专利名称：一种基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测设备及其系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水文监测设备及其系统，尤其涉及一种基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测设备及其系统，用于水文、气象、林业、农业、环境监测等领域，对水文数据进行采集、存储和传输。
背景技术：
目前，为了应对错综复杂的环境问题，需要获取环境信息，尤其是采用水文监测装置实时监测气象和水文信息。已有的水文监测装置体积大，功耗高，需配铅酸蓄电池供电；各水文监测装置之间不能组网，监测点数量多时，占用公共网络资源多，效率低，成本高；7jC文监测装置内部程序固化，升级困难，功能扩展能力差。
发明内容为了克服上述缺陷，本实用新型的目的是提供基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测端机、与其适配的Zigbee变送器和Zigbee中继协调器、以及利用上述设备构造的远程水文监测系统。本实用新型的基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测端机，包括中央处理器，其具有RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，上述接口与对应的各种水文监测设备连接，具有用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH;与中央处理器连接的外接SIM卡的GPRS通讯模块，用于通过网络向服务器数据平台发送水文数据；为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池为中央处理器进行供电；Zigbee通讯模块,采用Zigbee无线通讯技术与其他具有Zigbee无线通讯模块的装置进行数据传输。此外，所述的远程水文监测端机的传感器接口电路具有如4 20mA输入、开关量输入的多种输入方式，RS485通讯接口和RS232通讯接口可以连接雨量计、水位计、电子水尺、水文传感器、土壤含水量计、蒸发量计等监测设备。本实用新型与上述远程水文监测端机适配的Zigbee变送器，包括中央处理器，其具有RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，上述接口与对应的各种水文监测设备连接，具有用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH ；为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池为中央处理器进行供电；Zigbee通讯模块，采用Zigbee无线通讯技术，与包括权利要求I所述远程水文监测端机在内的具有Zigbee无线通讯模块的装置，进行数据传输。此外，所述Zigbee变送器的传感器接口电路具有如4 20mA输入、开关量输入的多种输入方式，RS485通讯接口和RS232通讯接口可以连接雨量计、水位计、电子水尺、水文传感器、土壤含水量计、蒸发量计等监测设备。本实用新型与上述远程水文监测端机、上述Zigbee变送器适配的Zigbee中继协调器，包括中央处理器，其具有与外部设备进行通讯的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH ;为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池为中央处理器进行供电；Zigbee通讯模块，采用Zigbee无线通讯技术，与包括所述远程水文监测端机、所述Zigbee变送器在内的具有Zigbee无线通讯模块的装置，进行数据传输。本实用新型利用上述远程水文监测端机构造的单点监测远程水文监测系统，包括一个远程水文监测端机，该远程水文监测端机的中央处理器通过RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量剂、水位计、电子水尺等的水文监测设备进行数据采集，将有关水文数据存储在远程水文监测端机的固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。本实用新型利用上述远程水文监测端机和上述Zigbee变送器构造的远程水文监测系统，包括一个远程水文监测端机和多个Zigbee变送器，远程水文监测端机和多个Zigbee变送器的中央处理器通过各自的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接 口，对如雨雪量剂、水位计、电子水尺等的水文监测设备分别进行数据采集，将有关水文数据存储在各自的固态存储器中，Zigbee变送器通过Zigbee通讯模块与远程水文监测端机的Zigbee通讯模块进行数据通讯，将各Zigbee变送器采集的水文数据传输给远程水文监测端机，远程水文监测端机将接收到的数据与其本身采集的数据一起存储在其固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。本实用新型利用上述远程水文监测端机、上述Zigbee变送器和上述Zigbee中继协调器构造的远程水文监测系统，包括一个远程水文监测端机、多个Zigbee变送器以及一个或多个Zigbee中继协调器,其中，ZigBee中继协调器用于扩展或延伸ZigBee网络,远程水文监测端机和多个Zigbee变送器的中央处理器通过各自的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量剂、水位计、电子水尺等的水文监测设备分别进行数据采集，将有关水文数据存储在各自的固态存储器中，Zigbee变送器通过Zigbee通讯模块与的Zigbee中继协调器的Zigbee通讯模块进行数据通讯,将各Zigbee变送器采集的水文数据传输给Zigbee中继协调器，并存储在Zigbee中继协调器的固态存储器中，Zigbee中继协调器将接收到的数据通过Zigbee通讯模块与远程水文监测端机的Zigbee通讯模块进行数据通讯，将中继的水文数据传输给远程水文监测端机，远程水文监测端机将接收到的数据与其本身采集的数据一起存储在其固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。结合当前ZigBee无线通信技术、太阳能分布供电技术、GPRS遥测通信技术，本实用新型的设备和系统具有如下优点I、GPRS网络数据传输与ZigBee近距无线通信技术的灵活结合应用，多监测点组成ZigBee网络传输数据，摆脱了有线连接的束缚，数据统一由一个Z-RTU通过GPRS网络上传，效率高，成本低。2、3. 6V锂离子电池+太阳能电池供电方案，取代传统的12V铅酸蓄电池，即使在连续阴雨天的情况下，也能保证系统可靠的供电。3、ARM程序可通过GPRS网络远程升级，不必到现场操作，方便管理。4、系统功能参数可以通过GPRS网络，短信设置，ZigBee网络设置和扩展。5、系统的模块化设计，通过硬件的组合与软件的设定，使之实现不同的功能。[0016]6、自报和应答混合工作模式，既能定时唤醒，又能数据触发唤醒，还具有短信和振铃唤醒，兼顾了省电和数据实时性以及召测的要求。7、3种组网应用模式，适应监测点从少到多，分布由小到广的需求。
图I示出了本实用新型的基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测端机(Zigbee-RTU)的结构框图；图2示出了与本实用新型中的远程水文监测端机Zigbee-RTU适配的Zigbee变送器的结构框图；图3示出了与本实用新型的远程水文监测端机Zigbee-RTU和、Zigbee变送器适配的Zigbee中继协调器的结构框图； 图4示出了利用本实用新型的远程水文监测端机Zigbee-RTU构造的远程水文监测系统；图5示出了利用本实用新型的远程水文监测端机Zigbee-RTU和Zigbee变送器等构造的远程水文监测系统；图6示出了利用本实用新型的远程水文监测端机Zigbee-RTU、Zigbee变送器、以及Zigbee中继协调器等构造的远程水文监测系统。
具体实施方式
如图I所示，本实用新型的基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测端机(Zigbee-RTU/Z-RTU)包括例如ARM STM32F101XX的中央处理器，中央处理器具有RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，上述接口与对应的各种水文监测设备连接，传感器接口电路具有多种输入方式，如4 20mA输入，开关量输入，RS485和RS232接口可以连接目前各种雨量计，水位计，电子水尺，水文传感器，土壤含水量计，蒸发量计等监测设备，中央处理器还具有用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH ;与中央处理器连接的外接SIM卡的GPRS通讯模块，用于通过网络向服务器数据平台发送水文数据；为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池(3. 6V)为中央处理器进行供电；Zigbee通讯模块,采用Zigbee无线通讯技术与其他具有Zigbee无线通讯模块的装置进行数据传输。远程水文监测端机Z-RTU具有自报和应答混合工作模式。定时唤醒采集数据存储并上传，或数据触发唤醒采集数据存储并上传；接收振铃召测，随时接收参数设置短信。远程水文监测端机Z-RTU采用GPRS网络时间，自动对时，随时保持时钟精准。远程水文监测端机Z-RTU的数据格式是符合水文行业协议标准的密集数据和实时数据，定时采集数据，并具备增量加报功能，采集的数据即可实时上传，也可以打包定时上传；数据采集间隔和发送间隔可设定。远程水文监测端机Z-RTU通过GPRS网络上传采集数据。具有向2个以上服务器IP地址同时上传的能力，支持域名解析。远程水文监测端机Z-RTU内置的数据格式协议，各种传感器参数可以通过GPRS网络、短信设置、ZigBee网络、ISP下载、本地通信口(RS485，RS232等)进行修改和设置。[0030]远程水文监测端机Z-RTU的ARM程序也可以通过GPRS网络、ISP下载、本地通信口(RS485，RS232等)进行修改。远程水文监测端机Z-RTU采用低功耗设计，使用3. 6V锂电池和太阳能电池供电，即使在连续阴雨天的情况下(大于30天)仍能可靠的工作。如图2所示，与上述远程水文监测端机Zigbee-RTU适配的Zigbee变送器，包括例如ARM STM32F101XX的中央处理器，中央处理器具有RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，上述接口与对应的各种水文监测设备连接，传感器接口电路具有多种输入方式，如4 20mA输入，开关量输入，RS485和RS232接口可以连接目前各种雨量计，水位计，电子水尺，水文传感器，土壤含水量计，蒸发量计等监测设备，中央处理器还具有用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH ；为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池(3. 6V)为中央处理器进行供电；Zigbee通讯模块，采用Zigbee无线通讯技术，与包括上述远程水文监测端机在内的具有Zigbee无线通讯模块的装置，进行数据传输。 如图3所示，与上述远程水文监测端机Zigbee_RTU、Zigbee变送器适配的Zigbee中继协调器，包括例如ARM STM32F101XX的中央处理器，中央处理器具有与外部设备进行通讯的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH;为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池(3. 6V)为中央处理器进行供电；Zigbee通讯模块，采用Zigbee无线通讯技术，与包括上述远程水文监测端机、Zigbee变送器在内的具有Zigbee无线通讯模块的装置，进行数据传输。根据监测点数量的多少及分布状况，本实用新型具有以下三种基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测系统的方案对于单点监测，利用上述远程水文监测端机Zigbee-RTU构造的远程水文监测系统，如图4所示，可单独使用一个远程水文监测端机Zigbee-RTU，远程水文监测端机的中央处理器通过RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量剂、水位计、电子水尺等的水文监测设备进行数据采集，将有关水文数据存储在远程水文监测端机的固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。此方案中，无需使用上述远程水文监测端机Zigbee-RTU的Zigbee通讯功能。如图5所示，利用本实用新型的远程水文监测端机和Zigbee变送器构造的远程水文监测系统，包括一个远程水文监测端机和多个Zigbee变送器，远程水文监测端机和多个Zigbee变送器的中央处理器通过各自的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量剂、水位计、电子水尺等的水文监测设备分别进行数据采集，将有关水文数据存储在各自的固态存储器中，Zigbee变送器通过Zigbee通讯模块与远程水文监测端机的Zigbee通讯模块进行数据通讯，将各Zigbee变送器采集的水文数据传输给远程水文监测端机，远程水文监测端机将接收到的数据与其本身采集的数据一起存储在其固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。具体的，例如对水库水位进行监测，汛期水位变化非常大，采用阶梯状布点、接力式工作方式是最方便、经济的手段，因此，由高到底依次设置远程水文监测端机Z-RTU、Zigbee变送器3、Zigbee变送器2、Zigbee变送器I。低水位时，ZigBee变送器I工作，其状态和数据经由ZigBee讯道传送到山顶的Z-RTU，再经由GPRS方式传回公共数据平台。ZigBee变送器2、3因无水停止工作，断掉电子水尺电源，处于低功耗休眠状态，无数据输出。当水位升高，淹没ZigBee变送器1，使其休眠不在工作，由V ZigBee变送器2接替工作，ZigBee变送器3仍处休眠状态。水位进一步升高，ZigBee变送器I、ZigBee变送器、相继淹没，只用ZigBee变送器3工作，直到最后升高至ZigBee变送器I、ZigBee变送器2、ZigBee变送器3全部淹没，只剩主RTU(Z-RTU)单独完成采集工作，满足最高水位的监测工作。当水位逐步退却，相反只有接触水面的一只ZigBee变送器工作。如图6所示,利用本实用新型的远程水文监测端机、Zigbee变送器和Zigbee中继协调器等构造的远程水文监测系统，包括一个远程水文监测端机、多个Zigbee变送器以及一个或多个Zigbee中继协调器,其中，ZigBee中继协调器用于扩展或延伸ZigBee网络,远程水文监测端机和多个Zigbee变送器的中央处理器通过各自的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量剂、水位计、电子水尺等的水文监测设备分别进行数据 采集，将有关水文数据存储在各自的固态存储器中，Zigbee变送器通过Zigbee通讯模块与的Zigbee中继协调器的Zigbee通讯模块进行数据通讯,将各Zigbee变送器采集的水文数据传输给Zigbee中继协调器,并存储在Zigbee中继协调器的固态存储器中，Zigbee中继协调器将接收到的数据通过Zigbee通讯模块与远程水文监测端机的Zigbee通讯模块进行数据通讯，将中继的水文数据传输给远程水文监测端机，远程水文监测端机将接收到的数据与其本身采集的数据一起存储在其固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。此方案适用于监测点较多且比较分散的情况。上述实施例仅是优选的和示例性的，本领域技术人员例如可以根据本专利的描述，采用不同的硬件设备、存储设备等来实现本专利，其都由本专利的保护范围所覆盖。
权利要求1.一种基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测端机，其特征在于包括 中央处理器，具有RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，上述接口与对应的各种水文监测设备连接；还具有用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH ； 与中央处理器连接的外接SIM卡的GPRS通讯模块，用于通过网络向服务器数据平台发送水文数据； 为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池为中央处理器进行供电； Zigbee通讯模块,采用Zigbee无线通讯技术与其它具有Zigbee无线通讯模块的装置进行数据传输。
2.如权利要求I所述的远程水文监测端机，其特征在于传感器接口电路具有如 4^20mA输入、开关量输入的多种输入方式，RS485通讯接口和RS232通讯接口可以连接雨量计、水位计、电子水尺、水文传感器、土壤含水量计、蒸发量计等监测设备。
3.与权利要求I所述的远程水文监测端机适配的Zigbee变送器，其特征在于包括 中央处理器，具有RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，上述接口与对应的各种水文监测设备连接；还具有用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH ； 为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池为中央处理器进行供电； Zigbee通讯模块，采用Zigbee无线通讯技术，与包括权利要求I所述远程水文监测端机在内的具有Zigbee无线通讯模块的装置，进行数据传输。
4.如权利要求3所述的Zigbee变送器，其特征在于传感器接口电路具有如r20mA输入、开关量输入的多种输入方式，RS485通讯接口和RS232通讯接口可以连接雨量计、水位计、电子水尺、水文传感器、土壤含水量计、蒸发量计等监测设备。
5.与权利要求I所述的远程水文监测端机、权利要求3所述的Zigbee变送器适配的Zigbee中继协调器，其特征在于包括 中央处理器，具有与外部设备进行通讯的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及用于在线编程的ISP接口、存储数据的固态存储器FLASH ； 为中央处理器供电的电源管理系统，其根据使用工况，选取太阳能电池或锂电池为中央处理器进行供电； Zigbee通讯模块，采用Zigbee无线通讯技术，与包括权利要求I所述的远程水文监测端机、权利要求3所述的Zigbee变送器在内的具有Zigbee无线通讯模块的装置，进行数据传输。
6.利用权利要求I的远程水文监测端机构造的单点监测远程水文监测系统，其特征在于包括一个远程水文监测端机，该远程水文监测端机的中央处理器通过RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量计、水位计、电子水尺等的水文监测设备进行数据采集，将有关水文数据存储在远程水文监测端机的固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。
7.利用权利要求I的远程水文监测端机和权利要求3的Zigbee变送器构造的远程水文监测系统，其特征在于包括一个远程水文监测端机和多个Zigbee变送器，远程水文监测端机和多个Zigbee变送器的中央处理器通过各自的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量计、水位计、电子水尺等的水文监测设备分别进行数据采集，将有关水文数据存储在各自的固态存储器中，Zigbee变送器通过Zigbee通讯模块与远程水文监测端机的Zigbee通讯模块进行数据通讯，将各Zigbee变送器采集的水文数据传输给远程水文监测端机，远程水文监测端机将接收到的数据与其本身采集的数据一起存储在其固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。
8.利用权利要求I的远程水文监测端机、权利要求3的Zigbee变送器和权利要求5的Zigbee中继协调器构造的远程水文监测系统，其特征在于包括一个远程水文监测端机、多个Zigbee变送器以及一个或多个Zigbee中继协调器，其中，ZigBee中继协调器用于扩展或延伸ZigBee网络，远程水文监测端机和多个Zigbee变送器的中央处理器通过各自的RS232通讯接口、RS485通讯接口以及传感器接口，对如雨雪量剂、水位计、电子水尺等的水 文监测设备分别进行数据采集，将有关水文数据存储在各自的固态存储器中，Zigbee变送器通过Zigbee通讯模块与的Zigbee中继协调器的Zigbee通讯模块进行数据通讯，将各Zigbee变送器采集的水文数据传输给Zigbee中继协调器，并存储在Zigbee中继协调器的固态存储器中，Zigbee中继协调器将接收到的数据通过Zigbee通讯模块与远程水文监测端机的Zigbee通讯模块进行数据通讯，将中继的水文数据传输给远程水文监测端机，远程水文监测端机将接收到的数据与其本身采集的数据一起存储在其固态存储器中，实时或定时由远程水文监测端机的GPRS通讯模块通过GPRS网络和因特网上传到服务器数据平台。
专利摘要本实用新型公开了一种基于Zigbee和GPRS通信技术的远程水文监测设备及其系统，可以采集水文水利、环境数据、灾害防治等所需的传感器信息，由Zigbee技术构建小范围监测网络，远程水文监测端机与通过GPRS网络和因特网与服务器数据平台双向通讯，GPRS网络数据传输与ZigBee近距无线通信技术的灵活结合应用，多监测点组成ZigBee网络传输数据，摆脱了有线连接的束缚，数据统一由一个远程水文监测端机上传，效率高，成本低。
文档编号G01D21/02GK202494474SQ20122008063
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者张宁, 邓小丰 申请人:保定金卡特电子工程有限公司