专利名称：无线多参数在线环境监控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及监控装置，具体涉及无线多参数在线环 境监控装置。
技术背景无线传感器网络是由大量传感器节点组成的无线信息 传输网络，在军事、工业、环境、生活等诸多领域具有广泛 的用途，是目前国内外研究开发的热点之一，对国民经济发 展和国防建设都具有重要意义。典型的无线传感器网络由众 多传感器节点和一个或多个信息收集节点组成。传感器节点通过传感器采集所需的信息，并无线发射出去；无线发射的 信息一般需经过多个传感器节点的转发，即以多跳的传输方 式，到达信息收集节点；在网络中，相似的信息还将被合并、 融合，以减少网络的负荷。与自组织(AdHoc)网络类似，无线传感器网络一般没 有固定的网络结构，可以根据需要，随意布置传感器节点， 然后由传感器节点自行组成网络。但与典型的Ad Hoc网络 相比，无线传感器网络的节点数量更大，节点的成本和功耗 的要求更严格，节点的移动性一般较小。在国外，由于军事应用等的需要，无线传感器网络近年来发展较快，在传感器、无线通信、网络协议设计、信息处 理数据库等方面，都取得了较大发展，构建了不少无线传感 器网络实验系统，并扩展到其它各个领域，逐步走向实际应 用。在国内，无线传感器网络也得到了广泛关注和深入研究，在国家863计划等的支持下，国内很多高校和研究机构都进 行了有关研究，取得了丰富的研究成果。无线传感器网络的设计与应用的相关性非常密切， 一般 需要针对不同的应用进行设计和优化，任何解决方案都难以 满足所有的应用需求。因此，无线传感器网络的研究内容非 常丰富，研究空间很大。国内的应用环境一般与国外的应用 环境不尽相同，不能完全照搬国外的解决方案。特别是对关 系国计民生的重要应用，只有通过自主研发，才能获得最优 的解决方案和自主知识产权的研究成果。无线传感器网络的一个重要应用领域是水质监测。目 前，国内水质监测方面一般仍沿用传统的方法，即通过设置 水质监测站，对水质进行定点采样和实验室分析，覆盖面有 限，需要大量人力的介入，并且数据获取、分析的实时性不 高。使用大规模水质监测无线传感器网络，能够对水质进行 全面、实时的自动监测和分析，对水体质量状况进行科学的 整体评价和预测，对水环境保护和治理，以及国民经济的发 展具有重要的意义。 发明内容本实用新型的目的在于提供一种无线多参数在线环境监控装置，通过各种传感器采集到湖泊中各种与蓝藻生长和 爆发有关的化学元素和环境参数等的变化，以及湖泊的各个区域的不同情况；通过无线传感器网络将这些信息通过无线 的方式，实时、准确地传输到信息收集节点进行分析，无需 人工的干预；而信息收集节点的信息分析系统，能够对收集 到的海量信息进行实时分析和处理，实现蓝藻水华预警，为 蓝藻控制决策提供科学依据，全面、显著提高监控的准确性、 科学性与有效性。本实用新型的技术解决方案是该监控装置包括采样器 和监控器， 一组采样器通过无线传输接收器连接监控器，采 样器由传感器模块、采样控制与保持模块、A/D数据转换模 块、单片机处理模块、无线数据传输模块集合而成；传感器 模块有电化学传感模块、温度传感模块或光学传感模块；化 学传感模块由离子选择性电极为工作电极，结合参考电极以 及辅助电极构建一个三电极电化学分析；光学传感模块采用 数字摄像测量叶绿素和光纤浑浊度指标；监控器由无线数据 接收模块、数据库和数据处理模块集合而成。使用时，将采集器分别放置于水域某处，启动采集器工 作，采集器将信号传输给监控器实现分析处理。本实用新型的监控装置将信息通过无线方式传输，由监 控器实时分析和处理，全面显著提高监控的准确性、科学性 和有效性。
图l为本实用新型的框图。图2为图1的分解框图。图中1.电源，2.采样器，3.无线传输接收器，4.监控 器，5.电化学传感器模块，6.采样控制与保持模块，7.A/D 数据传换模块，8.单片机处理模块，9.无线数据传输模块， IO.温度传感模块，ll.光学传感模块，12.无线数据接收模 块，13.数据库和数据处理模块。
具体实施方式
如图l、 2所示，该监控装置包括采样器2和监控器4， 一组采样器2通过无线传输接收器3连接监控器4，采样器 2由传感器模块5、采样控制与保持模块6、 A/D数据转换模 块7、单片机处理模块8、无线数据传输模块9集合而成； 传感器模块有电化学传感模块14、温度传感模块10或光学 传感模块11;化学传感模块14由离子选择性电极为工作电 极，结合参考电极以及辅助电极构建一个三电极电化学分 析；光学传感模块11采用数字摄像测量叶绿素和光纤浑浊 度指标；监控器由无线数据接收模块12、数据库和据处理模 块13集合而成。一、传感器1、集成式传感器阵列目前市场可以获得的综合水质分析仪多为较大型的系 统。目前达到国家标准的水质在线检测方法有很多种，这些 方法同传统检测方法相比具有低成本、全自动、实时等优点，但这类大型仪器成本很高，不适合大面积多位点监测。
在现有比较成熟的检测技术基础上，通过将多个传感器 集成，开发低成本、可废弃、甚至可生物降解的低成本传感 器阵列，满足大面积国土水资源的实时监测。
这些传感器均可以集成到可生物降解材料的基片上，形 成无废弃物的远程检测网络。传感器将微流体技术同传感技 术结合，采用高灵敏电流、电势测量电路，达到在微升体积 液体范围内测量上述水质指标，检测系统集成到芯片尺寸，
利用现有实验室技术，形成微量液体高灵敏检测。高锰酸钾、
C0D、 B0D、 NH3-N、总氮、总磷等检测精度达到国家一类水 标准。传感器采用低功耗技术，传感单元功耗低于2瓦。传 感器得到的多项分析信号通过放大、数字化、存储传送到通 信模块进行远程传送。
2、 分布式传感网络 科学地设计传感网络的结构，可以较低的成本得到最大
的信息。在整个太湖流域的基础上，考虑水文、地理，如面 积、流速、水力停留时间、容积、水深和岸线系数等因素的 情况，借助适当的理论与技术合理地安排传感器的布局。
3、 传感器驱动系统 该系统提供与集成式传感器阵列和无线传输的接口 。具
有自检、提供驱动电源、D/A、 A/D转换的功能。是传感系统 的管理核心，能够对信息的采集、传输进行控制。并使传感 系统具有良好的扩展性与可维护性。4、传感器技术开发及应用
水体污染与富营养化是一个复杂的问题，涉及多种多样 的化学与生物物质。除了一些常规的检测项目外，开发适合 于一些特征性或指标性的物质或参量的现场自动监测技术
也十分必要。例如1)持久性环境污染物(POPs)的检测 根据二恶英类化合物及其他有机氯类、有机氮和磷类环境污 染物等的致毒作用机制，构建基于功能纳米材料的相关环境 污染物检测器件和生物芯片；2)富营养化水体及蓝藻生长 相关因子传感技术藻类水华出现的速度非常快，这使得表 观现象上看是瞬时的"爆发"，但是经过数十年的研究，目 前的观点认为它并不是在短时间内以极快的速度生长所致， 而是藻类生物量在水体中的一个逐渐发展与形成的过程，引 起爆发的前提是水体中已经存在较大的藻类生物量，只是在 环境适宜条件下，在较短的时间内形成"水华"，引起爆发。 目前多数研究认同蓝藻水华的形成一般是由蓝藻本身的生 理特点以及温度、光照、营养盐、其它生物等诸多环境因素 所引发的，但尚不明确诱导水华的主导因子，因此需要发展 与水华消长相关的因子传感技术，从多角度进行监测，并对 各因素的联合作用进行分析。
二、大容量、大范围现场监测信息的实时快速传输网络 与控制
传感器采集到的信息通过无线传感器网络发送到信息 收集节点，进行信息的处理与应用。无线传感器网络的设计与应用密切相关，需要实现广域、多节点、较长单跳通信距 离的实时信息传输网络，将主要从物理层无线通信技术、媒
体接入控制(MAC)层和网络层进行研究、设计与实现。
1、 物理层无线通信技术
目前，用于无线传感器网络的物理层无线通信技术已较 为成熟，Chipcon和ADI等公司都已推出无线传输距离数百 米、无线信息传输速率数百Kbps的商用芯片，能够满足大 多数低成本、低功耗的无线传感器网络应用。
无线传感器网络中，传感器节点的位置信息非常重要， 一般情况下，传感器采集到的信息必须与位置信息相结合， 才有使用价值。实现方法之一是采用全球定位系统(GPS) 进行定位，但由于成本、功耗等的限制，还只能在部分节点 上实现。传统的UWB技术一般应用于短距离无线通信，改进 的基带脉冲UWB无线通信技术能够达到较大的无线通信距 离，并具有较高的测距精度。在定位技术方面基于多维尺度 扩展(MDS)的全局优化定位算法，在已有的MDS算法基础 上，针对锚节点分布不均匀、测距误差较大等情况进行改进， 并研究测距信息的高效传输方式，以方便在服务器进行集中 处理、获得定位结果。
2、 MAC层协议
MAC层协议所要解决的问题是如何在单跳范围内，在多 个网络节点之间共享无线资源。在无线传感器网络中，因为 节点一般用电池供电，能量非常有限，所以提高能量利用效率、降低能量消耗成为MAC层协议的首要优化目标之一。
现有的无线传感器网络區C层协议一般采用时分复用 (TDMA)的方式在多个节点之间分配资源，即不同的节点在 不同的时隙中发送信息，并通过请求发送/清除发送 (RTS/CTS)机制进行时隙的预留，避免冲突和碰撞。
采用中心控制式和分布式两种网络结构，其中分布式结 构无需固定的网络拓扑结构和中心控制节点，网络功能分布 在各个节点中实现，较适用于无线传感器网络。
无线传感器网络具有节点数量大、总体数据量大、但每 个节点每次发送数据量较小的特点，在分布式网络结构中用 伪随机接入的机制代替常用的RTS/CTS机制，避免RTS/CTS 帧本身的碰撞所带来的网络资源的消耗，提高网络能量利用 效率。并在此框架之下，研究MAC层协议的公平性问题、服 务质量(QoS)保证机制与实现方法，与物理层和网络层的 联合优化设计、以及协议的高效实现技术。需要重点解决的 问题是设计高效的节点休眠机制，既降低节点的能量消耗， 又不显著影响网络功能的实现。解决的途径是在伪随机接入 中，设计有效的分布式资源预留机制，使得各节点能够有序 地利用网络资源。
3、 络层路由协议
网络层的路由协议实现信息在多跳网络中的传输。因为 节点可能因为能量耗尽而停止执行网络功能，因此，即使节 点是静止的，无线传感器网络的拓扑结构也会经常发生变化；在无线传感器网络中， 一般还需要在信息传播时进行信 息的融合，即合并相似的信息以更高效地传输；另外，无线 传感器网络中的节点一般不具备常规网络中路由器的信息 存储和处理能力。
国内无线传感器网络路由协议如SPIN协议和Direct Diffusion协议等，较好地解决了无线传感器网络的路由问 题。针对网络规模大、分布广、节点功能多样等特点，采用 分层的网络结构，通过设置少量功能较强的路由辅助节点， 在网络中引入一定的层次与确定信息，提高路由协议的实现 效率。
本实用新型太阳能供电模块由太阳能电池板、DC/DC转 换、蓄电池等构成。太阳能的供电通过转换芯片驱动数据采 集芯片和采样保持芯片以及单片机芯片。
本实用新型无线传输采用自动发射和接受模块，软件控 制采集或自动采集发送，数据在主机上显示、报警。
权利要求1.无线多参数在线环境监控装置，其特征在于该监控装置包括采样器(2)和监控器(4)。
2. 根据权利要求1所述的无线多参数在线环境监控装置，其特征在于 一组采样器(2)通过无线传输接收器(3)连接监控器(4)，采样器(2)由传感器模块(5)、采样控 制与保持模块(6)、 A/D数据转换模块(7)、单片机处理模 块(8)、无线数据传输模块(9)集合而成。
3. 根据权利要求1所述的无线多参数在线环境监控装 置，其特征在于传感器模块有电化学传感模块(14)、温 度传感模块(10)或光学传感模块(11)。
4. 根据权利要求1所述的无线多参数在线环境监控装 置，其特征在于化学传感模块(14)由离子选择性电极为 工作电极，结合参考电极以及辅助电极构建一个三电极电化 学分析。
5. 根据权利要求1所述的无线多参数在线环境监控装置，其特征在于光学传感模块(11)采用数字摄像测量叶绿素和光纤浑浊度指标。
6. 根据权利要求1所述的无线多参数在线环境监控装置，其特征在于监控器由无线数据接收模块(12)、数据库和据处理模块(13)集合而成。
专利摘要本实用新型公开了无线多参数在线环境监控装置，该监控装置包括采样器(2)和监控器(4)，一组采样器(2)通过无线传输接收器(3)连接监控器(4)，采样器(2)由传感器模块(5)、采样控制与保持模块(6)、A/D数据转换模块(7)、单片机处理模块(8)、无线数据传输模块(9)集合而成；传感器模块有电化学传感模块(14)、温度传感模块(10)或光学传感模块(11)；监控器由无线数据接收模块(12)、数据库和据处理模块(13)集合而成。本实用新型的监控装置将信息通过无线方式传输，由监控器实时分析和处理，全面显著提高监控的准确性、科学性和有效性。
文档编号G08B19/00GK201173927SQ20082003203
公开日2008年12月31日 申请日期2008年3月10日 优先权日2008年3月10日
发明者周金玉, 朱纪军 申请人:江苏杰创科技有限公司