[发明专利]一种墒情设备采集仪系统

摘要

本发明涉及一种墒情设备采集仪终端及系统，属于信号采集、处理、传输与组网等技术领域。本发明包括墒情设备采集仪(简称设备)及远端接收与监控系统，其中墒情设备采集仪又主要包括采集与主控模块、通信与定位模块、接口模块、避雷模块以及电源模块；其中，采集与主控模块又包括主控与DSP模块、采集模块、数字信号接口、模拟传感器接口；通信与定位模块又包括通信模块、GPS模块及电台模块；采集与主控模块对各监测点的墒情信息进行高精度采集及处理，通信与定位模块将墒情信息通过GSM/GPRS无线方式传送到远端接收与监控系统。本发明对各种传感器输出的信号进行精准采集并实现实时可靠的传输，不受采集数量、时间、地点与空间的限制，实现水利与土壤墒情的无人化采集与管理。

主权项

1.一种墒情设备采集仪系统，其特征在于：是针对水利、土壤、风速/风向、雨量为主的墒情传感器，采集各类型数据并实现报警、数据存储及远程传输的设备；一种墒情设备采集仪系统简称采集仪系统，包括墒情设备采集仪，简称设备，及远端接收与监控系统，其中墒情设备采集仪又主要包括采集与主控模块、通信与定位模块、接口模块、避雷模块以及电源模块；其中，采集与主控模块又包括主控与DSP模块、采集模块、数字信号接口、模拟传感器接口；通信与定位模块又包括通信模块、GPS模块及电台模块；接口模块包含与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口、与键盘接口、条码扫描器以及USB接口；采集模块主要采用∑‑△调制技术、脉冲压缩编码、去直流、差分变换、信号积累技术并配合极低噪声仪表运放；其中，墒情设备采集仪的各模块的连接关系如下：采集与主控模块中的主控与DSP模块分别与通信与定位模块中的通信模块、GPS模块及电台模块相连；采集与主控模块中的主控与DSP模块分别与接口模块中的与计算机数据接口、与存储器接口模块、与液晶接口及与键盘接口相连；避雷模块与所有模块相连，为所有模块提供避雷保护；供电模块与所有模块相连，为所有模块提供电能；采集与主控模块中的各种数字传感器与数字信号接口连接；各种模拟信号传感器与模拟传感器接口连接；数字信号接口与模拟传感器接口与采集模块连接，采集模块和主控与DSP模块连接；其中，所述的各种数字传感器包括风速、风向、水位及雨量为主的数字传感器；所述的各种模拟信号传感器包括土壤、温度以及湿度模拟传感器为主的模拟信号传感器；此外，远程接收与控制系统和墒情设备采集仪相连；一种墒情设备采集仪系统中的各模块功能如下：通信及定位模块中的通信子模块与远程接收及监控系统通过GSM、GPRS、北斗通信及超短波电台为主的无线通信方式进行信息交互；通信与定位模块将各种土壤及水利墒情信息通过无线方式传送到远端接收与监控系统，远端接收与监控系统对接收到的信息进行管理、发布及反馈控制；另外，接口模块中预留有232、485接口，墒情设备采集仪也可以用有线通信方式和远端接收与监控系统实现墒情信息的交互；所述的采集与监控模块中采集的传感器信号包括：触发事件量、雨量传感器、N个模拟量传感器：土壤墒情传感器、水位墒情传感器，温度传感器、湿度传感器；所述的模拟量传感器数量N大于等于4个；墒情设备采集仪实时、高精度采集各种信号；其中，所述的各种信号包括：事件量、模拟量、格雷码数字量、rs232信号、485设备信号以及经纬度信息；具体的，对于电压、电阻及电流三种模拟信号的采集，墒情设备采集仪首先将各种信号统一转换为电压信号，然后根据不同量程的信号对ADC芯片的参考电平进行量程配置，采用高精度、极低噪声仪表运放，放大至满量程再输入ADC芯片中；采用∑‑△调制技术进行高精度采集，对0～20mV信号采用差分变换，配合极低噪声仪表运放，输入高精度ADC中，实现了20位的高精度数据采集；对于数字墒情信号，如雨量、风速及风向墒情传感器传输的数字信号实现及时、准确的捕捉与测量；墒情设备采集仪自动切换的多种数据传输与通信方式及工作模式；具体可实现的多种数据传输与通信方式，包括GSM/GPRS/CDMA/4G/WiFi、GPS、卫星通信和电台接入多种传输和通信模式,并可设主备通信模式兼容：串口直连PC机，无线电台传送、短信传送、GPRS传送、卫星传送、Wifi传输；一旦主通信方式发生故障，墒情设备采集仪将自动切换到备用通信方式；上报通信方式自动转换，并支持零点重启，工作模式、省电模式切换为主的功能；所有参数均可由仪器自带液晶键盘或远程信息中心进行设置及查询；供电方式采用太阳能电池、可扩展电源接头、锂电化学可充电池多种供电方式；墒情设备采集仪供电灵活，可太阳能供电，同时内置高性能电池和充电接口；可实现高精度定时自动采集、存储及上报；墒情设备采集仪的电源供应端与电瓶相接，电瓶经过充电控制器与太阳能电池板相接，从而实现太阳能供电；实时时钟电池带电时间长，精度高，可设；除了精准时钟外，单个墒情设备采集仪具有路由功能，每个设备既可以作为传输信息的源，也可以作为消息传输的目的终点；单个墒情设备采集仪还配有大容量存储器，可根据系统设置，实现自动组网、定时自动采集、存储、上报；定义单个墒情设备采集仪可以一步传输到达的墒情设备采集仪，为当前传输墒情设备采集仪的“直连”设备；整个采集仪系统中，任意两墒情设备采集仪不为“直连”，可假设二者间通过有限次转发可实现通信；在单个墒情设备采集仪电流过载时或遭雷电袭击时，该设备通过自检及防过载措施及设置能及时避免，用于防止设备及传感器供电过载过流、防止打雷时产生的感应电流，即具有避雷功能；其中，“源设备”和“目的设备”间一次完整的信息传输方法，具体步骤如下：步骤3.1：传输信息前，每个墒情设备采集仪通过其GPS模块存储和发送设备地址信息，每个墒情设备采集仪建立其路由信息传输表，并进行初始化；所述的“源设备”和“目的设备”分别对应一个墒情设备采集仪；单个墒情设备采集仪建立的路由信息传输表所含内容为如下四方面内容：(1)本设备的“直连设备”数量，即从本设备无需转接可直达的设备数目；(2)本设备的“直连设备”名称及地址列表，这些“直连设备”名称可是设备的全局名称、设备的GPS地址信息、设备IP地址或者是设备在采集仪系统中的本地编号，不同设备具有不同的名称及地址；(3)本设备与各“直达设备”的路由带宽列表；(4)本设备通过“直达设备”可达采集仪系统中各设备的带宽列表；该列表枚举从本设备出发到采集仪系统中另一设备的历史数据带宽，对于本设备未知的目的设备，此带宽初始值可设置为一预设的最小值；在采集仪系统中，任一当前设备C的“路由信息传输表”如下表1所示：表1 本设备的路由信息传输表表1中，当前设备C在采集仪系统中有N个“直连设备”，分别为L₁，L₂，…，L_N，除去“直连设备”外其它设备分别为D₁，D₂，…，D_L，LA₁，LA₂，…，LA_N表示当前设备的“直连设备”名称及地址列表，表1中R₁，R₂，…，R_N表示本节点直达各近邻节点的带宽，表示当前设备通过“直连设备”L_i可达设备D_k的带宽；设备初始化，也即对采集仪系统中每个设备进行初始化，其初始化过程为：(1)当前设备发送“直达设备”查询信号，收到该查询信号的设备回送响应信号，当前设备根据此询问信号和响应信号建立“直达设备”数量、“直达设备”名称和地址列表以及本设备与“直达设备”的路由带宽列表；(2)将本节点通过“直达设备”可达设备其他非近邻节点的带宽均置为预设的最小值，对于本设备的未知目的设备，为其带宽值预留存储器；步骤3.2：当前设备将欲发送的信息分组，并进行喷泉编码；具体过程为：当前设备将欲传输的信息先分成K组，再经过喷泉编码编成源源不断的数据包发送给“直连设备”；喷泉编码后的数据包是源源不断产生的，因此在没有收到目的设备的反馈信息前，将当前设备一直发送喷泉编码后的数据包；其中，步骤3.2中源设备编码方法为LT码、Raptor码为主的喷泉编码，当欲发送的数据信息重要性不同时，将信息进一步分组，并采用UEP及EEP为主的高效喷泉编码，即对源发送信息进行喷泉编码的参数和形式可以灵活多样，根据传输需求，灵活选择和设计；步骤3.3：当前设备计算本设备与其“直连设备”到目的设备的度量，度量计算为当前设备和“直连设备”之间的距离，可通过GPS地址的经纬度计算得出；各“直连设备”分别按链路的吞吐能力按正比例发送数据包，以保证接收节点恢复源数据的概率超过预先指定的概率Pr；为均衡资源使用，限定非“直连设备”的转发次数最大值为Y，限定任意两个设备之间路由总数的最大值为X；数据包的包头中包含源设备地址信息、目的设备地址信息和转发次数计数器，并预留Y个转发设备地址的位置，其中转发次数计数器置零；其中，吞吐能力可等效看做是带宽，直接从当前设备的“路由信息传输表”中获得；步骤3.4：“直连设备”收到数据包后，如果本设备为传输信息的“目的设备”，则转步骤3.5；否则，本设备作为中间设备检查转发次数计数器的值，若该值小于Y时存在两种情况：3.4.1若当前设备存在该“直连设备”的“直连设备”没有可以转发数据包的设备，则转发次数计数器加1，将本设备的名称和地址信息写入数据包头，将更新后的数据包头和数据转发给含有至少一个“直连设备”的“直连设备”；3.4.2如果当前设备“直连设备”的“直连设备”没有可以进一步转发数据包的“直连设备”，则丢弃此数据包；步骤3.5：目的设备将各路径收到的数据进行组装并译码，译码成功后反馈“成功接收所有数据包”的通知给源发送数据的设备，并停止数据包的接收；步骤3.6：发送信息的源设备检测到“目的设备”发送来的“成功接收所有数据包”，停止发送喷泉数据包；至此，完成了从源设备到“目的设备”间的一次信息传送；经过上述步骤3.1到步骤3.6完成了采集仪系统中“源设备”和“目的设备”间一次完整的信息传输方法。