一种用于水下信息采集的无线传感器网络装置和实现方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及无线传感器网络应用领域，具体是提供了一种利用液位传送器、倾角传感器、温度传感器进行水下信息采集的无线传感器网络装置和实现方法。本发明专利技术所述的装置包括传感器单元、控制单元、数据交换单元和射频单元。本发明专利技术所述的实现方法包括传感器输出信号的采集方法，采集数据的转换处理方法，传感器的控制方法，低功耗控制方法，装置与基站的组网方法，上报数据方法，射频唤醒方法及无线传输通信方法。本发明专利技术利用液位传送器、倾角传感器、温度传感器对水位、水下地形和水温等水下信息进行采集，通过控制单元对采集数据进行相应的转化处理，实时检测出发明专利技术装置所在水下位置的水文信息，并通过无线传输的通信方式把数据发送至基站以进行水下信息方面的检测。本发明专利技术采用自组织的无线传感器网络，在使用过程中可根据实际情况灵活布设，快速组网，具有布设维护简单、操作安全，运行成本低等特点。

Wireless sensor network device and method for underwater information acquisition

The present invention relates to the application field of wireless sensor networks, in particular provides a wireless sensor network device for underwater information acquisition using level transmitter, tilt sensor, temperature sensor and realizing method. The device comprises a sensor unit, a control unit, a data exchange unit and a radio frequency unit. To realize the method of the invention comprises a sensor output signal acquisition method, data processing method, control method of the sensor, the low power consumption control method, network method and base station device, data reporting method, RF wake-up method and communication method of wireless transmission. The invention utilizes the level transmitter, tilt sensor, temperature sensor to collect the information of terrain and water temperature and water level, water under the control unit corresponding to the data conversion processing, detection of hydrological information location device where the water in real time, and send data to a base station to detect underwater information through the wireless transmission communication mode. The invention adopts self organized wireless sensor network, and can be flexibly arranged according to the actual situation in the process of use, and has the advantages of simple layout and maintenance, safe operation, low operation cost, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络应用领域，具体是利用液位传送器、倾角传感器、温度传感 器进行水下信息采集的无线传感器网络装置和实现方法。技术背景我国是一个洪涝灾害比较频繁的国家，为避免和减小洪涝带来的经济损失，众多的江河湖 泊需要及时准确的检测水位等水文信息。随着经济的发展，水下养殖、水下打捞、水下探测、 水下抢修、水下旅游等水下活动越来越频繁，由于水下情况的未知性使得这些水下活动具有 一定的危险性。这些使得安全可靠的采集水下信息成为亟待解决的问题。传统的水下信息采 集方法主要有以下几种方式其一是手持竹竿人工取样方式，此种方式精度差、操作难度大、 劳动强度高，尤其在汛期时危险性高；其二是潜水取样，此种方式在近海作业时采用较为频 繁，除存在上述的缺点外，其采集成本高、采样次数少、采集数据不及时、受气候影响大。 因此，专利技术一种安全、及时、可靠、方便的水下信息采集装置成为发展未来水下活动首要解 决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。本专利技术要解决的传统水下信息采集方法存在的精度差、操作难度大、劳动强度高、采集 成本高、采样次数少、采集数据不及时、受气候影响大的问题。为实现以上目的，本专利技术所述的一种用于水下信息采集的无线传感器网络装置由液位传 送器、倾角传感器、温度传感器、控制单元、数据交换单元和射频单元组成；液位传送器、 倾角传感器、温度传感器分别与控制单元互相连接，控制单元与数据交换单元互相连接，数 据交换单元与射频单元互相连接。液位传送器用来检测装置所处位置的水压信息并输出模拟信号；倾角传感器用来检测装置所处位置的地形信息并输出数字信号；温度传感器用来检测装置所处位置的温度信息并输出模拟信号；控制单元通过控制单元的输入输出管脚口对液位传送器、倾角传感器、温度传感器的开关进行控制，保证装置的低功耗特性及运行的灵活性；控制单元利用自带的AD采集液位传送器及温度传感器的模拟输出信号； 控制单元利用串行外设接口与倾角传感器进行数据交换，倾角传感器的输出信号与AD采集的液位传送器信号、温度传感器信号在控制单元内进行转换算法及协议处理； 控制单元还协调整个装置的有效运行，控制系统功耗，延长装置工作时间； 数据交换单元将控制单元与射频单元连接，以便两者进行数据交换； 射频单元与基站建立无线通信联系，进行数据交换； 本专利技术装置电源由电池提供。本专利技术所述的一种用于水下信息采集的无线传感器网络装置的实现方法包括传感器输 出信号的采集方法，采集数据的转换处理方法，传感器的控制方法，低功耗控制方法，装置 与基站的组网方法，上报数据方法，射频唤醒方法及无线传输通信方法。传感器输出信号的采集方法是控制单元利用自带的AD采集液位传送器及温度传感器的 模拟输出信号，利用自带的串行外设接口与倾角传感器进行数据交换。釆集数据的转换处理方法是控制单元根据固化在其存储单元里的程序对从液位传送器、 倾角传感器、温度传感器采集来的信号进行转换，以准确反映出装置所在位置的水位、水下 地形、水温。传感器的控制方法是利用控制单元利用输入输出管脚控制液位传送器、倾角传感器、温 度传感器的开关，根据具体要求进行水下信息采集。低功耗控制方法是指控制单元周期地进入低功耗状态并间歇式地切断液位传送器、倾角 传感器、温度传感器的电源，同时可控制射频单元进入休眠低功耗状态，从而把功耗降到最 低；装置绝大部分时间处于休眠状态，只有需要进行采集时才处于正常工作状态。装置与基站的组网方法是指装置与基站的网络拓扑采用自组织的无线传感器网络。本专利技术上报数据方法为实时上报和定时上报，定时时间由基站设置。射频唤醒方法指通过射频模块的射频唤醒功能使装置在正常工作状态和休眠状态间进行 转换。无线传输通信方法指检测装置和基站之间采用无线通信的方式进行数据传输，维护简单 方便。本专利技术具有成本低、布设维护方便、使用安全、及时准确等优点。有效的解决了传统人 工作业所存在的问题。本专利技术的该装置在水下活动作业中具有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术的装置框图。图2为本专利技术装置的工作流程图。图3为本专利技术的网络拓朴图。图4为本专利技术装置的端机程序流程图。图5为本专利技术装置的基站程序流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术所述的一种用于水下信息釆集的无线传感器网络装置包括液位传送 器、倾角传感器、温度传感器、控制单元、数据交换单元和射频单元组成液位传送器、倾 角传感器、温度传感器分别与控制单元互相连接，控制单元与数据交换单元互相连接，数据 交换单元与射频单元互相连接。液位传送器用来检测装置所处位置的水压信息并输出模拟信号；倾角传感器用来检测装置所处位置的地形信息并输出数字信号；温度传感器用来检测装置所处位置的温度信息并输出模拟信号；控制单元通过控制单元的输入输出管脚口对液位传送器、倾角传感器、温度传感器的开关进行控制，保证装置的低功耗特性及运行的灵活性；控制单元利用自带的AD采集液位传送器及温度传感器的模拟输出信号； 控制单元利用串行外设接口与倾角传感器进行数据交换，倾角传感器的输出信号与AD采集的液位传送器信号、温度传感器信号在控制单元内进行转换算法及协议处理； 控制单元还协调整个装置的有效运行，控制系统功耗，延长装置工作时间； 数据交换单元将控制单元与射频单元连接，以便两者进行数据交换； 射频单元与基站建立无线通信联系，进行数据交换。液位传送器采用MOTOROLA公司的MPX5700，倾角传感器采用VTI公司的SCA3100， 温度传感器采用负温度系数热敏电阻。射频单元工作频率为433MHz,信道数目255个，数据 传输速率及功率可调，最大传输速率500kbps，最大传输功率10dBm,布设在水面时的无线传 输距离最大可到500m，射频单元采用垂直极化方向的全向陶瓷天线，最大天线增益0.5dBi， 最大驻波比2.0。控制单元利用自带的AD采集液位传送器及温度传感器的模拟输出信号，利 用自带的串行外设接口同倾角传感器进行数据交换。整个装置在一套完善的低功耗模式下工作，控制单元和射频单元只有在短暂的检测时间 内处于正常工作模式，其余时间处于超低功耗模式并可根据需要切断液位传送器、倾角传感 器、温度传感器的供电电源，保证系统以最低的功耗进行工作。正常工作状态和休眠状态之 间的切换靠射频唤醒功能来实现。装置的工作电压为5V，统处于休眠时的工作电流为0.3mA， 正常工作时的电流为8mA，最大工作电流为38mA。装置的供电由电池提供。装置与基站采用自组织的无线传感器网络组成网络。装置的控制单元将处理过的数据通 过射频单元发送至基站，发送方式为实时和定时，定时时间可由基站方便设置。装置上电后，首先进行图2所示的初始化工作，完成初始化工作后装置将加入网络，加 入网络后即进入休眠状态，当射频唤醒的命令到来时装置进入正常工作状态，采集结束重新 进入休眠状态。本专利技术所述的用于水下信息采集的无线传感器网络装置的实现方法为通过控制单元控 制液位传送器、倾角传感器、温度传感器的开关，根据具体要求进行水下信息采集。控制单 元通过对采集的信号进行相应转换处理后得到准确的水位、水下地形、水温信息。控制单元 除根据需求可定期进入超低功耗状态外，还可控制液位传送器、倾角传感器、温度传感器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于水下信息采集的无线传感器网络装置，其特征在于它由液位传送器、倾角传感器、温度传感器、控制单元、数据交换单元和射频单元组成；液位传送器、倾角传感器、温度传感器分别与控制单元互相连接，控制单元与数据交换单元互相连接，数据交换单元与射频单元互相连接。　液位传送器用来检测装置所处位置的水压信息并输出模拟信号；倾角传感器用来检测装置所处位置的地形信息并输出数字信号；温度传感器用来检测装置所处位置的温度信息并输出模拟信号；控制单元通过控制单元的输入输出管脚口对液位传送器、倾角传感器、温度传感器的开关进行控制，保证装置的低功耗特性及运行的灵活性；控制单元利用自带的ＡＤ采集液位传送器及温度传感器的模拟输出信号；控制单元利用串行外设接口与倾角传感器进行数据交换，倾角传感器的输出信号与ＡＤ采集的液位传送器信号、温度传感器信号在控制单元内进行转换算法及协议处理；控制单元还协调整个装置的有效运行，控制系统功耗，延长装置工作时间；数据交换单元将控制单元与射频单元连接，以便两者进行数据交换；射频单元与基站建立无线通信联系，进行数据交换。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴波，李中一，姜华，刘海涛，赵康，张帆，李保海，周璐巍，鲍星合，
申请(专利权)人：中科院嘉兴中心微系统所分中心，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]