CN104459072A - 一种基于wsn的多参数水质监测节点装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于WSN的多参数水质监测节点装置，包括传感单元、核心控制单元以及用于供电的电源模块，传感单元由信号调理电路和与之连接的2种以上水质传感器组成，所述信号调理电路由矩形波产生电路、I/V变换电路、精密整流及滤波电路、PT100信号调理电路和/或电压抬升放大电路组成，传感单元的各个传感器通过信号调理电路与核心控制单元连接；核心控制单元与GPS模块和ZigBee模块分别双向连接，电源模块与传感器单元、核心控制单元以及ZigBee模块连接。本发明的整体硬件电路简单、成本低廉，能够同时对多种水质参数进行监测。

Description

一种基于WSN的多参数水质监测节点装置
技术领域
本发明涉及一种基于WSN的多参数水质监测节点装置，属于水质监测检测领域。
背景技术
近年来，对水资源实施监测与保护方面，国内外已经出现了许多重要方法。无线传感器网络(WSN)集计算机技术、通信技术和传感器技术于一体，具有监测范围广、***成本低、可靠性高、监测节点自组织以及对生态环境破坏小等优点，十分适合野外大型水域的水质监测。
许多科研机构已经开始在内陆淡水湖或近海海洋环境中进行小规模的组网实验，中国科学院、中国海洋大学、哈尔滨工业大学等大学和科研机构在组网协议、网络体系结构等方面已经取得了一定的研究成果，并成功组建了很多有价值的水质监测***平台。
现有的水质检测节点装置，通常只能检测一个种类的参数。而若想同时检测多种参数，需要用到多个种类的传感器，多种传感器的同时接入受到多种因素的限制，例如控制单元的处理能力、传感器信号的传递方式以及传感器与控制单元的连接方式，同时，不同电器件的输入不同，对于电源的选择也是一大难点。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于WSN的多参数水质监测节点装置，用合理方式将多种传感器与核心控制单元连接，能够同时对多种水质参数进行监测。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于WSN的多参数水质监测节点装置，包括传感单元、核心控制单元以及用于供电的电源模块，传感单元由信号调理电路和与之连接的2种以上水质传感器组成，所述信号调理电路由矩形波产生电路、I/V变换电路、精密整流及滤波电路、PT100信号调理电路和/或电压抬升放大电路组成，传感单元的各个传感器通过信号调理电路与核心控制单元连接；核心控制单元与GPS模块和ZigBee模块分别双向连接，电源模块与传感器单元、核心控制单元以及ZigBee模块连接。
所述核心控制单元采用STM32F407芯片。
所述2种以上水质传感器包括温度传感器、PH值传感器、电导率传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器，所述信号调理电路由矩形波产生电路、I/V变换电路、精密整流及滤波电路、PT100信号调理电路和3组电压抬升放大电路组成，温度传感器通过PT100信号调理电路与核心控制单元连接，电导率传感器通过依次连接的矩形波产生电路、I/V变换电路和精密整流及滤波电路连接于核心控制单元，PH值传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器各通过1组电压抬升放大电路连接于核心控制单元。
所述ZigBee模块采用CC2530芯片，CC2530芯片的P02引脚与STM32F407芯片的PC6引脚连接，CC2530芯片的P03引脚与STM32F407芯片的PC7引脚连接。
所述GPS模块的RX端口与STM32F407芯片的PA9引脚连接，GPS模块的TX端口与STM32F407芯片的PA10引脚连接，GPS模块的PPS端口与STM32F407芯片的PA13引脚连接。
所述温度传感器采用PT100，PH值传感器采用HT61-AP891，电导率传感器采用CT61-A0101，氨氮传感器采用NH61-A0002，溶解氧传感器采用AOR2-00P4。
所述电源模块包括由LM2596-5.0及其***电路组成的固定5V输出的降压稳压电路，由TPS61175极其***电路组成的升压电路、由BQ24002及其***电路组成的4.2V锂电池充电电路，以及由TPS60300及其***电路组成的3.3V固定输出的稳压电路。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明的信号调理电路所采用的芯片普遍易得、成本低廉；调理电路的元件参数进过精心计算和试验调整得出，电路稳定性好、准确度高；
(2)装置采用高性能单片机STM32F407作为控制核心，该单片机具有十分丰富的存储器和外设资源(USART、ADC、SPI、I2C、IO)，其内嵌的FPU可以用于数据融合，提高了监测节点装置的扩展性能；
(3)多个监测节点装置可以组建无线传感器网络，实现大面积水域的多参数水质监测，提高了监测数据的准确性和监测的可靠性，克服了传统方式单传感器节点的局限性；
(4)ZigBee模块可以采用ZigBee协议编程，能够组建大规模无线传感器网络，极大地提高了数据传输的可靠性；
(5)电源模块采用多块高性能电源管理芯片，输入电压范围宽，输出电压稳定性高，提高了监测节点装置工作的稳定性；
(6)采用GPS模块实现监测节点装置的定位，便于查找和管理节点装置；
(7)本发明的整体硬件电路简单、成本低廉、便于制造实施，特别是在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合，降低工程成本经济、便于工程实施。
附图说明
图1是基于WSN的多参数水质监测节点装置的结构框图。
图2是模块连接示意图。
图3是IV变换电路连接电路图。
图4是PT100信号调理电路连接电路图。
图5是矩形波产生电路连接电路图。
图6是电压抬升放大电路连接电路图。
图7是精密整流及滤波电路连接电路图。
图8是电压反相电路连接电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
结合图1，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于WSN的多参数水质监测节点装置，包括传感单元、核心控制单元以及用于供电的电源模块，传感单元由信号调理电路和与之连接的2种以上水质传感器组成，所述信号调理电路由矩形波产生电路、I/V变换电路、精密整流及滤波电路、PT100信号调理电路和/或电压抬升放大电路组成，传感单元的各个传感器通过信号调理电路与核心控制单元连接；核心控制单元与GPS模块和ZigBee模块分别双向连接，电源模块与传感器单元、核心控制单元以及ZigBee模块连接。
参照图2，所述核心控制单元采用STM32F407芯片。
所述2种以上水质传感器包括温度传感器、PH值传感器、电导率传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器，所述信号调理电路由矩形波产生电路、I/V变换电路、精密整流及滤波电路、PT100信号调理电路和3组电压抬升放大电路组成，温度传感器通过PT100信号调理电路与核心控制单元连接，电导率传感器通过依次连接的矩形波产生电路、I/V变换电路和精密整流及滤波电路连接于核心控制单元，PH值传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器各通过1组电压抬升放大电路连接于核心控制单元。
所述ZigBee模块采用CC2530芯片，CC2530芯片的P02引脚与STM32F407芯片的PC6引脚连接，CC2530芯片的P03引脚与STM32F407芯片的PC7引脚连接。
所述GPS模块的RX端口与STM32F407芯片的PA9引脚连接，GPS模块的TX端口与STM32F407芯片的PA10引脚连接，GPS模块的PPS端口与STM32F407芯片的PA13引脚连接。
所述温度传感器采用PT100，PH值传感器采用HT61-AP891，电导率传感器采用CT61-A0101，氨氮传感器采用NH61-A0002，溶解氧传感器采用AOR2-00P4。
所述电源模块包括由LM2596-5.0及其***电路组成的固定5V输出的降压稳压电路，由TPS61175极其***电路组成的升压电路、由BQ24002及其***电路组成的4.2V锂电池充电电路，以及由TPS60300及其***电路组成的3.3V固定输出的稳压电路。
图3所示是IV变换电路连接电路图。TL084(U21B)的第6引脚接待检测电流输入，即与电导率传感器探头的电流输出端连接，第7引脚与精密整流及滤波TL084(U21C)的第9引脚连接，第6引脚与第7引脚之间通过249欧姆电阻R26连接，待测电流流经电阻R26形成电压差，从而实现电流/电压(I/V)转换。TL084(U21B)的第11引脚接-5V电源VDD-5V。TL084(U21B)的第4引脚接5V电源VDD5V。
图4所示是PT100信号调理电路连接电路图。PT100温度传感器探头有3个连接端子，分别标记为TC1+3、TC2+3、TC-3。TC1+3通过1K电阻R40接电源VDD3V，TC2+3与100欧电阻R41的一端连接，TC-3与100欧电阻R44的一端连接，同时与INA826(U13)的第4引脚连接。PT100温度传感器与电阻R41、R44、R44共同构成一个电阻电桥，由于PT100的阻值随温度而改变于是就会形成电压差，再经过仪表放大器芯片INA826的放大，就可以通过单片机的ADC进行采样。电阻R44的一端接INA826的第4引脚，另一端接地。电阻R45一端接INA826(U13)的第1引脚，另一端接地。INA826(U13)的第2、3引脚通过4.99K的电阻R42连接，第5、6引脚接地，第8引脚接电源VDD5V，并通过0.1UF瓷片电容C23接地。
图5所示是矩形波产生电路连接电路图。矩形波产生电路的CD4060(U5)的第1、2、3、4、5、6、13、14、15引脚悬空，第16引脚接5V电源VDD5V，并通过瓷片电容C13接地。CD4060(U5)的第8引脚和第12引脚接-5V电源VDD-5V，并一起通过瓷片电容C67接地。CD4060(U5)的第8引脚与瓷片电容C11的一端连接，第10引脚与电阻R21的一端连接，第11引脚与电阻R18的一端连接，电阻R18、R21、电容C11的另一端连接在一起。CD4060(U6)的第7引脚与TL084(U21A)的第3引脚间通过100K的电阻R19连接。TL084(U21A)的第4引脚接+5V电源VDD5V，并通过瓷片电容C68接地；第11引脚接-5V电源，并通过瓷片电容C69接地，电容C11、C67、C68、C69均为0.1uF。TL084(U21A)的第1引脚与第2引脚间通过10K的电阻R25连接，同时TL084(U21A)的第1引脚与电导率传感器探头的输入端RES+4连接。
图6所示是电压抬升放大电路连接电路图。TL081(U11)的第1引脚、第5引脚、第8引脚悬空，第2引脚与第6引脚之间通过0欧姆电阻R2连接。TL081的第3引脚接电压输入(Vin)接PH值传感器、氨氮传感器或溶解氧传感器的信号输出端，第4引脚接﹣5V电源并通过0.1uF瓷片电容C1接地，第7引脚接+5V电源并通过0.1uF瓷片电容C2接地。TL081(U11)的第6引脚接INA826(U12)的第4引脚。INA826(U2)的第1引脚接地，第2引脚与第3引脚通过1.5K电阻R1连接，第5引脚接地，第6引脚接REF3318(JP4)的第3引脚并通过电容C5接地。INA826(U12)的第7引脚接STM32F407单片机的ADC输入引脚PC0。INA826(U12)的第8引脚接电源VDD3V，并通过0.1uF电容C4接地。INA826(U12)的第2、3引脚间接100K电位器R38。REF3318的第1引脚接地，第2引脚接+5V电源，第1引脚和第2引脚之间通过电容C3连接，电容C3和C5为10uF无极性电容。
图7所示是精密整流及滤波电路连接电路图。TL084(U21C)的第9引脚通过10K电阻R17与交流电压信号输入连接，交流电压信号输入即I/V变换电路的输出，也就是TL084(U21B)的第7引脚。TL084(U21C)的第8引脚以二极管SS14(D1)的阳极连接，与二极管SS14(D2)的阴极连接，第9引脚与二极管SS14(D2)的阳极间通过36K的电阻R22连接，第9引脚与二极管SS14的阴极间通过36K的电阻R27连接。TL084(U21D)的第12引脚与SS14(D1)的阴极连接，第13引脚与SS14(D2)间通过36K的电阻R23连接，第14引脚与第13引脚间通过36K的电阻R24连接，第14引脚与STM32F407的PA6端口间通过10K的电阻R20连接。R20一端与TL084(U21D)的第14引脚连接，另一端通过20pf的电容C12和二极管SS14(D3)接地，其中电阻R20与二极管SS14的阴极连接。
参照图8，本发明还设有电压反相电路。LM2663(U9)的第1、3引脚一起接地，第2引脚接10uF电解电容CT7的正极端，第3引脚接CT7的负极端。LM2663(U9)的第6、7引脚悬空不接，第8引脚接+5V电源VDD5V电源输入，并通过0.1uF瓷片电容C19接地。LM2663(U9)的第8引脚接4.7uF电解电容CT6的正极，通过CT6接地。LM2663(U9)的第5引脚输出-5V电压，并通过0.1uF瓷片电容C20和C21接地。LM2663(U9)的第5引脚接47uF电解电容CT8的负极和4.7uF电解电容CT9的负极。电容CT8、CT9的正极端接地。

Claims (7)

1.一种基于WSN的多参数水质监测节点装置，包括传感单元、核心控制单元以及用于供电的电源模块，其特征在于：传感单元由信号调理电路和与之连接的2种以上水质传感器组成，所述信号调理电路由矩形波产生电路、I/V变换电路、精密整流及滤波电路、PT100信号调理电路和/或电压抬升放大电路组成，传感单元的各个传感器通过信号调理电路与核心控制单元连接；核心控制单元与GPS模块和ZigBee模块分别双向连接，电源模块与传感器单元、核心控制单元以及ZigBee模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于WSN的多参数水质监测节点装置，其特征在于：所述核心控制单元采用STM32F407芯片。
3.根据权利要求2所述的基于WSN的多参数水质监测节点装置，其特征在于：所述2种以上水质传感器包括温度传感器、PH值传感器、电导率传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器，所述信号调理电路由矩形波产生电路、I/V变换电路、精密整流及滤波电路、PT100信号调理电路和3组电压抬升放大电路组成，温度传感器通过PT100信号调理电路与核心控制单元连接，电导率传感器通过依次连接的矩形波产生电路、I/V变换电路和精密整流及滤波电路连接于核心控制单元，PH值传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器各通过1组电压抬升放大电路连接于核心控制单元。
4.根据权利要求2所述的基于WSN的多参数水质监测节点装置，其特征在于：所述ZigBee模块采用CC2530芯片，CC2530芯片的P02引脚与STM32F407芯片的PC6引脚连接，CC2530芯片的P03引脚与STM32F407芯片的PC7引脚连接。
5.根据权利要求2所述的基于WSN的多参数水质监测节点装置，其特征在于：所述GPS模块的RX端口与STM32F407芯片的PA9引脚连接，GPS模块的TX端口与STM32F407芯片的PA10引脚连接，GPS模块的PPS端口与STM32F407芯片的PA13引脚连接。
6.根据权利要求2所述的基于WSN的多参数水质监测节点装置，其特征在于：所述温度传感器采用PT100，PH值传感器采用HT61-AP891，电导率传感器采用CT61-A0101，氨氮传感器采用NH61-A0002，溶解氧传感器采用AOR2-00P4。
7.根据权利要求2到6所述的基于WSN的多参数水质监测节点装置，其特征在于：所述电源模块包括由LM2596-5.0及其***电路组成的固定5V输出的降压稳压电路，由TPS61175极其***电路组成的升压电路、由BQ24002及其***电路组成的4.2V锂电池充电电路，以及由TPS60300及其***电路组成的3.3V固定输出的稳压电路。
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