专利名称：无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，属于地温监测 的无线传感器网络技术领域。
背景技术：
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集 成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推 动了现代无线传感器网络的产生和发展，无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客 观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、 最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用 于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等 领域，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响 力的技术之一。地下温度场信息是地球动力学研究所关注的对象，根据地下温度场信息的变化研 究地球动力学的有关问题，地震、火山喷发等一些地球动力学现象引起的地温变化相当显 著。目前，据国外研究资料表明，研究人员已经开始应用地下温度场变化信息作为辅助参 数，来配合其它主要参数研究某些地球物理场变化的问题，研究发现，活动滑坡体的温度场 与滑床的温度场相比较，存在较为明显的温度场异常；在滑坡活动时，滑坡体温度场将会发 生变化，据资料，这一变化量有2 3°C左右，最大变化量有时能达到6°C左右。因此，本实 用新型用于监测滑坡体地温，对库区地质灾害监测预警系统的建立和运行具有很强的现实 意义和必要性。目前监测滑坡体低温，是在一个传感器节点上配置一个地温传感器，将传感器节 点设备放置到地下井，在滑坡体附近采用有线连接的方式将传感器节点设备所采集的地温 数据发送到数据接收设备上，由于在滑坡体附近区域内打井、部署通信电缆或光缆造价高， 工程施工很多不便；并且，当地温传感器出现故障时，无法采集到有故障节点的地温数据， 造成地温监测设备的可靠性低。

实用新型内容本实用新型的目的在于解决现有的使用有线方式采集地温数据存在工程造价 高、施工不便、地温监测设备的可靠性低的缺陷，而提供一种硬件电路简单、可靠性高、功耗 低、成本低廉和体积小巧的无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，具体的技术方案 如下一种无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，由地温数据采集单元、微处理 器控制单元和无线射频收发单元组成，所述的地温数据采集单元与微处理器控制单元电连 接，无线射频收发单元与微处理器控制单元电连接；地温数据采集单元电路中包含两个或以上温度传感器芯片，所述的数个温度传感
3器芯片分别横向和纵向排列组合，横向排列的温度传感器芯片的相同引脚连接在一条总线 上与微处理器控制单元的引脚连接，纵向排列的温度传感器芯片的相同引脚连接在一条总 线上与微处理器控制单元的引脚连接；无线射频收发单元包括高精度的晶体振荡器Y1、外接天线E1、不平衡变压器Sl和 无线收发芯片U1，外接天线Fl通过不平衡变压器Sl与无线收发芯片Ul连接，晶体振荡器 两端分别与无线收发芯片的引脚连接。优选地，温度传感器芯可以采用AD7416芯片，微处理器控制单元的硬件电路中主 要采用ATMEGA128L芯片构成，无线射频收发单元的硬件电路中主要采用AT86RF230芯片构 成。进一步地，所述的温度传感器芯片设有16个，横向排列有8个AD7416芯片，纵向 排列有8个AD7416。 进一步地，所述的无线射频收发单元的外接天线经可调电感与不平衡变压器的1 引脚电连接，不平衡变压器的4引脚经电容与无线收发芯片的4引脚电连接，不平衡变压器 的3引脚经电容与无线收发芯片的5引脚电连接，无线收发芯片的25引脚与晶体振荡器的 1引脚电连接，无线收发芯片的26引脚与晶体振荡器的2引脚连接。采用上述方案的无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，具有以下优点和积 极效果(1)采用了无线射频收发单元，无需在滑坡体附近区域内部署通信电缆或光缆，即 可将地温监测装置采集的地温数据发送到数据接收设备上，减小了工程造价，减小了施工 量；(2) 一个传感器节点上配置多个地温传感器，当其中的一个地温传感器发生故障 时，其它地温传感器能够将该采集该节点的地温数据，使得地温监测装置仍然能够正常工 作，提高了地温监测装置的可靠性；(3)数个温度传感器芯片分别横向和纵向排列组合，横向排列的温度传感器芯片 和纵向排列的温度传感器芯片的相同引脚分别连接在一条总线上，与微处理器控制单元相 应引脚连接，充分利用了单片机内部资源，节约系统硬件电路空间，整个硬件单元体积小 巧，使得单元硬件电路设计最小化；(4)本实用新型的整体硬件电路简单、成本低廉、便于制造实施，特别是在监测区 域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合，降低工程成本经济、便于工程实施。

图1是本实用新型提供的监测滑坡体地温的无线传感器网络节点设备的结构框图；图2是本实用新型的地温数据采集单元中16个AD7416横向(X向)和纵向(y向) 排列示意图；图3是本实用新型的地温数据采集单元与微处理器控制单元的连接电路图；图4是本实用新型的无线射频收发单元与微处理器控制单元的连接电路具体实施方式
下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明[0022]本实用新型提供的一种无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置的结构框图 参见图1，由地温数据采集单元1、微处理器控制单元2和无线射频收发单元组成3，其中地 温数据采集单元1与微处理器控制单元2电连接，无线射频收发单元3与微处理器控制单 元2电连接；地温数据采集单元1电路中包含两个或以上温度传感器芯片，如图2所示，所述的 数个温度传感器芯片分别横向和纵向排列组合。如图3所示，横向排列的温度传感器芯片 的相同引脚连接在一条总线上与微处理器控制单元的引脚连接，纵向排列的温度传感器芯 片的相同引脚连接在一条总线上与微处理器控制单元的引脚连接；下面给出本实用新型的一个具体实施例地温数据采集单元1是有16个温度传感器AD7416组成十字交叉排列。地温数据采集单元1采用AD7416芯片构成，微处理器控制单元2中的单片机采用 ATMEGA128L芯片构成，所述无线射频收发单元3采用AT86RF230芯片构成。图2示出了地温数据采集单元中16个温度传感器AD7416实物安装示意，由于监 测滑坡体地温的温度传感器AD7416被埋设在地底下的测试井中，施工工程造价高，为了提 高监测数据可靠性，微处理器控制单元将一次采集的16个地温数据求取其均值、最大值、 最小值，将地温均值、最大值、最小值，作为一次观测过程数据发送给监测中心站。图3示出了数据采集单元与微处理器控制单元的连接电路图，根据上述的具体实 施例，描述其具体的引脚连接关系为微处理器控制单元采用ATMEGA128L作为整个节点设备的控制中心，它是一款8位 低功耗的CMOS单片机，内部有128KB的Flash存放系统执行程序，4KB的EEPROM可以存放 一些系统配置数据，通过单一串行总线对AD7416进行读写数据控制。AD7416有一个7位串行地址，地址的高4位设定为1001，低3位引脚A2、Al、AO 接5V电源或接地，可为每个AD7416分配唯一的设备地址进行区分；微处理器在串行时钟线 SCL即ATMEGA128L的第2引脚PEO保持为高电平时，在串行数据线SDA即ATMEGA128L的 第3引脚PEl上产生下跳变，将串行传输一帧数据。所有接在串行总线上的AD7416将响应 START信号，并串行移入后续的包括高位在前的7位地址和一个R/W位8个数据位，R/W位 决定数据传送方向，即数据将从AD7416读出/写入。图4示出了无线射频收发单元与微处理器控制单元的连接电路图，根据上述的具 体实施例，描述其具体的引脚连接关系为当AT86RF230发送数据时，ATMEGA128L把需要发送的数据通过SPI接口传送到 AT86RF230的寄存器中，数据经过基频处理、频率合成、功率放大，然后经过AT86RF230的 第4引脚RFP通过天线发射。当AT86RF230接收数据时，数据通过天线经AT86RF230的第 5脚RFN输入，然后经过低噪声放大、多相滤波器、复合带通滤波、模数转换，最后把接收到 数据存储在AT86RF230的寄存器中，然后通过SPI接口与ATMEGA128L进行通信，把数据存 储到ATMEGA128L的寄存器中。SPI接口完成AT86RF230与ATMEGA128L之间的数据交换过 程为将AT86RF230的第23引脚/SEL设置为低电平，ATMEGA128L将启动一次通信过程， AT86RF230和ATMEGA128L将需要发送的数据放入相应的移位寄存器中，ATMEGA128L的第 11引脚SCK上产发送或接收数据的同步时钟脉冲，ATMEGA128L的数据从ATMEGA128L第 12引脚MOSI串行移出，从AT86RF230的第22引脚MOSI串行移入；AT86RF230的数据从AT86RF230的第20引脚MISO串行移出，从ATMEGA128L第13引脚MISO串行移入。 本实用新型的整体硬件电路简单、成本低廉、便于制造实施，特别适合于需要大规 模地部署无线传感器网络节点的监测区域场合。
权利要求一种无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，包括地温数据采集单元、微处理器控制单元和无线射频收发单元，所述的地温数据采集单元与微处理器控制单元电连接，无线射频收发单元与微处理器控制单元电连接，其特征在于地温数据采集单元电路中包含两个或以上温度传感器芯片，所述的数个温度传感器芯片分别横向和纵向排列组合，横向排列的温度传感器芯片的相同引脚连接在一条总线上与微处理器控制单元的引脚连接，纵向排列的温度传感器芯片的相同引脚连接在一条总线上与微处理器控制单元的引脚连接；无线射频收发单元包括晶体振荡器、外接天线、不平衡变压器和无线收发芯片，外接天线通过不平衡变压器与无线收发芯片连接，晶体振荡器两端分别与无线收发芯片的引脚连接。
2.根据权利要求1所述的无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，其特征在于 所述的温度传感器芯由AD7416芯片构成，所述微处理器控制单元主要由ATMEGA128L芯片构成，所述无线射频收发单元主要由AT86RF230芯片构成。
3.根据权利要求1或2所述的无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，其特征在于所述的温度传感器芯片设有16个，横向排列有8个AD7416芯片，纵向排列有8个 AD7416。
4.根据权利要求1或2所述的无线监测滑坡体地温的传感器网络节点装置，其特征在于无线射频收发单元的外接天线经可调电感与不平衡变压器的1引脚电连接，不平衡变 压器的4引脚经电容与无线收发芯片的4引脚电连接，不平衡变压器的3引脚经电容与无 线收发芯片的5引脚电连接，无线收发芯片的25引脚与晶体振荡器的1引脚电连接，无线 收发芯片的26引脚与晶体振荡器的2引脚连接。
专利摘要本实用新型涉及无线传感器技术领域，尤其涉及一种监测滑坡体地温的无线传感器网络节点设备，由地温数据采集单元、微处理器控制单元和无线射频收发单元组成；其中地温数据采集单元与微处理器控制单元电连接，无线射频收发单元与微处理器控制单元电连接；所述的地温数据采集单元由两个或以上温度传感器芯片十字交叉排列连接组成。本实用新型硬件电路简单、成本低廉和体积小巧、采集数据可靠性高，特别适合于需要在监测区域大规模部署无线传感器网络节点采集地温的场合。
文档编号G01K13/00GK201662885SQ20102016685
公开日2010年12月1日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者刘俊, 文飞, 沈耀东, 肖万源, 陈分雄 申请人:中国地质大学(武汉)