專利名稱：地下水監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下水監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了確定地下水質(zhì)量和地下水水位，地下水監(jiān)控井被用來訪問地下水。 例如，傳感器系統(tǒng)能夠懸掛在地下水監(jiān)控井中以讀出、收集并且存儲關(guān)于由 地下水監(jiān)控井訪問的地下水的質(zhì)量和/或數(shù)量(例如，水位)的數(shù)據(jù)。典型地， 傳感器系統(tǒng)通過線纜或電線懸掛在進入地下水的地下水監(jiān)控井的鎖定井架
(casing)中。通過從井收回傳感器系統(tǒng)并且直接將傳感器系統(tǒng)連接到計算機 (如筆記本計算機、袖珍個人計算機、個人數(shù)字助理等)，從傳感器系統(tǒng)取回 數(shù)據(jù)。替代地，通信線纜可以從傳感器系統(tǒng)延伸到監(jiān)控井訪問位置，使得來 自傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠通過到通信線纜的直接連接被取回到計算機。數(shù)據(jù) 典型地被定期(例如每小時、每日、每月、每季、每年)取回。
然而訪問這種地下水監(jiān)控井經(jīng)常出現(xiàn)問題。監(jiān)控井經(jīng)常位于遙遠地區(qū)并 且可能例如，由于洪水、潮涌、風等導致的地形改變，或由于植被的改變而， 難以發(fā)現(xiàn)。監(jiān)控井可能位于私人地產(chǎn)上，并且可能需要進入該地產(chǎn)的批準以 訪問監(jiān)控井。用于訪問監(jiān)控井的鑰匙可能不容易地為承擔取回地下水數(shù)據(jù)的 任務的人員可用。
考慮到這些問題，已經(jīng)開發(fā)了采用無線通信方法學(例如全球移動通信 系統(tǒng)(GSM))、衛(wèi)星和射頻通信方法學的系統(tǒng)。然而由于各數(shù)據(jù)組只是周期 性需要，所以這種系統(tǒng)典型地太昂貴而不能用于地下水監(jiān)控。此外，這種系 統(tǒng)需要顯著的電力，而許多地下水監(jiān)控井位于具有很少或沒有接入電力的地 區(qū)。
存在許多在本領(lǐng)域公知的地下水監(jiān)控系統(tǒng)井的設計，然而依然剩余大量 缺點。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，地下水監(jiān)控設備包括只在大約150米的范圍內(nèi)可操作來通信的 無線通信設備和與無線通信設備可操作地相關(guān)聯(lián)的傳感器包。無線通信設備
包括天線、與天線耦合的射頻收發(fā)器、與射頻收發(fā)器耦合的處理器、以及 電化學電池。電化學電池與傳感器包、處理器和射頻收發(fā)器電耦合。電化學 電池能夠提供足夠的電力以在至少幾個月的時間段操作射頻收發(fā)器、傳感器 包和處理器。
另一方面，地下水監(jiān)控系統(tǒng)包括只在大約150米的范圍內(nèi)可操作來通信 的無線數(shù)據(jù)取回設備和地下水監(jiān)控設備。地下水監(jiān)控設備包括只在大約150 米的范圍內(nèi)可操作的無線通信設備和與無線通信設備可操作地相關(guān)聯(lián)的傳感 器包。無線通信設備包括天線、與天線耦合的射頻收發(fā)器、與射頻收發(fā)器 耦合的處理器、以及電化學電池。電化學電池與傳感器包、處理器和射頻收 發(fā)器電學耦合。電化學電池能夠提供足夠的電力以在至少幾個月的時間段操 作射頻收發(fā)器、傳感器包和處理器。無線數(shù)據(jù)取回設備和無線通信設備可操 作來將數(shù)據(jù)從傳感器包通信到無線數(shù)據(jù)取回設備。
本發(fā)明提供顯著的優(yōu)點，包括(1)遠程記錄地下水數(shù)據(jù)的能力；(2) 遠程計劃用于地下水監(jiān)控傳感器的設置的能力；(3)提供地下水監(jiān)控設備， 其在幾個月或幾年的時間段很少或不需要維護；(4)發(fā)現(xiàn)隱藏的地下水監(jiān)控 井的能力；以及(5)提供地下水監(jiān)控設備，其能對未授權(quán)的人員隱藏。


在權(quán)利要求中闡明了本發(fā)明的新穎特征特性。然而，當結(jié)合附圖閱讀時， 參照以下詳細描述，本發(fā)明自身及其使用的優(yōu)選模式、進一步的目標和其優(yōu) 點將被最好的理解，其中參考標號中最左邊的有效數(shù)字表示其中各個參考標 號出現(xiàn)的第一幅圖，在附圖中
圖1是與地下水監(jiān)控井可操作地相關(guān)聯(lián)的地下水監(jiān)控設備的說明性實施 例的程式化圖2是圖1的地下水監(jiān)控設備的通信設備的說明性實施例的方塊圖； 圖3是圖1的地下水監(jiān)控設備的傳感器包的說明性實施例的方塊圖； 圖4是地下水監(jiān)控系統(tǒng)的說明性實施例的程式化圖； 圖5是圖1的多個地下水監(jiān)控設備和圖4的數(shù)據(jù)取回設備的程式化透視
圖； 圖6是正由人操作的圖1的多個地下水監(jiān)控設備和圖4的數(shù)據(jù)取回設備 的透一見圖7是與車輛可操作地相關(guān)聯(lián)的圖4的數(shù)據(jù)取回設備的程式化側(cè)立面以及
圖8是圖1的多個地下水監(jiān)控設備和圖4的數(shù)據(jù)取回設備的示例性網(wǎng)絡 配置的圖形表示。
盡管本發(fā)明容許各種修改和替代形式，但是其特定實施例已經(jīng)通過附圖 中的示例的方式顯示，并且在此詳細描述。然而應該理解，此處的特定實施 例的描述不意在將本發(fā)明限定于公開的特定形式，相反地，本發(fā)明涵蓋落入 由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有修改、等價物和替代。
具體實施例方式
以下描述本發(fā)明的說明性實施例。為了清晰，不是全部的實際實現(xiàn)都在 本說明書中描述。當然將理解的是，在任何這種實際實施例的開發(fā)中，必須 作出許多特定實現(xiàn)的決定以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(如服從與系統(tǒng)相關(guān)的和 與商業(yè)相關(guān)的約束)，所述特定目標將在一個實現(xiàn)和另一個實現(xiàn)之間變化。此 外，還將理解的是，這種開發(fā)努力可能是復雜和費時的，然而將是從本公開 獲益的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的常規(guī)任務。
地下水監(jiān)控系統(tǒng)包括一個或多個地下水監(jiān)控設備和以無線方式通信的數(shù) 據(jù)取回設備。優(yōu)選地， 一個或多個地下水監(jiān)控設備和數(shù)據(jù)取回設備使用很低 力的無線電方法學通信，如由美國紐約州紐約的電器與電子工程師協(xié)會頒布 的IEEE標準802.15.4和由美國加利福尼亞州圣拉蒙的ZigBee聯(lián)盟頒布的 "ZigBee"無線設備說明書所限定的無線電方法學。
圖1描述地下水監(jiān)控設備101的程式化的說明性實施例，該監(jiān)控設備與 井架103和井蓋105 #:作相關(guān)。井架103通常在107從井蓋105延伸到地平 面以下。井蓋105延伸到地平面107以上，基本密封井架103，并且阻止對 布置在井架103和/或井蓋105內(nèi)的物體的未授權(quán)篡改。在圖示的實施例中， 地下水監(jiān)控i殳備101包4舌無線通信i殳備109、溢流冒口 (strain relief) 111、 傳感器包113、通信線纜115和機殼117。溢流冒口 lll可以在某些實施例中 省略。線纜115包括上部119a和下部11%。線纜115的上部119a在通信設 備109和溢流冒口 111之間延伸。電纜115的下部119b在溢流冒口 111和傳
感器包113之間延伸。傳感器包113布置在井架103內(nèi)，并且通過線纜115 懸掛在地下水內(nèi)(如圖5的地下水501 )。通信信號和電力優(yōu)選地經(jīng)由線纜115 在通信設備109和傳感器包113之間傳播。優(yōu)選地，通信設備109將電力提 供到傳感器包113。機殼117以如此方式隱藏通信設備109的內(nèi)部元件，使得 通信設備109能夠由授權(quán)人員訪問，阻止了流體進入到通信設備109,保護 了通信設備109的內(nèi)部元件不受電磁干擾，并且基本免受腐蝕。
圖2是描述通信設備109的說明性實施例的方塊圖。通信設備109只在 大約150米范圍內(nèi)可操作來通信。在圖示的實施例中，通信設備109包括 射頻收發(fā)器201、處理器203和電化學電池(如電池組(battery) 205 )。收發(fā) 器201與天線207耦合用于傳輸和接收射頻信號。電池組205為處理器203 和收發(fā)器201提供電力。電池組205還經(jīng)由線纜115的一條或多條線209將 電力提供給傳感器包113。優(yōu)選地，電池組205具有足夠的容量以在至少多 個月的時期內(nèi)(更加優(yōu)選地在超過一年的時段內(nèi))為處理器203、收發(fā)器201 和傳感器包113供電。處理器203經(jīng)由線纜115的一條或多條線與傳感器包 113通信。處理器203控制收發(fā)器201。
圖3是描述傳感器包113的說明性實施例的方塊圖，其包括處理器301、 存儲器303、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器305、以及一個或多個傳感器307。電力經(jīng) 由線纜115的一條或多條線209由電池組205 (在圖2中示出)提供給處理 器301、存儲器303、 A/D轉(zhuǎn)換器305、以及一個或多個傳感器307。該一個 或多個傳感器307可以包括在傳感地下水的水位或特性中有用的任何傳感 器。例如， 一個或多個傳感器307可以包括壓力、溫度和/或傳導性傳感器。 一個或多個傳感器307輸出對應于被測參數(shù)的信號。在圖示的實施例中，一 個或多個傳感器307將模擬電信號輸出到A/D轉(zhuǎn)換器305，該A/D轉(zhuǎn)換器305 將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號。A/D轉(zhuǎn)換器305將數(shù)字信號輸出到處理器 301,其將數(shù)字信號的表示連同其它數(shù)據(jù)(如時間、日期等)一起存儲到存儲 器303。處理器301經(jīng)由一條或多條線211與通信設備109的處理器203通 信。
圖4是描述地下水監(jiān)控系統(tǒng)401的說明性實施例的程式化圖。在圖示的 實施例中，地下水監(jiān)控系統(tǒng)401包括地下水監(jiān)控設備101和數(shù)據(jù)取回設備403。 盡管數(shù)據(jù)取回設備403可以采取由本發(fā)明設想的多種形式，但是圖4的數(shù)據(jù) 取回設備403體現(xiàn)在手持計算機405 (如"袖珍PC"或"個人數(shù)字助理"
中。在圖示的實施例中，計算機405包括圖形用戶接口 407，其允許用戶與 數(shù)據(jù)取回設備403通信。數(shù)據(jù)取回設備403包括收發(fā)器409和天線411,用 于與地下水監(jiān)控設備101 (由圖形413代表)無線通信。具體地，數(shù)據(jù)取回 設備403的收發(fā)器409通過經(jīng)由天線207和411傳播的射頻信號與地下水監(jiān) 控設備101的收發(fā)器201無線通信。
參照圖2-4,數(shù)據(jù)取回設備403包括硬件和軟件組件，其共同命令地下 水監(jiān)控設備101將存儲在存儲器303中的地下水數(shù)據(jù)無線地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)取回 設備403。當存儲在存儲器303中的數(shù)據(jù)成功傳輸后，清除存儲器303。數(shù)據(jù) 取回設備403以此方式操作，以便從一個或多個地下水監(jiān)控設備101獲得數(shù) 據(jù)，如圖5中所示。在一個實施例中，當布置在距離地下水監(jiān)控設備101不 超過大約150米的范圍內(nèi)時，數(shù)據(jù)取回設備403對地下水監(jiān)控設備101可操 作。數(shù)據(jù)取回設備403還可以用作"bip指示器，，，用于幫助確定可以隱藏的 地下水監(jiān)控設備101的位置。此外，數(shù)據(jù)取回設備403可以將設置或用于傳 感器包113的操作的各參數(shù)傳輸?shù)酵ㄐ旁O備109，隨后通信設備109經(jīng)由線 纜115傳輸?shù)絺鞲衅靼?13。
應該注意，本發(fā)明設想了除圖4的數(shù)據(jù)取回設備之外的數(shù)據(jù)取回設備。 本發(fā)明的數(shù)據(jù)取回設備可以構(gòu)建為可操作來與地下水監(jiān)控設備101的通信設 備109通信、并且從地下水監(jiān)控設備101取回數(shù)據(jù)的任何設備，無論該設備 是由人601 (如圖6所示)、動物或是由車輛(如圖7所示)運輸?shù)降叵滤O(jiān) 控設備101的最近區(qū)域。
優(yōu)選地，通信設備109和數(shù)據(jù)取回設備403在由美國紐約州紐約的電器 與電子工程師協(xié)會頒布的IEEE標準802.15.4限定的協(xié)議下操作，在此通過引 用并入其全部。在另一個實施例中，通信設備109和數(shù)據(jù)取回設備403在由 正EE標準802.15.4-2003限定的協(xié)議下操作，在此也通過引用并入其全部。 優(yōu)選地，地下水監(jiān)控設備101和數(shù)據(jù)取回設備403根據(jù)由美國加利福尼亞州 圣拉蒙的ZigBee聯(lián)盟頒布的ZigBee說明書文件053474rl3所限定的方法學 操作，在此通過引用并入其全部。
優(yōu)選地，在通信設備109和數(shù)據(jù)取回設備403之間的無線通信以采用二 元相移鍵控調(diào)制的868/915MHz直接序列擴頻模式、采用偏移正交相移鍵控 調(diào)制的868/915MHz直接序列擴頻模式、采用二元相移鍵控調(diào)制的 868/915MHz并行序列擴頻模式、以及采用偏移正交相移鍵控調(diào)制的2450MHz
直接序列擴頻模式中的至少一種完成。
地下水監(jiān)控設備101和數(shù)據(jù)取回設備403能夠配置為許多不同的網(wǎng)絡配 置。圖8描述一個這種示例性配置。例如在圖8中，地下水監(jiān)控設備101和 數(shù)據(jù)取回設備403配置為"星形"網(wǎng)絡配置。在該配置中，地下水監(jiān)控設備 101直接與數(shù)據(jù)取回設備403通信。優(yōu)選地，地下水監(jiān)控設備101的通信設 備109 (在圖l和2中示出)以需要最小電消耗的模式(如"休眠")操作。 在從數(shù)據(jù)取回設備403接收信號后，在范圍內(nèi)的一個或多個地下水監(jiān)控設備 101的通信設備109被喚醒，并且數(shù)據(jù)從一個或多個地下水監(jiān)控設備101傳 輸?shù)綌?shù)據(jù)取回設備403。傳輸數(shù)據(jù)后， 一個或多個地下水監(jiān)控設備101的通 信設備109返回休眠以保存電能。
由于本發(fā)明可以以對在此處教導中獲益的本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的 不同而等價的方式修改和實踐，所以以上公開的特定實施例只是說明性的。 此外，不同于如在權(quán)利要求中所述，此處示出的結(jié)構(gòu)或設計的細節(jié)不是旨在 限定。因此明顯的是，以上公開的特定實施例可以改變或修改，并且所有這 種變化可看作在本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管本發(fā)明以有限的形式示出，但是其不 局限于這些形式，而是服從各種改變或修改。因此，此處要求的保護如在權(quán) 利要求中提出的一樣。
權(quán)利要求
1. 一種地下水監(jiān)控設備，其包括只在大約150米的范圍內(nèi)可操作來通信的無線通信設備，該無線通信設備包括天線；與天線耦合的射頻收發(fā)器；與射頻收發(fā)器耦合的處理器；和電化學電池；以及與無線通信設備可操作地相關(guān)聯(lián)的傳感器包；其中電化學電池與傳感器包、處理器和射頻收發(fā)器電耦合，所述電化學電池能夠提供足夠的電力以在至少多個月的時間段操作射頻收發(fā)器、傳感器包和處理器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水監(jiān)控設備，還包括 機殼，其中無線通信設備從流體入口密封。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水監(jiān)控設備，其中地下水監(jiān)控設備與地下 水監(jiān)控井蓋可操作地相關(guān)聯(lián)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水監(jiān)控設備，其中無線通信設備以釆用二 元相移鍵控調(diào)制的868/915MHz直接序列擴頻模式操作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水監(jiān)控設備，其中無線通信設備以采用偏 移正交相移鍵控調(diào)制的868/915MHz直接序列擴頻模式操作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水監(jiān)控設備，其中無線通信設備以采用二 元相移鍵控調(diào)制的868/915MHz并行序列擴頻模式操作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水監(jiān)控設備，其中無線通信設備以采用偏 移正交相移鍵控調(diào)制的2450MHz直接序列擴頻模式操作。
8. —種地下水監(jiān)控系統(tǒng)，其包括只在大約150米的范圍內(nèi)可操作的無線數(shù)據(jù)取回設備；和 地下水監(jiān)控設備，其包括只在大約150米的范圍內(nèi)可操作通信的無線通信設備，該無線通信 設備包括天線； 與天線耦合的射頻收發(fā)器; 與射頻收發(fā)器耦合的處理器；和 電化學電池；以及 與無線通信設備可操作地相關(guān)聯(lián)的傳感器包； 其中電化學電池與傳感器包、處理器和射頻收發(fā)器電耦合，所述電化學 電池能夠提供足夠的電力以在至少多個月的時間段操作射頻收發(fā)器、傳感器 包和處理器；以及其中無線數(shù)據(jù)取回設備和無線通信設備可操作來將數(shù)據(jù)從傳感器包通信 到無線數(shù)據(jù)取回設備。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控系統(tǒng)，還包括 機殼，其中無線通信設備從流體入口密封。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控系統(tǒng)，其中地下水監(jiān)控設備與地 下水監(jiān)控井蓋可操作地相關(guān)聯(lián)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控系統(tǒng)，其中無線通信設備以采用 二元相移鍵控調(diào)制的868/915MHz直接序列擴頻模式操作。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控系統(tǒng)，其中無線通信設備以采用 偏移正交相移鍵控調(diào)制的868/915MHz直接序列擴頻模式操作。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控設備，其中無線通信設備以采用 二相相移鍵控調(diào)制的868/915MHz并行序列擴頻模式操作。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控設備，其中無線通信設備以采用 偏移正交相移鍵控調(diào)制的2450MHz直接序列擴頻模式操作。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控系統(tǒng)，其中無線數(shù)據(jù)取回設備是 手持計算機。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的地下水監(jiān)控系統(tǒng)，其中無線數(shù)據(jù)取回設備與 車輛可操作地相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
一種地下水監(jiān)控設備包括只在大約150米的范圍內(nèi)可操作來通信的無線通信設備和與無線通信設備可操作地相關(guān)聯(lián)的傳感器包。該無線通信設備包括天線；與天線耦合的射頻收發(fā)器；與射頻收發(fā)器耦合的處理器；和電化學電池。電化學電池與傳感器包、處理器和射頻收發(fā)器電耦合。所述電化學電池能夠提供足夠的電力以在至少多個月的時間段操作射頻收發(fā)器、傳感器包和處理器。
文檔編號E21B47/04GK101387199SQ20081009909
公開日2009年3月18日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月12日
發(fā)明者羅納德·魯澤納 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司