專利名稱：多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及現(xiàn)代化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑工地和公用場(chǎng)所的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中終端(End Device)設(shè)備多種供電方式全天候的一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種通過更快捷的方式在更大的區(qū)域內(nèi)得到有效的集中搜集和處理監(jiān)測(cè)的信息的技術(shù)。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警隨時(shí)解決，能對(duì)安全隱患進(jìn)行記錄和綜合分析，最終尋求解決途徑。近年來，以色列、荷蘭等國在自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)上的研究和生產(chǎn)方面已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。我國的自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備水平相對(duì)落后，主要市場(chǎng)被國外設(shè)備占據(jù)?，F(xiàn)有的自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備存在的問題是1、同一終端可采集環(huán)境參數(shù)較少，若需多參數(shù)采集，則需多個(gè)終端，成本高，不能滿足現(xiàn)代化多參數(shù)的監(jiān)測(cè)需求；2、供電方式單一，大部分為固定市電供電，不適用于多種場(chǎng)合全天候監(jiān)測(cè)；3、功耗較大，加劇電源的消耗等；4、嚴(yán)重制約了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。經(jīng)綜合分析所檢文獻(xiàn)，未見設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)的一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置的報(bào)道1、以太陽能、市電、蓄電池構(gòu)成FIL0(First Input,Last Output)三級(jí)智能電源系統(tǒng)；2、實(shí)現(xiàn)傳感器陣列中多種傳感器的TDM(Time Division Multiplexed)節(jié)能供電方案。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多環(huán)境參數(shù)自動(dòng)采集終端設(shè)備供電方式固定和傳感器陣列功耗大的問題，并且缺少適量的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)形態(tài)圖像信息現(xiàn)狀，而提供一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的針對(duì)多種供電方式的全天候多參數(shù)自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要，首先，本裝置配置多種傳感器構(gòu)成傳感器陣列，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行綜合采集，并研究設(shè)計(jì)傳感器陣列TDM節(jié)能供電方案，降低設(shè)備功耗；其次，研究設(shè)計(jì)智能電源模塊，提供多種能源接入方式；第三，精簡數(shù)據(jù)采集設(shè)備配置，用現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)功能，與上位機(jī)通信，并處理數(shù)據(jù)。因此，本裝置不提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和顯示功能。具體地說，本實(shí)用新型包括封裝盒，安裝于封裝盒外的傳感器陣列，安裝于封裝盒內(nèi)的微控制器平臺(tái)、無線傳輸模塊和智能電源模塊；[0015]傳感器陣列、微控制器平臺(tái)和無線傳輸模塊依次連接，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的傳輸；智能電源模塊分別與微控制器平臺(tái)、無線傳輸模塊和智能電源模塊連接，實(shí)現(xiàn)供 H1^ ο其工作原理是利用現(xiàn)有的溫度、濕度、氣體濃度、光照強(qiáng)度、酸堿度和形態(tài)圖像等多種傳感器組成傳感器整列，采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)至微控制器平臺(tái)；微控制器平臺(tái)處理環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，以串口數(shù)據(jù)包形式傳遞至無線傳輸模塊；無線傳輸模塊以基于Zigbee協(xié)議的方式通過無線信號(hào)把傳感器陣列采集的環(huán)境參數(shù)包傳遞至遠(yuǎn)程設(shè)備；微控制器平臺(tái)對(duì)傳感器陣列運(yùn)用采樣時(shí)間可調(diào)的TDM節(jié)能供電方案，確保傳感器陣列正常工作和本實(shí)用新型的較低功率。本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果①提供一種智能電源。采用太陽能、市電和蓄電池構(gòu)成三級(jí)FILO隊(duì)列智能電源， 可以為系統(tǒng)提供適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合的全天候供電方案，最大程度降低本實(shí)用新型掉電的概率；有效解決了環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備供電方式單一的問題。②提供一種多種傳感器的TDM節(jié)能供電方案。解決了環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備功耗大和非采樣時(shí)段的傳感器能耗問題。TDM節(jié)能供電方案是根據(jù)傳感器的功能特性和功耗大小，對(duì)傳感器進(jìn)行組合，把采樣周期內(nèi)的功率控制在平穩(wěn)的狀態(tài)，降低了對(duì)電源的要求，并且采樣周期內(nèi)只給正在等待采樣的傳感器供電，其余傳感器處于掉電狀態(tài)，有效的降低電源的開銷，有利于延長本裝置的工作時(shí)間。③提供一種較低監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)形態(tài)圖像數(shù)量要求情況下的低成本無線傳輸方案，可為用戶提供監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像信息，符合現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)的要求。④適用于現(xiàn)代化多參數(shù)環(huán)境全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，具有較大推廣應(yīng)用價(jià)值。
圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖(簡圖)；圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖(詳圖)；圖3是微控制器平臺(tái)的串口選通原理圖；圖4是傳感器陣列TDM的節(jié)能供電方案示意圖；圖5是傳感器陣列TDM的節(jié)能供電方案實(shí)現(xiàn)原理圖；圖6. 1是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列示意圖之一；圖6. 2是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列示意圖之二 ；圖6. 3是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列示意圖之三；圖6. 4是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列示意圖之四；圖7. 1是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列實(shí)現(xiàn)原理圖之一；圖7. 2是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列實(shí)現(xiàn)原理圖之二 ；圖7. 3是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列實(shí)現(xiàn)原理圖之三；圖7. 4是太陽能、市電和蓄電池FILO三級(jí)供電隊(duì)列實(shí)現(xiàn)原理圖之四；圖8是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)連接示意圖。圖中00-封裝盒；[0040]10-傳感器陣列，11-空氣溫度和濕度傳感器，12-環(huán)境光照傳感器，13-攝像頭，14-土壤濕度傳感器，15-空氣二氧化碳濃度傳感器，16-水環(huán)境PH值傳感器；20-微控制器平臺(tái)；30-無線傳輸模塊；40-智能電源模塊，41-太陽能，42-市電，43-蓄電池；50-低 RON SPDT 模擬開關(guān) NLAS4157 芯片；60-雙四選一多路模擬開關(guān)⑶4052芯片；70-低RON SPST模擬開關(guān)芯片ADG1402芯片。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明一、總體如圖1，本實(shí)用新型包括封裝盒00，安裝于封裝盒00外的傳感器陣列10，安裝于封裝盒00內(nèi)的微控制器平臺(tái)20、無線傳輸模塊30和智能電源模塊40 ；傳感器陣列10、微控制器平臺(tái)20和無線傳輸模塊30依次連接，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的傳輸；智能電源模塊40分別與微控制器平臺(tái)20、無線傳輸模塊30和智能電源模塊40連接，實(shí)現(xiàn)供電。二、功能塊1、傳感器陣列10如圖2，傳感器陣列10包括空氣溫度和濕度傳感器11、環(huán)境光照傳感器12、攝像頭13、土壤濕度傳感器14、空氣二氧化碳濃度傳感器15和水環(huán)境PH值傳感器16，分別通過 12(、12(、說1 1^/1)^/1)和六/1)六種方式與微控制器平臺(tái)20連接(1 是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)；UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信；A/D是模數(shù)轉(zhuǎn)換方式)。1-1)空氣溫度和濕度傳感器11空氣溫度和濕度傳感器11選用瑞士 SENS^ION公司的SHTl 1模塊；溫、濕度測(cè)量范圍-40 123. 8°C，0 100RH%。1-2)環(huán)境光照傳感器12環(huán)境光照傳感器12選用美國MAXIM公司的MAX44009芯片；光譜范圍0 800nm，針對(duì)人眼對(duì)環(huán)境光的響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，集成紅外及紫外線屏蔽，敏感峰值波長為555nm (綠色)；光照度范圍0. 045 188000流明。1-3)攝像頭 13攝像頭13選用ZSV-OlP系列串口攝像頭；最大像素130萬；最大傳輸速率可達(dá)115200比特/每秒。1-4) 土壤濕度傳感器14土壤濕度傳感器14選用錦州陽光科技公司的TDR-3 土壤濕度傳感器；；土壤濕度量程0 100%，精度士2%。1-5)空氣二氧化碳濃度傳感器15空氣二氧化碳濃度傳感器15選用深圳市旺晟達(dá)科技有限公司的SH-300-ND空氣二氧化碳濃度傳感模塊；氣體濃度測(cè)量范圍0 3000ppm ；工作溫度-20°C +70°C；測(cè)量精度士2ppm。1-6)水環(huán)境PH值傳感器16水環(huán)境PH值傳感器選用羅素科技公司的E-201-C-9復(fù)合電極；有效測(cè)量水環(huán)境PH值范圍0. 1 13PH ；測(cè)量精度<0·2ΡΗ。綜上所述，可根據(jù)實(shí)際需求靈活配置傳感器陣列10中傳感器種類，以此實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)的綜合采集。2、微控制器平臺(tái)20微控制器平臺(tái)20作為本實(shí)用新型的核心，主要負(fù)責(zé)控制傳感器陣列10執(zhí)行多參數(shù)綜合采集和TDM節(jié)能切換方案，數(shù)據(jù)處理，傳輸數(shù)據(jù)至XBee無線傳輸模塊30 ；如圖2，微控制器平臺(tái)選用C8051F350，用I2C與空氣溫度和濕度傳感器11通信， 用1 與環(huán)境光照傳感器12通信，用UART與攝像頭13通信，用A/D與土壤濕度傳感器14 通信，用A/D與空氣二氧化碳濃度傳感器15通信，用A/D與水環(huán)境PH值傳感器16通信，用 UART與XBee無線傳輸模塊30通信。如圖3，微控制器平臺(tái)20通過與雙四選一多路模擬開關(guān)⑶4052芯片60連接，實(shí)現(xiàn)攝像頭13、無線傳輸模塊30與微控制器平臺(tái)20的串口選通；如圖4、5，與低RON SPDT模擬開關(guān)NLAS4157芯片50連接實(shí)現(xiàn)微控制器平臺(tái)20對(duì)傳感器陣列10的TDM節(jié)能供電方案。3、無線傳輸模塊30無線傳輸模塊30采用美國Digi公司的XBee ZNet 2. 5低功耗模塊，用Digi提供的無線通訊產(chǎn)品測(cè)試軟件和設(shè)置工具X-CTU把XBee無線傳輸模塊30設(shè)置為終端(End Device)模式，它內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧，用于微控制器平臺(tái)20與協(xié)調(diào)器(Coordinator)的近距離數(shù)據(jù)傳輸。4、智能電源模塊40智能電源模塊40包括太陽能41、市電42和蓄電池43構(gòu)成FILO(First Input, Last Output，第一個(gè)輸入，最后輸出)三級(jí)供電隊(duì)列[0096]如圖6. 1，太陽能41、市電42和蓄電池43同時(shí)接入，太陽能41優(yōu)先供電；如圖6. 2，僅有蓄電池43接入，蓄電池43供電；如圖6. 3，太陽能41和蓄電池43組合接入，太陽能41優(yōu)先供電；如圖6. 4，市電42和蓄電池43組合接入，市電42優(yōu)先供電。蓄電池43置于棧底，是最后一道能源保障；太陽能41和市電42可視本裝置監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求配置，同時(shí)太陽能41、市電42存在時(shí)均可以為蓄電池43充電和為本實(shí)用新型供電。當(dāng)三種電源共存時(shí)，優(yōu)先使用太陽能41 ；當(dāng)沒有太陽能41和市電42的情況下，采用蓄電池43供電；當(dāng)太陽能41或市電42 二者之一搭配蓄電池43使用時(shí)，太陽能41或市電 42優(yōu)于蓄電池43使用。4-1)太陽能 41太陽能41選用Eco-Worthy公司的IC0-SPC-20W多晶硅太陽能電池板；峰值電壓17. 8伏特；峰值電流1. 20安培；開路電壓22. 0伏特；短路電流1. 30安培。4-2)市電 42市電42選用Shendk公司的9V/1000mA電源適配器。4-3)蓄電池 43蓄電池43選用日本三洋18650 2600mAh 3. 7V可充電電池。智能電源模塊40實(shí)現(xiàn)方法如圖7. 1，本實(shí)用新型內(nèi)部采用DC5V、DC9V和DC12V供電，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)穩(wěn)壓電路。太陽能41輸出為DC18V，通過LM2596-ADJ 411芯片降壓至DC9V ；市電42采用 9V/1000mA電源適配器；DC9V電壓可直接給蓄電池41充電。如圖7. 2，蓄電池41采用4節(jié)三洋18650 2600mAh 3. 7V可充電電池，兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)，經(jīng)過前端穩(wěn)壓至DC5V再接入供電電路；也可通過DC9V經(jīng)LM2596-5. 0412降壓獲得 DC5V。如圖7. 3，本實(shí)用新型選用美國htersil公司生產(chǎn)的EL7156芯片將DC5V升壓至 DC12V。如圖7. 4，智能電源模塊40FIL0隊(duì)列實(shí)現(xiàn)是選用了美國ON Semiconductor公司生產(chǎn)的低RON SPDT模擬開關(guān)芯片NLAS4157 50和美國Analog Device公司生產(chǎn)的低RON SPST模擬開關(guān)芯片ADG1402 70。NLAS4157 50與ADG1402 70對(duì)太陽能41、市電42和蓄電池43三種電源劃分優(yōu)先級(jí)，形成堆棧。三、結(jié)構(gòu)連接如圖8，在裝置封裝盒00側(cè)面嵌入6枚公口航空插頭，從左至右依次接入空氣溫度和濕度傳感器11和環(huán)境光照傳感器12、攝像頭13、土壤濕度傳感器14、空氣二氧化碳濃度傳感器15和水環(huán)境PH值傳感器16 ；裝置封裝盒00相鄰側(cè)面嵌入母口 DC插座；裝置封裝盒00底部嵌入蓄電池43 ；將本實(shí)用新型放于監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求連接好傳感器陣列10(空氣溫度和濕度傳感器11和環(huán)境光照傳感器12、攝像頭13、土壤濕度傳感器14、空氣二氧化碳濃度傳感器15和水環(huán)境PH值傳感器16)，開啟電源。將另一塊無線傳輸模塊30設(shè)置為協(xié)調(diào)器(Coordinator)，與上位機(jī)PC連接，即可開始接收并保存數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1.一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于包括封裝盒(00)，安裝于封裝盒(00 )外的傳感器陣列(10 )，安裝于封裝盒(00 )內(nèi)的微控制器平臺(tái)(20 )、無線傳輸模塊(30 )和智能電源模塊(40 )；傳感器陣列(10 )、微控制器平臺(tái)(20 )和無線傳輸模塊(30 )依次連接； 智能電源模塊(40)分別與微控制器平臺(tái)(20)、無線傳輸模塊(30)和智能電源模塊 (40)連接。
2.按權(quán)利要求1所述的一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于 所述的傳感器陣列(10)包括空氣溫度和濕度傳感器(11)、環(huán)境光照傳感器(12)、攝像頭(13)、土壤濕度傳感器(14)、空氣二氧化碳濃度傳感器(15)和水環(huán)境PH值傳感器(16)， 分別通過I2C、I2C, UART、A/D、A/D和A/D六種方式與微控制器平臺(tái)(20)連接。
3.按權(quán)利要求1所述的一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于 所述的微控制器平臺(tái)(20)用1 與空氣溫度和濕度傳感器(11)通信，用1 與環(huán)境光照傳感器(12)通信，用UART與攝像頭(13)通信，用A/D與土壤濕度傳感器(14)通信，用A/ D與空氣二氧化碳濃度傳感器(15)通信，用A/D與水環(huán)境PH值傳感器(16)通信，用UART 與XBee無線傳輸模塊(30)通信。
4.按權(quán)利要求1所述的一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于 所述的無線傳輸模塊(30)采用美國Digi公司的XBee ZNet 2. 5低功耗模塊。
5.按權(quán)利要求1所述的一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于 智能電源模塊(40)包括太陽能(41)、市電(42)和蓄電池(43)構(gòu)成FILO三級(jí)供電隊(duì)
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種多參數(shù)多功能低功耗自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，涉及現(xiàn)代化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑工地和公用場(chǎng)所的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型包括封裝盒(00)，安裝于封裝盒(00)外的傳感器陣列(10)，安裝于封裝盒(00)內(nèi)的微控制器平臺(tái)(20)、無線傳輸模塊(30)和智能電源模塊(40)；傳感器陣列(10)、微控制器平臺(tái)(20)和無線傳輸模塊(30)依次連接；智能電源模塊(40)分別與微控制器平臺(tái)(20)、無線傳輸模塊(30)和智能電源模塊(40)連接。本實(shí)用新型適用于現(xiàn)代化多參數(shù)環(huán)境全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，具有較大推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G08C17/02GK202275506SQ201120411948
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者楊春勇, 牛磊, 覃敏, 谷瑑, 郭建平, 陸恒, 馬健壯 申請(qǐng)人:中南民族大學(xué)