一种自然电场无线传感器及自动化地下污染监控系统的制作方法

本发明涉及地电磁场特性测量技术领域，更具体地，涉及一种自然电场无线传感器及自动化地下污染监控系统。

背景技术：

近年来，随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对所居住生存的环境越来越重视，而土壤和地下水作为各种生物质的基础，也成为了人们着重关注的对象。

然而，由于土壤与地下水等浅地表污染具有隐蔽性和滞后性，还具有累积效应和长期残留影响性，治理非常困难，因此，即时检测即时控制污染源的扩散是保护土壤和地下水不受污染或少受污染的积极方法。目前，获取土壤与地下水的污染信息方式主要有传统的钻孔测试、定期采样分析和和越来越受到重视的地球物理方法。在诸多的地球物理方法中，自然电场法是一种被动源方法，无需场源，并且对多种与污染扩散伴生的渗流运动、氧化还原以及微生物活动等都相当敏感，且其在野外观测中具有快捷便利、效率高、成本低等优点，因此被广泛的应用在地下污染物的长期监测中。

然而，现有自然电场的观测中普遍是采用常规的电法勘探仪器，如直流电法仪等进行。这类仪器大多集成了多种地球物理勘探方法的功能，而不是专门针对自然电场观测设计，设备成本高，也相对比较笨重。且由于这种传统的单站式勘探仪器之间不能实现其相互通信，因此，需要逐点进行勘测，监测时间成本高，劳动强度大，且难以实现对所需要监测的污染区域进行大面积多点同时观测。另一方面由于上述设备中的电路如信号输入模块、微处理器等即使不处于工作状态仍然需要电源模块为其提供电压，从而导致电能消耗量大，导致其需要经常更换电池，从而使其不适于长期的野外监测作业。

技术实现要素：

本发明提供一种能耗低、使用寿命长且适于大规模分布式同时多点监测污染区的自然电场无线传感器，以解决上述现有自然电场监测设备成本高、能耗高且无法进行同时多点监测的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种自然电场无线传感器，包括微处理器、信号输入模块、电源模块和无线通讯模块，所述信号输入模块通过模数转换单元与所述微处理器电性相连，所述无线通讯模块与该微处理器电性相连，且所述电源模块包括顺序电性连接的电池模块、稳压模块、光耦开关和dc-dc转换单元，所述稳压模块的输出端分别与所述微处理器和无线通讯模块电性相连为提供工作电压，所述光耦开关的阴极与所述微处理器电性相连以控制所述信号输入模块的接入或断开，所述dc-dc转换单元的输出端与所述信号输入模块电性相连为其供电。

在上述方案基础上优选，所述信号输入模块包括阻抗匹配模块和固定增益放大模块，所述阻抗匹配模块的输出端通过该固定增益放大模块与所述微处理器电性相连，以实现共模干扰抑制和固定增益放大。

在上述方案基础上优选，所述阻抗匹配模块包括运算放大器、可变电阻和第一固定电阻，该运算放大器的输入端通过所述可变电阻与大地相连，所述可变电阻的可调端与所述运算放大器的同向输入端相连，且所述运算放大器的反向输入端与通过所述第一固定电阻与所述运算放大器的输出端相连。

在上述方案基础上优选，所述固定增益放大模块包括集成放大器、第二可变电阻和第二固定电阻，所述集成放大器的同向输入端与所述运算放大器的输出端相连，且该集成放大器的反向输入端通过第二固定电阻与大地相接，且该集成放大器的两个rg端通过所述第二可变电阻相连，所述集成放大器的输出端与所述微处理器相连。

在上述方案基础上优选，所述电池模块包括硅光电池组和锂电池组，所述的硅光电池组与所述锂电池组并联。

在上述方案基础上优选，所述稳压模块包括与所述电池模块串联的低压差稳压器。

在上述方案基础上优选，所述光耦开关的阳极通过第三固定电阻与所述低压差稳压器的输出端相连，且所述光耦开关的集电极与所述低压差稳压器的输出端相连；所述光耦合开关的阴极与所述微处理器相连，所述光耦开关的发射极与所述dc-dc转换模块相连。

在上述方案基础上优选，所述dc-dc转换模块包括直流升压器和电压转换器，所述直流升压器与所述光耦开关电性相连，所述直流升压器的输出端与所述的电压转换器相连。

在上述方案基础上优选，还包括与所述微处理器电性连接的卫星定位模块，所述稳压模块的输出端与所述卫星定位模块电性相连。

在上述方案基础上优选，还包括与所述微处理器电性连接的存储器。

本发明还提供了一种自动化地下污染监控系统，包括控制主机和若干个如上所述的自然电场无线传感器，所述自然电场无线传感器分别设置在待监测区域内的不同位置，并将所述自然电场无线传感器与所述控制主机无线通讯相连。

本发明的一种自然电场无线传感器，将电池模块通过光耦开关与dc-dc转换单元相连，并使微处理器与光耦开关相连，从而以利用微处理器控制光耦开关的通断，以改变电池模块为信号输入模块供电状态，使用时，微处理器可根据当前状态，如当其处于监测时，则微处理器控制光耦开关连通为dc-dc转换单元提供工作电压，当自然电场无线传感器处于待机状态时，则微处理器控制光耦开关断开，以切断电池模块为信号输入模块提供电压，使其处于节能模式，从而以降低系统能耗，提高其待机时间，适于野外长期监测。卫星定位模块和无线通讯模块也可以通过微处理根据工作情况进行开启和关断，进一步降低系统能耗。

作为本发明的另一目的在于，本发明的信号输入模块采用了阻抗匹配模块和固定增益放大模块所构成，利用阻抗匹配模块将使所采集到的数据信号以最大功率输出，同时配合固定增益放大模块，将所采集到的数据信号进行共模干扰抑制处理后，进行增益放大，从而以确保能够将采集到的微弱数据信号准确无误的传送，保证采集数据的准确性。

进一步的，本发明的采用了卫星定位模块和无线通讯模块，利用卫星定位模块可准确获知当前自然电场无线传感器所处的监测位置，配合无线通讯模块，可实现自然电场无线传感器与控制室之间的信息交互，从而可在待监测污染区域的不同点布设多个不同的本发明的自然无线传感器，通过控制室与不同的自然无线传感器的无线通讯模块进行信息交互控制，以同时获取待监测污染区域内不同点的土壤或地下水的数据信息，实现多点同时数据采集，降低监测劳动强度，实现实时监测，使用更加方便快捷。

附图说明

图1为本发明的自然电场无线传感器的结构框图；

图2为本发明的电源模块的电路图；

图3为本发明的信号输入模块的电路图；

图4为本发明的微处理器与卫星定位模块和无线通讯模块的连接关系图；

图5为本发明的自然电场无线传感器的第一种工作模式流程图；

图6为本发明的自然电场无线传感器的第二种工作模式流程图；

图7为本发明的自动化地下污染监控系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1，并结合图2所示，本发明提供了一种自然电场无线传感器，包括微处理器10、信号输入模块20、电源模块40和无线通讯模块50，信号输入模块20通过模数转换单元30与微处理器10电性相连，无线通讯模块50与该微处理器10电性相连，且电源模块40包括顺序电性连接的电池模块41、稳压模块42、光耦开关43和dc-dc转换单元44，稳压模块42的输出端分别与微处理器10和无线通讯模块50电性相连为其提供工作电压，并将该微处理器10与光耦开关43的阴极电性相连，且dc-dc转换单元44的输出端与信号输入模块20电性相连。

本发明的一种自然电场无线传感器，将电池模块41通过光耦开关43与dc-dc转换单元44相连，并使微处理器10与光耦开关43相连，从而以利用微处理器10控制光耦开关43的通断，以改变电池模块41为信号输入模块20供电状态，使用时，微处理器10可根据当前状态，如当其处于监测时，则微处理器10控制光耦开关43连通为dc-dc转换单元44提供工作电压，当自然电场无线传感器100处于待机状态时，则微处理器10控制光耦开关43断开，以切断电池模块41为信号输入模块20提供电压，使其处于节能模式，从而以降低系统能耗，提高其待机时间，适于野外长期监测。

作为本发明的另一优选实施例，本发明的电池模块41包括硅光电池组411和锂电池组412，硅光电池组411与锂电池组412并联以形成一个输出3.7v的电池组，并在硅光电池组411与锂电池组412之间设置一个二极管d1以实现硅光电池组411与锂电池组412之间的隔离，以实现硅光电池与锂电池连通并为其充电，并防止锂电池为硅光电池反向供电。本发明利用硅光电池组411将太阳能予以存储，从而以进一步提高其野外长期工作时间，使用时，在由光照情况下由硅光电池组411向系统供电并对锂电池组412充电，而在无光照情况下，则由锂电池组412供电，以实现无论是阴天还是黑夜，本发明的自然电场无线传感器100都能实现正常监测的目的，以到达实时监测的效果。

在本发明的另一优选实施例中，本发明的稳压模块42包括与电池模块41串联的低压差稳压器。低压差稳压器优选采用的是型号为adp3338的精密低压差稳压器，该低压差稳压器的输入端与硅光电池组411的正极相连，低压差稳压器的接地端与硅光电池组411的负极相连，并将该地压差稳压器的输出端与光耦开关43相连。本发明利用低压差稳压器将电池模块41所输出的3.7v直流电转换为稳定的3.3v直流电，为微处理器10和无线通讯模块50提供工作电压。优选的，本发明还在低压差稳压器的输入端与硅光电池组411的负极之间连接有一电容c1，并在低压差稳压器的输出端与硅光电池组411的负极之间连接有一电容c3，以滤除交流耦合进一步稳定直流电压输出。

在本发明的另一优选实施例中，本发明光耦开关43的阳极通过第三固定电阻r1与低压差稳压器的输出端相连，且光耦开关43的集电极与低压差稳压器的输出端相连；光耦合开关的阴极与微处理器10相连，光耦开关43的发射极与dc-dc转换模块相连。需要说明的是，本发明所涉及到的光耦开关43为四个引脚，其输入侧为发光二极管，发光二极管的阳极为光耦开关43的阳极，发光二极管的阴极为光耦开关43的阴极。光耦开关43的输出侧为光敏三极管，光敏三极管的集电极为光耦开关43的集电极，光敏三极管的发射极为光耦开关43的发射极。

使用时，低压差稳压器的输出端与微处理器10和无线通讯模块50电性相连，为其分别提供工作电压，而光耦开关43的阴极与微处理器10的控制接口相连接，微处理器10可通过控制光耦开关43的阴极，以控制光耦开关43的开闭，从而控制dc-dc转换模块与电源模块40的通断，以达到对电源模块40对信号输入模块20的供电控制。使用过程中，当本发明的自然电场无线传感器100不处于监测状态时，微处理器10通过控制光耦开关43的阴极处于高电平，从而使得光耦开关43处于断开状态，切断电源模块40与dc-dc转换模块的连接，实现电源模块40与信号输入模块20的连接中断，以降低自然电场的能耗，提高其使用寿命；反之当自然电场无线传感器100处于监测状态时，微处理器10通过控制光耦开关43的阴极处于低电平，从而使得光耦开关43接通，使电源模块40与信号输入模块20接通为其供电，以确保信号输入模块20的正常工作。

进一步的，本发明的dc-dc转换模块包括直流升压器441和电压转换器442，其中，直流升压器441与光耦开关43电性相连，直流升压器441的输出端与电压转换器442相连。优选的是，本发明的直流升压器441的型号为tps61032，而电压转换器442的型号为lm2662，使用时，通过直流升压器441搭配电压转换器442将稳压模块42输出的3.3v电压转换为+5v和-5v电源为信号输入模块20供电。

在本发明的另一优选实施例中，本发明的一种自然电场无线传感器还包括与微处理器10电性连接的卫星定位模块60，利用卫星定位模块60以获取本发明的自然电场无线传感器100的位置信息，同时，将本发明的稳压模块42的输出端与卫星定位模块60电性相连，为卫星定位模块60的正常工作提供工作电压。值得说明的是本发明的卫星定位模块60内自带控制开关，该卫星定位模块60通过控制开关与稳压模块42的输出端电性相连，当本发明的自然电场无线传感器100不处于工作状态时，微处理器10可通过控制卫星定位模块60内的控制开关，以切断稳压模块42与卫星定位模块60之间的连接，从而降低其能耗，提高其野外工作时间。

需要说明的是，本发明的卫星定位模块60采用的是低功耗多模卫星导航芯片at6558，微处理器10采用的是msp430f449单片机。低功耗多模卫星导航芯片at6558支持中国北斗bds、美国gps以及双系统联合卫星定位。外围电路简单，只需要晶振和天线阻抗匹配，通过4线spi总线可以很方便与msp430f449单片机连接。此外，低功耗多模卫星导航芯片at6558有专门的开关端口on/off口，可直接由msp430f449单片机控制芯片的开启和关闭，从而达到对稳压模块42输出电源的接入控制。

而本发明的所采用的msp430f449单片机具有超低功耗，在恶劣条件下工作性能稳定，因此可有效提高本发明自然电场无线传感器100的工作稳定性。其中，msp430f449单片机的时钟频率为8m，字长为16位，采用16位精简指令集，片内含2个16位定时控制器，因此，该msp430f449单片机可以完全满足传感器节点所需要的处理控制功能。本发明的msp430f449单片机内集成有60kflash存储器和2kram存储器，无需片外扩展就可以满足传感器节点的程序与数据存储功能。特别是其片内还集成了多路快速12位adc，无需额外配置ad器件就可以实现自然电场信号的ad转换。片内adc从a0口获得经过信号输入模块20的自然电场模拟信号输入，在程序控制下完成ad转换。该msp430f449单片机的两个spi端口可以很方便地分别接收卫星定位模块60的数据以及与无线通信模块进行数据交换，具体结构请参阅图4所示。

在本发明的另一优选实施例中，请继续参阅图3所示，本发明的信号输入模块20包括阻抗匹配模块21和固定增益放大模块22，阻抗匹配模块21的输出端通过该固定增益放大模块22与微处理器10电性相连。由于在实际监测中，信号输入模块20所获取到的信号比较微弱且带有一定的干扰信号，如果直接将其传递至微处理器10，则会影响信息采集的准确性，故本发明利用阻抗匹配模块21将使所采集到的数据信号以最大功率输出，同时配合固定增益放大模块22，将所采集到的数据信号进行共模干扰抑制处理后，进行增益放大，从而以确保能够将采集到的微弱数据信号准确无误的传送，保证采集数据的准确性。

进一步的，本发明的阻抗匹配模块21包括运算放大器211、可变电阻vr1212和第一固定电阻r2213，该运算放大器211的输入端通过可变电阻vr1212接地，可变电阻vr1212的可调端与运算放大器211的同向输入端相连，且运算放大器211的反向输入端与通过第一固定电阻r2213与运算放大器211的输出端相连。本发明利用可变电阻vr1212与运算放大器211的结合可实现1m～256m输入阻抗可调，以满足实际需要。

在本发明的另一优选实施例中，由于自然电场信号一般变化范围不大，因此，本发明采用固定增益方式。其中，本发明的固定增益放大模块22包括集成放大器221、第二可变电阻222和第二固定电阻223，集成放大器221的同向输入端与运算放大器211的输出端相连，且该集成放大器221的反向输入端通过第二固定电阻223接地，且该集成放大器221的两个rg端通过第二可变电阻222相连，集成放大器221的输出端与微处理器10相连。利用集成放大器221来抑制共模干扰，进行5倍增益。自然电场信号经过信号输入模块20通过微处理器10msp430f449的adc模拟信号输入端a0口传递至微处理器10中。

为了实现监测数据的本地化存储，本发明的一种自然电场无线传感器还包括与微处理器10电性连接的存储器80。

需要说明的是，本发明所采用的无线通讯模块50采用的是型号为cc2420的rf芯片，工作频带为免授权的2.4ghz频段，采用直接序列扩频方式，支持16个通信信道，采用o—qpsk调制方式。该无线通讯模块50具有超低功耗、符合ieee802.15.4规范要求的mac层，可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、crc校验、电源检测、自动mac层安全保护等。rf芯片cc2420只需要晶振时钟、射频输入/输出匹配等极少的外围电路，通过4线spi总线可以很方便与msp430单片机联接(见图4)，实现数据交换和程序控制。因此，其功耗低，可进一步提高本发明的一种自然电场无线传感器的使用时间，使其更加适应于野外独立自动监控的环境。

本发明的一种自然电场无线传感器，与常规电法仪器相比较，其具有生产成本低廉，便于大规模布置，开展大范围的污染监测。且大量布置的自然电场无线传感器100可实现面积性自然电场观测的同时，还组成了无线网络保障监测数据的实时传送，提高野外观测的自适应性。

进一步的，本发明的一种自动化地下污染监控系统，有两种工作模式，分别为定时采集模式和命令采集模式。其中，定时模式主要是通过事先设定的观测周期(根据监测需求，比如每隔12小时观测一次)进行数据采集，各自然电场无线传感器100节点在数据采集阶段开启各功能模块同时采集数据并通过网络传送数据到控制主机80，在采集间隔时段关闭大部分功能模块进行节能，具体流程见图5。命令采集模式，则需要各节点的通信模块一直工作，等待网络指令开启相应功能模块进行数据采集与传送，具体流程见图6。具体采用何种工作模式可根据具体监测任务需求确定。

请继续参阅图7所示，本发明还提供了一种自动化地下污染监控系统，包括控制主机80和若干个如上所述的自然电场无线传感器100，自然电场无线传感器100分别设置在待监测区域内的不同位置，并将自然电场无线传感器100与控制主机80无线通讯相连。

使用时，利用本发明的自然电场无线传感器的卫星定位模块60可准确获知当前自然电场无线传感器100所处的监测位置，配合无线通讯模块50，可实现自然电场无线传感器100与控制室之间的信息交互，从而可在待监测污染区域的不同点布设多个不同的本发明的自然无线传感器，通过控制室与不同的自然无线传感器的无线通讯模块50进行信息交互控制，以同时获取待监测污染区域内不同点的土壤或地下水的数据信息，实现多点同时数据采集，降低监测劳动强度，实现实时监测，使用更加方便快捷。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。