[发明专利]基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置

摘要

本发明涉及基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，属水文监测设备领域。本发明包括数据采集模块、控制模块、无线通信模块、供电模块；所述数据采集模块与控制模块相连，控制模块与无线通信模块、供电模块分别与数据采集模块、控制模块、无线通信模块相连。本发明结构简单、成本低廉，操作便捷，利用具有感知能力、计算能力和无线通信能力的微型无线传感器，以及节点本身的低成本、低功耗、多功能、监测区域覆盖范围广、地址位置分布分散等特点，通过无线传感器节点对野外地理环境的水文变化进行实时监测。供电模块采用可充电电池和太阳能电池板双电源模式，不仅降低了能耗，还节约了人力成本，避免铅蓄电池的二次污染，起到了节能环保的作用。

主权项

1.基于实时嵌入式CPS的水文监测无线传感器节点装置，其特征在于：包括数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）、供电模块（4）、天线Ⅰ（5）、天线Ⅱ（6）、树脂胶封层Ⅰ（10）、树脂胶封层Ⅱ（11）、树脂胶封层Ⅲ（12）、聚砜铸模层Ⅰ（13）、聚砜铸模层Ⅱ（14）、太阳能电池板（15）；所述数据采集模块（1）包括液位传感器（7）、雨量传感器（8）、数字温湿传感器（9）；数据采集模块（1）与控制模块（2）相连，控制模块（2）与无线通信模块（3）连接，供电模块（4）分别与数据采集模块（1）、控制模块（2）、无线通信模块（3）相连；天线Ⅰ（5）通过树脂胶封层Ⅲ（12）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，天线Ⅱ（6）通过树脂胶封层Ⅱ（11）固定在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上，液位传感器（7）、雨量传感器（8）通过树脂胶封层Ⅰ（10）固定连接在聚砜铸模层Ⅰ（13），数字温湿传感器（9）通过树脂胶直接封装在聚砜铸模层Ⅰ（13）里层的聚砜铸模层Ⅱ（14）内部，太阳能电池板（15）通过树脂胶直接封装在表层的聚砜铸模层Ⅰ（13）上；所述数字温湿传感器（9）选用一种改进型智能温度传感器DS18B20，其最大分辨率可达0.0625摄氏度；所述控制模块（2）包括单片机模块（35）、充电控制电路（31）、温度传感器电路（32）、12V‑5V转换电路（33）、5V‑3.3V转换电路（34）；其中，单片机模块（35）分别与雨量传感器（8）中的RC环形振荡电路Ⅰ（19）、增益放大电路Ⅰ（22）连接；单片机模块（35）分别与液位传感器（7）中的RC环形振荡电路Ⅱ（26）、增益放大电路Ⅱ（30）连接；单片机模块（35）再分别与充电控制电路（31）、温度传感器电路（32）、12V‑5V转换电路（33）、5V‑3.3V转换电路（34）相连；所述充电控制电路（31）包括CN3063芯片、电容C2、C3、电阻R2、R3、发光二极管L1、L2；其中CN3063芯片的TEMP引脚与GND引脚串接，然后一起接地，ISET引脚通过下拉电阻R3接地，BAT引脚通过下拉电容C3接地，FB引脚与BAT引脚并联接入锂电池的正负极BATH+和BATH‑，锂电池的正极BATH+与电容C3的一端相连接，锂电池的负极BATH‑与电容C3的另一端相连接，DONE引脚和CHRG引脚分别接发光二极管L1，发光二极管L2，然后并联连接电阻R2，最后与VIN引脚并联且通过一个二极管接入太阳能电池板输出端，二极管电流流出端通过下拉电容C2接地；所述温度传感器电路（32）包括18B20芯片、电容C4、电阻R4；其中18B20芯片的管脚1连接电容C4的一端，电容C4的另一端直接接地，18B20芯片的管脚2连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与18B20芯片的管脚1并联，并接入5V电源，18B20芯片的管脚3直接接地；所述12V‑5V转换电路（33）包括电源J1、LM7805芯片J2、LM7805芯片J3、二极管D1、D2、电解电容CS1、CS2、CS3、CS4、电容C5、C6、C7、C8、电阻R5；其中电源J1的正极与二极管D1的正极相连接，二极管D1的负极与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电源J1的负极直接接地，电解电容CS1与电容C5并联，并联的一端与LM7805芯片J2的Vin管脚相连接，电解电容CS1与电容C5并联的另一端直接接地，LM7805芯片J2的GND管脚直接接地，LM7805芯片J2的Vout管脚连接5V电源，电解电容CS2与电容C6并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS2与电容C6并联的另一端直接接地；电源J1的正极与二极管D2的正极相连接，二极管D2的负极与LM7805芯片J3的Vin管教相连接，LM7805芯片J3的GND管脚直接接地，电解电容CS3与电容C7并联，并联的一端与LM7805芯片J3的Vin管脚相连接，电解电容CS3与电容C7并联的另一端直接接地，LM7805芯片J3的Vout管脚直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联，并联的一端直接与5V电源相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，电阻R5的一端与5V电源相连接，电阻R5的另一端直接接地；所述5V‑3.3V转换电路（34）包括LM1117‑3.3芯片、电解电容CS5、CS6、电容C9、C10；其中电解电容CS5与电容C9并联，并联的一端同时与5V电源、LM1117‑3.3芯片的Vin管脚相连接，电解电容CS4与电容C8并联的另一端直接接地，LM1117‑3.3芯片的ADJ管脚直接接地，电解电容CS6与电容C10并联，并联的一端与LM1117‑3.3芯片的Vout管脚相连接，作为3.3V电源的正极，电解电容CS6与电容C10并联的另一端直接接地，作为3.3V电源的负极；所述RC环形振荡电路Ⅰ（19）和RC环形振荡电路Ⅱ（26）采用同一种电路连接方式，均包括放大器G1、G2、G3、电阻R6，可变电阻Rs、电容C11；其中放大器G1的输出端与放大器G2的输入端相连接，放大器G2的输出端与电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端与可变电阻Rs的一端相连接，可变电阻Rs的另一端与放大器G3的输入端相连接，放大器G3的输出端作为电路的输出端，同时引出与放大器G1的输入端相连接，构成反馈，电容C11的一端与放大器G1的输出端相连接，电容C11的另一端连接至电阻R6与可变电阻Rs的连接线上，与其电性连接。