专利名称：气象信息采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及气象信息采集技术，尤其涉及一种气象信息采集装置。
背景技术：
在土地整理质量、农业灌溉、水质监测以及农作物生长情况检测等领域内，温度、 湿度、风速、风向、太阳辐射、雨量这些气象信息的采集非常重要，例如依据这些气象信息可 分析水质参数与天气变化的关系，以便更好地预测水质参数的变化趋势，提前采取调控动 作，保证水质良好。所以气象信息的采集是我国农业自动化与信息化的重要组成部分，适应 我国农业的整体发展方向，大大推动我国的新农村建设。现有的气象信息的采集有两种形式，一种是传统的人工采集数据，观测时效慢，密 度小，工作量大，而且在戈壁、沙漠、天山、沼泽、水塘等偏僻的地区采集工作尤为困难；另一 种是现在广泛研究的自动气象站，是利用仪器自动的进行采集、分析、处理、记录和发送气 象数据，并根据需要，将采集到的信息转换成电信号传到网络，达到资源共享。现有的自动 气象站分为有线传输和无线传输两种。有线传输自动气象站存在网络布线成本高、施工困 难、不宜维护且受到场合的限制等缺点，尤其在人烟稀少的地方更不方便。无线自动气象站 克服了有线自动气象站的上述缺点，其应用范围广，功能强大。但是现有的无线自动气象站通常采用大型、多功能一体化设计，设备大，成本高， 很难普及到生活中，通常只适用于大型气象站的气象观测。考虑到现实需求，当欲获取针 对土地整理质量、农业灌溉、水质监测以及农作物生长情况检测等领域的气象信息时，大型 的无线自动气象站明显不适用，迫切需要一种成本低、结构简单、小型化的气象信息采集装置。
实用新型内容针对上述缺陷，本实用新型提供一种气象信息采集装置，包括一支架，所述支架上设置有沿水平方向延伸的四个托板；所述支架顶部设置有用 于采集风速信息、风向信息的风速风向传感器；各对应的所述托板上还设置有用于采集温度信息、湿度信息的温湿度传感器、用 于采集雨量信息的雨量筒、用于采集光照信息的太阳辐射传感器，以及用于获取所述温湿 度传感器、所述雨量筒、所述太阳辐射传感器和所述风速风向传感器采集的信息，并无线发 送的无线信号发送模块。如上所述的气象信息采集装置，还包括，分别与所述温湿度传感器、所述雨量筒、 所述太阳辐射传感器和所述风速风向传感器连接的电源模块。如上所述的气象信息采集装置，其中，所述电源模块与所述无线信号发送模块一 体设置。如上所述的气象信息采集装置，其中，电源模块包括用于获取太阳能并将太阳能转化为电能的太阳能电池；
3[0012]电能输出模块，设置有第一电源输入端口、第二电源输入端口和用于输出电源的 电源输出端口，所述第一电源输入端口与所述太阳能电池连接以形成第一供电通路；用于储存所述电能的储能模块，所述储能模块与所述太阳能电池连接以形成充电 通路，并且所述储能模块与所述电能输出模块的所述第二电源输入端口连接以形成第二供 电通路；用于分别对所述充电通路、第一供电通路以及第二供电通路的导通或截进行控制 的控制模块，分别与所述太阳能电池、所述电能输出模块以及所述储能模块连接。如上所述的气象信息采集装置，其中，所述控制模块包括用于根据所述太阳能电池的输出电压与所述储能模块的电压发出充电控制信号 和供电控制信号的微处理器，所述微处理器与所述电能输出模块连接以根据所述供电控制 信号控制所述第一供电通路及第二供电通路导通或截止；充电控制模块，与所述微处理器连接以接收所述充电控制信号，并分别与所述太 阳能电池和所述储能模块连接以根据所述充电控制信号控制所述充电通路导通或截止。如上所述的气象信息采集装置，其中，所述储能模块包括用于储能的超级电容；用于为所述超级电容进行充电的充电单元。如上所述的气象信息采集装置，其中，所述风速风向传感器为三杯式风速风向传 感器，相应地，所述支架还设置有与所述三杯式风速风向传感器连接的、用于获取所述风速 信息、风向信息并将所述风速信息、风向信息进行模数转换的信号处理模块。如上所述的气象信息采集装置，其中，所述雨量筒为翻斗雨量传感器。如上所述的气象信息采集装置，其中，所述温湿度传感器为输出数字信号的智能 传感器。本实用新型提供的气象信息采集装置，由于包括支架及设置在支架上的用于采集 温度、湿度、风速、风向、雨量及太阳辐射气象信息的传感装置，并且还包括用于对所采集的 气象信息进行无线发送的无线信号发送模块，实现了一种应用于土地整理质量、农业灌溉、 水质监测以及农作物生长情况检测等领域的、结构简单、成本低的气象信息采集装置。
图1为本实用新型气象信息采集装置的结构示意图。图2为本实用新型气象信息采集装置的电源模块的结构示意图。图3为本实用新型气象信息采集装置的电能输出模块的电路图。图4为本实用新型气象信息采集装置的储能模块的电路图。图5为本实用新型气象信息采集装置的充电控制模块的电路图。图6为本实用新型气象信息采集装置的电源模块的工作流程图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本实用新 型的技术方案进行清楚、完整地描述。图1为本实用新型气象信息采集装置的结构示意图。如图1中所示，气象信息采集装置包括支架1，其上设置有沿水平方向延伸的四个托板，支架1的顶部还设置有用于采 集风速信息、风向信息的风速风向传感器2。支架1例如是稳定性较强的三角型支撑支架。 该四个托板具体为第一托板la、第二托板lb、第三托板Ic及第四托板ld，第一托板Ia上 设置有用于采集温度信息、湿度信息的温湿度传感器3，第二托板Ib上设置有用于采集雨 量信息的雨量筒4，第三托板Ic上设置有用于采集光照信息的太阳辐射传感器5，第四托板 Id上设置有用于获取温湿度传感器3、雨量筒4、太阳辐射传感器5和风速风向传感器2采 集的信息，并无线发送的无线信号发送模块6。上述实施例的气象信息采集装置中，风速风向传感器2、温湿度传感器3、雨量筒4 及太阳辐射传感器5执行数据采集功能，即将气象要素感应并转换成一种电参考信号(电 压、电流、电阻等)，再按一定的采集速度获得当前采集时刻气象要素量的电量信号值。具体 为风速风向传感器2采集风速信息和风向信息；温湿度传感器3采集温度信息和湿度信 息；雨量筒4采集雨量信息；太阳辐射传感器5采集光照信息。风速风向传感器2、温湿度 传感器3、雨量筒4及太阳辐射传感器5分别与无线信号发送模块6有线连接，用于将所采 集到的气象信息发送至无线信号发送模块6，由无线信号发送模块6将该多种气象信息无 线发送至无线网络的各个节点。根据上述实施例的气象信息采集装置，由于包括支架及设置在支架上的用于采集 温度、湿度、风速、风向、雨量及太阳辐射气象信息的传感装置，并且还包括用于对所采集的 气象信息进行无线发送的无线信号发送模块，实现了一种应用于土地整理质量、农业灌溉、 水质监测以及农作物生长情况检测等领域的、结构简单、成本低的气象信息采集装置。而 且，可根据需求，对用于采集气象信息的传感装置进行扩展。进一步地，在上述实施例的气象信息采集装置中，还包括分别与温湿度传感器3、 雨量筒4、太阳辐射传感器5及风速风向传感器2连接的电源模块。优选地，该电源模块与 无线信号发送模块6 —体设置。根据上述实施例的气象信息采集装置，由电源模块实现对温湿度传感器3、雨量筒 4、太阳辐射传感器5及风速风向传感器2的统一供电，使其不需分别配备供电电源，简化了 该气象信息采集装置的结构。图2为本实用新型气象信息采集装置的电源模块的结构示意图。如图2所示，电 源模块包括用于获取太阳能并将太阳能转化为电能的太阳能电池10 ；电能输出模块20， 设置有第一电源输入端口、第二电源输入端口和用于输出电源的电源输出端口，该第一电 源输入端口与太阳能电池10连接以形成第一供电通路；用于储存所述电能的储能模块30， 储能模块30与太阳能电池10连接以形成充电通路，并且储能模块30与电能输出模块20 的第二电源输入端口连接以形成第二供电通路；用于分别对充电通路、第一供电通路以及 第二供电通路的导通或截止进行控制的控制模块40，分别与太阳能电池10、电能输出模块 20以及储能模块30连接。在上述实施例的气象信息采集装置中，该太阳能电池10例如采用单晶硅太阳能 电池板，利用光电效应，将太阳辐射直接转换成电能，光照产生5V左右的电压为储能模块 30充电或直接为负载供电。电池模块的控制模块40可具体包括用于根据太阳能电池10 的输出电压与储能模块30的电压发出充电控制信号和供电控制信号的微处理器41，该微 处理器41与电能输出模块20连接以根据供电控制信号控制第一供电通路及第二供电通路导通或截止；充电控制模块42，与微处理器41连接以接收充电控制信号，并分别与太阳能 电池10和储能模块30连接以根据充电控制信号控制充电通路导通或截止。并且，在上述实施例的气象信息采集装置中，储能模块30优选为包括用于储能的 超级电容和用于为该超级电容进行充电的充电单元。目前使用的太阳能供电装置多采用蓄 电池作为储能模块30，但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命短、高低温性能差、 充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题。超级电容是近几年才批量 生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。超级电容具有循环寿命长、功率密度 大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。因此，当上述实施 例的气象信息采集装置的储能模块包括超级电容和充电单元时，能够相应具有超级电容的 优点。图3为本实用新型气象信息采集装置的电能输出模块的电路图，图4为本实用新 型气象信息采集装置的储能模块的电路图，图5为本实用新型气象信息采集装置的充电控 制模块的电路图。图6为本实用新型气象信息采集装置的电源模块的工作流程图。下面结 合图2至图6对电池模块的工作状态进行详细说明。在上述实施例的气象信息采集装置中，太阳能电池10作为能源的输入处用光电 效应将太阳能转化为电能，传输到电能输出模块20与控制模块40，为整个气象信息采集装 置供电。太阳能电池10优先输出供电，同时通过控制模块40为储能模块30充电。控制模 块40的微处理器41通过充电控制模块42采集太阳能电池10与储能模块30的电压值，经 过模数转换、电压比较等一系列处理，判断供电的输出能源方式。如图5所示，充电控制模块42由三极管、整流二极管与场效应管构成，其受控于微 处理器41，输出电能给储能模块30。具体为，充电控制模块42接收来自微处理器41的充 电控制信号C_CHR后，采集太阳能电池10的能量输出Vs IN，经过肖特基整流器D生成充电 电压Vaffi，为储能模块30充电。如图3所示，电能输出模块20连接太阳能电池10的能量输出Vs IN和储能模块30 的能量输出Vc BK，接收微处理器41输出的供电控制信号C_0UT，将两者之一的能量输出经 过稳压处理后，输出给负载供电。若微处理器41选择太阳能电池10直供电，则供电控制信 号C_0UT使能稳压芯片，对太阳能电池10的能量输出Vs in进行稳压处理，处理后的电压作 为输出供电V。OT，供电控制信号C_0UT经过反相器D1控制截断储能模块30与电能输出模 块20之间的第二供电通路。同理，若微处理器41选择由储能模块30供电输出，则供电控 制信号C_0UT作用于三极管％和场效应管％，打通第二供电通路，使得储能模块30的能量 输出Vc BK作为输出供电Vc QUT，此时太阳能电池10与电能输出模块20之间的第一供电通路 截断。上述实施例的气象信息采集装置，电源模块具有如下四种工作状态状态(1)太阳能电池10直接供电，能量充足。微处理器41通过采集储能模块30的电压值Vc bat和太阳能电池10的能量输出Vs IN，对两者进行模数转换和电压比较，若太阳能电池10的能量输出Vs IN大于储能模块30的 电压值Vc BAT，则微处理器41 一方面打开充电通路、保证充电的进行，并当微处理器41检测 到储能模块30的电压值Vc bat达到满额阈值V。th时，由微处理器41关断充电通路，起到充 电满停的开关作用；另一方面，将太阳能电池10与电能输出模块20之间的第一供电通路打开，电能输出模块20对输入电压进行稳压等处理后，输出给气象信息采集装置进行供电。 这种情况是由太阳能电池10直接供电，供电电压高于3. 6V，则供电装置能量充足，可供装 置高效工作，此种工作状态多是在天气晴朗的白天。状态O)太阳能电池10直接供电，但能量不足。若由于环境等原因，外界太阳能源不充足，即太阳能电池10的能量输出Vs IN在 2. 7V 3. OV之间，但此时若微处理器41判断太阳能电池10的能量输出Vs IN仍大于储能 模块30的电压值Vc BAT，则还是由太阳能电池10直接供电，该气象信息采集装置还可以正常 工作，供电电压低于3. 6V。状态(3)储能模块30直接供电。若由于环境等原因，外界太阳能源不充足，且太阳能电池10的能量输出Vs IN小于 储能模块30的电压值Vc bat，则微处理器41控制打开储能模块30与电能输出模块20之间 的第二供电通路，并经过电能输出模块20对所输入电压的稳压等处理，作为气象信息采集 装置的供电电源，且供电电压大于3. 6V。但是由于储能模块30的能量有限，只能够供该气 象信息采集装置一段时间内的正常工作，无法长期维持，需要及时补充能源。状态能量供应不足，气象信息采集装置无法正常工作。若由于环境等原因，太阳能电池10的能量不足，且太阳能电池10的能量输出Vs IN 小于储能模块30的电压值Vc bat，而且储能模块30的电压值Vc bat也低于一门限值，则该气 象信息采集装置能量供应不足，无法正常工作，需要立即补充能源或更换电源模块。根据上述实施例的气象信息采集装置，由于电源模块采用太阳能电池10和储能 模块30实现双重供电，既避免了通过更换电池的方式来补充能源所带来的不便，还通过提 供了四种工作状态充分满足了该气象信息采集装置昼夜工作的需求，而且功耗低、节约能 源。并且，由于控制模块40引入了微处理器41进行智能控制，可实现直接由太阳能电池10 供电，而且由低功耗的微处理器41内部的模数转换和电压比较器代替各种外部的电子元 器件，避免了器件耗能。进一步地，如图1所示，在上述实施例的气象信息采集装置中，风速风向传感器2 为三杯式风速风向传感器，相应地，支架1上还设置有与三杯式风速风向传感器连接的、用 于获取风速信息、风向信息并将该风速信息、风向信息进行模数转换的信号处理模块21。三杯式风速风向传感器本身是非智能的，风向信息的采集是通过风向标的转动实 现的，输出的是模拟量；风速信息的采集是由碳纤维增强塑料制成的风杯实现的，输出的是 脉冲信号。为了方便对风速信息、风向信息的处理，在支架1上相应设置信号处理模块21， 用于将所采集的风速信息、风向信息转化为数字信号。该信号处理模块21与无线信号发送 模块6采用485总线连接。进一步地，在上述实施例的气象信息采集装置中，雨量筒4为翻斗雨量传感器。该 翻斗雨量传感器主要由承水器、过滤漏斗、翻斗、干簧管和底座等组成。当该翻斗雨量传感 器安装在支架1上时，降水通过承水器、再通过一个过滤漏斗流入翻斗里，当翻斗流入一定 量的雨水后，翻斗翻转，倒空翻斗里的水，翻斗的另一端开始接水。该翻斗雨量传感器有两 根电源线，每一次雨量筒翻转两根电源线颠倒正负，即翻斗的每次翻转动作通过干簧管转 成脉冲信号(1脉冲表示下了 0. Imm的雨)传输到无线信号发送模块6。进一步地，在上述实施例的气象信息采集装置中，温湿度传感器3为输出数字信号的智能传感器，例如是智能传感器SHT11。智能传感器SHTll提供全量程标定的数字输 出。智能传感器SHTll采用CMC^ens技术，确保其具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 该智能传感器SHTll包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度 敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一芯 片上面。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。该 智能传感器与无线信号发送模块6采用485总线连接，包括两根电源线和两根信号线。 最后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解: 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等 同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术 方案的精神和范围。
权利要求1.一种气象信息采集装置，其特征在于，包括一支架，所述支架上设置有沿水平方向延伸的四个托板；所述支架顶部设置有用于采 集风速信息、风向信息的风速风向传感器；各对应的所述托板上还设置有用于采集温度信息、湿度信息的温湿度传感器、用于采 集雨量信息的雨量筒、用于采集光照信息的太阳辐射传感器，以及用于获取所述温湿度传 感器、所述雨量筒、所述太阳辐射传感器和所述风速风向传感器采集的信息，并无线发送的 无线信号发送模块。
2.根据权利要求1所述的气象信息采集装置，其特征在于，还包括分别与所述温湿度传感器、所述雨量筒、所述太阳辐射传感器和所述风速风向传感器 连接的电源模块。
3.根据权利要求2所述的气象信息采集装置，其特征在于，所述电源模块与所述无线 信号发送模块一体设置。
4.根据权利要求2或3所述的气象信息采集装置，其特征在于，电源模块包括用于获取太阳能并将太阳能转化为电能的太阳能电池；电能输出模块，设置有第一电源输入端口、第二电源输入端口和用于输出电源的电源 输出端口，所述第一电源输入端口与所述太阳能电池连接以形成第一供电通路；用于储存所述电能的储能模块，所述储能模块与所述太阳能电池连接以形成充电通 路，并且所述储能模块与所述电能输出模块的所述第二电源输入端口连接以形成第二供电 通路；用于分别对所述充电通路、第一供电通路以及第二供电通路的导通或截进行控制的控 制模块，分别与所述太阳能电池、所述电能输出模块以及所述储能模块连接。
5.根据权利要求4所述的气象信息采集装置，其特征在于，所述控制模块包括用于根据所述太阳能电池的输出电压与所述储能模块的电压发出充电控制信号和供电控制信号的微处理器，所述微处理器与所述电能输出模块连接以根据所述供电控制信号 控制所述第一供电通路及第二供电通路导通或截止；充电控制模块，与所述微处理器连接以接收所述充电控制信号，并分别与所述太阳能 电池和所述储能模块连接以根据所述充电控制信号控制所述充电通路导通或截止。
6.根据权利要求4所述的气象信息采集装置，其特征在于，所述储能模块包括用于储能的超级电容；用于为所述超级电容进行充电的充电单元。
7.根据权利要求1所述的气象信息采集装置，其特征在于，所述风速风向传感器为三 杯式风速风向传感器，相应地，所述支架还设置有与所述三杯式风速风向传感器连接的、用 于获取所述风速信息、风向信息并将所述风速信息、风向信息进行模数转换的信号处理模 块。
8.根据权利要求1所述的气象信息采集装置，其特征在于，所述雨量筒为翻斗雨量传 感器。
9.根据权利要求1所述的气象信息采集装置，其特征在于，所述温湿度传感器为输出 数字信号的智能传感器。
专利摘要本实用新型提供一种气象信息采集装置，包括一支架，所述支架上设置有沿水平方向延伸的四个托板；所述支架顶部设置有用于采集风速信息、风向信息的风速风向传感器；各对应的所述托板上还设置有用于采集温度信息、湿度信息的温湿度传感器、用于采集雨量信息的雨量筒、用于采集光照信息的太阳辐射传感器，以及用于获取所述温湿度传感器、所述雨量筒、所述太阳辐射传感器和所述风速风向传感器采集的信息，并无线发送的无线信号发送模块。实现了一种应用于土地整理质量、农业灌溉、水质监测以及农作物生长情况检测等领域的、结构简单、成本低的气象信息采集装置。
文档编号H02N6/00GK201886162SQ20102059894
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者丁启胜, 位耀光, 台海江, 李道亮, 杨娱婷 申请人:中国农业大学