一种用于喀斯特地区的林业监测装置
阅读：1033发布：2020-08-09
专利汇可以提供一种用于喀斯特地区的林业监测装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种用于喀斯特地区的林业监测装置，它包括呈正八边形布置的底座，在底座上固定连接竖杆，在竖杆的顶端、底端和中间之间固定连接有三层 横杆 ，在横杆和竖杆连接的顶面和侧面上设透明的玻璃，其中侧面的玻璃有四面为可打开的 门 结构，在竖杆的顶端固定连接 支架 ，支架上设有各种 传感器 ，在竖杆顶端的玻璃上设有 太阳能 电池 板，在竖杆的外 侧壁 上设有大气 压 力 传感器 、空气温 湿度传感器 和摄像头，在竖杆的内侧设有 控制器 、锂 电池组 、传感器和 水 位观察井。将各类传感器安装固定后，通过 太阳能电池 与 蓄电池 供电使各传感器长期工作在监测状态，并通过 数据采集 器与GPRS数据收发装置，将数据实时传送到终端，最终实现多点长期实时监测。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种用于喀斯特地区的林业监测装置专利的具体信息内容。
1.一种用于喀斯特地区的林业监测装置，其特征在于：它包括呈正八边形布置的底座（21），在底座（21）上固定连接有竖杆（19），在竖杆（19）的顶端、底端和中间之间固定连接有三层横杆（18），在横杆（18）和竖杆（19）连接的顶面和侧面上设有透明的玻璃，其中侧面的玻璃有四面为可侧向打开的门结构，在竖杆（19）的顶端固定连接有支架（20），支架（20）上设有风速风向传感器（1）、雨量筒（8）、净辐射表（7）和光量子传感器（2），在竖杆（19）顶端的玻璃上设有太阳能电池板（3），在竖杆（19）的外侧壁上设有大气压力传感器（10）、空气温湿度传感器（5）和摄像头（4），在竖杆（19）的内侧设有控制器（11）、锂电池组（14）、气体采集箱（12）、土壤三分量传感器（13）和水位观察井（16）。
2.根据权利要求1所述的用于喀斯特地区的林业监测装置，其特征在于：所述水位观察井（16）内设有土壤水位计（17）。
3.根据权利要求1所述的用于喀斯特地区的林业监测装置，其特征在于：所述竖杆（19）的内侧还设有土壤热通量传感器（15）和高程测量系统（6）。
4.根据权利要求1所述的用于喀斯特地区的林业监测装置，其特征在于：所述竖杆（19）的外侧壁上还设有GPRS天线（9）。
5.根据权利要求1所述的用于喀斯特地区的林业监测装置，其特征在于：所述控制器（11）通过导线分别与电池组（14）、净辐射表（7）、光量子传感器（2）、风速风向传感器（1）、GPRS天线（9）、大气压力传感器（10）、空气温湿度传感器（5）、摄像头（4）、气体采集箱（12）、土壤三分量传感器（13）和土壤水位计（17）电连接。
6.根据权利要求1所述的用于喀斯特地区的林业监测装置，其特征在于：所述太阳能电池板（3）通过控制器（11）与锂电池组（14）电连接。
一种用于喀斯特地区的林业监测装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种监测装置，尤其涉及一种用于喀斯特地区的林业监测装置，属于农业林业监测设备技术领域。
背景技术
[0002] 现有林业资源监测设备多用于单一或少量指标监测，难以集成统一监测大量指标类型。监测作业依赖人力资源，需要频繁往来于监测地和工作地。除气象站外，其它监测设备难以进行无人值守的长期自动检测，且所有监测数据需要人力导出，无法远程获取与查看。监测设备缺乏系统性，传感器等关键部件难以统一精度与设计标准，不利于后期协同作业，设备调整复杂和维护成本较高。发明内容
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是：提供一种用于喀斯特地区的林业监测装置，将各类传感器安装固定后，通过太阳能电池与蓄电池供电使各传感器长期工作在监测状态，并通过数据采集器与GPRS数据收发装置，将数据实时传送到终端，最终实现多点长期实时监测，有效的解决了上述存在的问题。
[0004] 本实用新型的技术方案为：一种用于喀斯特地区的林业监测装置，它包括呈正八边形布置的底座，在底座上固定连接有竖杆，在竖杆的顶端、底端和中间之间固定连接有三层横杆，在横杆和竖杆连接的顶面和侧面上设有透明的玻璃，其中侧面的玻璃有四面为可侧向打开的门结构，在竖杆的顶端固定连接有支架，支架上设有风速风向传感器、雨量筒、净辐射表和光量子传感器，在竖杆顶端的玻璃上设有太阳能电池板，在竖杆的外侧壁上设有大气压力传感器、空气温湿度传感器和摄像头，在竖杆的内侧设有控制器、锂电池组、气体采集箱、土壤三分量传感器和水位观察井。
[0005] 所述水位观察井内设有土壤水位计。
[0006] 所述竖杆的内侧还设有土壤热通量传感器和高程测量系统。
[0007] 所述竖杆的外侧壁上还设有GPRS天线。
[0010] 本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，有如下优点：
[0011] 1、省工省时，利用此装置进行林业资源监测工作，减少了人力开支，安置后可长期进行无人值守监测，并实现全时间段持续监测。
[0012] 2、全面系统，利用此装置进行多项指标同时监测，加快了科研工作的系统性与全面性。
[0013] 3、方便快捷，传统监测需要往返于监测地与工作地，产生大量差旅投入与人力投入，采用本系统可通过数据无线传输直接获取数据，无需频繁前往监测地。
[0014] 4、控制误差，传统监测方式需采用多个单一仪器设备，难以统一标准，本系统选择相同尺度和标准的高精度传感器，保障监测数据的相对误差。
[0015] 5、适用野外长期监测，此装置各传感器高度集成，采用太阳能电池无需额外供电，结构明了，占地面积小，操作方便。
[0017] 图1为本实用新型结构示意图；
[0018] 图2为本实用新型的供电系统连接示意图；
[0019] 图3为本实用新型的电源系统设计示意图；
[0020] 图4为本实用新型的DC-DC电平变换电路图；
[0021] 图5为本实用新型的数据采集系统示意图；
[0022] 图6为本实用新型的RS232转接电路图；
[0023] 图7为本实用新型的风向测量原理图；
[0024] 图8为本实用新型的前级放大电路图；
[0026] 图10为本实用新型的ADS1256与微处理器连接定义图；
[0027] 图11为本实用新型的模数转换电路图；
[0028] 图12为本实用新型的UART和TF卡的电路连接图；
[0029] 图13为本实用新型的远程数据传输示意图。
具体实施方式
[0031] 实施例1：如附图1～13所示，一种用于喀斯特地区的林业监测装置，它包括呈正八边形布置的底座21，在底座21上固定连接有竖杆19，在竖杆19的顶端、底端和中间之间固定连接有三层横杆18，在横杆18和竖杆19连接的顶面和侧面上设有透明的玻璃，其中侧面的玻璃有四面为可侧向打开的门结构，在竖杆19的顶端固定连接有支架20，支架20上设有风速风向传感器1、雨量筒8、净辐射表7和光量子传感器2，在竖杆19顶端的玻璃上设有太阳能电池板3，在竖杆19的外侧壁上设有大气压力传感器10、空气温湿度传感器5和摄像头4，在竖杆19的内侧设有控制器11、锂电池组14、气体采集箱12、土壤三分量传感器13和水位观察井16。
[0032] 所述水位观察井16内设有土壤水位计17。
[0033] 所述竖杆19的内侧还设有土壤热通量传感器15和高程测量系统6。
[0034] 所述竖杆19的外侧壁上还设有GPRS天线9。
[0035] 所述控制器11通过导线分别与电池组14、净辐射表7、光量子传感器2、风速风向传感器1、GPRS天线9、大气压力传感器10、空气温湿度传感器5、摄像头4、气体采集箱12、土壤三分量传感器13和土壤水位计17电连接。
[0036] 所述太阳能电池板3通过控制器11与锂电池组14电连接。
[0037] 增温箱主体：外直径φ2800mm，截面正八边形，高度2700mm，铝合金型材框架，配4扇平开门，密封透光材料为钢化玻璃。增温箱主体由不锈钢锚杆及基盘安装固定：增温箱顶部配正八边形框架；内部安装活动滑轨，直径φ40mm，长度2600mm，采用不锈钢管做芯棒，外层绕碳纤维丝，承重不小于200kg。导杆一端铰接、一端销轴固定，离地约500mm，两件平行安装为一组，跨距1000mm，共两组，可垂直旋转后收与立柱平行。活动滑轨上搭载1100mmx400mm移动木栈道，供观测人员采样操作使用。
[0038] 传感器由24V，60Ah锂电池组供电，电池组由120w太阳能电池板充电。锂电池组安装在专用密封舱内，通过防水电缆及插座与用电系统连接，防护等级不低于IP6，电缆外装保护套，可以埋在地表以下。地下水监测管尺寸为φ450*1800，亚克力材质，安装在增温箱内侧。气体采集箱安装在阳光房主体内侧，直径φ450，设计为分离式结构，每段长0.9m，可累加，顶部有密封盖。由中间法兰连接，亚克力材质。
[0039] 本林业监测装置具备以下功能：
[0040] (1)供电功能。
[0041] 配备两块太阳能电池板，在阳光充足情况下，经由电源管理系统对蓄电池进行充电。蓄电池在电源管理系统的管理下均衡放电，为各系统提供电源。电源管理系统还需要实时监测太阳能板状态、蓄电池状态、蓄电池电压值与充放电电流，并将数据实时传输给数据采集系统。
[0042] (2)传感与数据采集功能。
[0043] 系统配备风速风向传感器1套、雨量传感器1套、净辐射传感器1套、光量子传感器1套、大气压力传感器1套、空气温湿度传感器4套、土壤三分量传感器8套、自标定热通量传感器4套、压力水位传感器1套，具有实时测量风速、风向、雨量、净辐射、光合有效辐射、大气压力、大气温度、大气湿度、土壤热通量、土壤体积含水量、土壤电导率、土壤温度、土壤地下水位13类环境参数的能力。数据采集系统同时采集上述13类环境数据，并采集供电系统状态、系统自身运行状态等数据，打包后发送给数据远程传输系统，实现远程监控功能。
[0044] (3)数据远程传输功能。
[0045] 数据远程传输系统可实现监测站的远程监控功能，以及多个监测站的同时监控与管理功能。数据远程传输系统通过RS232接口接收来自数据采集系统的打包数据，并通过GPRS无线传输模块，发送至管理终端。管理终端同时接收来自多个监测站的数据，并经过数据解析、整理与打包后，将所有监测站数据以短消息形式，统一发送至项目组相关实验人员的手机。每一个监测站在发送数据到管理终端的同时，也会将监测站的运行数据发送到设备维护人员的手机，便于设备维护人员实时掌握监测站的运行状态。
[0046] 本装置的具体组件说明如下：
[0048] 根据数据采集系统和各种传感器的供电需求，拟采用单节3.2V、1500mAh的磷酸铁锂电池，尺寸83mm×28mm。由154节这样的磷酸铁锂电池，8串8并构成24V 12Ah的可多次充放电的锂电池包。
[0049] 2.亚硫酰氯电池
[0050] 根据数据采集系统和各种传感器的供电需求，拟采用单节3.6V、19Ah的亚硫酰氯电池，尺寸7.4mm×4.1mm。由42节这样的亚硫酰氯电池，7串6并构成24V 120Ah的一次性放电的锂电池包。
[0051] 3.电池充电器
[0052] 根据供电系统的设计需求，拟采购SF-142自识别太阳能充放电控制器。
[0053] 4.线性稳压电源芯片(LDO)
[0055] 5.开关电源芯片
[0056] 根据数据采集系统电源部分的设计需求，拟采用XL4010型开关电源芯片。
[0057] 6.DC-DC模块
[0058] 由Vicor公司生产的DC-DC模块构成的降压电路，支持输入电压8-40V，输出电压1.25V-36V可调，最大输出电流8A，最高转化效率达93％。
[0059] 7.MCU主芯片
[0060] STM32F407VGT6，该芯片主频高达168MHz，通用输入输出接口最大速率为100MHz，内部RAM高达192Kbyte，Flash容量为1Mbyte，3路SPI总线，内置6路UART，同时还有一个10M/100Mbit的ETH接口。
[0061] 8.基准电源芯片
[0062] REF5025具有以下特性：低温度漂移：高精度版为3ppm/℃(最大)，标准版为8ppm/℃(最大)；高精度：高精度版为0.05％(最大)，标准版为0.1％(最大)；低噪声电压：3uV(峰峰值)；超低的长时间温度漂移：45ppm(1000小时后)；高输出电流：±10mA；工作温度范围：-40℃到125℃；
[0063] 9.前置放大器AD524
[0064] 是一款精密单芯片仪表放大器，针对要求在最差工作条件下提供高精度的数据采集应用而设计。高线性度、高共模抑制、低失调电压漂移与低噪声等特性的出色组合，使该器件适合用于许多数据采集系统中。AD524的输出失调电压漂移小于25μV/℃，输入失调电压漂移小于0.5μV/℃，单位增益时的共模抑制(CMR)高于90dB(G＝1000时为120dB)，最大非线性度为0.003％(G＝1)。除了出色的直流特性之外，AD524还具有25MHz的增益带宽积(G＝1000)。为了适应高速数据采集系统，该器件具有5V/μs的输出压摆率和15μs的0.01％建立时间(G＝1至100)。
[0065] 10.仪表放大器
[0066] AD8429擅长测量微小信号，可提供1nV/√Hz的超低输入噪声性能。AD8429具有高共模抑制比(CMRR)，可防止干扰信号破坏数据采集。CMRR随着增益提高而提高，能够在最需要的时候提供高抑制性能。AD8429采用高性能引脚配置，在远高于典型仪表放大器的频率下，仍能够可靠地保持高CMRR性能。AD8429能够可靠地放大快速变化的信号，其电流反馈架构能够在高增益时提供高带宽，例如，G＝100时的带宽为1.2MHz。设计中还包括用于改善大输入电压瞬变后的建立时间的电路。AD8429具有出色的失真性能，能够用在振动分析等要求苛刻的应用中。增益通过单个电阻设置，增益范围为1至10,000。用户可以利用参考引脚使输出电压偏移，与单电源信号链接口时，可以利用这一特性转换输出电平。AD8429的额定温度范围为-40℃至+125℃扩展工业温度范围，采用8引脚塑封SOIC封装。
[0067] 11.锁定放大器
[0069] 12. 24位AD
[0070] ADS1256是极低噪声，24位模数(A/D)转换器。它们为最苛刻的应用提供完整的高分辨率测量解决方案。转换器由四阶Δ-Σ(ΔΣ)调制器，后跟可编程数字滤波器组成。灵活的输入多路复用器处理差分或单端信号，并且包括要验证的电路。
[0071] 13. 32位AD
[0072] AD4003是一款低噪声、低功耗、高速、18位、2MSPS精密逐次逼近型寄存器(SAR)模数转换器(ADC)。它集成了易用特性，可降低信号链的功耗和复杂性，支持较高的通道密度。高阻态模式与长采集阶段的结合，无需使用专用的高功耗、高速ADC驱动器即可扩展直接驱动此ADC的低功耗精密放大器的范围，同时仍能实现出色的性能。输入范围压缩特性可使ADC驱动放大器和ADC采用公共供电轨供电，而无需采用负电源供电，同时保留完整的ADC代码范围。低串行外设接口(SPI)时钟速率要求降低了数字输入/输出功耗，拓宽了处理器选项并简化了横跨数字隔离发送数据的工作过程。
[0073] 14.DDS芯片
[0074] AD9832是AD公司生产的直接数字频率合成器。它体积小、重量轻、操作方便,同时具有极高的频率辩率。直接数字频率合成器(DDS)AD9832的原理,分析了AAD9832的内部结构、引脚功能以及在高频测试仪中的应用。关键词：直接数字频率合成器DDSAD9832高频测试仪直接数字频率合成是一种新的频率合成技术和信号产生方法。直接数字频率合成器(DDS)具有超高速的频率转换时间,极高的频率分辨率和较低的相位噪声,在频率改变与调节。
[0075] 15.RS232收发器
[0076] CP2102具有集成度高的特点，可内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线(UART)，支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件。
[0077] 16. 485收发器
[0078] MAX1480B是完整的电气隔离型的RS485/RS232数据通信接口方案，采用混合微电路结构。由收发器，光耦和变压器构成的完全隔离接口集成在标准的28pin DIP封装内。逻辑侧的+5V电源同时为接口两侧的电路供电。MAX1480B的线摆率驱动器能够最大程度的降低EMI，并降低电缆不良匹配造成的反射，允许以最高250Kbps的速率进行无误码数据传输。
[0079] 17. 16位AD
[0080] AD9650是一款双通道、16位、25MSPS/65MSPS/80MSPS/105MSPS模数转换器(ADC)，旨在对输入频率最高达300MHz的高频、宽动态范围信号进行数字化处理。片内扰动选项可改善低功耗模拟输入信号的无杂散动态范围(SFDR)性能。取得专利的差分输入在最高至300MHz的输入频率下仍保持出色的信噪比(SNR)性能。采用1.8V单电源供电，数字输出驱动器则采用独立电源供电，以支持1.8V CMOS或LVDS输出。标准串行端口接口(SPI)支持各种产品特性和功能，例如：数据格式化(偏移二进制、二进制补码或格雷码)、时钟DCS使能、掉电模式和测试模式等。
[0081] 18.专用变压器
[0082] 根据电池充电器部分的设计需求，拟采用LM-NP-1002L-ND型专用变压器。
[0083] 19.采样保持器
[0084] 根据数据采集系统的设计需求，拟采用HMC1062型采样保持器。
[0085] 20.序列发生器
[0086] ADN2915可提供下列接收器功能：量化、信号电平检测、时钟和数据恢复，适用于从6.5Mbps到11.3Gbps的连续数据速率。它可自动锁定至所有数据速率，而无需外部参考时钟或编程。ADN2915抖动性能超越全部SONET/SDH抖动要求，包括抖动传递、抖动产生和抖动容差。
[0087] 21.电压比较器
[0088] AD532无需任何外部调整电阻或输出运算放大器，即可保证±1.0％的最大乘法误差和±10V的输出电压范围。AD532经过内部调整，易于使用，为设计工程师提供了一种有吸引力的模乘法器替代方案，而且其单芯片结构在尺寸、可靠性和成本上具有显著的优势。
[0089] 22.数模转换器
[0090] AD9172是一款高性能，双通道16位数模转换器(DAC)，可将DAC采样率提升至12.6GSPS。该器件具有8通道，15Gbps JESD204B数据输入端口，高性能片上DAC时钟乘法器和针对单频和多频直接射频(RF)无线应用的数字信号处理功能。AD9172具有每个RF DAC的三个复杂数据输入通道，可以旁路。每个数据输入通道包括可配置的增益级，内插滤波器和用于灵活多频调频的通道数控振荡器(NCO)。该设备每个输入通道支持高达1.5GSPS的复杂数据速率，并能够聚合多达复杂的输入数据流，达到1.5GSPS的最大复杂数据速率。此外，AD9172支持超宽带宽模式绕过信道化器，提供高达3.08GSPS(16位分辨率)和4.1GSPS(具有
12位分辨率)的最大数据速率。
12位分辨率)的最大数据速率。
[0091] 23.专用芯片
[0092] max3232具有二路接收器和二路驱动器，提供1uA关断模式，有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1uA电源电流，max3232的引脚、封装和功能分别与工业标准MAX242和MAX232兼容。即使工作在高数据速率下，max3232仍然能保持RS-232标准要求的正负5.0V最小发送器输出电压。
[0093] 24.抗电源冲击专用模块
[0094] 作为电源专用模块，用于保护数据采集系统在雷击等外部电源冲击下的电压稳定。拟采用SM-P1型抗电源冲击专用模块，符合国标GB/T17626.2-2006试验规范。
[0095] 25.电压滤波专用模块
[0096] 作为电源专用模块，用于稳定数据采集系统的供电电压。拟采用SM-V5型电压滤波专用模块，插入损耗：<2dB。
[0097] 26.上电保持专用模块
[0098] 作为数据采集系统上电启动后的电压保持模块，用于数据采集系统的稳定工作。拟采用SM343型上电保持专用模块，上电电压：>3.8V，动作时间：>1s。
[0099] 27.磁性远程触发专用模块
[0101] 28.MEMS惯性姿态测量单元
[0102] 传感器：9轴；角度准确度：<1°,磁校准：自动；
[0103] 29.高速远程数据无线传输单元
[0104] 传输距离：>100m传输延时：<100ms
[0105] 30.土壤三参数传感器
[0106] 经过多种传感器的比较，拟采用Camebell公司CS655-L土壤三参数传感器。其核心技术指标如下：探针长度：120mm(4.7in.)；探针直径：3.2mm(0.13in.)；探针间隔：32mm(1.3in.)；信号：RS232；供电：12V。
[0107] 31.雨量传感器
[0108] 经过多种传感器的比较，拟采用Camebell公司的TE525MM型雨量传感器。其核心技术指标如下：漏斗直径：200mm；排水配件：2mmID排水管；测量范围：0-500mm/h；精确度:2％(500mm/h以内)；分辨率：0.254mm(TB4),0.2mm(TB4MM)；工作温度：-20-70℃；发动机：12VA(最大电流0.5A)；重量：2kg；高度：330mm；开口直径：200mm；信号0～5V；供电：5V DC。
[0109] 32.光量子传感器
[0110] 经过多种传感器的比较，拟采用Li-Cor公司的LI190R型光量子传感器。其核心技术指标如下：光谱范围：400to 700nm；灵敏度：5～10μA/1000μmol of s-1m-2；线性度:<1％@10000μmol of s-1m-2；信号：0～50mV；供电：无源。
[0111] 33.空气温湿度传感器
[0112] 经过多种传感器的比较，拟采用Vaisala公司的HMP155A型空气温湿度传感器。其核心技术指标如下：气象防护外壳，IP66防护等级，RS485、电阻Pt100，14层Gill太阳防辐射罩；平均消耗电流：<3mA信号：2路，0～1V；供电：12V。
[0113] 34.防辐射罩
[0114] 14层Gill太阳防辐射罩
[0115] 35.自标定热通量板
[0116] 经过多种传感器的比较，拟采用Camebell公司HFP01SC-L自标定热通量板。其核心技术指标如下：灵敏度：50μV W-1m-2；电阻值:2ohms；温度范围:-30°to+70℃；精度:±3％；加热电阻:100ohms；信号：0～15mV(传感器电阻)，0～2V(加热电阻)；供电：12V。
[0117] 36.净辐射表
[0118] 经过多种传感器的比较，拟采用Kipp&Zonen公司的CNR4型净辐射传感器。其核心技术指标如下：光谱范围：短波300～2800nm，长波4.5～42μm；灵敏度：7～20μV/W/m2(短波)；5～10μV/W/m2(长波)；响应时间：<6s(63％)；<18s(95％)；非线性误差：<1％；信号：4路，0～20mV；供电：无源。
[0119] 37.风速风向传感器
[0120] 经过多种传感器的比较，拟采用METONE公司的034B型风速风向传感器。其核心技术指标如下：风速：测量范围：0-49m/s；阀值：0.4m/s；精确度：0.12m/s(风速＜10.1m/s时)1.1％(风速＞10.1m/s时)；输出信号：脉冲(最大电流5mA)；分辨率：0.7998m/s；风向：测量范围：0-360°(机械)0-356°(电子)4°开角；阀值：0.4m/s；精确度：4°；分辨率：0.5°工作温度：-30℃-70℃
[0121] 38.压力传感器
[0122] 经过多种传感器的比较，拟采用Camebell公司CS456压力水位传感器。其核心技术指标如下：测量范围：淡水深度：0～5.1m，0～10.2m，0～20.4m，0～50.9m，0～102m；测量精度：水位：±0.1％满刻度范围TEB2，温度：±0.2℃；分辨率：0.0035％FS；信号：RS232；供电：12V。
[0123] 39.大气压力传感器
[0124] 经过多种传感器的比较，拟采用Camebell公司CS100大气压力传感器。其核心技术指标如下：量程：600～1100hPa；精度±1.0hPa@0℃～40℃；分辨率：±0.01mb；信号：0～2.5V；供电：5V。
[0125] 40.供电系统配件
[0126] PVM-200型太阳能板两块，电池保温箱，太阳能充电控制器
[0127] 41.GPRS通讯模块
[0129] 42.固定锚杆
[0130] φ40x2000-304(不锈钢材料)
[0131] 43.底座
[0132] φ2800-304，正八边形
[0133] 44.立柱
[0134] 4445*2.7-6061(铝合金材料)
[0135] 45.大墙板
[0136] 1.1*2.7-40B，6061
[0137] 46.小墙板
[0138] 1.1*0.9-40B，6061
[0139] 47.活动门
[0140] 1.1*1.8-40B，6061
[0141] 48.玻璃
[0142] 1*0.8-钢化玻璃
[0143] 49.顶框
[0144] φ2800-6061，正八边形
[0145] 50.斜拉索
[0146] 4.5m-304
[0147] 51.水平导杆
[0148] φ40x2600-304+碳纤维
[0149] 52.载重滑块
[0150] 1.1*0.4-LY12(铝合金材料)
[0151] 53.采样管
[0152] φ450*1800-PMMA
[0153] 密封条、标准件及结构件
[0154] 本装置的供电功能设计
[0155] 配备两块太阳能电池板，在阳光充足情况下，经由电源管理系统对蓄电池进行充电。蓄电池在电源管理系统的管理下均衡放电，为各系统提供电源。电源管理系统还需要实时监测太阳能板状态、蓄电池状态、蓄电池电压值与充放电电流，并将数据实时传输给数据采集系统。
[0156] 本课题的供电系统，拟采用两块太阳能电池板与蓄电池结合的方式，如图2所示。太阳能电池板在阳光充足情况下，经由电源管理系统对蓄电池进行充电。蓄电池在电源管理系统的管理下均衡放电，为各系统提供电源。电源管理系统还需要实时监测太阳能板状态、蓄电池状态、蓄电池电压值与充放电电流，并将数据实时传输给数据采集系统，如附图2所示。
[0157] 1.5.1太阳能电池板选型
[0158] 整体系统的预计功率在60w左右，系统工作24h，消耗的功率为：
[0159] 60w×24h＝1440wh
[0160] 选用总峰值功耗是200w，400w的太阳能板。
[0161] 设每天平均下来的有效光照时间是6h，太阳能板转化效率在70％-80％左右，若选用200w的太阳能板，200w×6h＝1200wh，远小于系统1440wh的功耗，故选用400w的太阳能板，400w×6h＝2400wh，2400wh×70％＝1680wh，也大于系统总功耗1200wh。
[0162] 综上所述，故选用总峰值功率为400w的太阳能板。
[0163] 想要使太阳能板发挥最大的效率，必须根据太阳的移动调整方向，而非固定朝南，上午时分让太阳能板朝东，而过了中午之后把太阳能板朝西移动，可以最大限度发挥其效率，在本项目中，由于条件所限，不能每天由人工来移动太阳能板，所以选择安放两块200W的太阳能板，一块朝东，一块朝西，经过多种太阳能板的比对，最终选择PVM-200型太阳能板。其外形指标如下:外形尺寸为：1580×808×35mm；重量：15.3kg；电池片类型：单晶硅；峰值功率：200W；峰值电压：36.26V；开路电压：43.2V；峰值电流：5.55A。
[0164] 1.5.2蓄电池组选型与设计
[0165] 电池组选用24V 60Ah的锂电池，电池组由400w的太阳能电池板充电。锂电池组安装在专用密封舱内，通过防水电缆及插座与用电系统连接，防护等级不低于IP6，电缆外装保护套，可以埋在地表以下。
[0166] 1.5.3电源系统设计见附图3所示。
[0167] 1.5.3.1太阳能充放电控制
[0168] 采用SF-142自识别太阳能充放电控制器
[0169] 该控制器具有以下特点：32位微处理器，4096分辨率采集数据，各项监测参数结果或状态可以自动轮流循环显示(自动巡检)，浮充电压可以灵活设定，宽范围的充放电参数可灵活调节，使用与各种蓄电池，锂电池。系统电压等级自动识别，智能型PWM充电方式，可设置的负载工作模式，充放电安时数累计功能。具有蓄电池的反向放电保护，欠压保护，反接保护，负载过载，短路保护功能。
[0170] 控制器具体参数如下：
[0171]
[0172] 1.5.3.2电源管理系统
[0173] 电源管理系统要给MCU，数采系统，数据传输系统，传感器模块供电，需要输出3.3V，5V，12V的电压。为了避免在电压装换上消耗太多的功率，拟选用XL4016高效率DC-DC稳压芯片，该芯片支持输入电压8-40V，输出电压1.25V-36V可调，最大输出电流8A，最高转化效率达93％，具有出色的线性调整率与负载调整率，芯片内部集成输入过压保护，过流保护，过温保护，短路保护等可靠性模块。见附图4所示。
[0174] XL4016为标准TO220-5L封装，集成度高，外围器件少，应用灵活。
[0175] 1.6传感与数据采集功能设计
[0176] 系统配备风速风向传感器1套、雨量传感器1套、净辐射传感器1套、光量子传感器1套、大气压力传感器1套、空气温湿度传感器4套、土壤三分量传感器8套、自标定热通量传感器4套、压力水位传感器1套，具有实时测量风速、风向、雨量、净辐射、光合有效辐射、大气压力、大气温度、大气湿度、土壤热通量、土壤体积含水量、土壤电导率、土壤温度、土壤地下水位13类环境参数的能力。数据采集系统同时采集上述13类环境数据，并采集供电系统状态、系统自身运行状态等数据，打包后发送给数据远程传输系统，实现远程监控功能。
[0177] 喀斯特林业环境多参数监测站的数据采集系统，是本项目的核心技术与关键点。在对传感器的充分调研基础上，数据采集系统的设计如附图5所示。
[0178] 1.6.1传感器信号调理电路
[0179] 1.6.1.1RS232串行数据输入
[0180] 对于CS655土壤三分量传感器和CS451压力水位传感器，输出连接的是RS232电路，如附图6所示：用此电路将两个传感器的信号输入到MCU中。
[0181] 1.6.1.2脉冲信号输入
[0182] 风速风向传感器034B中风速的测量使用三杯风速计完成的，杯轮的以转速与风速成正比的速度打开和关闭弹簧开关。以脉冲计数指令和开关开和闭的动作相结合来测定风速，输出的是脉冲信号，选用一个脉冲计数器，将输出的脉冲信号采集到MCU中。
[0183] TB4和TB4MM倾翻桶雨量计是用虹吸机制匀速收集雨水的机制，这些雨量计在200毫米(7.87英寸)的收集漏斗中捕获降雨。当收集一整桶降雨量时，倾翻桶组件会提示并启动簧片开关。开关闭合的次数由脉冲计数器记录。当桶顶装满了雨水时时，水从量规底部的筛分配件中排出。
[0184] 1.6.1.3伏特级电压信号输入
[0185] 风速风向传感器034B的风向测量原理：
[0186] 叶片的随风的摆动在方位上的变化反映在一个0-10K的电位计上，提供一个精确的激励电压，输出的电压值能正确的反映风向。如附图7所示：Vs是输入，Vx是输出，Vs、Vx有如下关系：
[0187] Vs/Vx＝Rs/(Rf+Rt+Rs)
[0188] Vs是输入的激励电压，Vx是AD检测的输出信号，Vs的最大值近似于Vx的一半，拟选用2.5V，5V这种搭配模式，经过一级放大电路输入到AD中。
[0189] HMP155A温湿度传感器，HMP155A温度和相对湿度探头包含铂电阻温度检测器(PRT)和维萨拉HUMICAP 180电容式相对湿度传感器。HMP155A输出温度和相对湿度的0至2Vdc信号，输出信号接一级前级放大电路接入AD中。
[0190] 1.6.1.4毫伏级电压信号输入
[0191] CS100大气压力传感器，CS100是一种电容式压力传感器，它使用Setra的电容器技术进行大气压力测量。传感器封装在不锈钢和聚酯外壳中，配有一个1/8英寸的带刺接头用于压力连接，紧凑而坚固的聚酯壳体包含两个紧密间隔的平行的电隔离金属表面。其中一个表面基本上是由Setra专有的熔融玻璃和陶瓷(SetraceramTM)混合物或低滞后材料(如17-4PH SS)构成的隔膜。隔膜能够检测施加的压力的轻微变化，然后通过Setra的专用集成电路(ASIC)将其转换为模拟电压信号。
[0192] Li190R光量子传感器，光量子传感器被设计成测量地面上接收的PAR。选择这种传感器是因为他的响应和植物的光合作用很类似，且传输的数据可接收。作为传感器，使用具有增强的可见波长响应的硅光电二极管。可见带通滤波器与有色玻璃滤光片组合安装在余弦校正头中。
[0193] CNR4净辐射传感器，太阳辐射计产生与入射太阳辐射成正比的mV信号。电压V和瓦特每平方米太阳辐照度E之间的转换因子是所谓的校准常数C(或灵敏度)。
[0194] 对于每个太阳辐射计E＝V/C当使用地面辐射强度计时，应该意识到由扫描仪产生的信号代表了波长与其所面对的物体之间的远红外(热)辐射的交换。这意味着当其面向比其自己的传感器外壳更热的物体时，该地面辐射强度将产生正电压输出V，并且当它面对较冷的物体时，它将给出负电压信号。
[0195] 自标定热通量板，HFP01SC土壤热通量板由热电堆和薄膜加热器组成。热电堆测量板上的温度梯度分布。在现场校准期间，膜加热器用于产生通过该板的热通量。用于产生校准热通量的功率量由数据记录器测量。
[0196] 为了测量表面的土壤热通量，使用几个HFP01SC来测量深度为8厘米的土壤热通量。平均土壤热电偶TCAV用于测量HFP01SC以上土层温度的时间变化。
[0197] 输出的是较小的电压信号，经过一个信号放大电路，再由高精度AD采集到MCU中。前级放大电路如附图8所示，信号放大电路如附图9所示。
[0198] 1.6.2高精度模数转换电路
[0199] 系统采用一款24位的高精度模数转换芯片ADS1256。ADS1256是一款噪声极低的24位模数(A/D)转换器，器件能够为要求严格的应用提供完整的高精度测量解决方案。模数转换芯片ADS1256由一个可编程数字滤波器和一路4阶Δ-Σ调制器和组成。其中，灵活的输入多路复用器能够处理单端信号或差分信号，输入缓冲器(BUFFER)提高了输入阻抗，而低噪声可编程增益放大器单元(PGA)提供二进制步长为1到64倍的增益。通过可编程滤波器，用户可以在高达23位的无噪声分辨率和高达30k次采样/秒(SPS)的数据转换速率之间进行优化。
[0200] 模数转换芯片ADS1256主要特点为：高达23bit的无噪声精度，低非线性度：±0.0010％；采用单周期转换模式，数据采用率高达30kSPS；带有模拟多路开关，可配置为4路差分输入或8路单极信号输入；带有输入缓冲器，显著提高输入阻抗；实现可编程增益放大器，当可编程增益设为1时，可得到最高达25.3位的分辨率；当可编程增益设为64时，提供高达22.5位的有效分辨率。对于所有可编程增益设置，校准均同时支持增益误差与失调误差的自校正与系统校正；正常模式下功耗低至约38mW，备用模式下约为0.4mW。
[0201] ADS1256通过符合SPI标准的串行接口与微处理器单元通信，由于在探测过程中微处理器单元总需要传感器数据，因此将SPI的片选信号线始终拉低，表示微处理始终为SPI总线的Master设备，而选择模数转换芯片作为从机(Slave)。微处理器通过读取DRDY引脚信号来判断一次模数转换是否完成，当DRDY信号从高电平转换为低电平时，说明上一次模数转换完成。模数转换芯片和微处理器连接定义如图10所示，实际电路如图11所示。
[0202] 输入多路复用开关(MUX)选择芯片支持8路单极信号输入和4路差分输入或者是两者的混合。当模数转换芯片输入为双极性差分输入时，不使用AINCOM引脚(pin5)，应将该引脚悬空。当输入为单极性信号时，当输入为单极性信号时，AINCOM作为信号公共端连接基准电压源，AIN0-AIN7作为单极性信号输入。在本系统中，需单独转换三路地磁信号输入，因此配置为转换单极信号。
[0203] 1.6.3 MCU与数据存储电路
[0204] 考虑到实用性和经济成本，系统决定采用意法半导体公司(ST)的微处理器：STM32F407VGT6，该芯片主频高达168MHz，通用输入输出接口最大速率为100MHz，内部RAM高达192Kbyte，Flash容量为1Mbyte，3路SPI总线，内置6路UART，同时还有一个10M/100Mbit的ETH接口。同时他还支持单精度浮点数据运算，对于同类型的单片机或低端DSP来说，该芯片具有明显优势。况且市面上该芯片已被广泛应用，有丰富的资料，因此可以大量缩减研发周期，故本系统使用该芯片作为水下磁性探测系统的微处理器。
[0205] 在数据采集阶段，系统微控制单元将数据帧保存在TF卡中。为了自容式地存储地磁数据到数据采集系统中，在本系统中采用TF卡作为数据的flash存储介质，具有体积小、容量大和操作方便，便于携带等优点。UART电路和TF卡存储电路如图12所示，在TF卡存储电路中需要注意的是为SPI总线添加上拉电阻。
[0206] 1.6.4安全性和可靠性设计
[0208] 主要的软件容错机制有：
[0209] I.异常报警机制：当监测到电池电源异常，或某传感器数据长期异常后，启动异常报警机制，通过远程传输模块通知终端软件，该监测站处于异常状态，并将电源或传感器的具体异常信息传送给终端。
[0210] II.数据自容机制。数据采集器在采集各类传感器数据后，同时进行数据自容保存和远程传输。即使电源供电系统或数据远程传输系统出现故障，仍可从数据采集系统的大容量存储器中找回故障前的采集数据。
[0212] 1.7数据远程传输功能设计
[0213] 数据远程传输系统可实现监测站的远程监控功能，以及多个监测站的同时监控与管理功能。数据远程传输系统通过RS232接口接收来自数据采集系统的打包数据，并通过GPRS无线传输模块，发送至管理终端。管理终端同时接收来自多个监测站的数据，并经过数据解析、整理与打包后，将所有监测站数据以短消息形式，统一发送至项目组相关实验人员的手机。每一个监测站在发送数据到管理终端的同时，也会将监测站的运行数据发送到设备维护人员的手机，便于设备维护人员实时掌握监测站的运行状态。
[0214] 数据远程传输系统可实现监测站的远程监控功能，以及多个监测站的同时监控与管理功能。
[0215] 本系统的核心传输模块采用GPRS无线传输模块。GPRS无线传输设备是一款内嵌GSM/GPRS核心单元的无线Modem，采用GSM/GPRS网络为传输媒介，是一款基于移动GSM短消息平台和GPRS数据业务的工业级通讯终端。它利用GSM移动通信网络的短信息和GPRS业务为用户搭建了一个超远距离的数据传输平台。广泛应用于工业短信收发、彩信收发图片文件、GPRS实时数据传输等诸多工业与民用领域。
[0216] 系统示意图如图13所示。
[0217] 如上图所示，数据远程传输系统由传感器、监测站、管理终端、管理人员组成。传感器用于检测环境参数；监测站用于采集传感器数据，并将数据发送至管理终端和设备维护人员；管理终端用于接收各监测站的数据，同时分析整理，然后将数据打包发送至实验人员手机。具体操作流程如下：
[0218] 监测站通过RS232接口接收来自数据采集系统对采集的传感器数据进行打包，同时通过GPRS无线传输模块，发送至管理终端，并同时将该检测站的运行数据以短信的形式发送至设备维护人员手机，便于设备维护人员实时掌握监测站的运行状态。管理终端同时接收来自多个监测站的数据，经过数据解析、整理与打包后，将所有监测站数据以短消息形式，统一发送至项目组相关实验人员的手机。
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