嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及電子技術(shù)及監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，包括對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集的傳感器信號(hào)采集模塊，還包括遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、電源模塊；傳感器信號(hào)采集模塊連接一STM32核心模塊，STM32核心模塊通過(guò)一GPRS通信模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連；電源模塊分別與傳感器信號(hào)采集模塊、STM32核心模塊、GPRS通信模塊相連。本實(shí)用新型安裝在河流、湖泊、水庫(kù)、飲用水源地、污水排放口等遠(yuǎn)離測(cè)控中心的任何位置，通過(guò)GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的反向無(wú)線控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)，從而為各級(jí)環(huán)保部門對(duì)環(huán)境水污染進(jìn)行有效預(yù)防、控制和治理以及環(huán)境決策提供準(zhǔn)確依據(jù)。
【專利說(shuō)明】嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電子技術(shù)及監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法是以人工現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室儀器分析為主要手段的離線監(jiān)測(cè)方法，該方法存在監(jiān)測(cè)頻次低、采樣誤差大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散、不能及時(shí)反映污染變化狀況等缺陷，難以滿足水環(huán)境管理的需求，影響了水環(huán)境管理的科學(xué)決策和執(zhí)法的嚴(yán)肅性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，針對(duì)過(guò)去離線監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，提供一種嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，解決以上技術(shù)問(wèn)題。
[0004]為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0005]嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，包括對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集的傳感器信號(hào)采集模塊，其特征在于，還包括遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、電源模塊；
[0006]所述傳感器信號(hào)采集模塊連接一 STM32核心模塊，所述STM32核心模塊通過(guò)一GPRS通信模塊與所述遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連；
[0007]所述電源模塊分別與所述傳感器信號(hào)采集模塊、STM32核心模塊、GPRS通信模塊相連。
[0008]本實(shí)用新型通過(guò)所述GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，以及所述遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的反向無(wú)線控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。
[0009]所述STM32核心模塊選用Cortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32F103VET6。
[0010]所述傳感器信號(hào)采集模塊包括PH值傳感器、高錳酸鹽指數(shù)傳感器、溶解氧傳感器和氨氮傳感器中的至少一種水質(zhì)傳感器。
[0011]所述傳感器信號(hào)采集模塊設(shè)有傳感器信號(hào)輸出端，所述傳感器信號(hào)輸出端連接CD4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)。所述傳感器信號(hào)采集模塊設(shè)有的所有水質(zhì)傳感器的輸出都要通過(guò)CD4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)進(jìn)行選通，再經(jīng)信號(hào)放大調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。
[0012]所述傳感器信號(hào)采集模塊包括一信號(hào)放大調(diào)理電路，所述信號(hào)放大調(diào)理電路與所述電子開關(guān)相連，所述信號(hào)放大調(diào)理電路選擇ADI公司的FET型單電源軌至軌四運(yùn)算放大器AD824。從而對(duì)通過(guò)⑶4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)選通的信號(hào)緩沖；通過(guò)LM431輸出2.5V的參考電壓，通過(guò)一個(gè)5ΚΩ和20ΚΩ的精密電阻分壓得到500mV參考電壓輸出，實(shí)現(xiàn)電壓平移；通過(guò)LM324構(gòu)成一個(gè)二階有源低通濾波器，濾除噪聲干擾。
[0013]所述傳感器信號(hào)采集模塊包括A/D轉(zhuǎn)換電路，所述A/D轉(zhuǎn)換電路的A/D轉(zhuǎn)換器是ADS1242轉(zhuǎn)換器。
[0014]所述電源模塊包括市電供電轉(zhuǎn)換電路。
[0015]所述電源模塊的輸出電壓包括12V、5V、3.3V三種輸出電壓。所述電源模塊輸出的12V電壓直接由蓄電池或220V交流電供電。
[0016]所述電源模塊設(shè)有一電壓調(diào)整器，所述電壓調(diào)整器包括BM2596-5.0。從而進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換使電源模塊的輸出電壓為5V。
[0017]所述電源模塊設(shè)有一電壓調(diào)整器，所述電壓調(diào)整器包括AMS1117-3.3芯片。從而進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換使電源模塊的輸出電壓為3.3V。
[0018]所述GPRS通信模塊的核心采用的是SM900A。
[0019]有益效果:本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，可以安裝在河流、湖泊、水庫(kù)、飲用水源地、污水排放口等遠(yuǎn)離測(cè)控中心的任何位置，對(duì)環(huán)境水質(zhì)實(shí)施全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地將數(shù)據(jù)傳送至在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更具客觀性、科學(xué)性，從而為各級(jí)環(huán)保部門對(duì)環(huán)境水污染進(jìn)行有效預(yù)防、控制和治理以及環(huán)境決策提供準(zhǔn)確依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本實(shí)用新型的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的原理示意圖；
[0021]圖2是本實(shí)用新型的傳感器信號(hào)采集模塊的信號(hào)放大調(diào)理電路原理圖；
[0022]圖3是本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖；
[0023]圖4是本實(shí)用新型的電源模塊的電壓轉(zhuǎn)換圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
[0025]參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集的傳感器信號(hào)采集模塊1、STM32核心模塊2、GPRS通信模塊3、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端4和電源模塊5，傳感器信號(hào)采集模塊I連接STM32核心模塊2，STM32核心模塊2通過(guò)一 GPRS通信模塊3與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端4相連；電源模塊5分別與傳感器信號(hào)采集模塊1、STM32核心模塊
2、GPRS通信模塊3相連。GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的反向無(wú)線控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)。傳感器信號(hào)采集模塊I對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定時(shí)自動(dòng)的采取水樣，將分析獲得的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通信模塊3傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端4，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端4根據(jù)傳來(lái)的數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)水質(zhì)變化趨勢(shì)圖，直觀顯示水質(zhì)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常變化，為研究水體擴(kuò)散、自凈規(guī)律，以及污染擴(kuò)散建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。達(dá)到掌握水質(zhì)和污染物通量，防治水污染事故，為水環(huán)境管理部門提供技術(shù)服務(wù)的目的。同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端4也可以向嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)查詢或者控制指令，控制嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在非規(guī)定的時(shí)間發(fā)送水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
[0026]傳感器信號(hào)采集模塊I設(shè)有多種水質(zhì)傳感器9獲取監(jiān)測(cè)水質(zhì)的特征信號(hào)，水質(zhì)傳感器9包括PH值傳感器、高錳酸鹽指數(shù)傳感器、溶解氧傳感器和氨氮傳感器。傳感器信號(hào)采集模塊I所有水質(zhì)傳感器9的信號(hào)輸出要通過(guò)CD4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)6進(jìn)行選通，再經(jīng)信號(hào)放大調(diào)理電路7和A/D轉(zhuǎn)換電路8轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。
[0027]GPRS通信模塊的核心采用的是SM900A。
[0028]參見(jiàn)圖2，傳感器信號(hào)采集模塊I設(shè)有PH值傳感器、高錳酸鹽指數(shù)傳感器、溶解氧傳感器和氨氮傳感器共4種參數(shù)的水質(zhì)傳感器，獲取監(jiān)測(cè)水質(zhì)的特征信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)⑶4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)進(jìn)行選通。
[0029]信號(hào)放大調(diào)理電路7中選擇ADI公司的FET型單電源軌至軌四運(yùn)算放大器AD824，由于傳感器輸出的電壓范圍是±500mV,但是AD824使用3.3V單電源供電,輸入信號(hào)的范圍也需要限制在O?3.3V的范圍內(nèi)。那么傳感器輸出信號(hào)需要一個(gè)電平偏移，把±500mV輸出電壓范圍平移到O?IOOOmV的電壓范圍。本系統(tǒng)選用LM431，它的電壓輸出可以通過(guò)外圍電阻阻值調(diào)整得到2.5V?36V穩(wěn)壓。LM431輸出2.5V的參考電壓，通過(guò)一個(gè)5ΚΩ和20ΚΩ的精密電阻分壓得到500mV參考電壓輸出，AD824中的另一個(gè)運(yùn)放Ul也被設(shè)計(jì)為電壓跟隨器，對(duì)500mV參考電壓進(jìn)行緩沖，之后提供給傳感器的負(fù)極，這樣傳感器的輸出電壓就有500mV的正偏移。并通過(guò)LM324構(gòu)成一個(gè)二階有源低通濾波器，濾除噪聲干擾。
[0030]參見(jiàn)圖3，A/D轉(zhuǎn)換電路8的A/D轉(zhuǎn)換器選擇ADS1242轉(zhuǎn)換器。它具有24_bit分辨率，有效分辨率21bits，內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)，放大倍數(shù)I?128，在128倍增益時(shí)依然具有19bits的分辨率。ADS1242的輸入通道到達(dá)4個(gè)，能夠?qū)崿F(xiàn)2通道差分輸入，或者選擇一個(gè)通道作為公共參考輸入端，可以實(shí)現(xiàn)3通道單端輸入。#PWDN是低功耗模式輸入，AINO?AIN2是3個(gè)單端輸入通道，AIN3接地，作為參考輸入端。ADS1242采用了 SPI總線接口(SCLK，DO, DIN, #CS)，可以與STM32的SPI接口直接連接。#DRDY是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)有效信號(hào)，ADS1242工作時(shí)會(huì)周期性輸出該信號(hào)，#DRDY連接到STM32的外部中斷引腳，使用中斷方式通知系統(tǒng)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0031]參見(jiàn)圖4，電源模塊是電路系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)和保障，電源電路的可靠性直接決定了整個(gè)電路設(shè)計(jì)的成敗。本節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)組成模塊需要不同的供電電壓，因此電源模塊5需要提供多種不同的電壓輸出?？紤]到各組成模塊之間的干擾和隔離問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)中的有些模塊還需要單獨(dú)供電。GPRS通信模塊3采用12V直流供電，STM32核心模塊2和傳感器信號(hào)采集模塊I供電電壓是3.3V。其他電路模塊采用5V直流供電。所以整個(gè)系統(tǒng)需要12V、5V和3.3V三種電壓輸出。電源模塊5輸出的12V電壓直接由蓄電池或220V交流電供電。輸出5V電壓輸出采用電壓調(diào)整器BM2596-5.0，固定輸出電壓5V，輸入電壓12V。
3.3V電壓輸出采用AMSl117-3.3V芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，固定輸出電壓3.3V，輸入電壓5V。
[0032]以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征以及本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，包括對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集的傳感器信號(hào)采集模塊，其特征在于，還包括遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、電源模塊； 所述傳感器信號(hào)采集模塊連接一 STM32核心模塊，所述STM32核心模塊通過(guò)一 GPRS通信模塊與所述遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連； 所述電源模塊分別與所述傳感器信號(hào)采集模塊、STM32核心模塊、GPRS通信模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述傳感器信號(hào)采集模塊包括PH值傳感器、高錳酸鹽指數(shù)傳感器、溶解氧傳感器和氨氮傳感器中的至少一種水質(zhì)傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述傳感器信號(hào)采集模塊設(shè)有傳感器信號(hào)輸出端，所述傳感器信號(hào)輸出端連接CD4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述傳感器信號(hào)采集模塊包括一信號(hào)放大調(diào)理電路，所述信號(hào)放大調(diào)理電路與所述電子開關(guān)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述傳感器信號(hào)采集模塊包括A/D轉(zhuǎn)換電路，所述A/D轉(zhuǎn)換電路的A/D轉(zhuǎn)換器是ADS1242轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述STM32核心模塊是Cortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32F103VET6。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述電源模塊包括市電供電轉(zhuǎn)換電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述電源模塊的輸出電壓包括12V、5V、3.3V三種輸出電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述電源模塊設(shè)有一電壓調(diào)整器，所述電壓調(diào)整器包括BM2596-5.0。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述電源模塊設(shè)有一電壓調(diào)整器，所述電壓調(diào)整器包括AMS1117-3.3芯片。
【文檔編號(hào)】G01N33/18GK203688543SQ201320891891
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】汪曉東, 笪英云 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)