地下水分層自動監測系統的製作方法
2023-04-25 00:38:31
地下水分層自動監測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種地下水分層自動監測系統，包括通訊主機和傳感器組件；通訊主機的時鐘模塊的時鐘信號輸出端與主控制器的時鐘信號輸入端連接，主控制器的存儲數據輸入輸出端與存儲模塊的存儲數據輸入輸出端連接，主控制器塊的無線數據輸入輸出端與無線傳輸模塊的無線數據輸入輸出端連接；傳感器組件的每個傳感器的數據輸出端均與通訊主機中的主控制器的數據輸入端連接。本實用新型通過分離的通訊主機和傳感器組件，能夠實現地下水監測從傳統的混合監測到分層監測，室內分析為主到現場監測的轉變，與地下水監測信息管理系統結合，可直接服務於國家級地下水監測工程建設、運行與管理，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】地下水分層自動監測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種地下水分層自動監測系統，屬於地下水監測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]現有的地下水自動化監測技術已經實現了地下水水位水溫的自動監測，但是針對一孔多層監測井的監測所採用的設備仍然比較昂貴。而傳統的地下水監測井多為單井單層監測為主，監測方式多為人工監測，對於多層監測一般採用採用的是孔組形式(一個監測點布設多個監測井，監測不同層位)或巢式監測孔(一個監測井中布設多根套管監測不同層位)。但是，專門針對多層監測井技術開展一孔多層自動監測的設備尚屬空白。
【發明內容】
[0003]本實用新型為解決現有的地下水自動化監測技術存在的沒有專門針對多層監測井技術的問題，進而提供了一種地下水分層自動監測系統。
[0004]本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0005]一種地下水分層自動監測系統，包括通訊主機和傳感器組件；通訊主機包括:時鐘模塊、主控制器、存儲模塊和無線傳輸模塊；時鐘模塊的時鐘信號輸出端與主控制器的時鐘信號輸入端連接 ，主控制器的存儲數據輸入輸出端與存儲模塊的存儲數據輸入輸出端連接，主控制器塊的無線數據輸入輸出端與無線傳輸模塊的無線數據輸入輸出端連接；傳感器組件包括:若干個具有存儲功能和數字接口的傳感器，每個傳感器的數據輸出端均與通訊主機中的主控制器的數據輸入端連接。
[0006]本實用新型的有益效果是，通過分離的通訊主機和傳感器組件，能夠實現地下水監測從傳統的混合監測到分層監測，室內分析為主到現場監測的轉變，與地下水監測信息管理系統結合，可直接服務於國家級地下水監測工程建設、運行與管理，具有廣闊的應用前
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【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為本實用新型提供的地下水分層自動監測系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0008]為了能夠更清晰地闡明本實用新型的特點和工作基本原理，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行說明。
[0009]本【具體實施方式】提供了一種地下水分層自動監測系統，如圖1所示，包括通訊主機I和傳感器組件2 ;通訊主機I包括:時鐘模塊11、主控制器12、存儲模塊13和無線傳輸模塊14 ;時鐘模塊11的時鐘信號輸出端與主控制器12的時鐘信號輸入端連接，主控制器12的存儲數據輸入輸出端與存儲模塊13的存儲數據輸入輸出端連接，主控制器塊12的無線數據輸入輸出端與無線傳輸模塊14的無線數據輸入輸出端連接；傳感器組件2包括:若干個具有存儲功能和數字接口的傳感器21，每個傳感器21的數據輸出端均與通訊主機I中的主控制器12的數據輸入端連接。
[0010]本【具體實施方式】提供的地下水分層自動監測系統的組成結構包括:時鐘模塊11是所述監測系統工作在線性採樣模式的主要核心部件，時鐘模塊11控制所述監測系統按照事先設定好的時間以及間隔定期地喚醒系統採樣，時鐘模塊11的計時電流消耗是很重要的指標，本【具體實施方式】中採用了低功耗時鐘晶片作為核心器件，該時鐘晶片計時電流消耗約為0.5微安，基本上實現「零功耗」的要求。主控制器12以德州儀器公司專門針對低功耗應用的16位控制器MSP430為核心元件，該控制器已做到每百萬指令只消耗160uA電流，配合各種低功耗器件以及自身的多種低功耗模式，可以方便的組建電池供電的便攜設備。所述監測系統需要記錄地下水以及氣壓等監測信息，所以應配置較大容量的存儲晶片，綜合考慮容量、功耗以及封裝體積等因素，採用FLASH存儲器系列晶片作為存儲核心，以M25PXX存儲器為例，該存儲器的最小位密度為8M，已經滿足地下水常規監測應用需要，同時該存儲器在進入深度睡眠模式後，典型電流消耗指標為luA，非常適合在低功耗的監測設備中應用。無線傳輸模塊14可實現監測數據的無線發送與接收，隨著應用定位的不同，出現了專門為數據傳輸開發的晶片級專用無線通訊模塊，這種類型的無線模塊沒有過多的功能部件與接口，但是它們的封裝尺寸都很小，同時性能也更加強大，以某低功耗無線傳輸模塊為例，該器件採用貼片式封裝，封裝尺寸(長*寬*高)僅為27.5mm*24mm*3.6mm,最低待機電流消耗僅0.9mA，在數據傳輸技術研究方面，可主要使用GSM/GPRS網絡。
[0011]本【具體實施方式】提供的地下水分層自動監測系統的工作原理是:針對一孔多層監測井，本【具體實施方式】提供了具有單一接口的地下水多通道分層監測傳感器和多通道在線監測傳輸設備。具體包括:
[0012]1、具有單一接口的多通道複合探頭
[0013](I)、數據採集前端(傳感器)主要分為兩種類型:
[0014]①、具有數據存儲功能的記錄型傳感器
[0015]該類型傳感器採用通用標準傳輸協議，物理連接方式為標準RS232或RS485連接，具備地下水動態數據定時採集，自動計算自動存儲等功能，配合多通道集中數據傳輸監測儀器，實現監測數據的無線傳輸。
[0016]②、具有數字接口的智能傳感器
[0017]該類型智能傳感器內嵌標準通訊協議，通訊接口的物理連接方式為RS485總線，但不具備數據自動採集處理功能，需要外接二次儀表完成數據讀取等操作，通訊主機可以隨時發送命令協議獲取地下水變化的數據，應用較為方便，相對具有數據記錄功能的專用水位計智能型傳感器成本上更具有優勢。這類智能傳感器採用RS485總線作為信號傳輸總線，同樣具有不易受到外界幹擾的影響等特點，並且可以長距離傳輸，避免因電纜過長導致的信號衰減等問題。
[0018](2)、具有單一接口的多通道複合傳感器
[0019]針對一孔多層監測井，採用具有單一通訊接口的多通道複合探頭，將多個傳感器集中為一個監測通道出口，配合多通道監測主機，實現多個監測層位地下水動態變化的獲取，既簡化了安裝方案也降低了成本，同時可以顯著降低因為監測主機過多而引發的人為錯誤。研究中重點解決:滿足一孔多層監測井要求的多通道分層監測傳感器結構、密封方式、封裝工藝等問題。
[0020]2、多通道監測與集中傳輸設備集中數據傳輸監測設備
[0021]採用具有分辨七通道監測儀器的通訊主機，實現七個通道地下水動態變化的自動採集、存儲、處理與發送。通訊主機內部具有無線收發模塊，可以通過無線網絡將現場採集的數據遠程傳送至控制中心站，並且可以遠程響應中心站授權的控制終端發來的配置命令，實現監測儀器的「遠程控制」。
[0022]3、多種模式的遠程通訊方案
[0023]結合當今較為流行的多種無線通訊方式，研究適合各種監測需求的無線通訊方案。主要包含以下方式:
[0024](I)基於GSM通訊網絡的數據傳輸方式
[0025]GPRS無線通訊技術可以讓監測設備「實時在線」，對於地下水應急響應應用而言具有很好的優勢，但是通訊模塊需要一直保持開機，對於電源要求較為嚴格。GSM數據短消息傳輸方式可以彌補上述無線通訊方式的不足，但是對於監測數據的長度有限制，上述兩種無線通訊方式可以滿足絕大多數野外監測應用的需求。根據實際需要，本項目重點研製GSM簡訊通訊方式的傳輸設備。
[0026](2)基於衛星通訊終端的無線通訊方式
[0027]衛星傳輸技術應用在地下水自動監測在國外多數發達國家已經採用，通過衛星傳輸技術實時將地下水的監測信息傳輸到數據中心，實時數據反映了測點水井狀況。衛星通訊不受應用場合通訊信號的限制，可以真正實現野外監測站的全天候無人值守。
[0028]4、低功耗設備
[0029]針對監測系統野外惡劣的應用環境，進行低功耗應用研究。主要從硬體選型、原理設計、電路布局、軟體控制等方面著手，優選低功耗器件，優化原理圖與電路板的設計，同時採用「事件觸發程序結構」設計控制軟體，使得監測儀器在功耗與性能之間得到最大程度的平衡。
[0030]本【具體實施方式】提供的地下水分層自動監測系統在安裝調試過程中需要滿足以下的要求:
[0031](I)監測系統的便攜性
[0032]當利用CMT監測井進行地下水監測時，需要分別為每一層位的地下水配置一個傳感器，基於以上要求，必須考慮監測設備在野外應用時，運輸與安裝的便攜性需求。擬採用監測主機與傳感器(複合探頭)系統分離設計，複合式探頭與監測主機設計為分體形式，並考慮將連接口設計成通用方式，方便系統擴展。並且，監測系統的防護、連接工藝，監測儀器工作環境較為惡劣，需要對防護等級做出要求，對於傳感器組件和通訊主機均至少要達到IP65的級別，對機械結構設計的要求極為嚴格，同時又兼顧設備野外維護的便捷性。
[0033](2)低功耗
[0034]功耗是電池供電設備首先考慮的重要因素之一。受野外自然條件制制約，許多監測設備的供電不能得到保證，只能選擇電池供電，因此系統功耗直接影響監測設備的使用壽命。基於以上要求，採用以下方法降低功耗:選取低功耗器件。監測系統的控制核心優先考慮德州儀器公司的低功耗處理器MSP430，並嚴格控制系統活躍周期。監測系統需按照外部設備運行方式設計至少兩組供電，嚴格控制持續供電組件的靜態電流消耗，將電流消耗較大的器件用間斷方式供電。
[0035](3)監測系統的模塊化
[0036]監測系統的設計應遵循模塊化與標準化要求。監測系統按照功能劃分為以下幾個功能模塊:傳感器組件、實時模塊、主控制器、存儲模塊、無線傳輸模塊、供電模塊等。
[0037](4)監測系統控制軟體的通用性
[0038]Modbus協議是應用於電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如乙太網)和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。當在Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息並用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了 Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。
[0039](5)室內試驗與野外運行相結合
[0040]地下水分層監測設備的三維可視化管理系統的研發將極大方便分層監測井的監測工作，三維仿真模塊將能使用戶直觀、生動的查看監測井的地層狀況、設備的立體分布情況以及每個監測層位的實時動態監測數據，並可實現信息交互；實時監控模塊可以隨時監測設備的運行狀體以及對設備進行遠程控制。
[0041]採用本【具體實施方式】提供的技術方案，通過分離的通訊主機和傳感器組件，能夠實現地下水監測從傳統的混合監測到分層監測，室內分析為主到現場監測的轉變，與地下水監測信息管理系統結合，可直接服務於國家級地下水監測工程建設、運行與管理，具有廣闊的應用前景。
[0042]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，這些【具體實施方式】都是基於本實用新型整體構思下的不同實現方式，而且本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種地下水分層自動監測系統，其特徵在於，包括通訊主機⑴和傳感器組件⑵；通訊主機(I)包括:時鐘模塊(11)、主控制器(12)、存儲模塊(13)和無線傳輸模塊(14)；時鐘模塊(11)的時鐘信號輸出端與主控制器(12)的時鐘信號輸入端連接，主控制器(12)的存儲數據輸入輸出端與存儲模塊(13)的存儲數據輸入輸出端連接，主控制器塊(12)的無線數據輸入輸出端與無線傳輸模塊(14)的無線數據輸入輸出端連接；傳感器組件(2)包括:若干個具有存儲功能和數字接口的傳感器(21)，每個傳感器(21)的數據輸出端均與通訊主機(I)中的主控制器(12)的數據輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的地下水分層自動監測系統，其特徵在於，時鐘模塊(I)採用計時電流消耗為0.5暈安的時鐘晶片。
3.根據權利要求1所述的地下水分層自動監測系統，其特徵在於，主控制器(2)採用16位控制器MSP430。
4.根據權利要求1所述的地下水分層自動監測系統，其特徵在於，存儲模塊(3)採用進入深度睡眠模式後典型電流消耗指標為I μ A的Μ25ΡΧΧ型存儲器。
5.根據權利要求1所述的地下水分層自動監測系統，其特徵在於，無線傳輸模塊(4)採用最低待機電流消耗為0.9mA的無線傳輸模塊。
6.根據權利要求1所述的地下水分層自動監測系統，其特徵在於，每個傳感器(21)均通過RS232或RS485總線與主控制器(12)連接。
7.根據權利要求1所述的地下水分層自動監測系統，其特徵在於，通訊主機(I)和傳感器組件(2)均設置在防水等級為IP65的外殼中。
【文檔編號】H04L29/08GK203827385SQ201420192508
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】史雲, 馮建華, 張磊, 袁愛軍, 龐麗麗, 馮蒼旭, 張建偉 申請人:中國地質調查局水文地質環境地質調查中心