一种基于太阳能供电的无线网络测距系统 【技术领域】
本发明属于测量技术领域， 特别是涉及一种基于太阳能供电的低功耗无线网络测距系统。 背景技术 距离测量广泛用于工业， 农业， 民用， 医疗， 军事等领域， 其中比较多的如 ： 雷达测 距， 超声波测距， 激光测距等。 例如超声波测距可以应用于倒车提醒、 建筑工地、 工业现场等 的距离测量， 如污水厂的液位测量， 固体料面测量等。目前的测距量程达百米。超声波测距 的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知， 测量声波在发射后遇到障碍物反射回来 的时间， 根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。目前普遍供电采用 220V 供电， 而采用太阳能供电的比较少见。
太阳光可以通过太阳能电池板转化为功率， 作为可充电电池的能源， 即为光伏发 电。但由于太阳光随天气的变化具有非线性和不可控性， 所以对于利用太阳能电池板给充 电电池进行高效充电的控制就尤为困难。太阳能光伏发电技术主要分为三大类 ： 独立光伏
发电系统、 并网光伏发电系统和混合互动型发电系统。 本系统根据露天测距的特点， 选择独 立光伏发电系统。
目前测距一般采用 4-20mA 信号传输方式， 而采用无线通讯的比较少见， 本发明在 检索国内外相关资料后发现， 目前在太阳能、 测距、 无线通信方面三者相结合的无线传感网 络还没有相关的研究， 包括在超声波测距方面， 在雷达测距方面， 如何实现超低功耗节电， 在安装方便的前提下增大测量范围， 仍是要解决的关键问题。
Zigbee 是一种无线网络传输技术。Zigbee 技术数据传输速率低。只有 10kb/ s ～ 250kb/s， 专注于低传输应用。其优点在于 ： 功耗低、 成本低、 网络容量大、 工作频段灵 活。根据本发明的内容要求， 一般距离等测量信息比较简单， 数据量不大， 因此选择低功耗 的 Zigbee 协议， 适合数据量小， 成本要求低的低功耗无线网络通讯的系统要求。
目前太阳能供电由于其绿色、 环保等特点也逐渐成为了各国研究的重点。无线传 感网络因其便捷迅速得到了迅猛发展。 与本发明专利相关的超声波测量即采用了时差法对 不同环境的水位、 固体料位以及车辆间距进行直接的非接触式测量。从国内外公开发表的 文献和专利可以看到， 世界上工业发达的国家， 如美国、 欧洲国等国都已进行了这些方面的 研制开发工作。但均未完全解决物位的方便便捷的实时监测问题， 实现方式及性能仍有较 多不足之处。现将国内外相关研究和专利列举如下 ：
1、 美国专利 7,330,398“Ultrasonic range finder” 。一种快速且精确并且不受 环境影响的超声波测距仪。其包含了校准杆从而提供了一个参考距离， 根据环境温度的变 化不断产生新的参考距离， 以确定在目前环境下超声波的传播速度， 从而快速准确的测距。
2、 美国专利 5,140,859“Long range ultrasonic distance measuringsystem” 。 使用了两个超声波探头来提供两地之间的距离， 主收发器发出脉冲信号经时间 t1 传到辅 收发器， 经过 t2 的延时， 辅收发器向主收发器发射响应脉冲经时间 t1 传回主收发器。这种测距仪的优点在于回声信号强， 解决了远距离的测量问题。 但这种系统往往比较复杂， 在安 装和应用场合上适用范围十分有限。
3 、 美 国 专 利 5,508,974“Method and device for ultrasonic distancemeasuring” 其测量方法是适用于倒车辅助系统的， 优势在于车辆行进过程中可以 不断地反馈正确的测量值， 并且有效的抑制了噪声信号对测量的干扰。
4 、 欧 洲 专 利 EP2120311(A1)“Solar power charging device withself-protection function” 。太阳能充电装置， 包含太阳能电池板、 蓄电池、 二极管。 在太阳能电池板与蓄电池间放置二极管起到防反充功能。 但此装置简单不能满足更多系统 的可靠性和高效使用的需求
5、 中国专利 CN 101404416A“一种太阳能蓄电池控制器及其控制方法” 利用微处 理器内部的 pwm 控制单元以及普通 I/O 口产生一个或多个开关控制信号。每个控制信号对 应一个太阳能子阵， 当第 n 个功率电子器件被开关控制信号导通后第个太阳能子阵就给蓄 电池充电。优点在于功率电子开关器件的开关功率损耗小， 易于实现。
6、 美国专利 5,703,468 “Electrical charge control apparatus and methodfor photovoltaic energy conversion systems” 提供了一种对蓄电池进行温度补偿检测的方 法， 根据温度的变化设定不同的充电电压点以保持需电池在最佳的条件下工作。
7 、 美 国 专 利 7,501,789“Solar powered battery charger with voltageregulation circuit apparatus and method” 提供了一种太阳能供电的电压调节 电路以及汽车充电电池的充电方法， 电压调节电路耦合在输出端用于监测太阳能电池板的 输出电压是否适用于充电电池， 且当输出端电压在阈值电压之下仍能提供功率输出。
8、 美 国 专 利 7,562,570“Ultrasonic oil/water tank level monitor havingwireless transmission means” 在超声波测液位仪上搭载了无线通信射频收发器， 并配备了一块 3.6v 锂电池供电， 具备了低功耗待机、 温度补偿功能， 实现了低维护和准确 测量的特点。
9、 欧洲专利 DE102008012991 “Parking space monitoring method for useduring parking passenger car， involves monitoring set of parking spacesby set of ultrasonic sensors， where ultrasonic sensors are arranged incommon monitoring unit” 该专利用超声波传感器来监测停车空间， 并且提供带有数据处理的有线或无线的通 信模块。
10、 中国专利 CN101140695 “基于 Zigbee 无线传感器网络的温室环境监控系统” 系 统分为整个温室群和单个温室内两个层次， 单个温室内基于 Zigbee 星形网络的监控网和 整个温室群基于 Zigbee 网状结构的监控网。将 Zigbee 无线传感器网络技术应用到大型温 室群管理中， 构建了一种低成本、 自组网、 自恢复的无线温室环境监控网络代替传统的有线 方式， 方便了温室的管理和维护。
11、 美国专利 7,562,570“Multicast method in Zigbee network” 在此 Zigbee 网络中包括多元化的节点， 至少两个节点的多路传送。一个多路传送的协调器负责多路传 送形成组播组节点集， 可以使负载减少， 数据包传送率增强。
以及中国专利申请号为 200710070243.2 “基于 Zigbee 的模块化无线网络传感器” 和中国专利申请号为 200710203218.7“太阳能控制系统” 。从以上情况可以看出， 国内外在太阳能供电、 超声波测距、 无线通信网络方面均有 相关专利， 而三者有效结合的专利， 到目前为止还未有相关内容。在超声波测距方面， 利用 太阳能供电， 配合超低功耗电路设计， 有效增加测量范围， 并联合无线传感网络的优势， 简 单高效， 仍是要解决的问题。而针对太阳能供电系统， 天气变化不可控制， 充电电压电流不 稳定， 电池的均衡充电与高效工作， 也是比较重要的问题。发明内容
本发明的目的， 是提供一种基于太阳能供电的无线网络测距系统， 该系统首先采 用了对测距系统的低功耗设计， 节省了能耗 ； 其次， 在测距系统低功耗设计的基础上， 将系 统的电源供电由传统转变为绿色环保的太阳能供电， 并对太阳能供电充电电压电流不稳定 的问题， 采取了新的设计， 从而使得系统能在多变的环境中保持正常工作。
本发明的技术方案如下 ：
一种基于太阳能供电的无线网络测距系统， 所述系统包括上位机 (1)， 协调器 (2)， 以及至少一个节点 (3) ；
所述上位机 (1) 包括主机 (11) 及显示器 (12)， 所述主机 (11) 通过协调器 (2) 接 收节点 (3) 发回的的数据并处理， 处理后的数据传输至显示器 (12) 显示 ； 主机 (11) 通过协 调器 (2) 向节点 (3) 发送测距命令 ； 所述协调器 (2) 包括第一控制器 (21)、 第一电源模块 (22)、 第一射频模块 (23)、 串 口模块 (24) 及天线 (25) 组成 ； 所述第一控制器 (21) 通过串口模块 (24) 连接至主机 (11) 通信 ； 所述第一控制器 (21) 与第一射频模块 (23) 连接， 通过天线 (25) 与节点 (3) 实现无 线网络双向通信 ； 所述第一电源模块 (22) 为第一控制器 (21) 及第一射频模块 (23) 供电 ；
所述节点 (3) 包括低功耗超声波测距模块 (31)、 无线通信模块 (32) 及第二电源模 块 (33) ；
所述低功耗超声波测距模块 (31) 通过无线通信模块 (32) 与主机 (11) 双向通信 ；
所述无线通信模块 (32) 包括第二射频模块 (321) 及天线 (322)， 第二射频模块 (321) 通过天线 (322) 与协调器的天线 (25) 及第一射频模块 (23) 实现无线网络双向通信 ；
所述第二电源模块 (33) 为低功耗超声波测距模块 (31) 及第二射频模块 (321) 供 电；
所述低功耗超声波测距模块 (31) 包括低功耗控制器 (311)、 高频脉冲开关 (312)、 变压器 (313)、 二极管 (314)、 放大滤波器 (315)、 检波二极管 (316) 及探头 (317) ；
所述低功耗控制器 (311) 的控制管脚接入高频脉冲开关 (312)， 高频脉冲开关 (312) 连接变压器 (313) 进行耦合 ； 变压器 (313) 的副边连接探头 (317) 的正极， 产生的高 频振荡电流驱动探头的逆压电效应 ； 探头 (317) 正极连接放大滤波器 (315) 与检波二极管 (316)， 完成回波信号的检索处理， 并送入低功耗控制器 (311) 计算测量结果 ； 所述低功耗 控制器 (311) 与第二射频模块 (321) 通过 SPI 接口连接通信。
进一步的， 上述技术方案中， 所述第二电源模块 (33) 为太阳能供电模块， 所述太 阳能供电模块包括太阳能电池板 (331)、 第二控制器 (332)、 充电模块 (333)、 锂电池 (334)、 稳压模块 (335)、 采样模块 (336)、 降压模块 (337) ；
所述第二控制器 (332) 通过采样模块 (336) 采集锂电池 (334) 的端电压， 根据锂
电池 (334) 的端电压向充电模块 (333) 输出控制脉冲 ；
所述充电模块 (333) 根据第二控制器 (332) 的控制脉冲不断改变对锂电池 (334) 的充电电压和电流， 使得太阳能电池板 (331) 给锂电池 (334) 稳定安全充电 ；
锂电池 (334) 通过稳压模块 (335) 给第二控制器 (332) 供电 ；
锂电池 (334) 通过降压模块 (337) 为测距模块 (31) 及第二射频模块 (321) 供电。
进一步的， 上述技术方案中， 在太阳能电池板 (331) 和锂电池 (334) 之间还设置有 一防反充二极管 (338)， 防止当夜间锂电池 (334) 端电压比太阳能电池板 (331) 端电压高时 引起的反方向充电。
进一步的， 上述技术方案中， 所述第二控制器 (332) 与低功耗控制器 (311) 连接通 信， 所述第二控制器 (332) 通过采样模块 (336) 采集锂电池 (334) 的端电压， 并根据采集的 电压判断太阳能供电模块是否正常工作， 并将该信息通过低功耗控制器 (311) 发送至协调 器 (2)， 传回至上位机 (1)。
进一步的， 上述技术方案中， 所述上位机 (1) 与协调器 (2) 之间采用 RS232 传送数 据和命令， 所述协调器 (2) 与节点 (3) 之间采用 zigbee 传送数据和命令。
进一步的， 上述技术方案中， 所述节点 (3) 可以设置有多个， 所述多个节点之间通 过 zigbee 无线通信方式相互通信。 本发明将太阳能供电、 超声波测距及无线网络传输三者有机结合起来运用于测量 技术领域， 实现了一体化的便携式安装。本发明提供的基于太阳能供电的距离信息无线传 感网络的研制， 为现场提供了一种绿色环保和智能化的通无线网络测距系统。
附图说明
图 1 是本发明上位机与协调器的系统结构图。
图 2 是本发明的低功耗测距模块的电路图。
图 3 是本发明的太阳能充电模块系统结构图。
图 4 是本发明设计有多个节点时的系统结构图。 具体实施方式
下面结合附图， 阐述本发明的具体实施方式。
如图 1 所示， 本系统的上位机 1 包括主机 11 及显示器 12， 主机 11 是本系统的控 制处理中心， 它通过协调器 2 接收节点 3 发回的的数据并处理， 处理后的数据传输至显示器 12 显示 ； 同时， 主机 11 还通过协调器 2 向节点 3 发送命令 ；
协调器 2 是本系统的信号传输系统， 它包括第一控制器 21、 第一电源模块 22、 第一 射频模块 23、 串口模块 24 及天线 25 组成 ； 第一控制器 21 通过串口模块 24 连接至主机 11 通信 ； 第一控制器 21 与第一射频模块 23 连接， 通过天线 25 与节点 3 实现无线网络双向通 信； 第一电源模块 22 为第一控制器 21 及第一射频模块 23 供电 ；
节点 3 包括低功耗超声波测距模块 31、 无线通信模块 32 及第二电源模块 33 ；
低功耗超声波测距模块 31， 其功能是利用超声波测距， 并计算测量结果， 再通过无 线通信模块 32 将测量结果传输至主机 11 处理显示， 同时还接收主机 11 的测量命令， 二者 之间双向通信 ；无线通信模块 32 包括第二射频模块 321 及天线 322， 其功能是实现低功耗超声波 测距模块 31 与主机 11 二者之间的双向通信 ；
第二电源模块 33 为低功耗超声波测距模块 31 及第二射频模块 321 供电 ；
如图 2 所示， 本系统的低功耗超声波测距模块 31 包括低功耗控制器 311、 高频脉冲 开关 312、 变压器 313、 二极管 314、 放大滤波器 315、 检波二极管 316 及探头 317 ；
所述低功耗控制器 311 的控制管脚接入高频脉冲开关 312， 高频脉冲开关 312 连接 变压器 313 进行耦合 ； 变压器 313 的副边连接探头 317 的正极， 产生的高频振荡电流驱动探 头的逆压电效应 ； 探头 317 正极连接放大滤波器 315 与检波二极管 316， 完成回波信号的检 索处理， 并送入低功耗控制器 311 计算测量结果 ；
低功耗控制器 311 与第二射频模块 321 通过 SPI 接口连接通信。本发明设计的低 功耗超声波测距仪测量量程 0.6 至 6 米， 测量精度 0.3％， 功耗为 0.1w 到 0.4w。
进一步的， 在本系统低功耗超声波测距模块的基础上， 本系统的第二电源模块可 以设计为太阳能供电模块， 以实现本发明节能环保及便携安装的特性。
所述的太阳能供电模块包括太阳能电池板 331、 第二控制器 332、 充电模块 333、 锂 电池 334、 稳压模块 335、 采样模块 336、 降压模块 337 ； 所述第二控制器 332 通过采样模块 336 采集锂电池 334 的端电压， 根据锂电池 334 的端电压向充电模块 333 输出控制脉冲 ；
所述充电模块 333 根据第二控制器 332 的控制脉冲不断改变对锂电池 334 的充电 电压和电流， 使得太阳能电池板 331 给锂电池 334 稳定安全充电 ； PWM 调制实现机制实现系 统开关控制， 根据锂电池的处于的充电阶段来改变充电电压和电流。
锂电池 334 通过稳压模块 335 给第二控制器 332 供电 ；
锂电池 334 通过降压模块 337 为测距模块 31 及第二射频模块 321 供电。
进一步的， 上述太阳能供电模块的太阳能电池板 331 和锂电池 334 之间还设置有 一防反充二极管 338， 防止当夜间锂电池 334 端电压比太阳能电池板 331 端电压高时引起的 反方向充电。
进一步的， 本申请中， 第二控制器 332 与低功耗控制器 311 连接通信， 第二控制器 332 通过采样模块 336 采集锂电池 334 的端电压， 并根据采集的电压判断太阳能供电模块 是否正常工作， 本申请的正常电压范围是 7V 到 8.4V， 如果采集的锂电池 334 的端电压超出 此范围则二控制器 332 判断为不正常， 并将该信息通过低功耗控制器 (311) 发送至协调器 (2)， 传回至上位机 (1) 处理。当极端天气发生致使锂电池连续几天低电量时， 太阳能供电 控制器会及时与测距模块的低功耗控制器进行通信， 向上位机发送紧急报告。
进一步的， 本申请中， 上位机 1 与协调器 2 之间采用 RS232 通信协议传送数据和命 令， 所述协调器 2 与节点 3 之间采用 zigbee 传送数据和命令。
本系统中， 单个节点的工作过程如下 ： 节点 3 的天线 322 接收到协调器 2 发来的测 量要求后， 将数据包通过第二射频模块解调， 经 SPI 接口传入低功耗超声波测距模块 31 的 低功耗控制器 311。低功耗控制器 311 确定是测量液位还是测量太阳能工作状态。如测量 液位， 则此时低功耗控制器 311 控制高频开关 312 开闭， 变压器 313 产生交替电压促使探头 317 产生逆压电效应向水面释放机械波， 经过一段时间超声波遇水面反射到超声波探头， 压 电效应产生反射电信号经过测距部分的放大滤波 315， 检波 316 等信号调理步骤后， 传入控
制器， 由控制器计算出液位数据
将测量的液位数据经协调器 2 传输至上位机 1 进行显示。如上位机 1 需要测量的 是太阳能供电状态的数据， 低功耗控制器 311 与太阳能供电模块的第二控制器 332 通过 I/ O 口通信， 得到供电状态的数据。 测距控制器再把太阳能供电状态数据经无线通信部分传回 上位机。当极端天气发生致使锂电池连续几天低电量时， 太阳能供电控制器会及时与测距 控制器进行通信， 向上位机发送紧急报告。
本发明的测量系统是多节点的网络型测距系统。主机根据测量区域、 测量密度的 需求， 完成人机交互的界面设置， 在控制室就及时了解水位料位等情况 ； 协调器与主机一起 安装在控制室， 单个节点需垂直安装在水面上方， 探头的超声波发射面与水平面平行。 主机 和节点间可以相互通信 zigbee 协议， 节点和节点可以相互通讯 zigbee 协议， 主机和主机也 可以相互通讯 LAN 或 zigbee 协议。这种搭载了独立太阳能供电系统的无线超声测距系统， 采用锂电池配合太阳能板供电方式， 节能环保， 实现了数据低功耗的远距离无线传输。
本发明的上位机管理系统的特征在于 ： 在上位机 1 的人机交互界面上进行测量的 选择， 其中包括 ： 1. 测量哪些节点。可以是任意几个， 也可以是全部节点 ； 2. 测量内容， 是 测量液位数据还是太阳能供电工作状态 ； 3. 测量频率。主机把控制人选择的相应命令的数 据包通过串口模块 (RS232) 发送到协调器的控制器。控制器负责整个系统的控制， 与无线 收发模块通过 SPI 接口进行通信。无线收发模块将控制器的命令转换成 Zigbee 协议数据 包， 通过天线把测量命令发往各个节点进行测量。当某节点测量液位或太阳能工作状态完 毕后， 节点通过其天线， 将液位数据通过 Zigbee 无线技术传回协调器的天线， 最后将数据 传回主机， 通过人机界面显示在显示器上。