(一)技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于
无线传感器网络地下生态水物理参数遥测及传输装置，它与地下生态水物理参数中的重要参数——地下生态水水位密切相关，属于农业与生态学以及
物联网应用技术领域。(二)技术背景
[0002] 地下生态水物理参数中的重要参数——地下生态水水位是反映地区生态状况的重要指标，地下生态水水位信息的变化将直接造成该地区的其他生态参数的变化，影响该地区的
农作物及其它植被的生长。不仅如此，
地震、洪水等
自然灾害都会引起地下生态水水位的变化。因此，准确、及时地观测地下生态水水位的变化，成为生态研究、农业发展、政府决策的迫切需要。
[0003] 地下生态水水位的测量通常是通过在被测区域范围内分布众多井口直径为330mm的细眼井，通过记录细眼井的水位信息对地下生态水水位进行观测。
[0004] 地下生态水水位的观测方法在不断地革新、进步。最早是通过人工逐一对各个细眼井内放置标尺进行测量，通过测量井口到液面的距离，进一步计算地下生态水水位。由于细眼井分布范围广，数量又非常多，此方法，需要投入大量的人
力、物力，进行数据的采集以及细眼井的维护。而且，由于手工逐点测量，数据
精度不高、数据无法做到同步采集。随着嵌入式技术和传感器技术的发展，通过传感器来检测地下生态水水位成为了主要的检测方法，这种地下生态水水位测量方案是工作人员操作一套地下生态水水位检测仪器，逐一细眼井进行
数据采集，然后仪器将采集数据记录到自带的
存储器中，再通过人工进行数据的汇总。此类地下生态水水位检测仪器产品种类较多，大多是通过下放线缆遇到水面报警，然后记录线缆长度的方法进行水位的检测，例如由东西仪(北京)科技有限公司开发的型号为wi55853的
地下水位探测仪。这类地下生态水水位测量仪器虽然提高了测量的精度，但是仍然存在以下不足：首先仍然需要工人对各个井眼逐一进行数据采集；其次，由于需要较长的线缆放入井中，造成仪器的成本较高；再次，这种仪器的体积较大，不利于运输。而且，这种方案并没有实现各个井眼同步进行数据采集。本实用新型对上述的地下生态水水位检测仪器方案进行改进，针对细眼井水位测量中实际存在问题，给出新的解决方案。主要解决以下几个问题：1、进一步提高数据采集的精确度；2、实现无线传输，不需要工人逐一井眼进行测量；3、降低仪器的成本和体积，使仪器多点布设成为可能；4、实现同步的地下生态水水位采集。(三)实用新型内容
[0005] 1、目的：针对以往地下生态水水位测量仪器存在的一些不足，本实用新型的目的是提供一种基于无线传感器网络地下生态水物理参数遥测及传输装置，该装置具有体积小、成本低、无人值守情况下长时间工作、数据定时自动获取、多数据源同步采集、无线方式传输、适应细眼井潮湿的工作环境等特点。它减少了地下生态水水位检测投入的人力物力，同时提高地下生态水水位检测的精确度和时间同步性。
[0006] 2、技术方案：为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：本实用新型基于无线传感器网络地下生态水物理参数遥测及传输装置，它包括：传感器
固定器、数据采集装置、数据通信装置、通信线缆、短信汇聚及命令下达装置和数据汇总/处理/展示后台
服务器，它们之间的
位置连接关系是：数据通信装置安装在传感器固定器上，传感器固定器上的
线轴及把手固定在十字固定架上的中心位置，通信线缆缠绕在线轴之上并穿过十字固定架中心圆孔连接数据采集装置后垂直悬挂于被
测井中，数据采集装置悬挂于通信线缆末端。该通信线缆在垂直方向上通过线轴及把手旋转可以进行上下调节；短信汇聚及命令下达装置通过串口通信与控制PC机相连接，控制PC机与数据汇总/处理/展示后台服务器相连接。
[0007] 所述传感器固定器(图1、图2所示)是由十字固定架、数据通信装置固定架、线轴及把手三部分组成，其间关系是数据通信装置固定架通过螺钉固定在十字固定架上，线轴及把手固定在十字固定架上中心处，通信线缆通过十字固定架中心的通孔垂直放下；该十字固定架是由高强度抗
腐蚀材料制作，垂直十字交叉结构，其四
角具有固定螺孔，中心处留有用于垂放通信线缆的通孔；该数据通信装置固定架由抗腐蚀材料制成，为方形带
盖子结构，用螺丝固定在十字固定架上；线轴及把手安装于十字固定架中心位置，摇动把手带动线轴的旋转，控制数据采集装置的升降。该线轴是管状件，该把手是丁字形件。
[0008] 所述数据采集装置(如图3所示)是由
超声波测距传感器、指示灯和接线
端子组成，其间关系是：
超声波测距传感器进行数据采集通过接线端子的电平
信号变化传递距离信息，通过指示灯来表示超声波测距传感器的工作状态，并彼此相互连接；该超声波测距传感器具有单
探头采集及良好的防水性能；通过计算超声波的飞行时间来计算细眼井液面距井口的距离；该指示灯按需要选用市购产品；该接线端子选用引脚间距为2.54mm的弯角排线；数据采集装置的供电系统及信号传递均通过通信线缆与数据通信装置相连接。数据采集装置的
接口方式采用4线式接口：1、供电
电压(5V)；2、TIGER(触发电平，高电平有效，开始进行数据采集)；3、TIM(通过该引脚返回高电平，计算超声波信号飞行时间)；4、接地(GND)；(如图4所示)。数据采集装置采用单头发/收模式，其超声波测距传感器采用防水封装，同时在其内部灌入绝缘胶，增加其防水、防潮的能力。
[0009] 所述数据通信装置(如图7所示)是整套系统的核心部分，它是由CPU8051
内核处理器、GPRS通信模
块、
实时时钟模块、电源稳压模块、电源转换模块、SIM卡槽、电源模块、连接
温度传感器接口、烧写程序接口、电压检测及指示灯辅助
电路、超声波测距传感器接口及电平转化
芯片组成。其间关系是：电源模块提供5V电压；通过电源稳压模块生成一路稳定的5V电压，再通过电源转换模块产生一路稳定的3.3V电压。其中5V电压为数据采集装置和GPRS通信模块供电，而3.3V电压为CPU8051内核处理器、实时时钟模块等部分提供
电能。预留出的接口与数据采集装置相连接，数据采集装置的
采样信号由CPU8051内核处理器进行处理，再由GPRS通信模块将数据向数据汇总/处理/展示后台服务器端发出。数据通信装置一方面负责记录由数据采集装置传递回来的高电平的时间长度，并且将其计算成为距离值。另一方面，将距离值及时间信息、
节点信息等一同发送给数据汇总/处理/展示后台服务器。数据通信装置配备实时时钟模块，可以实现各个设备之间的时间同步，以达到各个井眼同步进行数据采集的需求。考虑到超声波会受到温度的影响，数据通信装置要利用温度传感器进行温度、湿度数据的采集，对距离信息进行补偿。该SIM卡槽是与SIM300相配套的卡槽；该连接温度传感器接口是间距为2.54mm的4线制跳线；该烧写程序接口是通用的JTAG接口；该电压检测及指示灯辅助电路是通过
软件来控制连接于DIO口的LED指示灯，监控通信装置的工作状态。
[0010] 所述通信线缆是屏蔽的4芯线缆。
[0011] 所述短信汇聚及命令下达装置使用的是短信猫产品，其型号为F1003 GSM MODEM，此市购产品包括以下接口：标准RS232串口，串口速率110～230400bits/s；指示灯：具有电源、工作状态及在线指示灯；天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧；SIM卡接口：3V/1.8V标准的
推杆式用户卡接口；电源接口：标准的3芯火车头电源插座。此设备需要外接电源DC12V/500mA，内部具有工业级的高性能GSM模块，完全可以满足本实用新型的使用需要。其使用工作环境如下所述：工作
环境温度-25～+65℃；储存温度-40～+85℃；
相对湿度95％(无
凝结)。本实用新型，利用短信猫产品实现命令信息的下达及各个井眼采集数据的回收。命令信息下达过程是：计算机通过RS3232串口将数据发送给短信猫产品，再由短信猫产品将数据转成基于中国移动网络进行传输的信号，通过中国移动网络发送给布设于各个井眼的数据通信装置，数据端通信装置或数据采集装置进行配置。采集数据上传过程：首先由数据采集装置通过连接
电缆将采集量发送给数据通信装置，数据通信装置将数据转
化成基于中国移动网络进行传输的信号发送至短信猫产品，再通过RS3232串口将数据发送给控制计算机。由控制计算机将数据转存至数据汇总/处理/展示后台服务器。
[0012] 所述数据汇总/处理/展示后台服务器是：由型号为IBM X3100 M3的数据服务器及型号为DELL OPTIPLEX 360的控制PC机组成，控制PC机与数据服务器通过光纤线缆连接，它将发送回来的数据存于数据汇总/处理/展示后台服务器进行分析汇总，计算得到被测区域的地下生态水水位信息，同时此信息通过网页进行发布，方便此信息的需求方进行数据的查看和下载。
[0013] 其中，该超声波测距传感器的型号是DYP-ME007A1；
[0014] 其中，该CPU8051内核处理器的型号是MC9S08QE32；
[0015] 其中，该温度传感器的型号是SE95；
[0016] 其中，该GPRS通信模块的型号是SIM300；
[0017] 其中，该实时时钟电路采用的是型号为PCF8563芯片
[0019] 其中，电源稳压模块的型号是MAX1727；
[0020] 其中，该电源转换模块的型号是NCP511；
[0021] 其中，该电平转换芯片的型号是MAX706。
[0022] 3、优点及功效：本实用新型基于无线传感器网络地下生态水物理参数遥测及传输装置，其主要有以下优点：1、利用成熟的GSM网络进行通信，使得数据采集稳定可靠，同时大大降低了人力物力的投入。2、低能耗的设计，使得在
蓄电池的支持下，设备可以在无人值守的情况下长时间工作。3、低成本，选用
超声波传感器，其性能在保证测量精度的同时，大大降低了设备的开发成本。4、将无线传感器网络与互联网相连接，用户可以通过互联网随时随地对地下生态水水位的实时情况进行观察，下达指令控制整套系统。5、实现了地下生态水水位的同步采集，可以及时的观测地下生态水水位的变化情况。(四)
附图说明
[0023] 图1 本实用新型可调整的传感器固定器俯视图
[0024] 图2 本实用新型可调整的传感器固定器左视图
[0025] 图3 本实用新型的数据采集装置示意图
[0026] 图4 本实用新型的超声波测距模块电路连接图
[0027] 图5 GSM模块电路连接图
[0028] 图6 实时时钟部分电路连接图
[0029] 图7 本实用新型的数据通信装置示意图
[0030] 图8 本实用新型的总体结构示意图
[0031] 图中符号说明如下：
[0032] 1 十字固定架；2 线轴及把手；3 数据通信装置固定架；4 通信线缆；5 指示灯；6 接线端子；7 超声波测距传感器；8 传感器固定器；9 数据通信装置；10 短信汇聚及命令下达装置；11 串口通信；12 GPRS通信；13 数据采集装置；14 数据汇总/处理/展示后台服务器。(五)具体实施方式
[0033] 见图8，本实用新型基于无线传感器网络地下生态水物理参数遥测及传输装置，它包括：传感器固定器8、数据采集装置13、数据通信装置9、通信线缆4、短信汇聚及命令下达装置10和数据汇总/处理/展示后台服务器14，它们之间的位置连接关系是：数据通信装置9安装在传感器固定器8上，传感器固定器8上的线轴及把手2固定在十字固定架1上的中心位置，通信线缆4缠绕在线轴之上并穿过十字固定架1中心圆孔连接数据采集装置13后垂直悬挂于被测井中，数据采集装置13悬挂于通信线缆4末端。该通信线缆4在垂直方向上通过线轴及把手2旋转可以进行上下调节；短信汇聚及命令下达装置10通过串口通信11与控制PC机相连接，控制PC机与数据汇总/处理/展示后台服务器14相连接。
[0034] 见图1、图2所示，所述传感器固定器8是由十字固定架1、数据通信装置固定架3、线轴及把手2三部分组成，其间关系是数据通信装置固定架3通过螺钉固定在十字固定架1上，线轴及把手2固定在十字固定架1上中心处，通信线缆4通过十字固定架1中心的通孔垂直放下；该十字固定架1是由高强度抗腐蚀材料制作，垂直十字交叉结构，其四角具有固定螺孔，中心处留有用于垂放通信线缆4的通孔；该数据通信装置固定架3由抗腐蚀材料制成，为方形带盖子结构，用螺丝固定在十字固定架1上；线轴及把手2安装于十字固定架
1中心位置，摇动把手带动线轴的旋转，控制数据采集装置13的升降。该线轴是管状件，该把手是丁字形件。
[0035] 见图3所示，所述数据采集装13是由超声波测距传感器7、指示灯5和接线端子6组成，其间关系是：超声波测距传感器7进行数据采集通过接线端子6的电平信号变化传递距离信息，通过指示灯5来表示超声波测距传感器7的工作状态；该超声波测距传感器7具有单探头采集及良好的防水性能；通过计算超声波的飞行时间来计算细眼井液面距井口的距离；该指示灯5按需要选用市购产品；该接线端子6选用引脚间距为2.54mm的弯角排线；数据采集装置13的供电系统及信号传递均通过通信线缆4与数据通信装置9相连接。
数据采集装置13的接口方式采用4线式接口：1、供电电压(5V)；2、TIGER(触发电平，高电平有效，开始进行数据采集)；3、信号计时引脚(TIM)(通过该引脚返回高电平，计算超声波信号飞行时间)；4、接地；(如图4所示)。数据采集装置采用单头发/收模式，其超声波测距传感器采用防水封装，同时在其内部灌入绝缘胶，增加其防水、防潮的能力。
[0036] 见图7所示，所述数据通信装置9是整套系统的核心部分，它是由CPU8051内核处理器、GPRS通信模块、实时时钟模块、电源稳压模块、电源转换模块、SIM卡槽、电源模块、连接温度传感器接口、烧写程序接口、电压检测及指示灯辅助电路、超声波测距传感器接口及电平转化芯片组成。。图5是GPRS模块电路连接图，图6是实时时钟模块电路连接图。
[0038] 其中CPU8051内核处理器使用的是MC9S08QE32，其具体参数如下所示：
[0039] ●工作电压2.4V-3.6V
[0041] ●高达50MHz的CPU内核/25MHz总线速率
[0042] ●128Kb闪存存储器
[0043] ●256/512/1Kb/2Kb/4Kb/6Kb/8Kb
随机存取存储器(RAM)
[0045] ●单线后台调试接口(DBM)
[0046] ●从停止(Stop)模式快速启动(6μs)
[0047] ●Flash编程电压1.8V至3.6V
[0048] ●灵活的时钟模块
[0049] ●多达24通道，12位低功耗
模数转换器(ADC
[0050] ●高精度内部时钟(ICS)
[0051] ●2个串行
通信接口(SCI/UART)
[0052] ●2个串行外设接口(SPI)
[0053] ●2个I2C总线
[0054] ●70个通用输入/输出端口(GPIO)
[0056] 其中采用的GPRS模块为SIM300模块，其特征如下所示：
[0057] ●工作电压：3.4-4.5V，电压低于3.4v，模块可能自动关闭
[0058] ●低功耗模式：休眠模式下，工作
电流典型值为2.5mA
[0059] ●工作频段：SIM300具有三个频段：EGSM900、DCS1800、PCS1900。
[0060] ●GSM类型：小型移动基站(MS)
[0061] ●发射功率：在
频率EGSM900 CLASS4下2W；在频率DCS1800和PCS1900 CLASS1下1W
[0062] ●GPRS连接：GPRS多时隙10级；GPRS移动电台B级
[0063] ●工作温度：正常工作温度：-22℃-+55℃；极限工作温度：-25℃--20℃，+55℃-+70℃；存储温度：-40℃-+80℃；
[0064] ●GPRS数据传输：GPRS下行数据传输最大85.6kbps；GPRS上行数据传输最大42.8kbps；编码方案：CS-1，CS-2，CS-3，CS-4；SIM300支持PAP(密码验证)协议，此协议通常用于PPP；SIM300集成了TCP/IP协议
[0065] ●电路交换数据(CSD)：支持分组广播控制信道(PBCCH)；电路交换数据传输速率：2.4，4.8，9.6，14.4kbps，非透明传输；支持非结构化补充数据业务(USSD)[0066] ●短消息：支持点到点短消息移动发送和接受、文本、PDU模式；短消息存储于SIM卡中；支持CSD和GPRS模式的短消息发送，用户可以根据自己的需要来选择传输模式；
[0067] ●传真：Group 3 Class 1
[0068] ●SIM接口：支持1.8V和3V两种类型的SIM卡
[0069] ●外界天线：通过50Ω的天线连接器或天线连接板连接
[0070] ●音频特性：语音编码模式：半速率(ETS06.02)；全速率(ETS06.10)；增强型全速率(ETS06.50/06.60/06.80)；同波抑制
[0071] ●双串行通信接口：串口1的接口具有7根数据、状态线；串口1可以被用作CSD传真、GPRS服务和发送控
制模块AT命令；串口1可以使用多路复用功能，但是此时不能和串口2同时使用；可支持的自动波特率为：1200bps-115200bps；串口2的接口只有/TXD和/RXD两根数据线，没有状态和控制线；串口2只能用来传输AT命令；
[0072] 其中使用的超声波测距传感器模块为防水的超声波模块DYP-ME007A1，其具体参数如下所示：
[0073] ●工作电压DC5V
[0074] ●工作电流20mA
[0075] ●工作频率40KHz
[0076] ●最远射程3.5m
[0077] ●最近射程20cm
[0080] ●模块尺寸34mm*43mm
[0081] 其中使用的温度传感器为SE95，其具体特性如下：
[0082] ●器件可以完全取代工业标准的LM75和LM75A
[0083] ●单个器件的电源范围可超出2.8V～5.5V的范围
[0084] ●具有I2C总线接口，同一总线上可连接多达8个器件，速率为400kHz[0085] ●
电源电压范围：2.8V～5.5V
[0086] ●环境温度范围：-55℃～+125℃
[0087] ●提供0.03125℃的精度的13位ADC
[0088] ●-25℃～+100℃温度精度为±1℃
[0090] ●为了减低功耗，关断模式下消耗的电流仅为0.7μA
[0091] ●上电时器件可用作一个独立的温度
控制器[0092] ●ESD保护：在JESD22-A114标准下，可以通过1000V HBM模式；在JESD22-A115标准下，可以通过150V MM模式
[0093] ●在JEDEC标准下(JESD78)所做的闩
锁测试可达100mA
[0094] ●小型8脚封装：SO8、TSSOP8(MSOP8)
[0095] 其中使用的实时时钟芯片是PCF8563，其具体参数为：
[0096] ●晶振为32.768KHZ
[0097] ●工作电压1.0-5.5V
[0098] ●工作电流0.25uA
[0099] ●支持I2C接口
[0100] 其中使用的串口电平转化芯片为MAX706，其具体参数如下：
[0101] ●满足EIA/TIA-232-F标准
[0102] ●工作电压为+3.0V到+5.5V
[0104] ●1uA的低功耗关断模式，接收器(SP3222E)有效
[0105] ●可与RS-232共同使用，电源低至+2.7V
[0106] ●增强型ESD规范：±15kV人体放电模式；±15kV IEC1000-4-2气隙放电；±8kVIEC1000-4-2
接触放电
[0107] 本实用新型检测地下生态水水位所使用的物理信号是超声波信号，利用超声波进行距离测量的原理如下所述：超声波测距传感器发出一个超声波信号，同时CPU计数器开始进行计数，发出的超声波碰到阻碍返回，当超声波测距传感器收到返回的超声波信号时，CPU计数器停止计数，根据CPU的晶振频率，计数出超声波信号飞行的时间，飞行时间的一半乘以在特定温度下超声波的飞行速度可以计算出距离值。
[0108] 其公式如下所示：
[0109] S＝(n×Osc×Vt)/2
[0110] 其中：
[0111] S——表示被测的距离；
[0112] n——表示计数次数；
[0113] Osc——表示晶振频率的倒数；
[0114] Vt——表示在特定温度下超声波的飞行速度；
[0115] 在不同的温度下，超声波的飞行速度是不同的，因此为了保证测试的准确，我们需要对环境温度进行采集，对超声波的速度进行温度补偿，其补偿公式如下所示：
[0116] Vt＝V0+0.607×T
[0117] 其中：
[0118] Vt——表示在T℃下超声波的速度(m/s)
[0119] V0——表示在0℃下超声波的速度，为332m/s
[0120] T——环境温度(℃)
[0121] 基于以上的理论的
支撑，可以准确的对地下生态水水位进行测量，下面介绍整个系统的工作过程：
[0122] 超声波测距传感器位置，据液面的距离范围在30cm-300cm之间，此为该传感器的有效测量范围。安装完成后，对数据通信装置9上电，数据通信装置9首先进行各部分模块的初始化，检测各部分模块的工作是否正常，首次启动，自动加入GSM网络，向PC控制端发送自己的ID号，PC控制端确认收到ID返回时间数据、数据采集时间间隔、一次数据采集次数及确认连接成功等信息。数据通信装置9将配置完成的信息再次发给PC控制端，PC控制端对数据配置准确性进行确认。完成数据采集节点的初次配置。数据通信装置9进入正常工作状态，根据设定的数据采集时间间隔进行数据的采集。完成一次数据采集，进入深度休眠状态。在休眠状态下进行计时，当达到时间间隔，数据采集节点重新启动，进行数据的采集及传输。发送的数据包括自己的ID、采集时间、环境温度数据、以及补偿过的距离数据。
[0123] 发送的数据通过GSM网络，发送至短信汇聚及命令下达装置10，由此转存至数据汇总/处理/展示后台服务器14。在
数据库中，已经记录了各个细眼井的具体的海拔高度。将采集回来的各个液面距离井口的数据，与细眼井的海拔数据进行计算，得到地下水相对于海平面的水位高度。之后数据汇总/处理/展示后台服务器14自动按时间间隔对数据进行处理并且发布到web进行数据展示。
[0124] 本实用新型在以往地下水水位检测方案的
基础上，提出新的方法：采用超声波测距传感器进行测距、采用GSM网络进行信息传递。大大降低了仪器的体积和成本；实现可以在无人值守的情况下各个井眼同步、自动进行信息的采集和传递；进一步提高了地下生态水水位检测的精度。
