氣象信息採集裝置的製作方法

2023-06-02 05:19:51 1

專利名稱：氣象信息採集裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及氣象信息採集技術，尤其涉及一種氣象信息採集裝置。
背景技術：
在土地整理質量、農業灌溉、水質監測以及農作物生長情況檢測等領域內，溫度、 溼度、風速、風向、太陽輻射、雨量這些氣象信息的採集非常重要，例如依據這些氣象信息可 分析水質參數與天氣變化的關係，以便更好地預測水質參數的變化趨勢，提前採取調控動 作，保證水質良好。所以氣象信息的採集是我國農業自動化與信息化的重要組成部分，適應 我國農業的整體發展方向，大大推動我國的新農村建設。現有的氣象信息的採集有兩種形式，一種是傳統的人工採集數據，觀測時效慢，密 度小，工作量大，而且在戈壁、沙漠、天山、沼澤、水塘等偏僻的地區採集工作尤為困難；另一 種是現在廣泛研究的自動氣象站，是利用儀器自動的進行採集、分析、處理、記錄和發送氣 象數據，並根據需要，將採集到的信息轉換成電信號傳到網絡，達到資源共享。現有的自動 氣象站分為有線傳輸和無線傳輸兩種。有線傳輸自動氣象站存在網絡布線成本高、施工困 難、不宜維護且受到場合的限制等缺點，尤其在人煙稀少的地方更不方便。無線自動氣象站 克服了有線自動氣象站的上述缺點，其應用範圍廣，功能強大。但是現有的無線自動氣象站通常採用大型、多功能一體化設計，設備大，成本高， 很難普及到生活中，通常只適用於大型氣象站的氣象觀測。考慮到現實需求，當欲獲取針 對土地整理質量、農業灌溉、水質監測以及農作物生長情況檢測等領域的氣象信息時，大型 的無線自動氣象站明顯不適用，迫切需要一種成本低、結構簡單、小型化的氣象信息採集裝置。

實用新型內容針對上述缺陷，本實用新型提供一種氣象信息採集裝置，包括一支架，所述支架上設置有沿水平方向延伸的四個託板；所述支架頂部設置有用 於採集風速信息、風向信息的風速風向傳感器；各對應的所述託板上還設置有用於採集溫度信息、溼度信息的溫溼度傳感器、用 於採集雨量信息的雨量筒、用於採集光照信息的太陽輻射傳感器，以及用於獲取所述溫溼 度傳感器、所述雨量筒、所述太陽輻射傳感器和所述風速風向傳感器採集的信息，並無線發 送的無線信號發送模塊。如上所述的氣象信息採集裝置，還包括，分別與所述溫溼度傳感器、所述雨量筒、 所述太陽輻射傳感器和所述風速風向傳感器連接的電源模塊。如上所述的氣象信息採集裝置，其中，所述電源模塊與所述無線信號發送模塊一 體設置。如上所述的氣象信息採集裝置，其中，電源模塊包括用於獲取太陽能並將太陽能轉化為電能的太陽能電池；
3[0012]電能輸出模塊，設置有第一電源輸入埠、第二電源輸入埠和用於輸出電源的 電源輸出埠，所述第一電源輸入埠與所述太陽能電池連接以形成第一供電通路；用於儲存所述電能的儲能模塊，所述儲能模塊與所述太陽能電池連接以形成充電 通路，並且所述儲能模塊與所述電能輸出模塊的所述第二電源輸入埠連接以形成第二供 電通路；用於分別對所述充電通路、第一供電通路以及第二供電通路的導通或截進行控制 的控制模塊，分別與所述太陽能電池、所述電能輸出模塊以及所述儲能模塊連接。如上所述的氣象信息採集裝置，其中，所述控制模塊包括用於根據所述太陽能電池的輸出電壓與所述儲能模塊的電壓發出充電控制信號 和供電控制信號的微處理器，所述微處理器與所述電能輸出模塊連接以根據所述供電控制 信號控制所述第一供電通路及第二供電通路導通或截止；充電控制模塊，與所述微處理器連接以接收所述充電控制信號，並分別與所述太 陽能電池和所述儲能模塊連接以根據所述充電控制信號控制所述充電通路導通或截止。如上所述的氣象信息採集裝置，其中，所述儲能模塊包括用於儲能的超級電容；用於為所述超級電容進行充電的充電單元。如上所述的氣象信息採集裝置，其中，所述風速風向傳感器為三杯式風速風向傳 感器，相應地，所述支架還設置有與所述三杯式風速風向傳感器連接的、用於獲取所述風速 信息、風向信息並將所述風速信息、風向信息進行模數轉換的信號處理模塊。如上所述的氣象信息採集裝置，其中，所述雨量筒為翻鬥雨量傳感器。如上所述的氣象信息採集裝置，其中，所述溫溼度傳感器為輸出數位訊號的智能 傳感器。本實用新型提供的氣象信息採集裝置，由於包括支架及設置在支架上的用於採集 溫度、溼度、風速、風向、雨量及太陽輻射氣象信息的傳感裝置，並且還包括用於對所採集的 氣象信息進行無線發送的無線信號發送模塊，實現了一種應用於土地整理質量、農業灌溉、 水質監測以及農作物生長情況檢測等領域的、結構簡單、成本低的氣象信息採集裝置。

圖1為本實用新型氣象信息採集裝置的結構示意圖。圖2為本實用新型氣象信息採集裝置的電源模塊的結構示意圖。圖3為本實用新型氣象信息採集裝置的電能輸出模塊的電路圖。圖4為本實用新型氣象信息採集裝置的儲能模塊的電路圖。圖5為本實用新型氣象信息採集裝置的充電控制模塊的電路圖。圖6為本實用新型氣象信息採集裝置的電源模塊的工作流程圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖，對本實用新 型的技術方案進行清楚、完整地描述。圖1為本實用新型氣象信息採集裝置的結構示意圖。如圖1中所示，氣象信息採集裝置包括支架1，其上設置有沿水平方向延伸的四個託板，支架1的頂部還設置有用於採 集風速信息、風向信息的風速風向傳感器2。支架1例如是穩定性較強的三角型支撐支架。 該四個託板具體為第一託板la、第二託板lb、第三託板Ic及第四託板ld，第一託板Ia上 設置有用於採集溫度信息、溼度信息的溫溼度傳感器3，第二託板Ib上設置有用於採集雨 量信息的雨量筒4，第三託板Ic上設置有用於採集光照信息的太陽輻射傳感器5，第四託板 Id上設置有用於獲取溫溼度傳感器3、雨量筒4、太陽輻射傳感器5和風速風向傳感器2採 集的信息，並無線發送的無線信號發送模塊6。上述實施例的氣象信息採集裝置中，風速風向傳感器2、溫溼度傳感器3、雨量筒4 及太陽輻射傳感器5執行數據採集功能，即將氣象要素感應並轉換成一種電參考信號(電 壓、電流、電阻等)，再按一定的採集速度獲得當前採集時刻氣象要素量的電量信號值。具體 為風速風向傳感器2採集風速信息和風向信息；溫溼度傳感器3採集溫度信息和溼度信 息；雨量筒4採集雨量信息；太陽輻射傳感器5採集光照信息。風速風向傳感器2、溫溼度 傳感器3、雨量筒4及太陽輻射傳感器5分別與無線信號發送模塊6有線連接，用於將所採 集到的氣象信息發送至無線信號發送模塊6，由無線信號發送模塊6將該多種氣象信息無 線發送至無線網絡的各個節點。根據上述實施例的氣象信息採集裝置，由於包括支架及設置在支架上的用於採集 溫度、溼度、風速、風向、雨量及太陽輻射氣象信息的傳感裝置，並且還包括用於對所採集的 氣象信息進行無線發送的無線信號發送模塊，實現了一種應用於土地整理質量、農業灌溉、 水質監測以及農作物生長情況檢測等領域的、結構簡單、成本低的氣象信息採集裝置。而 且，可根據需求，對用於採集氣象信息的傳感裝置進行擴展。進一步地，在上述實施例的氣象信息採集裝置中，還包括分別與溫溼度傳感器3、 雨量筒4、太陽輻射傳感器5及風速風向傳感器2連接的電源模塊。優選地，該電源模塊與 無線信號發送模塊6 —體設置。根據上述實施例的氣象信息採集裝置，由電源模塊實現對溫溼度傳感器3、雨量筒 4、太陽輻射傳感器5及風速風向傳感器2的統一供電，使其不需分別配備供電電源，簡化了 該氣象信息採集裝置的結構。圖2為本實用新型氣象信息採集裝置的電源模塊的結構示意圖。如圖2所示，電 源模塊包括用於獲取太陽能並將太陽能轉化為電能的太陽能電池10 ；電能輸出模塊20， 設置有第一電源輸入埠、第二電源輸入埠和用於輸出電源的電源輸出埠，該第一電 源輸入埠與太陽能電池10連接以形成第一供電通路；用於儲存所述電能的儲能模塊30， 儲能模塊30與太陽能電池10連接以形成充電通路，並且儲能模塊30與電能輸出模塊20 的第二電源輸入埠連接以形成第二供電通路；用於分別對充電通路、第一供電通路以及 第二供電通路的導通或截止進行控制的控制模塊40，分別與太陽能電池10、電能輸出模塊 20以及儲能模塊30連接。在上述實施例的氣象信息採集裝置中，該太陽能電池10例如採用單晶矽太陽能 電池板，利用光電效應，將太陽輻射直接轉換成電能，光照產生5V左右的電壓為儲能模塊 30充電或直接為負載供電。電池模塊的控制模塊40可具體包括用於根據太陽能電池10 的輸出電壓與儲能模塊30的電壓發出充電控制信號和供電控制信號的微處理器41，該微 處理器41與電能輸出模塊20連接以根據供電控制信號控制第一供電通路及第二供電通路導通或截止；充電控制模塊42，與微處理器41連接以接收充電控制信號，並分別與太陽能 電池10和儲能模塊30連接以根據充電控制信號控制充電通路導通或截止。並且，在上述實施例的氣象信息採集裝置中，儲能模塊30優選為包括用於儲能的 超級電容和用於為該超級電容進行充電的充電單元。目前使用的太陽能供電裝置多採用蓄 電池作為儲能模塊30，但蓄電池受其先天條件的制約，存在著循環壽命短、高低溫性能差、 充放電過程敏感、深度放電性能容量恢復困難、環境汙染的問題。超級電容是近幾年才批量 生產的一種新型電力儲能器件，也稱為電化學電容。超級電容具有循環壽命長、功率密度 大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、環境友好免維護等優點。因此，當上述實施 例的氣象信息採集裝置的儲能模塊包括超級電容和充電單元時，能夠相應具有超級電容的 優點。圖3為本實用新型氣象信息採集裝置的電能輸出模塊的電路圖，圖4為本實用新 型氣象信息採集裝置的儲能模塊的電路圖，圖5為本實用新型氣象信息採集裝置的充電控 制模塊的電路圖。圖6為本實用新型氣象信息採集裝置的電源模塊的工作流程圖。下面結 合圖2至圖6對電池模塊的工作狀態進行詳細說明。在上述實施例的氣象信息採集裝置中，太陽能電池10作為能源的輸入處用光電 效應將太陽能轉化為電能，傳輸到電能輸出模塊20與控制模塊40，為整個氣象信息採集裝 置供電。太陽能電池10優先輸出供電，同時通過控制模塊40為儲能模塊30充電。控制模 塊40的微處理器41通過充電控制模塊42採集太陽能電池10與儲能模塊30的電壓值，經 過模數轉換、電壓比較等一系列處理，判斷供電的輸出能源方式。如圖5所示，充電控制模塊42由三極體、整流二極體與場效應管構成，其受控於微 處理器41，輸出電能給儲能模塊30。具體為，充電控制模塊42接收來自微處理器41的充 電控制信號C_CHR後，採集太陽能電池10的能量輸出Vs IN，經過肖特基整流器D生成充電 電壓Vaffi，為儲能模塊30充電。如圖3所示，電能輸出模塊20連接太陽能電池10的能量輸出Vs IN和儲能模塊30 的能量輸出Vc BK，接收微處理器41輸出的供電控制信號C_0UT，將兩者之一的能量輸出經 過穩壓處理後，輸出給負載供電。若微處理器41選擇太陽能電池10直供電，則供電控制信 號C_0UT使能穩壓晶片，對太陽能電池10的能量輸出Vs in進行穩壓處理，處理後的電壓作 為輸出供電V。OT，供電控制信號C_0UT經過反相器D1控制截斷儲能模塊30與電能輸出模 塊20之間的第二供電通路。同理，若微處理器41選擇由儲能模塊30供電輸出，則供電控 制信號C_0UT作用於三極體％和場效應管％，打通第二供電通路，使得儲能模塊30的能量 輸出Vc BK作為輸出供電Vc QUT，此時太陽能電池10與電能輸出模塊20之間的第一供電通路 截斷。上述實施例的氣象信息採集裝置，電源模塊具有如下四種工作狀態狀態(1)太陽能電池10直接供電，能量充足。微處理器41通過採集儲能模塊30的電壓值Vc bat和太陽能電池10的能量輸出Vs IN，對兩者進行模數轉換和電壓比較，若太陽能電池10的能量輸出Vs IN大於儲能模塊30的 電壓值Vc BAT，則微處理器41 一方面打開充電通路、保證充電的進行，並當微處理器41檢測 到儲能模塊30的電壓值Vc bat達到滿額閾值V。th時，由微處理器41關斷充電通路，起到充 電滿停的開關作用；另一方面，將太陽能電池10與電能輸出模塊20之間的第一供電通路打開，電能輸出模塊20對輸入電壓進行穩壓等處理後，輸出給氣象信息採集裝置進行供電。 這種情況是由太陽能電池10直接供電，供電電壓高於3. 6V，則供電裝置能量充足，可供裝 置高效工作，此種工作狀態多是在天氣晴朗的白天。狀態O)太陽能電池10直接供電，但能量不足。若由於環境等原因，外界太陽能源不充足，即太陽能電池10的能量輸出Vs IN在 2. 7V 3. OV之間，但此時若微處理器41判斷太陽能電池10的能量輸出Vs IN仍大於儲能 模塊30的電壓值Vc BAT，則還是由太陽能電池10直接供電，該氣象信息採集裝置還可以正常 工作，供電電壓低於3. 6V。狀態(3)儲能模塊30直接供電。若由於環境等原因，外界太陽能源不充足，且太陽能電池10的能量輸出Vs IN小於 儲能模塊30的電壓值Vc bat，則微處理器41控制打開儲能模塊30與電能輸出模塊20之間 的第二供電通路，並經過電能輸出模塊20對所輸入電壓的穩壓等處理，作為氣象信息採集 裝置的供電電源，且供電電壓大於3. 6V。但是由於儲能模塊30的能量有限，只能夠供該氣 象信息採集裝置一段時間內的正常工作，無法長期維持，需要及時補充能源。狀態能量供應不足，氣象信息採集裝置無法正常工作。若由於環境等原因，太陽能電池10的能量不足，且太陽能電池10的能量輸出Vs IN 小於儲能模塊30的電壓值Vc bat，而且儲能模塊30的電壓值Vc bat也低於一門限值，則該氣 象信息採集裝置能量供應不足，無法正常工作，需要立即補充能源或更換電源模塊。根據上述實施例的氣象信息採集裝置，由於電源模塊採用太陽能電池10和儲能 模塊30實現雙重供電，既避免了通過更換電池的方式來補充能源所帶來的不便，還通過提 供了四種工作狀態充分滿足了該氣象信息採集裝置晝夜工作的需求，而且功耗低、節約能 源。並且，由於控制模塊40引入了微處理器41進行智能控制，可實現直接由太陽能電池10 供電，而且由低功耗的微處理器41內部的模數轉換和電壓比較器代替各種外部的電子元 器件，避免了器件耗能。進一步地，如圖1所示，在上述實施例的氣象信息採集裝置中，風速風向傳感器2 為三杯式風速風向傳感器，相應地，支架1上還設置有與三杯式風速風向傳感器連接的、用 於獲取風速信息、風向信息並將該風速信息、風向信息進行模數轉換的信號處理模塊21。三杯式風速風向傳感器本身是非智能的，風向信息的採集是通過風向標的轉動實 現的，輸出的是模擬量；風速信息的採集是由碳纖維增強塑料製成的風杯實現的，輸出的是 脈衝信號。為了方便對風速信息、風向信息的處理，在支架1上相應設置信號處理模塊21， 用於將所採集的風速信息、風向信息轉化為數位訊號。該信號處理模塊21與無線信號發送 模塊6採用485總線連接。進一步地，在上述實施例的氣象信息採集裝置中，雨量筒4為翻鬥雨量傳感器。該 翻鬥雨量傳感器主要由承水器、過濾漏鬥、翻鬥、幹簧管和底座等組成。當該翻鬥雨量傳感 器安裝在支架1上時，降水通過承水器、再通過一個過濾漏鬥流入翻鬥裡，當翻鬥流入一定 量的雨水後，翻鬥翻轉，倒空翻鬥裡的水，翻鬥的另一端開始接水。該翻鬥雨量傳感器有兩 根電源線，每一次雨量筒翻轉兩根電源線顛倒正負，即翻鬥的每次翻轉動作通過幹簧管轉 成脈衝信號(1脈衝表示下了 0. Imm的雨)傳輸到無線信號發送模塊6。進一步地，在上述實施例的氣象信息採集裝置中，溫溼度傳感器3為輸出數位訊號的智能傳感器，例如是智能傳感器SHT11。智能傳感器SHTll提供全量程標定的數字輸 出。智能傳感器SHTll採用CMC^ens技術，確保其具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。 該智能傳感器SHTll包括一個電容性聚合體溼度敏感元件和一個用能隙材料製成的溫度 敏感元件，這兩個敏感元件與一個14位的A/D轉換器以及一個串行接口電路設計在同一芯 片上面。通過兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡單。該 智能傳感器與無線信號發送模塊6採用485總線連接，包括兩根電源線和兩根信號線。 最後應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制； 儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解: 其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等 同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術 方案的精神和範圍。
權利要求1.一種氣象信息採集裝置，其特徵在於，包括一支架，所述支架上設置有沿水平方向延伸的四個託板；所述支架頂部設置有用於採 集風速信息、風向信息的風速風向傳感器；各對應的所述託板上還設置有用於採集溫度信息、溼度信息的溫溼度傳感器、用於採 集雨量信息的雨量筒、用於採集光照信息的太陽輻射傳感器，以及用於獲取所述溫溼度傳 感器、所述雨量筒、所述太陽輻射傳感器和所述風速風向傳感器採集的信息，並無線發送的 無線信號發送模塊。
2.根據權利要求1所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，還包括分別與所述溫溼度傳感器、所述雨量筒、所述太陽輻射傳感器和所述風速風向傳感器 連接的電源模塊。
3.根據權利要求2所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，所述電源模塊與所述無線 信號發送模塊一體設置。
4.根據權利要求2或3所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，電源模塊包括用於獲取太陽能並將太陽能轉化為電能的太陽能電池；電能輸出模塊，設置有第一電源輸入埠、第二電源輸入埠和用於輸出電源的電源 輸出埠，所述第一電源輸入埠與所述太陽能電池連接以形成第一供電通路；用於儲存所述電能的儲能模塊，所述儲能模塊與所述太陽能電池連接以形成充電通 路，並且所述儲能模塊與所述電能輸出模塊的所述第二電源輸入埠連接以形成第二供電 通路；用於分別對所述充電通路、第一供電通路以及第二供電通路的導通或截進行控制的控 制模塊，分別與所述太陽能電池、所述電能輸出模塊以及所述儲能模塊連接。
5.根據權利要求4所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，所述控制模塊包括用於根據所述太陽能電池的輸出電壓與所述儲能模塊的電壓發出充電控制信號和供電控制信號的微處理器，所述微處理器與所述電能輸出模塊連接以根據所述供電控制信號 控制所述第一供電通路及第二供電通路導通或截止；充電控制模塊，與所述微處理器連接以接收所述充電控制信號，並分別與所述太陽能 電池和所述儲能模塊連接以根據所述充電控制信號控制所述充電通路導通或截止。
6.根據權利要求4所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，所述儲能模塊包括用於儲能的超級電容；用於為所述超級電容進行充電的充電單元。
7.根據權利要求1所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，所述風速風向傳感器為三 杯式風速風向傳感器，相應地，所述支架還設置有與所述三杯式風速風向傳感器連接的、用 於獲取所述風速信息、風向信息並將所述風速信息、風向信息進行模數轉換的信號處理模 塊。
8.根據權利要求1所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，所述雨量筒為翻鬥雨量傳 感器。
9.根據權利要求1所述的氣象信息採集裝置，其特徵在於，所述溫溼度傳感器為輸出 數位訊號的智能傳感器。
專利摘要本實用新型提供一種氣象信息採集裝置，包括一支架，所述支架上設置有沿水平方向延伸的四個託板；所述支架頂部設置有用於採集風速信息、風向信息的風速風向傳感器；各對應的所述託板上還設置有用於採集溫度信息、溼度信息的溫溼度傳感器、用於採集雨量信息的雨量筒、用於採集光照信息的太陽輻射傳感器，以及用於獲取所述溫溼度傳感器、所述雨量筒、所述太陽輻射傳感器和所述風速風向傳感器採集的信息，並無線發送的無線信號發送模塊。實現了一種應用於土地整理質量、農業灌溉、水質監測以及農作物生長情況檢測等領域的、結構簡單、成本低的氣象信息採集裝置。
文檔編號H02N6/00GK201886162SQ20102059894
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者丁啟勝, 位耀光, 臺海江, 李道亮, 楊娛婷 申請人:中國農業大學