專利名稱：基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水質(zhì)檢測和通信領(lǐng)域，是一種基于無線網(wǎng)絡(luò)型水中鹽度、溫度參數(shù)的檢測 系統(tǒng)及檢測方法，主要應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生物發(fā)酵工程等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水質(zhì)環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖中鹽度和溫度的參數(shù)檢測與控制在水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市供水等領(lǐng)域中 至關(guān)重要?，F(xiàn)有的鹽度檢測儀表大多是實驗室鹽度計或便攜式鹽度計。例如專利號為
03204211.6、名稱為"實驗室鹽度計"的專利公開了一種測量海水樣品鹽度的實驗室儀器， 由被測海水電導(dǎo)池、標(biāo)準(zhǔn)海水電導(dǎo)池、測量電路、單片機、水槽、攪拌器、水泵等構(gòu)成， 可顯示、記錄或存儲海水樣品的溫度、鹽度測量值。專利號為89200668. 4，名稱為"MF-10 型多功能水質(zhì)檢測儀"的專利公開了一種能在現(xiàn)場條件下對水樣的溫度、酸度、電導(dǎo)率和 含鹽量四種參數(shù)進(jìn)行快速測量的便攜式化學(xué)分析儀器。這種鹽度計或水質(zhì)檢測儀的缺陷是 1、沒有通信接口，或者只有基于簡單RS-232串口通信功能，不能滿足儀器組網(wǎng)的要求；2、 采用的是有線通信，受到現(xiàn)場布線的限制，在某些受環(huán)境約束的地方應(yīng)用比較困難，3、成 本較高，不能滿足水環(huán)境監(jiān)測、工廠化養(yǎng)殖的進(jìn)一步發(fā)展要求。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信以其特有的抗千擾能力強、可靠性高、 安全性好、受地理限制少、安裝施工方便靈活等特點，在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)， 能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這 些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。由于其簡單易用、 可靠、高性價比、低功耗，所以應(yīng)用前景十分廣闊，在遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域有實用價值。而目前 未見無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對當(dāng)前鹽度、溫度檢測儀表有線通信的不足，提供了一種基于無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鹽度、溫度的檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)池水鹽度、溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸和控制指 令的無線傳輸，避免了有線網(wǎng)絡(luò)帶來的線路鋪設(shè)成本高、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等不利因素。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測方法，該方法簡單 可靠且靈敏度和精度都很高。
基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是將無線鹽度傳感器和無線 溫度傳感器連接到信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路再串接單片機和射頻模塊組成一個水池的傳感節(jié)點；將若干個傳感器節(jié)點和若干個控制節(jié)點的輸出信號通過射頻模塊發(fā)送到一個匯 聚節(jié)點，再將若干個匯聚節(jié)點的輸出并接到一個控制站點的輸入，將每個控制站點的輸入 并接到監(jiān)控中心的輸入，控制節(jié)點連接執(zhí)行機構(gòu)?；跓o線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測方法釆用的技術(shù)方案是依次采用如下步驟A、 將無線鹽度傳感器和無線溫度傳感器檢測到的參數(shù)信號經(jīng)過調(diào)理電路放大，然后由 單片機進(jìn)行信號處理，再通過射頻模塊發(fā)射給匯聚節(jié)點；B、 匯聚節(jié)點通過射頻模塊將接收的信號再經(jīng)單片機處理后發(fā)送到控制站點，控制站點 和監(jiān)控中心可進(jìn)行雙向通訊，控制站點發(fā)出的控制指令通過匯聚節(jié)點發(fā)送給控制節(jié)點；C、 控制節(jié)點驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行控制任務(wù)；D、 監(jiān)控中心對所有水池統(tǒng)一管理和監(jiān)控，控制站點接收監(jiān)控中心的PC機的控制命令， 傳送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過射頻電路把信號發(fā)送給傳感器節(jié)點和控制節(jié)點，同時顯示 器顯示參數(shù)值和控制執(zhí)行情況。本發(fā)明的優(yōu)點是1、 克服鹽度、溫度檢測儀表有線傳感器的不足，設(shè)置匯聚節(jié)點與覆蓋范圍內(nèi)的傳感器 節(jié)點、控制節(jié)點形成星型網(wǎng)絡(luò)。2、 具有高精度的傳感器信號調(diào)理電路，并且對鹽度的測量具有自動溫度補償功能。3、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用比較普遍的2.4GHz全球公開免費頻段，可減少無線通信對其 它設(shè)備的干擾，同時有效降低發(fā)送功率。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖1是本發(fā)明無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖； 圖2是圖1中傳感器節(jié)點2的結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖1中匯聚節(jié)點1的結(jié)構(gòu)圖；圖4是圖2中無線鹽度傳感器調(diào)理電路圖；圖5是圖2中無線溫度傳感器調(diào)理電路圖；圖6是圖2、 3中射頻電路原理圖；圖7是圖2、 3中單片機10、 12與射頻模塊11、 15的接口電路圖。
具體實施方式
如圖1、 2，每個水池中的傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干匯聚節(jié)點1、若干傳感器節(jié)點2、若干控 制節(jié)點3和一個控制站點4組成。無線鹽度傳感器7和無線溫度傳感器8連接到信號調(diào)理 電路9，信號調(diào)理電路9再串接C8051F310單片機10和nRF2401射頻模塊11組成一個水池的傳感節(jié)點2;將若干個傳感器節(jié)點2和若干個控制節(jié)點3的輸出信號通過nRF2401射 頻模塊11發(fā)送到一個匯聚節(jié)點1，再將若干個匯聚節(jié)點1的輸出并接到一個控制站點4的 輸入，將每個控制站點4的輸入并接到監(jiān)控中心5的輸入，控制節(jié)點3連接執(zhí)行機構(gòu)6。 其中無線鹽度傳感器7和無線溫度傳感器8經(jīng)過調(diào)理電路9放大，然后由C8051F310單片 機10進(jìn)行信號處理，再通過nRF2401射頻電路發(fā)射給匯聚節(jié)點1 。控制站點4起著所在傳 感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理器的作用，而監(jiān)控中心5則對所有水池進(jìn)行統(tǒng)一管理和監(jiān)控。在每個水 池中，匯聚節(jié)點1是傳感器節(jié)點2、控制節(jié)點3與控制站點4之間連接的橋梁，所有采集 數(shù)據(jù)均通過匯聚節(jié)點1發(fā)送到控制站點4，而控制指令則由控制站點4發(fā)出后通過匯聚節(jié) 點1發(fā)送給控制節(jié)點3，有控制節(jié)點3驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)6執(zhí)行控制任務(wù)。圖3所示，匯聚節(jié)點1包括連接nRF2401射頻模塊15的C8051F310單片機12以及分 別連接到單片機12的PC機13和LCD顯示器14。匯聚節(jié)點1的工作工程可以分為兩種(1) 通過nRF2401射頻電路，接收傳感器節(jié)點2傳過來的數(shù)據(jù)，并且做相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后 發(fā)送給PC機13;(2) 單片機12接收PC機13的控制命令，通過nRF2401射頻電路，把信號發(fā)送給傳 感器節(jié)點2和控制節(jié)點3。圖4所示，信號調(diào)理電路9由無線鹽度傳感器7調(diào)理電路和無線溫度傳感器8調(diào)理電 路組成，其中無線鹽度傳感器7調(diào)理電路包括將傳感器電極Rx和分壓電阻R6串聯(lián)接入RC 橋式正弦波振蕩電路電源兩端，再將分壓電阻R6的兩端依次連接濾波電路、放大電路、整 流電路，其中的傳感器采用DJS-10型鍍鉑黑電導(dǎo)電極Rx。 RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生一 定頻率和幅值的正弦信號。由于不同濃度的鹽溶液導(dǎo)電性不同，電極兩端反映的電阻值不 同，從而分壓電阻R6兩端的分壓值不同。分壓電阻R6兩端的交流電壓信號通過濾波、放 大、整流后轉(zhuǎn)化為反映溶液鹽度值大小的直流電壓信號，送C8051F310單片機10進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理。圖5所示，溫度傳感器采用ptlOO熱電阻，并把它作為測量電橋的一個橋臂，將該測 量電橋的兩臂依次連接一個三運放數(shù)據(jù)放大器IC201:1、 IC201:2、 IC201:3和電壓跟隨器。 ptlOO熱電阻的電阻值在(TC時為100Q; IO(TC時為138.5Q，當(dāng)溫度為(TC時，測量電橋 平衡，輸出為零。 一旦溫度不為零，電橋平衡被破壞，輸出對應(yīng)一定溫度值的電壓信號。 只要標(biāo)定其中的對應(yīng)關(guān)系，就可以計算出實際的溫度值。圖5中左邊三運放數(shù)據(jù)放大器組 成測量放大電路，將電橋的微弱信號放大到0 5V范圍送單片機進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。圖6所示，射頻芯片選用nRF2401。圖2左邊為射頻芯片與單片機10的接口 ，其中 PWRJJP、 CE、 CS為控制線，接單片機10的I/O口，用于控制芯片的激活、配置和保持的工作模式；DR1、 CLK1、 DATA為發(fā)送/接收通道一，DR1 —般接單片機的外部中斷引腳， CLK1、 DATA為時鐘和數(shù)據(jù)引腳，可接單片機10的I/O 口或SPI; DR2、 CLK2、 DOUT2 為接收通道二，該通道只有接收功能，沒有發(fā)送功能。傳感節(jié)點2的鹽度和溫度傳感器將 測量的信號經(jīng)調(diào)理電路9調(diào)理后送單片機10的A/D轉(zhuǎn)換引腳，數(shù)據(jù)處理后通過接收通道 一傳輸?shù)絥RF2401，并控制nRF2401發(fā)送出去。匯聚節(jié)點1分時接收各傳感節(jié)點2發(fā)送過 來的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到有效數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷通知單片機10來取數(shù)據(jù)。圖7所示，單片機10的P1.0 P1.2引腳分別接射頻模塊的PWR—UP、 CE、 CS引腳， 控制射頻模塊的工作狀態(tài)。P1.3 P1.5與接收通道二相連，用軟件模擬SPI來接收有效數(shù)據(jù)。 接收通道一接單片機IO自帶的硬件SPI接口，配置單片機10使SPI工作于三線方式，端 口分配為PO.O (CLK)、 P0.1 (MISO)禾QP0.6 (MOSI)。與單片機10標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口相比， nRF2401只有一個雙向的數(shù)據(jù)端口 (DATA)。當(dāng)nRF2401工作在配置模式和發(fā)射模式時， 它的DATA引腳是數(shù)據(jù)輸入端口；當(dāng)nRF2401工作在接收模式時，DATA引腳是數(shù)據(jù)輸出 端口。為了防止沖突，實現(xiàn)阻抗匹配和隔離，將單片機10的P0.1 (MISO)和P0.6 (MOSI) 端口分別接上一個10KQ的電阻后再與nRF2401的DATA引腳相連。此外單片機10的P2.0 和P2.1引腳配置為模擬量輸入端口，用于傳感器采集信號的A/D轉(zhuǎn)換；P0.4和P0.5弓l腳 配置為UART接口，用于與上位機的串口通信。本發(fā)明檢測時先將無線鹽度傳感器7和無線溫度傳感器8檢測到的參數(shù)信號經(jīng)過調(diào)理 電路9放大，然后由單片機10進(jìn)行信號處理，再通過射頻模塊11發(fā)射給匯聚節(jié)點1;匯 聚節(jié)點1通過射頻模塊15將接收的信號后經(jīng)單片機12處理后發(fā)送到控制站點4，控制站 點4和監(jiān)控中心5可進(jìn)行雙向通訊，控制站點4發(fā)出的控制指令通過匯聚節(jié)點1發(fā)送給控 制節(jié)點3;控制節(jié)點3驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)6執(zhí)行控制任務(wù)；監(jiān)控中心5對所有水池統(tǒng)一管理和 監(jiān)控，控制站點4接收監(jiān)控中心5的PC機的控制命令，傳送給匯聚節(jié)點1，匯聚節(jié)點1中 單片機12接收控制站點4的控制命令，通過射頻電路15把信號發(fā)送給傳感器節(jié)點2和控 制節(jié)點3，同時顯示器14顯示參數(shù)值和控制執(zhí)行情況。
權(quán)利要求
1.一種基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測系統(tǒng)，包括無線鹽度傳感器(7)和無線溫度傳感器(8)，其特征是將無線鹽度傳感器(7)和無線溫度傳感器(8)連接到信號調(diào)理電路(9)，信號調(diào)理電路(9)再串接單片機(10)和射頻模塊(11)組成一個水池的傳感節(jié)點(2)；將若干個傳感器節(jié)點(2)和若干個控制節(jié)點(3)的輸出信號通過射頻模塊(11)發(fā)送到一個匯聚節(jié)點(1)，再將若干個匯聚節(jié)點(1)的輸出并接到一個控制站點(4)的輸入，將每個控制站點(4)的輸入并接到監(jiān)控中心(5)的輸入，控制節(jié)點(3)連接執(zhí)行機構(gòu)(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測系統(tǒng)，其特征是匯聚節(jié)點(1) 包括連接射頻模塊(15)的單片機(12)以及分別連接到單片機(12)的PC機(13)和 顯示器(14)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測系統(tǒng)，其特征是信號調(diào)理電 路(9)由無線鹽度傳感器(7)調(diào)理電路和無線溫度傳感器(8)調(diào)理電路組成，其中無線 鹽度傳感器(7)調(diào)理電路包括將傳感器電極(Rx)和分壓電阻(R6)串聯(lián)接入RC橋式正 弦波振蕩電路電源兩端，再將分壓電阻(R6)的兩端依次連接濾波電路、放大電路、整流 電路；無線溫度傳感器(8)調(diào)理電路包括將熱電阻(pt100)作為測量電橋的一個橋臂， 將該測量電橋的兩臂依次連接一個三運放數(shù)據(jù)放大器(IC201:1、 IC201:2、 IC201:3)和電 壓跟隨器。
4. 一種基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測方法，其特征是依次采用如下步驟A、 將無線鹽度傳感器(7)和無線溫度傳感器(8)檢測到的參數(shù)信號經(jīng)過調(diào)理電路(9) 放大，然后由單片機(10)進(jìn)行信號處理，再通過射頻模塊(11)發(fā)射給匯聚節(jié)點(1);B、 匯聚節(jié)點(1)通過射頻模塊(15)將接收的信號再經(jīng)單片機(12)處理后發(fā)送到 控制站點(4)，控制站點(4)和監(jiān)控中心(5)可進(jìn)行雙向通訊，控制站點(4)發(fā)出的控 制指令通過匯聚節(jié)點(1)發(fā)送給控制節(jié)點(3);C、 控制節(jié)點(3)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)(6)執(zhí)行控制任務(wù)；D、 監(jiān)控中心(5)對所有水池統(tǒng)一管理和監(jiān)控，控制站點(4)接收監(jiān)控中心(5)的 PC機的控制命令，傳送給匯聚節(jié)點(1)，匯聚節(jié)點(1)通過射頻電路把信號發(fā)送給傳感 器節(jié)點(2)和控制節(jié)點(3)，同時顯示器(14)顯示參數(shù)值和控制執(zhí)行情況。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)型鹽度、溫度的檢測系統(tǒng)及檢測方法，將無線鹽度、溫度傳感器連接到信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路串接單片機和射頻模塊組成一個水池的傳感節(jié)點；將若干個傳感器節(jié)點和若干個控制節(jié)點的輸出信號通過射頻模塊發(fā)送到一個匯聚節(jié)點，再將若干個匯聚節(jié)點的輸出并接到一個控制站點的輸入，將每個控制站點的輸入并接到監(jiān)控中心的輸入，控制節(jié)點連接執(zhí)行機構(gòu)，本發(fā)明設(shè)置匯聚節(jié)點與覆蓋范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點、控制節(jié)點形成星型網(wǎng)絡(luò)，具有高精度的傳感器信號調(diào)理電路，并且對鹽度的測量具有自動溫度補償功能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用普遍的2.4GHz全球公開免費頻段，減少了無線通信對其它設(shè)備的干擾，同時有效降低發(fā)送功率。
文檔編號G08C17/02GK101315361SQ20081012299
公開日2008年12月3日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者劉星橋, 峰 季, 云 秦, 程明慧, 趙德安, 沖 陳 申請人:江蘇大學(xué)