狀態，進而作出預報預測。用戶通過WEB方式可以在客戶端在線查詢水工安全的相關信息。也就是說，在監測系統中，監測節點擔負了兩個方面的職能，第一是用于實現水工環境狀態的監測，亦即對壩體表面變形、壩體內部變形、滲流、壩體內部溫度、壩體應力等參數監測功能；第二是無線通信功能，亦即具有自組織功能的監測節點以單跳或多跳的形式，將數據傳送給匯聚節點。一般情況下，匯聚節點是一個特殊網關設備，所以監測節點在增強計算能力和通信能力后，也可以承擔匯聚節點職能。它把收集到的數據進行數據融合后，通過無線通信傳輸網絡傳送至中心節點。測控中心承擔了監測系統的信息中心作用，它完成系統監測數據的收集、數據處理分析，在對數據進行自動備份存儲后，通過圖形、表格、報警等形式形成監測結果。在監測節點的實現中，各個模塊互相關聯而又相對獨立。由于水工安全監測系統的監測參數內容繁多，如壩體表面變形監測、壩體內部變形監測、滲流觀測和壩體應力監測等，所以獨立實現監測節點的采集模塊具有更佳的靈活性，可以針對不同的監測參數實現不同的傳感器采集模塊，而不必修改節點的其他模塊。本發明實施例基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統主要功能指標如下: ( I)無線自組網，多路徑、多跳、智能化數據傳輸；(2)網絡容量大，網絡能夠容納128個節點；(3)電池壽命2-3年(也可采用太陽能供電方式代替)；(4 )可選擇的通信頻段，支持REMT協議；(5)體積小，便于不同的安裝環境；(6)模塊化設計，節點成本低廉；(7)串口支持奇偶校驗，支持數據包重發機制；(8)運用短距多跳無線通信技術，節點能耗低，支持低功耗休眠，使用太陽能供電持續時間長(連續陰天情況下可達28天)；(9)可以有效解決防水、防腐、防雷、防鼠害等問題。主要技術參數如下: (I)頻率:2400-2483.5MHz ；(2 )數據速率:(IMbps ；(3)鏈路預算:最大106dBm ；(4)集成的倒F型PCB天線,無需外接天線,模塊結構實現簡單；(5)大容量Flash，SRAM，集成可修改配置的協議棧；(6) 16 條 RF 通道，多個 GPIO 及 ADC ;
(7)安全性:硬件128位AES加密；(8)深度睡眠電流:1.0μ A 5μ A (最大值);(9)無線通信距離30 300米(需要時可加大通信距離)；(10)抗干擾能力強:2.4G DSSS擴頻技術；(11)可同時測量溫濕度，精度達1°C，RH1% ；(12)工業指標:產品工作溫度-30度至+70度，EMC抗干擾實現；(13)提供振弦量、模擬量、數字量、開關量輸入接口 ；(14)對外提供RS232/485通信接口 ；(15)工作溫度:0°C 70°C，工作濕度O 100%RH。監測節點由傳感器單元、數據采集和無線通信單元組成。對于水工安全檢測儀器來說，傳感器單元主要為振弦式監測傳感器，兼或一部分模擬量(如傳感器環境溫度、水位等)、數字量傳感器(雨量、蒸發量等)。相對應地，數據采集單元的主要處理對象就是振弦式監測傳感器，同時兼顧其他傳感器的采集功能。對大壩的監測是一個長期的過程，監測節點通過對振弦式傳感器的頻率、溫度等參數的在線監測，將采集的數據進行分析、整理、存儲，再利用YD-Zigbee無線通信接口，經自組織的無線傳感器通信網絡，與匯聚節點進行交互通訊，將測量結果傳回匯聚節點。根據具體情況的不同，對壩段檢測可以按巡測、點測或設置時間等方式進行測量。為方便直接查詢、顯示測量結果，無線傳感器網絡節點帶有LCD液晶顯示和鍵盤電路。如圖2所示，監測節點硬件電路主要由以下幾部分組成:I)基本主控電路:包含單片機和分別與該單片機相連的電源電路、實時時鐘CLOCK、FLASH存儲器電路、復位、IXD顯示及鍵盤電路。2)數據采集電路:包含與單片機相連的采集滲壓、應變、位移或滲流信息的振弦式傳感器采集電路、與單片機相連的采集水位信息的水位傳感器采集電路、與單片機相連的采集雨量信息的雨量傳感器采集電路。振弦式傳感器采集電路包含振弦傳感器、激振電路、信號放大與整形電路、分頻與計數器電路、恒流源與溫度轉換電路以及放大電路與A/D轉換電路。監測節點單片機的I/O 口輸出激振脈沖，經激振電路驅動振弦傳感器的感應線圈發生諧振；信號放大與整形電路輸入振弦式傳感器輸出的諧振頻率信號，對該諧振頻率信號進行放大、整流和整形，輸出標準的方波信號至分頻與計數器電路，再經單片機片內計數器計數，得到振弦諧振頻率值，并經過單片機轉換計算得到所需測量值；恒流源與溫度轉換電路連接振弦傳感器的熱敏電阻，對振弦傳感器的熱敏電阻提供恒定電流，并將該振弦傳感器熱敏電阻兩端的電壓降輸入放大電路與A/D轉換電路進行模擬量至數字量轉換，轉換后的數字量信號由監測節點單片機讀取，即為傳感器環境溫度值。水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設置在水位傳感器和單片機之間的水位傳感器接口電路，水位傳感器采用浮子式編碼水位計，水位傳感器接口電路采用格雷碼編碼器接口電路。雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設置在雨量傳感器和單片機之間的雨量傳感器接口電路，雨量傳感器采用翻斗式雨量計，雨量傳感器接口電路采用霍爾開關接口電路。3)無線通信電路:包含與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口、GPRS/GSM無線通信接口和RS232接口。圖2中，數據采集電路和無線通信電路均選用PIC系列單片機作為單元的核心，配以自動復位電路以提高節點可靠性；實時時鐘的配置是為了實現以時間為基準的測量方式和節能睡眠功能；而FLASH存儲器則是保證掉電后數據保存的需要。無線通信電路中，YD-Zigbee無線通信接口滿足微小功率無線自組局域網絡的需要；GPRS/GSM無線通信接口為遠程無線數據網絡提供硬件支持，這樣可以滿足特殊情況下，監測節點不通過自組無線傳感器局域網絡，可將其采集的數據通過GPRS/GSM網絡直接傳輸至中心節點；同時，監測節點還提供一個RS232接口，以便節點通信功能的擴充，即可采用有線方式或其他無線方式。將監測節點的硬件稍加改造，也就是將數據采集部分硬件舍去，同時配置YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口，即形成匯聚節點的硬件結構，如圖3所示。匯聚節點包括基本主控電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機和分別與該單片機相連的電源電路、硬件時鐘CLOLCK、FLASH存儲器電路、LCD顯示及鍵盤電路；無線通信電路包含分別與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口 ；同時，匯集節點還可提供一個RS232接口，以便節點通信功能的擴充，即可采用有線方式或其他無線方式。而中心節點則包含單片機和與該單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口，以滿足匯聚節點與測控中心距離較近時，匯聚節點可以直接通過微小功率無線通道將數據交換至中心節點，再傳輸給測控中心計算機。節點采取定時采集工作方式。為節省能源，節點一般情況下均處于休眠狀態，待采集時刻到，立即采集傳感器的數據，并通過自主無線網絡傳送，然后又進入休眠狀態。因此，節點內部內置硬件時鐘電路，以保證網絡的同步開啟和關閉；同時網絡協議另設置有節點校時功能，以便對個別節點的時鐘誤差進行實時校正。有了以上硬件平臺后，具體功能的實現則由內置嵌入式軟件來完成。以下詳細描述數據采集電路和無線通信電路的實現:一、數據采集電路1、振弦式傳感器采集電路1.1、振弦傳感器從應用角度出發，由于振弦傳感器的固有特性，采用振弦傳感器作為測量系統的一次采集元件。根據振動體的結構形狀差異，一般又可以分為振動筒式、振動膜式、振動弦式等振弦傳感器。工程上較多采用的振弦傳感器為單線圈間歇激振型傳感器，其激振和接收共用一組線圈，當激發信號脈沖施加至磁芯線圈上，磁芯就會產生一個脈動磁場撥動振弦，振弦被撥動將引起振蕩，從而切割磁芯的磁力線在磁芯輸出端產生出衰減的正弦波。接收、鑒別振弦傳感器發出的頻率即為振弦傳感器的自振頻率，又叫諧振頻率，或稱共振頻率。在水工安全監測中，不僅要求測試系統采集滲壓信息，同時還要采集應變、位移、繞滲等信號，由于這些傳感器具有相同的單線圈振弦特征，數據采集電路幾乎沒有區別，具有較強的一致性和通用性。因此，一個采集信號(如滲壓、應變、位移、滲流信息)分別各采用一個對應的振弦式傳感器，信號的采集和預處理方法基本一樣，后處理可以在網絡中心完成，這樣能夠大大降低本發明監測系統的成本。如圖4所示，為單線圈型振弦式滲壓傳感器內部電路結構圖，其中UO端輸入激振信號，P端輸出共振信號，R2為熱敏電阻。
1.2、激振電路激振電路，又稱振蕩激勵電路，是用一串有一定幅度的頻率信號，采取連續掃描的方式對振弦傳感器鋼弦激振線圈進行激勵，當信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦感應線圈能迅速達到共振狀態，鋼弦起振后，它在線圈中產生出衰減的正弦信號，其輸出是毫伏級信號，持續時間一般不超過I秒。這個信號就是傳感器在目前壓力作用下的固有頻率。由于每個廠家對其生產的傳感器的固有頻率的范圍一般均有一定規定并加以說明，因此本發明采取軟件、硬件相結合的方式，由單片機的I/O 口輸出脈沖來產生激振信號。脈沖的頻率從低到高步進輸出，每個頻率約持續2秒鐘時間，然后檢測振弦傳感器的輸出信號，直至檢測到共振信號。如圖5所示，為實施例監測節點的激振電路原理圖，LI為振弦傳感器。激振電路由單片機的I/o 口 P0.1發脈沖，經信號放大電路(如三極管復合放大)，直接驅動振弦感應線圈。單片機I/O 口 P0.1的脈沖頻率一般從振弦傳感器的下限頻率開始，每個頻率輸出約2秒鐘時間即停止，然后檢測振弦傳感器輸出，若沒有得到一定幅度而且穩定頻率的信號，則步進一個間隔頻率再輸出脈沖，直到能夠檢測得到振弦傳感器的諧振信號輸出。為加快捕捉振弦傳感器的諧振頻率信號的過程，單片機I/O 口 P0.1的輸出信號采用方波形式，以保證豐富的諧波分量；同時，盡量加大放大電路的驅動能力，使得較小諧波分量也能夠激勵振弦傳感器感應線圈起振。1.3、信號放大與整形電路如圖6所示，為信號放大與整形電路原理示意圖。信號放大與整形電路輸入來自LI振弦傳感器感應線圈的諧振頻率LE。該電路將諧振頻率LE信號進行放大、整流和整形，其輸出端P0.2輸出標準的方波信號，將該信號送至單片機的I/O 口，以啟動片內計數器計數。1.4、分頻與計數器電路這個電路是能否準確測量振弦傳感器檢測數值的關鍵。由于諧振頻率信號在線衰減速度較快，持續穩定時間很短，必須在這個有限的時間內完成頻率測量任務。常規的直接測頻法精度與被測信號頻率直接相關，并隨被測信號頻率的下降而下降。本發明采用多周期同步測量法(即等精度測頻法)測量振弦傳感器感應線圈的諧振頻率，可以保證在較短時間內，獲得較高測試精度及分辨率。多周期同步測量法是通過測量輸入信號的多個周期值，再進行倒數運算而得出頻率數值。設fx、fc分別為輸入信號頻率和時鐘脈沖頻率，A、B分別為事件計數器和時間計數器，Na、Nb分別為計數器A、B的計數值，則在一個規定的閘門時間T內計數器A、B的計數值為Na=fxT和Nb=fcT，因此被測輸入信號的頻率為:fx=fc*Na/Nb。如圖7所示，為監測節點的根據多周期同步測量法原理設計的分頻與計數器電路，該電路設置在監測節點單片機和信號放大與整形電路之間，該分頻與計數器電路包含D觸發器、與門A、與門B、時鐘發生器、分頻電路和外部計數器8253芯片，信號放大與整形電路的輸出端P0.2分別連接D觸發器的時鐘CP端和與門A的第一輸入端，該D觸發器的D端連接單片機PIC16XX的I/O 口 Pl.7，R端連接單片機PIC16XX的I/O 口 Pl.6，該D觸發器的Q端分別連接與門A的第二輸入端、單片機PIC16XX的中斷口 INT和與門B的第一輸入端，時鐘發生器輸出的時鐘信號經分頻電路分別輸入與門B的第二輸入端和外部計數器8253芯片的時鐘輸入端Clk，與門A的輸出端連接單片機PIC16XX的I/O 口 Tl端，與門B的輸出端連接外部計數器8253芯片的啟動停止Gate端，該外部計數器8253芯片的計數值輸入單片機PIC16XX。該電路的兩組計數器分別為:第一組為單片機PIC16XX的內部計數器0，計數信號放大與整形電路輸出端P0.2輸出的待測脈沖的上升沿；第二組采用外部計數器8253芯片，單片機內部定時器I預置閘門定時時間T。其工作過程:1、初始化單片機PIC16XX內部定時器、計數器及外部計數器8253芯片，D觸發器置0，2、置D觸發器D端為高電平，當捉俘到信號放大與整形電路輸出端P0.2輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發器Q端翻轉為高電平，開啟與門A和與門B，同時觸發單片機的INT引腳，打開片內定時器定時中斷，單片機PIC16XX片內計數器和外部計數器兩個計數器同時開始計數；3、當片內定時器定時時間到，置D觸發器D端為低電平，當捉俘到信號放大與整形電路輸出端P0.2輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發器Q端翻轉為低電平，使兩與門同時關閉，停止計數；4、單片機PIC16XX讀取兩個計數器計數值，獲得待測脈沖的頻率=分頻電路輸出的時鐘頻率X單片機PIC16XX片內計數器計數值/外部計數器8253芯片計數值。從圖7可以看出，D觸發器實現計數閘門信號與待測信號同步開門，開門時間T準確等于待測信號周期的整倍數，因此Na沒有量化誤差；同時，由于單片機的時鐘脈沖頻率比待測信號高出4 5個數量級以上，所以Nb的量化誤差相對值基本可以忽略不計。從而可以推論在整個測量頻率范圍內，多周期同步測量法可以保證與時鐘發生器同等精度的測量，也就是說，該測量法的測量精度取決于預置門寬度和標準頻率，在預置門時間和常規測頻閘門時間相同而待測信號頻率不同的情況下，多周期同步測量法的測量精度不變。由于單片機時鐘頻率高達50MHz，中斷計算累加、均值化處理精確度較高，計算時刻選擇在最穩定的時間段內，避免了不一致產生的誤差。在本系統中，實際測頻精度在整個測量頻段上可達10-7量級。1.5恒流源和A/D轉換電路在振弦傳感器工作環境溫度恒定的條件下，鋼弦的質量、鋼弦有效長度、鋼弦橫截面積、體密度及彈性模量也相對恒定，因此鋼弦的諧振頻率與其承受的壓力存在確切的數學關系。但當周圍環境溫度發生變化時，鋼弦產生物理形變，其諧振頻率會發生相應的變化，必須以溫度值為參考量對輸出頻率進行修正補償。因此，這個電路的目的是測量傳感器環境溫度，溫度值作為計算振弦傳感器的諧振頻率時的校正參數。在實際應用中，振弦傳感器均內置封裝一個熱敏電阻，以供適時測量傳感器外部的環境溫度。溫度參數為一個模擬量，為保證測值的可靠性，采用恒流源對振弦傳感器中的熱敏電阻提供恒定電流，如圖8所示，為恒流源電路圖，熱敏電阻R3兩端產生電壓降，此電壓經過放大電路、濾波電路，直接進單片機A/D輸入端，經模擬量至數字量轉換，可求出熱敏電阻R3的實際阻值，再由熱敏電阻的溫度特性完成阻值到溫度的轉換。圖8恒流源電路采用穩壓管D2作為基準器件，其電壓基準為2.5V，運算放大器U2采用低噪聲低功耗高精度運放0P07。三極管Ul作為調整管，當基準電壓確定后，通過改變不同數值的取樣電阻R4，能夠得到不同量值的輸出電流。R2為恒流源的開路保護電阻，以保證恒流源輸出開路時不會損壞運算放大器和調整管。
由于溫度傳感器電阻值變化范圍較大(_50°C +150°C)，所以至少采用12位A/D采樣，才能保持一定要求的精度要求。通過多次采集均值處理，提高溫度測值的平穩度，如圖9所示，為A/D轉換電路圖。A/D轉換電路采用4位半數字電壓表芯片ICL7135，精度相當于二進制14位，利用其BUSY端，只要一個I/O 口和PIC單片機內部一個定時器就可以獲得A/D轉換的結果數據。2、水位、雨量傳感器采集電路水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設置在水位傳感器和單片機之間的水位傳感器接口電路，雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設置在雨量傳感器和單片機之間的雨量傳感器接口電路。大壩壩前、壩后的水位是影響水工安全狀態的重要因素。在實際應用中，通常采用浮子式編碼水位計作為水位傳感器采集水位數據，水位傳感器接口電路則采用格雷碼編碼器接口電路。采用翻斗式雨量計作為雨量傳感器采集雨量數據，雨量傳感器接口電路則采用霍爾開關接口電路。浮子式編碼水位計 安裝在測井口或測管上方，以浮子和線輪、不銹鋼絲繩、重錘、防浪錘、精密的變速機構等部件組成。其工作原理是該當液位變化時，浮子隨之上下沉浮，不銹鋼絲繩就帶動線輪運動，與線輪同軸連接的編碼器就輸出與液位對應的并行12位開關量信號，從而達到了對液位的實時測量與顯示的目的。為減少編碼器的機械動作頻率，編碼器以格雷碼方式編碼。翻斗式雨量計由盛水器、上翻斗、計量翻斗、計數翻斗、和匯集漏斗、調節螺釘和干簧管等部件組成，計數翻斗中部裝有一塊小磁鋼，磁鋼上端有干簧管。其工作原理是當計量翻斗雨量積到一個測量單位(0.5mm、Imm)時，計量翻斗翻倒，帶動干簧管開關，使干簧接點因磁化而瞬間閉合一次，發出一個開關脈沖信號，將非電量轉換成電量輸出。同時將雨水倒入計數翻斗，使計數翻斗翻動一次，即另一半翻斗開始盛雨，當這個翻斗盛積的水量達到一個測量單位時，翻斗翻倒，如此反復，達到測量雨量目的。如圖10所示，為浮子式編碼水位計12位格雷碼編碼器接口電路圖，12位格雷碼編碼器接口電路包含設置在12位傳感器U1、U2……U12開關信號輸出端與地之間的P6KE18A
穩壓瞬態抑制二極管Dl、D2......D12和電容Cl、C2......C12，設置在單片機的I/O 口 P2.0、
P2.1……P2.11與地之間的ZD系列二極管D21、D22……D32，設置在單片機電源VCC與12位傳感器Ul、U2……U12開關信號輸出端之間的電阻Rl、R2……R12，設置在12位傳感器UU U2……U12開關信號輸出端與單片機的I/O 口 P2.0、P2.1……P2.11之間的電阻R21、R22……R32。如圖11所示為翻斗式雨量計霍爾開關接口電路圖?；魻栭_關接口電路包含設置在傳感器U13開關信號輸出端與地之間的P6KE18A穩壓瞬態抑制二極管D13和電容C13，設置在單片機的I/O 口 Pl.0與地之間的ZD系列二極管D33，設置在單片機電源VCC與傳感器U13開關信號輸出端之間的電阻R13,設置在傳感器U13開關信號輸出端與單片機的I/O 口 ？1.0之間的電阻1 33。不論是水位計的機械編碼器，還是雨量計的干簧管，實際上都是機械式開關，不同的是前者為12位并行方式，后者為單開關量。由于雨量傳感器、水位傳感器均安裝在野外，因此節點電路除通常的穩定性和可靠性要求外，還必須有良好的防雷效果。這兩種傳感器的接口電路原理基本類似，都是以長線方式將傳感器的開關信號接入，因此主要實現思想是保證開關量采集的同時，必須解決防雷以及瞬間過流、過壓信號的干擾和沖擊問題。圖中P6KE18A穩壓瞬態抑制二極管與ZD系列二極管配合，可起到良好的防雷作用和過電壓保護作用。圖中電阻和電容組成的微分電路，既可以直接消除外部高頻感應信號、線路高頻串擾，也可以濾除傳感器的開關抖動。監測節點單片機通過內部時鐘定時，每5分鐘采集一次水位數據；通過實時中斷方式響應雨量霍爾開關的動作，或定時循環方式查詢霍爾開關的動作變化。電路內置固態存儲器基本配置4M至SM，能保證存儲2年的水情數據。單片機將采集到的水位、雨量數據寫入固態存儲器保存。一旦到數據傳輸時刻，單片機馬上將該時段的水位、雨量數據報送至中心站。二、無線通信電路UYD-ZigBee 無線通信接口YD-ZigBee無線通信接口集無線收發器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，可實現ZigBee協議棧的功能。YD-ZigBee無線通信接口是以一個單片計算機為主控中心，外接射頻通信單元、儲存器、實時時鐘和外部設備接口組成。這樣，YD-ZigBee無線通信接口既可以根據外部設備的指令將有關數據通過射頻單元發射出去，也可以將射頻單元接收的數據轉送給外部設備，實現無線雙向通信。如圖12所示，為YD_Zigbee無線通信接口電路原理圖。YD_Zigbee無線通信接口包括YD_Zigbee無線單片機CC2510，該CC2510由一個高性能的CC8051微控制器和一個
2.4GHZ的無線收發器集成組成，CC8051單片機與射頻芯片之間通過SPI接口交換數據。無線單片機通過內置的幾個ADC接口或者溫度傳感器，可以實現低分辨率的模數轉換或者溫度監控；通過串口通信接口與外部設備之間交換數據。YD_Zigbee無線通信接口的嵌入式軟件采用標準C語言編寫代碼實現，方便代碼的移植；內部集成了 一整套軟件通訊協議棧，可以錄制不同的軟件模塊。這個嵌入式軟件與無線收發器相配合，就構成了無線傳感器網絡的基本部件，如網關(AP)，終端節點(ED)和轉發節點(RE)等等。為實現與外部設備的數據交換功能，YD_Zigbee無線通信接口提供了一個TTL標準的串行通信接口。該接口在保證模塊與外部設備交互通信的同時，外部設備還能夠通過該接口控制模塊進入休眠狀態，或者在模塊工作異常時將其復位。如圖13所示，為YD_Zigbee無線通信接口與單片機MCU的連接圖。2、GPRS/GSM 無線通信接口對于遠距離數據傳送的應用場合，系統必須設置匯聚節點，因而GPRS/GSM無線通信接口必不可少，如圖14所示為GPRS/GSM無線通信接口電路原理圖。一般來說，監測節點能耗的要求非常小。在休眠狀態，功耗控制在微安級；采集數據狀態，功耗也應小于10毫安，而且持續時間為2秒以內，這樣使用普通低功耗的電源芯片就可以達到節能目的。但對于匯聚節點來說，因為有了 GPRS/GSM無線通信接口等大功率通信芯片，其數據傳送時刻的電流可以達到300毫安左右，平時待機工作狀態的靜態電流也達20毫安。為解決總能耗問題，電源電路中專門設計一個帶通斷控制端的開關電源芯片供GPRS/GSM無線通信接口工作，在其不傳送數據時，用軟件方式直接關斷GPRS/GSM無線通信接口的電源供給，使GPRS/GSM無線通信接口零電流消耗；在傳送數據時，打開電源開關，直至通信完畢(約10秒時間)，這樣可以達到節能目的。如圖15所示，為節點的電源電路圖，其中J6為直流電源輸入，其工作范圍為+9V +18V，開關電源芯片U2的通斷控制端第5腳連接至單片機的I/O 口，以決定GPRS/GSM無線通信接口的電源供給通斷。匯聚節點是數據監測節點的一種特殊形式，是無線通信接口的特殊網關設備，主要承擔數據通信接口的轉換功能。因此，匯聚節點軟件首先包含有數據監測節點的通信(如路由選擇)部分，再加上GPRS通信和internet通信驅動軟件，兼顧兩者的通信需要，實現傳感器網絡與中心站之間數據交換。根據其應用需求的不同，可以內置內部時鐘芯片和大容量的存儲器，以便節點內存放較長時間內收集的數據，并在特定的時間間隔集中與測控中心交換數據。
權利要求
1.基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統，其特征在于:包括監測節點、匯聚節點和測控中心； 監測節點包括基本主控電路、數據采集電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機和分別與該單片機相連的電源電路、硬件時鐘CLOCK及FLASH存儲器電路；數據采集電路包含與單片機相連的采集滲壓、應變、位移或滲流信息的振弦式傳感器采集電路、與單片機相連的采集水位信息的水位傳感器采集電路、與單片機相連的采集雨量信息的雨量傳感器采集電路中的任一項采集電路、任二項采集電路或全部采集電路；無線通信電路包含與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口 ； 匯聚節點包括基本主控電路和無線通信電路，其中:基本主控電路包含單片機和分別與該單片機相連的電源電路、硬件時鐘CLOLCK及FLASH存儲器電路；無線通信電路包含與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口，或分別與單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口和GPRS/GSM無線通信接口 ； 測控中心包括連接互聯網的測控中心計算機，或包括中心節點和與該中心節點相連的測控中心計算機，該中心節點包含單片機和與該單片機相連的YD-Zigbee無線通信接口 ；若干監測節點相鄰在一個有限的區域范圍之內，該若干監測節點與其關聯的匯聚節點之間通過由YD-Zigbee無線通信接口構成的微小功率無線通道，形成一個自組織的無線傳感器網絡，適時采集水庫水位、雨量及滲壓、應變、位移、滲流狀態參數數據，以單跳或多跳的形式與關聯的匯聚節點交換數據；多個匯聚節點各自集中處理來自相應有限區域范圍內的若干監測節點交換過來的現場數據，視匯聚節點與測控中心距離的遠近，以方式一或方式二定時傳輸到測控中心處理；所述方式一為:當匯聚節點與測控中心距離較近時，匯聚節點直接通過由YD-Zigbee無線通信接口構成的微小功率無線通道將數據交換至中心節點，再傳輸給測控中心計算機處理；所述方式二為:當匯聚節點與測控中心距離較遠時，匯聚節點通過由GPRS/GSM無線通信接口連通的INTERNET/GPRS網絡將現場數據傳輸到連接互聯網的測控中心計算機處理，測控中心計算機的數據分析系統通過建立的模型對采集到的現場數據進行分析，評估水工當前的安全狀態，進而作出預報預測。
2.根據權利要求 1所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述監測節點的振弦式傳感器采集電路包含振弦傳感器、激振電路、信號放大與整形電路、恒流源與溫度轉換電路以及放大電路與A/D轉換電路，監測節點單片機的I/O 口輸出激振脈沖，經激振電路驅動振弦傳感器的感應線圈發生諧振；所述信號放大與整形電路輸入振弦式傳感器輸出的諧振頻率信號，對該諧振頻率信號進行放大、整流和整形，輸出標準的方波信號至監測節點單片機的I/O 口，啟動片內計數器計數，從而得出振弦諧振頻率值，再經過單片機轉換計算得到所需測量值；所述恒流源與溫度轉換電路連接振弦傳感器的熱敏電阻，對振弦傳感器的熱敏電阻提供恒定電流，并將該振弦傳感器熱敏電阻兩端的電壓降輸入放大電路與A/D轉換電路進行模擬量至數字量轉換，轉換后的數字量信號由監測節點單片機讀取，即為傳感器環境溫度值。
3.根據權利要求2所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述監測節點的振弦式傳感器采集電路還包含設置在監測節點單片機和信號放大與整形電路之間的分頻與計數器電路，該分頻與計數器電路包含D觸發器、與門A、與門B、時鐘發生器、分頻電路和外部計數器，所述信號放大與整形電路的輸出端分別連接D觸發器的時鐘CP端和與門A的第一輸入端，該D觸發器的D端和R端分別連接單片機的I/O 口，該D觸發器的Q端分別連接與門A的第二輸入端、單片機的中斷口 INT和與門B的第一輸入端,所述時鐘發生器輸出的時鐘信號經分頻電路分別輸入與門B的第二輸入端和外部計數器的時鐘輸入端，與門A的輸出端連接單片機的I/O 口 Tl端，與門B的輸出端連接外部計數器的啟動停止端，該外部計數器的計數值輸入單片機； 首先，將監測節點單片機內部定時器、計數器及外部計數器初始化，D觸發器置O，置D觸發器D端為高電平；當捉俘到信號放大與整形電路輸出的待測脈沖上升沿時，D觸發器Q端翻轉為高電平，開啟與門A和與門B，同時觸發單片機的INT引腳，打開片內定時器定時中斷，單片機片內計數器和外部計數器兩個計數器同時開始計數；當片內定時器定時時間到，置D觸發器D端為低電平，當捉俘到待測脈沖上升沿時，D觸發器Q端翻轉為低電平，使兩與門同時關閉，停止計數；單片機讀取兩個計數器計數值，獲得待測脈沖的頻率=分頻電路輸出的時鐘頻率X單片機片內計數器計數值/外部計數器計數值。
4.根據權利要求3所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述外部計數器采用8253計數器芯片。
5.根據權利要求1所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述監測節點的水位傳感器采集電路包含水位傳感器和設置在水位傳感器和單片機之間的水位傳感器接口電路，所述監測節點的雨量傳感器采集電路包含雨量傳感器和設置在雨量傳感器和單片機之間的雨量傳感器接口電路。
6.根據權利要求5所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述水位傳感器采用浮子式編碼水位計，所述水位傳感器接口電路采用格雷碼編碼器接口電路；所述雨量傳感器采用翻斗式雨量計，所述雨量傳感器接口電路采用霍爾開關接口電路。
7.根據權利要 求6所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述格雷碼編碼器接口電路和霍爾開關接口電路均包含設置在傳感器開關信號輸出端與地之間的P6KE18A穩壓瞬態抑制二極管和電容，設置在單片機的I/O 口與地之間的ZD系列二極管，設置在單片機電源VCC與傳感器開關信號輸出端之間的一電阻，設置在傳感器開關信號輸出端與單片機的I/O 口之間的另一電阻。
8.根據權利要求1所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述監測節點的無線通信電路還包含與監測節點單片機相連的GPRS/GSM無線通信接口。
9.根據權利要求1或8所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述GPRS/GSM無線通信接口經帶通斷控制端的開關電源芯片供電，該開關電源芯片的通斷控制端連接相應單片機的I/o 口。
10.根據權利要求1所述的水工安全監測系統，其特征在于:所述監測節點和匯聚節點還設有連接單片機的通信擴充接口，該通信擴充接口采用RS232接口。
全文摘要
本發明公開一種基于無線傳感器網絡的水工安全監測系統，包括監測節點、匯聚節點和測控中心。監測節點包括基本主控電路、數據采集電路和無線通信電路，匯聚節點包括基本主控電路和無線通信電路，測控中心包括連接互聯網的測控中心計算機，或包括中心節點和與該中心節點相連的測控中心計算機。若干監測節點通過由YD-Zigbee無線通信接口構成的微小功率無線通道，形成一個自組織的無線傳感器網絡，適時采集水庫水位、雨量及滲壓、應變、位移、滲流狀態參數數據，以單跳或多跳的形式與關聯的匯聚節點交換數據；多個匯聚節點各自集中處理來自相應若干監測節點交換過來的現場數據，并定時傳輸到測控中心處理。本發明功耗小、成本低。
文檔編號G01D21/02GK103149917SQ20131009793
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者許旭生, 廖剛堅, 滕軍, 曾庚運, 丁永清, 黎洪生 申請人:廣東省水利電力勘測設計研究院