專利名稱：基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測系統及檢測方法
技術領域：
本發明涉及水質檢測和通信領域，是一種基于無線網絡型水中鹽度、溫度參數的檢測 系統及檢測方法，主要應用于水環境監測、水產養殖、生物發酵工程等領域。
背景技術：
水質環境、水產養殖中鹽度和溫度的參數檢測與控制在水產養殖、城市供水等領域中 至關重要。現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， 由被測海水電導池、標準海水電導池、測量電路、單片機、水槽、攪拌器、水泵等構成， 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 型多功能水質檢測儀"的專利公開了一種能在現場條件下對水樣的溫度、酸度、電導率和 含鹽量四種參數進行快速測量的便攜式化學分析儀器。這種鹽度計或水質檢測儀的缺陷是 1、沒有通信接口，或者只有基于簡單RS-232串口通信功能，不能滿足儀器組網的要求；2、 采用的是有線通信，受到現場布線的限制，在某些受環境約束的地方應用比較困難，3、成 本較高，不能滿足水環境監測、工廠化養殖的進一步發展要求。
隨著網絡技術和通信技術的飛速發展，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，在許多領域有著廣闊的應用前景。 無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術和通信技術， 能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這 些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，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，所以應用前景十分廣闊，在遠程控制領域有實用價值。而目前 未見無線傳感器網絡具體應用在工廠化水產養殖中。
發明內容
本發明的目的在于針對當前鹽度、溫度檢測儀表有線通信的不足，提供了一種基于無 線傳感器網絡的鹽度、溫度的檢測系統，可實現池水鹽度、溫度數據的無線傳輸和控制指 令的無線傳輸，避免了有線網絡帶來的線路鋪設成本高、布線復雜、維護困難等不利因素。
本發明的另一目的在于提供一種基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測方法，該方法簡單 可靠且靈敏度和精度都很高。
基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測系統采用的技術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理電路，信號調理電路再串接單片機和射頻模塊組成一個水池的傳感節點；將若干個傳感器節點和若干個控制節點的輸出信號通過射頻模塊發送到一個匯 聚節點，再將若干個匯聚節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 并接到監控中心的輸入，控制節點連接執行機構。基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測方法釆用的技術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信號經過調理電路放大，然后由 單片機進行信號處理，再通過射頻模塊發射給匯聚節點；B、 匯聚節點通過射頻模塊將接收的信號再經單片機處理后發送到控制站點，控制站點 和監控中心可進行雙向通訊，控制站點發出的控制指令通過匯聚節點發送給控制節點；C、 控制節點驅動執行機構執行控制任務；D、 監控中心對所有水池統一管理和監控，控制站點接收監控中心的PC機的控制命令， 傳送給匯聚節點，匯聚節點通過射頻電路把信號發送給傳感器節點和控制節點，同時顯示 器顯示參數值和控制執行情況。本發明的優點是1、 克服鹽度、溫度檢測儀表有線傳感器的不足，設置匯聚節點與覆蓋范圍內的傳感器 節點、控制節點形成星型網絡。2、 具有高精度的傳感器信號調理電路，并且對鹽度的測量具有自動溫度補償功能。3、 無線傳感器網絡使用比較普遍的2.4GHz全球公開免費頻段，可減少無線通信對其 它設備的干擾，同時有效降低發送功率。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。 圖1是本發明無線網絡體系結構圖； 圖2是圖1中傳感器節點2的結構圖；圖3是圖1中匯聚節點1的結構圖；圖4是圖2中無線鹽度傳感器調理電路圖；圖5是圖2中無線溫度傳感器調理電路圖；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絡由若干匯聚節點1、若干傳感器節點2、若干控 制節點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連接到信號調理 電路9，信號調理電路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點2;將若干個傳感器節點2和若干個控制節點3的輸出信號通過nRF2401射 頻模塊11發送到一個匯聚節點1，再將若干個匯聚節點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的輸入并接到監控中心5的輸入，控制節點3連接執行機構6。 其中無線鹽度傳感器7和無線溫度傳感器8經過調理電路9放大，然后由C8051F310單片 機10進行信號處理，再通過nRF2401射頻電路發射給匯聚節點1 。控制站點4起著所在傳 感器網絡任務管理器的作用，而監控中心5則對所有水池進行統一管理和監控。在每個水 池中，匯聚節點1是傳感器節點2、控制節點3與控制站點4之間連接的橋梁，所有采集 數據均通過匯聚節點1發送到控制站點4，而控制指令則由控制站點4發出后通過匯聚節 點1發送給控制節點3，有控制節點3驅動執行機構6執行控制任務。圖3所示，匯聚節點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，接收傳感器節點2傳過來的數據，并且做相應的轉換后 發送給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，把信號發送給傳 感器節點2和控制節點3。圖4所示，信號調理電路9由無線鹽度傳感器7調理電路和無線溫度傳感器8調理電 路組成，其中無線鹽度傳感器7調理電路包括將傳感器電極Rx和分壓電阻R6串聯接入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型鍍鉑黑電導電極Rx。 RC橋式正弦波振蕩電路產生一 定頻率和幅值的正弦信號。由于不同濃度的鹽溶液導電性不同，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進行數據 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據放大器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，輸出對應一定溫度值的電壓信號。 只要標定其中的對應關系，就可以計算出實際的溫度值。圖5中左邊三運放數據放大器組 成測量放大電路，將電橋的微弱信號放大到0 5V范圍送單片機進行A/D轉換和數據處理。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為時鐘和數據引腳，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，沒有發送功能。傳感節點2的鹽度和溫度傳感器將 測量的信號經調理電路9調理后送單片機10的A/D轉換引腳，數據處理后通過接收通道 一傳輸到nRF2401，并控制nRF2401發送出去。匯聚節點1分時接收各傳感節點2發送過 來的數據，當接收到有效數據后，產生中斷通知單片機10來取數據。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。P1.3 P1.5與接收通道二相連，用軟件模擬SPI來接收有效數據。 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標準的SPI接口相比， nRF2401只有一個雙向的數據端口 (DATA)。當nRF2401工作在配置模式和發射模式時， 它的DATA引腳是數據輸入端口；當nRF2401工作在接收模式時，DATA引腳是數據輸出 端口。為了防止沖突，實現阻抗匹配和隔離，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檢測到的參數信號經過調理 電路9放大，然后由單片機10進行信號處理，再通過射頻模塊11發射給匯聚節點1;匯 聚節點1通過射頻模塊15將接收的信號后經單片機12處理后發送到控制站點4，控制站 點4和監控中心5可進行雙向通訊，控制站點4發出的控制指令通過匯聚節點1發送給控 制節點3;控制節點3驅動執行機構6執行控制任務；監控中心5對所有水池統一管理和 監控，控制站點4接收監控中心5的PC機的控制命令，傳送給匯聚節點1，匯聚節點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把信號發送給傳感器節點2和控 制節點3，同時顯示器14顯示參數值和控制執行情況。
權利要求
1.一種基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測系統，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)連接到信號調理電路(9)，信號調理電路(9)再串接單片機(10)和射頻模塊(11)組成一個水池的傳感節點(2)；將若干個傳感器節點(2)和若干個控制節點(3)的輸出信號通過射頻模塊(11)發送到一個匯聚節點(1)，再將若干個匯聚節點(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)的輸入并接到監控中心(5)的輸入，控制節點(3)連接執行機構(6)。
2. 根據權利要求1所述的基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測系統，其特征是匯聚節點(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. 根據權利要求l所述的基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測系統，其特征是信號調理電 路(9)由無線鹽度傳感器(7)調理電路和無線溫度傳感器(8)調理電路組成，其中無線 鹽度傳感器(7)調理電路包括將傳感器電極(Rx)和分壓電阻(R6)串聯接入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據放大器(IC201:1、 IC201:2、 IC201:3)和電 壓跟隨器。
4. 一種基于無線網絡型鹽度、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)檢測到的參數信號經過調理電路(9) 放大，然后由單片機(10)進行信號處理，再通過射頻模塊(11)發射給匯聚節點(1);B、 匯聚節點(1)通過射頻模塊(15)將接收的信號再經單片機(12)處理后發送到 控制站點(4)，控制站點(4)和監控中心(5)可進行雙向通訊，控制站點(4)發出的控 制指令通過匯聚節點(1)發送給控制節點(3);C、 控制節點(3)驅動執行機構(6)執行控制任務；D、 監控中心(5)對所有水池統一管理和監控，控制站點(4)接收監控中心(5)的 PC機的控制命令，傳送給匯聚節點(1)，匯聚節點(1)通過射頻電路把信號發送給傳感 器節點(2)和控制節點(3)，同時顯示器(14)顯示參數值和控制執行情況。
全文摘要
本發明公開了一種基于無線網絡型鹽度、溫度的檢測系統及檢測方法，將無線鹽度、溫度傳感器連接到信號調理電路，信號調理電路串接單片機和射頻模塊組成一個水池的傳感節點；將若干個傳感器節點和若干個控制節點的輸出信號通過射頻模塊發送到一個匯聚節點，再將若干個匯聚節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控中心的輸入，控制節點連接執行機構，本發明設置匯聚節點與覆蓋范圍內的傳感器節點、控制節點形成星型網絡，具有高精度的傳感器信號調理電路，并且對鹽度的測量具有自動溫度補償功能，無線傳感器網絡使用普遍的2.4GHz全球公開免費頻段，減少了無線通信對其它設備的干擾，同時有效降低發送功率。
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 優先權日2008年6月20日
發明者劉星橋, 峰 季, 云 秦, 程明慧, 趙德安, 沖 陳 申請人:江蘇大學