基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，属水文监测设备领域。本发明专利技术包括数据采集模块、控制模块、无线通信模块、供电模块；所述数据采集模块与控制模块相连，控制模块与无线通信模块、供电模块分别与数据采集模块、控制模块、无线通信模块相连。本发明专利技术结构简单、成本低廉，操作便捷，利用具有感知能力、计算能力和无线通信能力的微型无线传感器，以及节点本身的低成本、低功耗、多功能、监测区域覆盖范围广、地址位置分布分散等特点，通过无线传感器节点对野外地理环境的水文变化进行实时监测。供电模块采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式，不仅降低了能耗，还节约了人力成本，避免铅蓄电池的二次污染，起到了节能环保的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，属于水文监测设备

技术介绍
我国水资源分布不均，由于地形环境复杂、气候多样，经济发展不平衡，使得我国水旱灾害频繁发生，水旱灾害给人类生活和经济发展带来巨大损失。水文工作是水利工作的基础，水文测量是衡量水利工作的一个重要指标，水文监测系统检测水文信息的准确性及实时性，直接影响到人身财产安全、水库防洪安全及农业灌溉等。 为了防止水灾、减少水旱灾害带来的经济损失，我国在江河治理方面投入了大量的精力，尤其是近年来，在水利部等国家政府部门的关心和支持下，我国增加了多项水利工作项目，加快了水文工作现代化建设步伐，基本建成了各大江河的防洪预报体系，在山洪灾害发生之前，对水情准确、及时、可靠的预报成为重要的防洪手段，大大减少了人身财产的损失。我国幅员辽阔，自然环境复杂，很多人迹罕至的偏远地区，防汛站和水文监测站的水文监测技术比较落后，水文站的测洪能力不能满足预测大洪水的要求，现有产品存在可靠性差、通用性不强等问题，距离水文信息的现代化还有很长的距离。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：本专利技术提供基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，填补了现有水文监测技术手段中没有与无线传感器网络技术的空白，解决了现有水文监测装置能满足预测大洪水的要求、针对性差、效率低、可靠性差、通用性不强的问题。本专利技术技术方案是：基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，包括数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3、供电模块4、天线Ⅰ5、天线Ⅱ6、树脂胶封层Ⅰ10、树脂胶封层Ⅱ11、树脂胶封层Ⅲ12、聚砜铸模层Ⅰ13、聚砜铸模层Ⅱ14、太阳能电池板15；所述数据采集模块1包括液位传感器7、雨量传感器8、数字温湿传感器9；数据采集模块1与控制模块2相连，控制模块2与无线通信模块3连接，供电模块4分别与数据采集模块1、控制模块2、无线通信模块3相连；天线Ⅰ5通过树脂胶封层Ⅲ12固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，天线Ⅱ6通过树脂胶封层Ⅱ11固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上，液位传感器7、雨量传感器8通过树脂胶封层Ⅰ10固定连接在聚砜铸模层Ⅰ13，数字温湿传感器9通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ13里层的聚砜铸模层Ⅱ14内部，太阳能电池板15通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ13上。优选地，所述无线通信模块3采用通用的2.4G无线通讯模块。优选地，所述供电模块4采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式。优选地，所述液位传感器7包括直角形玻璃板23、衍射光学元件Ⅱ24、红外光敏接收器25、RC环形振荡电路Ⅱ26、聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27、红外发光二极管28、遮光层29、增益放大电路Ⅱ30；所述直角形玻璃板23的斜边通过不影响光透的聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅱ24无缝连接，红外发光二极管28的上半发光部分嵌入衍射光学元件Ⅱ24，衍射光学元件Ⅱ24通过聚碳酸酯和硅胶与红外光敏接收器25无缝连接，把暴露在衍射光学元件Ⅱ24外，并嵌入红外光敏接收器25的红外发光二极管28的下半部分包裹上一层遮光层29；红外光敏接收器25下边左侧设有RC环形振荡电路26，增益放大电路Ⅱ30与RC环形振荡电路26并排，设在红外光敏接收器25下边右侧，红外光敏接收器25与增益放大电路Ⅱ30连接RC环形振荡电路26连接，增益放大电路Ⅱ30与；整个液位传感器7通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ27将其整体封装。优选地，所述雨量传感器8包括拱形玻璃板16、衍射光学元件Ⅰ17、聚焦红外光束发送器18、RC环形振荡电路Ⅰ19、聚碳酸酯透明壳体20、光学接收器21、增益放大电路Ⅰ22；其中拱形玻璃板16的直线边通过聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅰ17无缝连接，聚焦红外光束发送器18的光束发送端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，聚焦红外光束发送器18没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止发出的红外光束有一部分不通过衍射光学元件Ⅰ17直接被光学接收器21接收，光学接收器21的光束接收端嵌入衍射光学元件Ⅰ17中，光学接收器21没有嵌入衍射光学元件Ⅰ17的其他部分由不透光的遮光材料密封，防止光学接收器21的接收端因接收非来自衍射光学元件Ⅰ17的红外光束而影响雨量传感器的工作能力；聚焦红外光束发送器18的下方设有R C环形振荡电路Ⅰ19，光学接收器21下方设有增益放大电路Ⅰ22，衍射光学元件Ⅰ17与增益放大电路Ⅰ22相连，增益放大电路Ⅰ22与R C环形振荡电路Ⅰ19相连；整个雨量传感器8通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ20将其整体封装。优选地，所述数字温湿传感器9选用一种改进型智能温度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度。DS18B20可以直接读出被测温度值，测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增，而且采用了线制与单片机相连，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信，无需外部器件减少了外部的硬件电路，而且成本低使用方便。优选地，所述控制模块2包括单片机模块35、充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34；其中，单片机模块35分别与雨量传感器8中的RC环形振荡电路Ⅰ19、增益放大电路Ⅰ22连接；单片机模块35分别与液位传感器7中的RC环形振荡电路Ⅱ26、增益放大电路Ⅱ30连接；单片机模块35再分别与充电控制电路31、温度传感器电路32、12V-5V转换电路33、5V-3.3V转换电路34相连。优选地，所述充电控制电路31包括CN3063芯片、电容C2、C3、电阻R2、R3、发光二极管L1、L2；其中CN3063芯片的TEMP引脚与GND引脚串接，然后一起接地，ISET引脚通过下拉电阻R3接地，BAT引脚通过下拉电容C3接地，FB引脚与BAT引脚并联接入锂电池的正负极BATH+和BATH-，锂电池的正极BATH+与电容C3的一端相连接，锂电池的负极BATH-与电容C3的另一端相连接，DONE引脚和CHRG引脚分别接发光二极管L1，发光二极管L2，然后并联连接电阻R2，最后与VIN引脚并联且通过一个二极管接入太阳能电池板输出端，二极管电流流出端通过下拉电容C2接地。优选地，所述温度传感器电路32包括18B20芯片、电容C4、电阻R4；其中18B20芯片的管脚1连接电容C4的一端，电容C4的另一端直接接地，18B20芯片的管脚2连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与18B20芯片的管脚1并联，并接入5V电源，18B20芯片的管脚3直接接地。优选地，所述12V-5V转换电路33包括电源J1、LM7805芯片J2、LM7805芯片J3、二极管D1、D2、电解电容CS1、CS2、CS3、CS4、电容C5、C6、C7、C8、电阻R5；其中电源J1的正极与二接管D1的正极相连接，二接管D1的负极与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电源J1的负极直接接地，电解电容CS1与电容C5并联，并联的一端与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电解电容CS1与电容C5并联的另一端直接接地，LM7805芯片J2的GND管脚直接接地，LM7805芯片J2的Vout管脚连接5V电源，电解电容CS2与电容C6并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：包括数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）、供电模块（4）、天线Ⅰ（5）、天线Ⅱ（6）、树脂胶封层Ⅰ（10）、树脂胶封层Ⅱ（11）、树脂胶封层Ⅲ（12）、聚砜铸模层Ⅰ（13）、聚砜铸模层Ⅱ（14）、太阳能电池板（15）；所述数据采集模块（1）包括液位传感器（7）、雨量传感器（8）、数字温湿传感器（9）；数据采集模块（1）与控制模块（2）相连，控制模块（2）与无线通信模块（3）连接，供电模块（4）分别与数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）相连；天线Ⅰ（5）通过树脂胶封层Ⅲ（12）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，天线Ⅱ（6）通过树脂胶封层Ⅱ（11）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，液位传感器（7）、雨量传感器（8）通过树脂胶封层Ⅰ（10）固定连接在聚砜铸模层Ⅰ（13），数字温湿传感器（9）通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ（13）里层的聚砜铸模层Ⅱ（14）内部，太阳能电池板（15）通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上。

【技术特征摘要】
1.基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：包括数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）、供电模块（4）、天线Ⅰ（5）、天线Ⅱ（6）、树脂胶封层Ⅰ（10）、树脂胶封层Ⅱ（11）、树脂胶封层Ⅲ（12）、聚砜铸模层Ⅰ（13）、聚砜铸模层Ⅱ（14）、太阳能电池板（15）；所述数据采集模块（1）包括液位传感器（7）、雨量传感器（8）、数字温湿传感器（9）；数据采集模块（1）与控制模块（2）相连，控制模块（2）与无线通信模块（3）连接，供电模块（4）分别与数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）相连；天线Ⅰ（5）通过树脂胶封层Ⅲ（12）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，天线Ⅱ（6）通过树脂胶封层Ⅱ（11）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，液位传感器（7）、雨量传感器（8）通过树脂胶封层Ⅰ（10）固定连接在聚砜铸模层Ⅰ（13），数字温湿传感器（9）通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ（13）里层的聚砜铸模层Ⅱ（14）内部，太阳能电池板（15）通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上。2.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述无线通信模块（3）采用通用的2.4G无线通讯模块。3.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述供电模块（4）采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式。4.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述液位传感器（7）包括直角形玻璃板（23）、衍射光学元件Ⅱ（24）、红外光敏接收器（25）、RC环形振荡电路Ⅱ（26）、聚碳酸酯透明壳体Ⅱ（27）、红外发光二极管（28）、遮光层（29）、增益放大电路Ⅱ（30）；所述直角形玻璃板（23）的斜边通过不影响光透的聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅱ（24）无缝连接，红外发光二极管（28）的上半发光部分嵌入衍射光学元件Ⅱ（24），衍射光学元件Ⅱ（24）通过聚碳酸酯和硅胶与红外光敏接收器（25）无缝连接，把暴露在衍射光学元件Ⅱ（24）外，并嵌入红外光敏接收器（25）的红外发光二极管（28）的下半部分包裹上一层遮光层（29）；红外光敏接收器（25）下边左侧设有RC环形振荡电路（26），增益放大电路Ⅱ（30）与RC环形振荡电路（26）并排，设在红外光敏接收器（25）下边右侧，红外光敏接收器（25）与增益放大电路Ⅱ（30）连接RC环形振荡电路（26）连接，增益放大电路Ⅱ（30）与；整个液位传感器（7）通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ（27）将其整体封装。5.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述雨量传感器（8）包括拱形玻璃板（16）、衍射光学元件Ⅰ（17）、聚焦红外光束发送器（18）、RC环形振荡电路Ⅰ（19）、聚碳酸酯透明壳体（20）、光学接收器（21）、增益放大电路Ⅰ（22）；其中拱形玻璃板（16）的直线边通过聚碳酸酯和硅胶与衍射光学元件Ⅰ（17）无缝连接，聚焦红外光束发送器（18）的光束发送端嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）中，聚焦红外光束发送器（18）没有嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）的其他部分由不透光的遮光材料密封，光学接收器（21）的光束接收端嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）中，光学接收器（21）没有嵌入衍射光学元件Ⅰ（17）的其他部分由不透光的遮光材料密封，聚焦红外光束发送器（18）的下方设有R C环形振荡电路Ⅰ（19），光学接收器（21）下方设有增益放大电路Ⅰ（22），衍射光学元件Ⅰ（17）与增益放大电路Ⅰ（22）相连，增益放大电路Ⅰ（22）与R C环形振荡电路Ⅰ（19）相连；整个雨量传感器（8）通过聚碳酸酯透明壳体Ⅱ（20）将其整体封装。6.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述数字温湿传感器（9）选用一种改进型智能温度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度。7.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：所述控制模块（2）包括单片机模块（35）、充电控制电路（31）、温度传感器电路（32）、12V-5V转换电路（33）、5V-3.3V转换电路（34）；其中，单片机模块（35）分别与雨量传感器（8）中的RC环形振荡电路Ⅰ（19）、增益放大电路Ⅰ（22）...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶，马晨，李英娜，吴晟，江虹，范洪博，贾连印，李润鑫，容会，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53