专利名称：基于ZigBee的压力式雨量测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种以高精度压力式雨量计代替传统虹吸式或翻斗式雨量计的 雨量测量装置，该装置通过zigbee协议组建无线传感网络，可实现雨量测量的实时采集、 处理、上传，属于基于无线传感网络的气象观测领域。
背景技术：
雨量是气象测量中十分重要的元素之一，人们的日常生活和社会活动都和雨量密 切相关。目前，国内外普遍使用的雨量计有虹吸式雨量计及翻斗式雨量计。虹吸式雨量计 适合于人工观测，但虹吸雨量计存在两大缺陷一是在虹吸时的十几秒钟里，下的雨都被 虹吸掉了，没有被记录上；二是北方易下“泥巴雨”，虹吸管脏后虹吸不正常。翻斗式雨量 计通过来回翻动两个平衡的翻斗来记录降水量，但存在小雨无反应，大雨、暴雨时误差值大 的问题。因为强降水时，翻斗来回翻动的频率太大，而每次翻动翻斗内都残存一点水，翻 动次数越多，误差越大，且使用维护麻烦。由于气候变暖后气象灾害日趋严重，因此对气象 数据的采集、存储、处理的要求越来越高，以提高天气预报的正确率，延长预报的有效时间。此外，传感器技术正向着智能化网络化的方向发展，无线自组传感器网络正是适 应这种需求而出现的，它集传感器技术、微电子技术和网络通讯技术于一身，具有信息采 集、处理和传输等技术。无线自组传感器网络在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面有 着潜在的应用价值。
实用新型内容本实用新型目的是针对现有虹吸式雨量计和翻斗式雨量计的缺点，以及对现有自 动气象站中雨量值实时数据采集、处理、上传困难的问题，设计了一种基于ZigBee的压力 式雨量测量装置，并使之成为无线传感网络的节点，与已有的温度计、湿度计以及风速风向 仪等一起组成新型的无线网络化自动气象站。本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案本实用新型基于ZigBee的压力式雨量测量装置，包括电源模块、雨量收集模块、 数据采集电路、数据处理及通信控制器、LCD接口及外围电路，其中雨量收集模块的输出端 依次串接数据采集电路、数据处理及通信控制器后分别接LCD接口及外围电路的输入端， 电源模块分别给数据采集电路和数据处理及通信控制器供电。其中，所述雨量收集模块由用于信号放大的承雨器和测量筒构成。其中，所述数据采集电路包括差压传感器、温度传感器及A/D转换模块，其中差压 传感器串接A/D转换模块后与温度传感器的输出端分别接接数据处理及通信控制器的输 入端。其中，所述数据处理及通信控制器为ZigBee协议栈芯片CCM30。其中，所述差压传感器为表压型集成硅压力传感器1MN-001G。其中，所述温度传感器采用温度传感器DS18B20。[0012]其中，所述A/D转换模块为对位々/!)转换器ADS1218。其中，所述LCD接口为LCD1602接口。本实用新型具有如下有益效果(1)该计量主体是一种高分辩力的水位计，由于取压装置的比例关系使得雨量计 在一定范围内达到较高的测量精度，从而实现了自动气象站中的高精度雨量实时测量。更 好地提高天气预报的正确率，延长预报的有效时间。(2)该装置具有测量误差不受雨量强度变化及外部环境(高温、高湿、沙尘、雷电 等)、沙尘气候环境影响的突出优点，减小了环境因素对雨量测量的影响。(3)该装置通过工作方式的切换，正常工作时电流消耗为^mA,休眠方式电流消 耗为0. 6微安，使得能耗大大降低，理论上电池可使用十年不需更换，在节约能源的同时减 少了工作人员的工作量。(4)顺应现代通信及自动气象站的发展趋势，采用物联自组网技术，克服了铺设线 路难而致使气象要素测量困难的状况，使得雨量测量受地理位置的影响达到减小。(5)利用硬件提供的IXD1602扩展接口，方便雨量的现场观察。(6)利用射频技术可以方便地实现人机之间的信息交互。
图1为本实用新型雨量采集器的结构图。图2为本实用新型的系统结构框图。图3为本实用新型的模数转换电路连接图。图4为CCM30的硬件应用电路。图5为本实用新型的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明如图1、图2系统框图所示，本实用新型基于ZigBee的压力式雨量测量装置，包 括数据采集电路和数据通信单元的设计，数据采集电路负责将差压传感器、温度传感器采 集到的数据上传，在MCU控制下内部存储，并由无线传输电路送至采集器节点汇总。整个 硬件结构包括电源模块、雨量收集模块、数据采集电路(包括传感器模块、A/D转换模块)、 CC2430控制器、LCD接口及外围电路。雨量收集模块负责将降雨量的采集并通过液位的高度变化放大信号，此模块是 提高雨量测量精度的关键所在。数据采集电路包括传感器模块和A/D转换模块，传感器模块包括表压型集成硅 压力传感器154N-001G和数字化温度集成芯片DS18B20。微压力传感器量程为6 kPa，适 合雨量的测量量程；DS18B20使用一个端口实现通信，节省了宝贵的IO资源，测量温度范围 从_55°C到+125°C。A/D转换模块采用M位的ADS1218，此模数转换器集成了模拟开关、放 大电路等。硅压力传感器采集的电信号经ADS1218模数转换，等待控制器对其进行处理。由 于硅元件温度系数较大，传感器本身提供了温度补偿之后仍然存在较大的温度误差，所以 还需额外的温度补偿，即设置了温度测量电路进行温度补偿。ADS1218外围电路连接如图3所示。控制器模块该雨量计采用无线传感网络来构成自动气象站，基于对低功耗并节 约成本的考虑，在进行数据测量和处理时采用了 CCM30模块自带的处理器，它在单个芯片 上整合了 ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。芯片能耗极底，工作状态电流只有20mA， 休眠状态电流仅0.6微安。图4为CCM30的硬件应用电路。该装置采用ZigBee协议栈实 现无线网络的数据传输。该雨量测量装置由CCM30控制和处理来自数据采集电路的数据 (数据的处理主要包括特殊的非线性、温度等补偿及校正措施)，并且保存数据，控制进水阀 和出水阀的动作，以及与无线传感网络主节点的数据通信。电源电源是整个系统的基础，设计一个高效而稳定的电源，才能使系统的功能发 挥出来。由于各硬件模块芯片所用的供电电压不同，因此需要采用两节锂电池进行供电， 降压产生5v和3. 3v两套电源，5v主要对数据采集和IXD显示电路供电，3. 3v电源主要对 CC2430控制器处理和发送数据供电。IXD接口 用于雨量值的现场显示提供即插即用接口。外围电路主要包括RS23串中通信电路的设计，通时串口与PC机交互数据，便于程 序的调试。压力的输出信号经简单的滤波后直接送模数转换器进行放大及模数转换。由于传 感器所测量水柱的压力量程很小，仅6 kPa，属于微压力传感器，正常情况下难于取得高精 度。因此为提高压力的测量精度，采用了特殊的非线性、温度等补偿及校正措施，从而确保 精度。压力测量精度可达到0. 1%，即在500mm水位高度时，保证0. 5 mm的液位精度。经过 换算成实际的降水量时，还需除以雨量计收集器与量筒的口径面积比10。因此降水量的测 量精度还可进一步提高到0. 02 mm。本实用新型的具体工作流程如图5所示。系统整体上采用结构程序方法设计，通 过ZigBee协议栈所提供的用户程序接口来实现整个通信程序的开发。程序中大量使用了 子程序段，如延时子程序、发送子程序。整个程序包括，主控制模块、数据采集及温度补偿模 块、无线传输模块、上位机通信接口模块等。数据采集及温度补偿模块主要负责雨量值的采 集及转换；无线通信单元主要负责节点组网、数据传输和数据安全。这两个单元是本系统的 核心，主要涉及应用程序与ZigBee协议栈的交互，采集数据的补偿及校正，通过调用相应 的子程序实现。系统设定了 30S的采样时间，每隔30S采样一次，采样实现后系统转入省电 模式，在数据实时性高的同时使节点功降到最低。本实用新型压力式雨量测量装置满足了低功耗、高精度的要求，没有降水测量上 限的限制。雨量计的承水器可涂覆聚四氟乙烯等纳米材料，以减少雨水浸湿以及蒸发所带 来的误差。本实用新型较好地满足世界气象组织规定< 士洲的误差要求，可以用在基于无 线传感器网络的自动气象站中。
权利要求1.一种基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于包括电源模块、雨量收集模 块、数据采集电路、数据处理及通信控制器、LCD接口及外围电路，其中雨量收集模块的输 出端依次串接数据采集电路、数据处理及通信控制器后分别接LCD接口及外围电路的输入 端，电源模块分别给数据采集电路和数据处理及通信控制器供电。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于所述雨量 收集模块由用于信号放大的承雨器和测量筒构成。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于所述数据 采集电路包括差压传感器、温度传感器及A/D转换模块，其中差压传感器串接A/D转换模块 后与温度传感器的输出端分别接接数据处理及通信控制器的输入端。
4.根据权利要求1或3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于所述 数据处理及通信控制器为ZigBee协议栈芯片CCM30。
5.根据权利要求3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于所述差压 传感器为表压型集成硅压力传感器K4N-001G。
6.根据权利要求3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于所述温度 传感器采用温度传感器DS18B20。
7.根据权利要求3所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于所述A/D 转换模块为M位A/D转换器ADS1218。
8.根据权利要求1所述的基于ZigBee的压力式雨量测量装置，其特征在于所述LCD 接口为 LCD1602 接口。
专利摘要本实用新型公布了一种基于ZigBee的压力式雨量测量装置，包括电源模块、雨量收集模块、数据采集电路、数据处理及通信控制器、LCD接口及外围电路，其中雨量收集模块的输出端依次串接数据采集电路、数据处理及通信控制器后分别接LCD接口及外围电路的输入端，电源模块分别给数据采集电路和数据处理及通信控制器供电。本实用新型具有实时性好、精度高、受环境影响小的优点，能较好的满足现有气象观测的要求，可用于自动气象站中对雨量的实时精确的测量。
文档编号G01W1/14GK201845090SQ20102059341
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者元保军, 唐慧强 申请人:南京信息工程大学