河道環(huán)境特征參數(shù)測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及河流檢測，尤其是涉及一種能夠準(zhǔn)確反映長距離河道的平均環(huán)境參數(shù)以及實現(xiàn)實時觀測河道環(huán)境參數(shù)變化，在小范圍內(nèi)的河道區(qū)域進行長時間的連續(xù)的高精度的河道環(huán)境特征參數(shù)測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國水利資源豐富，屬于河流最多的國家之一。由于地勢高低起伏，河道寬度小，水流速度大，因此實現(xiàn)對河道環(huán)境特征參數(shù)的實時獲取具有十分重大的意義。當(dāng)前對河口以及河道范圍內(nèi)實現(xiàn)監(jiān)測的主要方法為單點入侵式監(jiān)測方法，測量方法有機械式流量計、電磁流量計等。這些方法獲取環(huán)境特征參數(shù)雖然簡單方便，但是其可測范圍有限，只能檢測某一位置的環(huán)境特征參數(shù)，不能準(zhǔn)確反映河道的平均環(huán)境特征參數(shù)，容易產(chǎn)生誤差?；谶@些方法的檢測還需要在河道中固定放置傳感器，這不僅耗費巨大的人力物力，并且會對河道內(nèi)運行的船只造成影響。因此基于該方法的河道環(huán)境特征監(jiān)測實施起來極為困難，得不到廣泛運用。聲學(xué)技術(shù)在海洋監(jiān)測中具有重要的作用，在河口即河道區(qū)域內(nèi)利用高頻聲層析技術(shù)為實現(xiàn)監(jiān)測河口與河道區(qū)域的溫度、鹽度、流速等環(huán)境參數(shù)提供了一種有效的方法。研究成果相對較成熟的聲層析系統(tǒng)主要針對的是利用中頻聲層析技術(shù)在10km海域范圍內(nèi)對獲取環(huán)境特征參數(shù)，而對于圍繞河口以及河道區(qū)域高頻聲層析的研究力度較小，實現(xiàn)系統(tǒng)也不夠完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于為了克服單點入侵方式監(jiān)測河道環(huán)境特征參數(shù)的精度低的問題，以及現(xiàn)有的基于聲學(xué)測量法的單點監(jiān)測單點分析的不可持續(xù)性問題，以及現(xiàn)有的儀器設(shè)備常常以工具箱的形式出現(xiàn)而需要工作人員到現(xiàn)場獲取環(huán)境參數(shù)，無法長時間連續(xù)遠距離檢測等問題，提供一種能夠可以實現(xiàn)在河口以及小型河道區(qū)域進行長時間的連續(xù)的高精度，把環(huán)境特征參數(shù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及應(yīng)用系統(tǒng)集合為一體的遠距離的一種河道環(huán)境特征參數(shù)測量系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明設(shè)有環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)；
[0005]所述環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)安裝在河道邊上，環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)用于根據(jù)聲傳播時間和時間差反推算出溫度、鹽度、壓力等環(huán)境參數(shù)，環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)設(shè)有Cortex內(nèi)核、信號發(fā)送模塊、信號接收模塊和電源模塊，Cortex內(nèi)核用于對數(shù)據(jù)的處理和存儲，信號發(fā)送模塊設(shè)有發(fā)送數(shù)據(jù)采集卡、發(fā)送時間同步模塊、功率放大模塊和高頻換能器；信號接收模塊設(shè)有水聽器、信號放大與濾波電路、接收時間同步模塊和接收數(shù)據(jù)采集卡；C0rtex內(nèi)核的數(shù)字信號輸出端接發(fā)送數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，發(fā)送數(shù)據(jù)采集卡、發(fā)送時間同步模塊、功率放大模塊和高頻換能器依次連接，高頻換能器的輸出端將高頻聲波信號從水中發(fā)射出去；水聽器從水中接收高頻聲波信號，水聽器、信號放大與濾波電路、接收時間同步模塊和接收數(shù)據(jù)采集卡依次連接，接收數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端接Cortex內(nèi)核的輸入端；
[0006]所述數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由至少2個ZigBee無線傳感器模塊組成一個MESH網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，起路由的作用，ZigBee無線傳感器模塊包括ZigBee終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和ZigBee路由接點，ZigBee終端節(jié)點與Cortex內(nèi)核相連，ZigBee終端節(jié)點用于將環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)監(jiān)測得到的河道環(huán)境特征參數(shù)上傳，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與控制子系統(tǒng)連接，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點用于收集來自各ZigBee終端節(jié)點個ZigBee終端節(jié)點的無線數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口接口傳遞給上位機應(yīng)用程序以及將應(yīng)用程序發(fā)送出來的指令下傳，ZigBee路由接點用于對數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)；
[0007]所述控制子系統(tǒng)的串口輸入輸出接口接收來自數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
[0008]所述控制子系統(tǒng)還支持WIFI數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，實現(xiàn)多接口輸入的功能。
[0009]所述控制子系統(tǒng)為計算機上運行的Win32應(yīng)用程序，用于讀寫串口數(shù)據(jù)，通過串口實現(xiàn)計算機與ZigBee無線傳感器模塊的通信。
[0010]所述河道環(huán)境特征參數(shù)包括但不限于溫度、鹽度、壓力等參數(shù)。
[0011 ] 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)用于搭建自組織網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
[0012]所述控制子系統(tǒng)為計算機上運行的Win32應(yīng)用程序，控制子系統(tǒng)用于接收ZigBee無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行分析、處理以及存儲，用戶可通過應(yīng)用程序發(fā)送指令，經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞給環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)，環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)則根據(jù)該指令執(zhí)行具體操作。
[0013]所述環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)設(shè)有發(fā)送電路和接收電路兩部分，但是同一時刻一個子系統(tǒng)只能作為發(fā)送端或接收端，作為發(fā)送端的子系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡作模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生中心頻率為60KHz，帶寬為40?80KHz的由PN碼調(diào)制的高頻載波信號，再經(jīng)過功率放大電路后，由高頻換能器在水中產(chǎn)生高頻聲波；作為接收端的子系統(tǒng)則通過水聽器接收聲波信號，然后再經(jīng)過信號放大和過濾調(diào)理電路，然后由數(shù)據(jù)采集卡作模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。當(dāng)一個子系統(tǒng)作為發(fā)送端時，另一個子系統(tǒng)作為接收端并獲取一個數(shù)據(jù)，最后利用該兩組數(shù)據(jù)根據(jù)聲學(xué)層析技術(shù)計算出該環(huán)境下的溫度、鹽度、壓力等環(huán)境參數(shù)。
[0014]所述數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由多個ZigBee無線傳感器組成，其為一個MESH網(wǎng)絡(luò)。該MESH網(wǎng)絡(luò)具有自動組網(wǎng)、自動路由以及自動路由修復(fù)的功能。ZigBee模塊分為三種功能模塊:與環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)相連的作為無線終端節(jié)點，負責(zé)將環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)監(jiān)測得到的溫度、鹽度、壓力環(huán)境參數(shù)向上傳遞，并向下傳遞接收到的指令；與控制子系統(tǒng)相連的作為協(xié)調(diào)器節(jié)點，主要負責(zé)收集來自各個終端節(jié)點的無線數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口接口傳遞給上位機應(yīng)用程序以及將應(yīng)用程序發(fā)送出來的指令向下傳遞；除此之外的ZigBee都作為路由設(shè)備，主要負責(zé)對數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。
[0015]所述時間同步模塊是基于GPS時間信號的時間同步。在環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)中都配備GPS-0EM板，基于GPS高精度時間作為系統(tǒng)的時鐘，在發(fā)送端發(fā)送完信號和接收端接收到信號的時刻各記下當(dāng)前時刻。接收時刻減去發(fā)送時刻即為聲信號在河水中傳播的時間。利用GPS實現(xiàn)時間同步可以提高系統(tǒng)獲取的環(huán)境特征參數(shù)的精度值。
[0016]所述控制子系統(tǒng)則為主要通過串口輸入輸出接口接收來自ZigBee模塊的數(shù)據(jù)；除此之外還支持WiFi數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，實現(xiàn)多接口輸入的功能。
[0017]本發(fā)明克服了單點入侵方式監(jiān)測河道環(huán)境特征參數(shù)的精度低的問題，克服了單點入侵式的測量方法實施難度大、不能準(zhǔn)確反映長距離河道的平均環(huán)境參數(shù)的困難以及無法實現(xiàn)實時觀測河道環(huán)境參數(shù)變化等問題，克服了現(xiàn)有的基于聲學(xué)測量法的單點監(jiān)測單點分析的不可持續(xù)性問題，克服了現(xiàn)有的儀器設(shè)備常常以工具箱的形式出現(xiàn)而需要工作人員到現(xiàn)場獲取環(huán)境參數(shù)，無法長時間連續(xù)遠距離檢測等問題，本發(fā)明可以實現(xiàn)在河口以及小型河道區(qū)域進行長時間的連續(xù)的高精度遠距離把環(huán)境特征參數(shù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及應(yīng)用系統(tǒng)集合為一體。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019]圖2是環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]圖3是數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)中ZigBee模塊分布圖。
[0021]圖4是環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng)河道安裝示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]我國水利資源豐富，屬于河流最多的國家之一。由于地勢高低起伏，河道寬度小，水流速度大，因此實現(xiàn)對河道環(huán)境特征參數(shù)的實時獲取具有十分重大的意義。本發(fā)明的河道環(huán)境特征參數(shù)測量系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確反映長距離河道的平均環(huán)境參數(shù)以及實現(xiàn)實