基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備的製作方法
2024-01-17 18:31:15 1
基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，包括數據信息採集終端、數據採集控制模塊、數據存儲模塊、無線傳輸模塊和太陽能供電單元；數據採集控制模塊的信號輸入端與數據信息採集終端通信連接；數據採集控制模塊的信號輸出端分別與數據存儲模塊、無線傳輸模塊通信連接；無線傳輸模塊通過無線網絡將數據信息傳輸到ZigBee協調器，再由協調器傳輸到監測中心；數據信息採集終端、數據採集控制模塊、數據存儲模塊和無線傳輸模塊均由太陽能供電單元供電；無線傳輸模塊包括依次連接的ZigBee射頻收發器和可控射頻功放模塊。操作簡單、建設成本低、能耗少，能有效解決高杆型農作物對傳輸路徑的影響，傳輸穩定。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及農村中小型灌區的信息採集傳輸【技術領域】，特別是涉及一種基於 ZigBee傳輸的灌區信息米集傳輸設備。 基於Z i gBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備
【背景技術】
[0002] 我國是農業大國，農村中小型灌區數量多，在國民經濟和社會發展中起著重要作 用。但這些灌區中大多數存在管理落後、信息化水平低等問題：例如1、現有的農村中小型 灌區信息系統主要依靠傳統的人為觀察、人為測量和分布式控制模式，監測點或監測區域 與中心控制站間採用有線電纜連接，電纜布置多在施工期進行布設，工作量大且繁瑣。施工 完成後，電纜容易出現被老鼠咬斷的情況，給維修工作帶來不易，而且耗資巨大；2、監測系 統多以專家和管理人員的個人經驗進行決策、調度，主觀性較強，效率偏低，準確率也相對 較低。
[0003] 另外，採用有線方式傳輸水情、雨情、旱情和氣象等信息，不僅存在布線複雜、線路 易受意外損壞、安裝和維護成本高的缺陷；同時，當需要增加測量參數時，往往需要對數據 採集器硬體和軟體均進行修改，使用很不方便。為了克服以上缺陷，用無線通信取代有線通 信，是灌區信息傳輸和監測等工業應用的一個發展趨勢。隨著無線傳感器網絡和各種智能 傳感器在工業控制領域的廣泛運用，使建立無線數位化農村中小型灌區信息傳輸網絡成為 可能。
[0004] 而當前得到廣泛研究的ZigBee傳輸技術則致力於提供一種廉價的固定、便攜或 者行動裝置使用的極低複雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術，可滿足灌區安全監控 系統的要求。但是，農村中小型灌區信息傳輸網絡應符合以下諸多要求：操作簡單、價格便 宜、數據測量準確、數據傳輸可靠、網絡建設的成本儘可能的低、能耗少、能適應野外的工作 環境等。現有技術中的信息監測系統並不能很好實現以上諸多要求。 實用新型內容
[0005] 本實用新型的主要目的在於，克服現有技術中的不足，提供一種新型結構的基於 ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，特別適用於廣大農村的中小型灌區信息傳輸並監 測。
[0006] 本實用新型所要解決的技術問題是提供操作簡單、價格便宜、數據測量準確、數據 傳輸可靠的基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，不僅建設成本低、能耗少、能很好 適應野外工作環境，而且更重要的是具有高效的傳輸能力，能保證複雜而多變的情況下依 然能進行數據的可靠傳輸，設備通用性和耐用性均強，且具有產業上的利用價值。
[0007] 為了達到上述目的，本實用新型所採用的技術方案是：
[0008] -種基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，包括數據信息採集終端、數據採 集控制模塊、數據存儲模塊、無線傳輸模塊和太陽能供電單元；所述數據採集控制模塊的信 號輸入端與數據信息採集終端通信連接；所述數據採集控制模塊的信號輸出端分別與數 據存儲模塊、無線傳輸模塊通信連接；所述無線傳輸模塊通過無線網絡將數據信息傳輸到 ZigBee協調器，所述ZigBee協調器再將數據信息通過GPRS網絡傳輸到監測中心；所述數 據信息採集終端、數據採集控制模塊、數據存儲模塊和無線傳輸模塊均由太陽能供電單元 供電；所述無線傳輸模塊包括依次連接的ZigBee射頻收發器和可控射頻功放模塊。
[0009] 上述技術方案的基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，所述數據採集控制 模塊的信號輸入端與數據信息採集終端通信連接，所述數據採集控制模塊的信號輸出端分 別與數據存儲模塊、無線傳輸模塊通信連接；數據採集終端將數據信息採集來輸送給數據 採集控制模塊，而數據採集控制模塊既將數據進行存儲入數據存儲模塊也將數據進行時時 無線傳輸出去，數據存儲的目的是為了設備運行異常時候進行數據讀取與校驗，確保數據 有可靠的保存好的原始數據來源。
[0010] 採用太陽能供電單元為設備的各部件供電，可以長期適應灌區野外工作環境，不 受地理空間限制，應用範圍廣而能耗有保障；採用無線傳輸技術操作簡單、建設成本低、數 據傳輸能避免有線傳輸可能存在傳輸線受損而無法正常傳輸數據的情況。
[0011] 本信息採集傳輸設備性能可靠，數據測量準確、數據傳輸可靠，更主要的是具有高 效的傳輸能力。考慮灌區面積較大、農作物的生長周期以及系統低功耗等方面因素，本信息 採集傳輸設備中的無線傳輸模塊設計了 ZigBee射頻收發器和可控射頻功放模塊，具體目 的是，在農作物生長周期中，不同的農作物生長速度不同，從而構成了灌區不同監測點之間 作物高度不一的複雜而多變情況，不同監測點之間的無線傳輸受農作物阻攔影響均不同， 尤其是農作物生長茂盛時，相鄰監測點之間的通訊很不穩定或者直接受阻斷，所以運用本 實用新型的無線傳輸模塊可以使信號強度得以增加，保證數據能及時正確不間斷的傳輸。 另外，在射頻收發器的基礎上添加了射頻功率放大可控的功能模塊，通過射頻功放晶片增 大傳輸功率和距離，能有效解決高杆型農作物對ZigBee數據傳輸路徑的影響，使數據傳輸 更穩定可靠。
[0012] 本實用新型進一步設置為：所述可控射頻功放模塊包括可控開關電路、射頻功放 晶片和功放輸出電路；所述可控開關電路與射頻功放晶片的輸入端連接；所述功放輸出電 路與射頻功放晶片的輸出端連接；所述ZigBee射頻收發器通過可控開關電路與射頻功放 晶片連接。
[0013] 本信息採集傳輸設備中的可控射頻功放模塊通過可控開關電路進行控制開或關， 需要數據傳輸時則需要開關處於通路狀態，保證數據能時時而不間斷的傳輸出去；需要進 行維護或是其他相關不用此模塊的狀態時則需要開關處於不通狀態，能及時斷開傳輸進行 有關操作。
[0014] 本實用新型更進一步設置為：所述射頻功放晶片上還設有晶片保護電路。
[0015] 本實用新型更進一步設置為：所述數據採集控制模塊採用無線微控制器；所述無 線微控制器上設有與無線微控制器可雙向通訊的電源電路、復位電路、JTAG下載和調試電 路。
[0016] 上述數據採集控制模塊可採用KW22D512V無線微控制器，通過採用這一型號的無 線微控制器作為數據採集控制模塊的硬體核心，與ZigBee射頻收發器結合使用，可以實現 中小型灌區內不同ZigBee版本的使用，硬體上解決了 ZigBee數據傳輸中可能出現的路徑 堵塞、切斷和數據傳輸不及時的問題，還能大大縮短無線傳輸時間，提高數據傳輸的相對穩 定性。
[0017] 本實用新型更進一步設置為：所述數據信息採集終端包括分布在灌區監測節點的 傳感器，所述傳感器為流量計、水位計、雨量計或電壓計。
[0018] 本實用新型更進一步設置為：所述太陽能供電單元包括太陽能板、太陽能控制器 和蓄電池，還包括設置在太陽能控制器與蓄電池之間的防過充和防過放電路。
[0019] 本實用新型更進一步設置為：所述蓄電池採用2000mAh鋰電池。
[0020] 上述技術方案中的太陽能供電單元採用大容量鋰電池（2000mAh)供電，通過外接 太陽能板對鋰電池充電而保證擁有足夠的工作電源。在設備運行過程中，電源穩定是十分 重要的。所以為了防止電池波動，在太陽能供電單元中增加了防過充和防過放電路，該電路 可以使用便宜的TL431作為電源電壓參考點，電路簡單、性能穩定、能降低總功耗。
[0021] 綜上所述，本實用新型一種基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備能充分利 用農村灌區電磁環境相對良好而進行信息監測和無線傳輸數據，同時解決數據傳輸中出現 的交通不便、維護及時性難以保障等問題；具有可靠性高、安裝方式簡單、工程施工量小、可 維護性好、投資成本低等優點。
[0022] 上述內容僅是本實用新型技術方案的概述，為了更清楚的了解本實用新型的技術 手段，下面結合附圖對本實用新型作進一步的描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本實用新型灌區信息採集傳輸設備的結構框圖；
[0024] 圖2為本實用新型灌區信息採集傳輸設備的數據採集控制模塊的結構框圖；
[0025] 圖3為本實用新型灌區信息採集傳輸設備的太陽能供電單元的結構框圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合說明書附圖，對本實用新型作進一步的說明。
[0027] 如圖1所示，一種基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，包括數據信息採集 終端、數據採集控制模塊、數據存儲模塊、無線傳輸模塊和太陽能供電單元。
[0028] 其中，所述數據採集控制模塊的信號輸入端與數據信息採集終端通信連接；所述 數據採集控制模塊的信號輸出端分別與數據存儲模塊、無線傳輸模塊通信連接；所述無線 傳輸模塊通過無線網絡將數據信息傳輸到ZigBee協調器，所述ZigBee協調器再將數據信 息通過GPRS網絡傳輸到監測中心；所述數據信息採集終端、數據採集控制模塊、數據存儲 模塊和無線傳輸模塊均由太陽能供電單元供電。
[0029] 所述數據信息採集終端包括分布在灌區監測節點的傳感器，所述傳感器為流量 計、水位計、雨量計或電壓計。
[0030] 所述無線傳輸模塊包括依次連接的ZigBee射頻收發器和可控射頻功放模塊；所 述可控射頻功放模塊包括可控開關電路、射頻功放晶片和功放輸出電路；所述可控開關電 路與射頻功放晶片的輸入端連接；所述功放輸出電路與射頻功放晶片的輸出端連接；所述 ZigBee射頻收發器通過可控開關電路與射頻功放晶片連接。所述射頻功放晶片上還設有芯 片保護電路（圖中未示出）。所述ZigBee射頻收發器可採用MC13242晶片；所述可控射頻功 放模塊中的射頻功放晶片可採用RF6575功放晶片。
[0031] 如圖2所示，前述的基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備中的數據採集 控制模塊可採用KW22D512V無線微控制器；所述KW22D512V無線微控制器上還設有與 KW22D512V無線微控制器可雙向通訊的電源電路、復位電路、JTAG下載和調試電路。
[0032] 如圖3所示，所述基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備中的太陽能供電單元 包括太陽能板、太陽能控制器和蓄電池，還包括設置在太陽能控制器與蓄電池之間的防過 充和防過放電路。所述蓄電池可採用2000mAh的大容量鋰電池。
[0033] 本信息採集傳輸設備選用功耗低、性能強的KW22D512V無線微控制器作為中 小型灌區監測設備的數據採集控制模塊的控制處理器，該晶片具有高達512KB的快閃記憶體 和64KBSRAM，可以提供足夠的內存，並且可以在一個微控制器上運行兩個網絡協議棧； KW22D512V無線微控制器可以以最低的成本，在最短的時間內進行不同版本的網絡切換，降 低了協議複雜性，並顯著降低網絡流量和延遲，同時降低總功耗，提高設備的通用性和耐用 性。
[0034] 另外，為實現設備的靈活性，選用單獨的MC13242晶片作為ZigBee射頻收發器的 核心。該無線收發器與KW22D512V無線微控制器均具有相同的高性能特點。同時，為確保 通訊距離的可靠性，本實用新型的設備引入外部功放晶片RF6575,該晶片是專用於2. 4G頻 道功放晶片，輸出功率可達22dBm，無論室內和室外使用，模塊的可靠通訊距離都可以大幅 度提高。設備採用大容量鋰電池（2000mAh)供電，通過外接太陽能板對鋰電池充電能保證 設備擁有足夠的工作電源。
[0035] 與現有技術相比，本實用新型的有益效果在於，操作簡單、設備成本低、適應性強； 尤其是數據傳輸性能安全可靠，特別是農作物生長茂盛時，相鄰監測點之間的通訊很不穩 定或者直接受阻斷的情形下，能保證數據及時正確不間斷的傳輸，可有效解決高杆型農作 物對ZigBee數據傳輸路徑的影響，使數據傳輸穩定而可靠。
[0036] 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型作任何形式上 的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本實用新型，任何熟 悉本專業的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內 容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內 容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均 仍屬於本實用新型技術方案的範圍內。
【權利要求】
1. 一種基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，其特徵在於：包括數據信息採集終 端、數據採集控制模塊、數據存儲模塊、無線傳輸模塊和太陽能供電單元；所述數據採集控 制模塊的信號輸入端與數據信息採集終端通信連接；所述數據採集控制模塊的信號輸出端 分別與數據存儲模塊、無線傳輸模塊通信連接；所述無線傳輸模塊通過無線網絡將數據信 息傳輸到ZigBee協調器，所述ZigBee協調器再將數據信息通過GPRS網絡傳輸到監測中 心；所述數據信息採集終端、數據採集控制模塊、數據存儲模塊和無線傳輸模塊均由太陽能 供電單元供電；所述無線傳輸模塊包括依次連接的ZigBee射頻收發器和可控射頻功放模 塊。
2. 根據權利要求1所述的基於ZigBee傳輸的灌區信息米集傳輸設備，其特徵在於：所 述可控射頻功放模塊包括可控開關電路、射頻功放晶片和功放輸出電路；所述可控開關電 路與射頻功放晶片的輸入端連接；所述功放輸出電路與射頻功放晶片的輸出端連接；所述 ZigBee射頻收發器通過可控開關電路與射頻功放晶片連接。
3. 根據權利要求2所述的基於ZigBee傳輸的灌區信息米集傳輸設備，其特徵在於：所 述射頻功放晶片上還設有晶片保護電路。
4. 根據權利要求1或2所述的基於ZigBee傳輸的灌區信息採集傳輸設備，其特徵在 於：所述數據採集控制模塊採用無線微控制器；所述無線微控制器上設有與無線微控制器 可雙向通訊的電源電路、復位電路、JTAG下載和調試電路。
5. 根據權利要求1或2所述的基於ZigBee傳輸的灌區信息米集傳輸設備，其特徵在 於：所述數據信息採集終端包括分布在灌區監測節點的傳感器，所述傳感器為流量計、水位 計、雨量計或電壓計。
6. 根據權利要求1或2所述的基於ZigBee傳輸的灌區信息米集傳輸設備，其特徵在 於：所述太陽能供電單元包括太陽能板、太陽能控制器和蓄電池，還包括設置在太陽能控制 器與蓄電池之間的防過充和防過放電路。
7. 根據權利要求6所述的基於ZigBee傳輸的灌區信息米集傳輸設備，其特徵在於：所 述蓄電池採用2000mAh鋰電池。
【文檔編號】G08C17/02GK203910006SQ201420315873
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】方衛華, 梁永榮, 周柏兵, 徐蘭玉, 李家群, 趙陽, 金有傑, 梅星 申請人:水利部南京水利水文自動化研究所