地下水监控系统.pdf

一种地下水监控设备包括只在大约150米的范围内可操作来通信的无线通信设备和与无线通信设备可操作地相关联的传感器包。该无线通信设备包括：天线；与天线耦合的射频收发器；与射频收发器耦合的处理器；和电化学电池。电化学电池与传感器包、处理器和射频收发器电耦合。所述电化学电池能够提供足够的电力以在至少多个月的时间段操作射频收发器、传感器包和处理器。

1.  一种地下水监控设备，其包括：
只在大约150米的范围内可操作来通信的无线通信设备，该无线通信设备包括：
天线；
与天线耦合的射频收发器；
与射频收发器耦合的处理器；和
电化学电池；以及
与无线通信设备可操作地相关联的传感器包；
其中电化学电池与传感器包、处理器和射频收发器电耦合，所述电化学电池能够提供足够的电力以在至少多个月的时间段操作射频收发器、传感器包和处理器。

2.  根据权利要求1所述的地下水监控设备，还包括：
机壳，其中无线通信设备从流体入口密封。

3.  根据权利要求1所述的地下水监控设备，其中地下水监控设备与地下水监控井盖可操作地相关联。

4.  根据权利要求1所述的地下水监控设备，其中无线通信设备以采用二元相移键控调制的868/915MHz直接序列扩频模式操作。

5.  根据权利要求1所述的地下水监控设备，其中无线通信设备以采用偏移正交相移键控调制的868/915MHz直接序列扩频模式操作。

6.  根据权利要求1所述的地下水监控设备，其中无线通信设备以采用二元相移键控调制的868/915MHz并行序列扩频模式操作。

7.  根据权利要求1所述的地下水监控设备，其中无线通信设备以采用偏移正交相移键控调制的2450MHz直接序列扩频模式操作。

8.  一种地下水监控系统，其包括：
只在大约150米的范围内可操作的无线数据取回设备；和
地下水监控设备，其包括：
只在大约150米的范围内可操作通信的无线通信设备，该无线通信设备包括：
天线；
与天线耦合的射频收发器；
与射频收发器耦合的处理器；和
电化学电池；以及
与无线通信设备可操作地相关联的传感器包；
其中电化学电池与传感器包、处理器和射频收发器电耦合，所述电化学电池能够提供足够的电力以在至少多个月的时间段操作射频收发器、传感器包和处理器；以及
其中无线数据取回设备和无线通信设备可操作来将数据从传感器包通信到无线数据取回设备。

9.  根据权利要求8所述的地下水监控系统，还包括：
机壳，其中无线通信设备从流体入口密封。

10.  根据权利要求8所述的地下水监控系统，其中地下水监控设备与地下水监控井盖可操作地相关联。

11.  根据权利要求8所述的地下水监控系统，其中无线通信设备以采用二元相移键控调制的868/915MHz直接序列扩频模式操作。

12.  根据权利要求8所述的地下水监控系统，其中无线通信设备以采用偏移正交相移键控调制的868/915MHz直接序列扩频模式操作。

13.  根据权利要求8所述的地下水监控设备，其中无线通信设备以采用二相相移键控调制的868/915MHz并行序列扩频模式操作。

14.  根据权利要求8所述的地下水监控设备，其中无线通信设备以采用偏移正交相移键控调制的2450MHz直接序列扩频模式操作。

15.  根据权利要求8所述的地下水监控系统，其中无线数据取回设备是手持计算机。

16.  根据权利要求8所述的地下水监控系统，其中无线数据取回设备与车辆可操作地相关联。

地下水监控系统
技术领域
本发明涉及地下水监控系统。
背景技术
为了确定地下水质量和地下水水位，地下水监控井被用来访问地下水。例如，传感器系统能够悬挂在地下水监控井中以读出、收集并且存储关于由地下水监控井访问的地下水的质量和/或数量(例如，水位)的数据。典型地，传感器系统通过线缆或电线悬挂在进入地下水的地下水监控井的锁定井架(casing)中。通过从井收回传感器系统并且直接将传感器系统连接到计算机(如笔记本计算机、袖珍个人计算机、个人数字助理等)，从传感器系统取回数据。替代地，通信线缆可以从传感器系统延伸到监控井访问位置，使得来自传感器系统的数据能够通过到通信线缆的直接连接被取回到计算机。数据典型地被定期(例如每小时、每日、每月、每季、每年)取回。
然而访问这种地下水监控井经常出现问题。监控井经常位于遥远地区并且可能例如，由于洪水、潮涌、风等导致的地形改变，或由于植被的改变而，难以发现。监控井可能位于私人地产上，并且可能需要进入该地产的批准以访问监控井。用于访问监控井的钥匙可能不容易地为承担取回地下水数据的任务的人员可用。
考虑到这些问题，已经开发了采用无线通信方法学(例如全球移动通信系统(GSM))、卫星和射频通信方法学的系统。然而由于各数据组只是周期性需要，所以这种系统典型地太昂贵而不能用于地下水监控。此外，这种系统需要显著的电力，而许多地下水监控井位于具有很少或没有接入电力的地区。
存在许多在本领域公知的地下水监控系统井的设计，然而依然剩余大量缺点。
发明内容
一方面，地下水监控设备包括只在大约150米的范围内可操作来通信的无线通信设备和与无线通信设备可操作地相关联的传感器包。无线通信设备包括：天线、与天线耦合的射频收发器、与射频收发器耦合的处理器、以及电化学电池。电化学电池与传感器包、处理器和射频收发器电耦合。电化学电池能够提供足够的电力以在至少几个月的时间段操作射频收发器、传感器包和处理器。
另一方面，地下水监控系统包括只在大约150米的范围内可操作来通信的无线数据取回设备和地下水监控设备。地下水监控设备包括只在大约150米的范围内可操作的无线通信设备和与无线通信设备可操作地相关联的传感器包。无线通信设备包括：天线、与天线耦合的射频收发器、与射频收发器耦合的处理器、以及电化学电池。电化学电池与传感器包、处理器和射频收发器电学耦合。电化学电池能够提供足够的电力以在至少几个月的时间段操作射频收发器、传感器包和处理器。无线数据取回设备和无线通信设备可操作来将数据从传感器包通信到无线数据取回设备。
本发明提供显著的优点，包括：(1)远程记录地下水数据的能力；(2)远程计划用于地下水监控传感器的设置的能力；(3)提供地下水监控设备，其在几个月或几年的时间段很少或不需要维护；(4)发现隐藏的地下水监控井的能力；以及(5)提供地下水监控设备，其能对未授权的人员隐藏。
附图说明
在权利要求中阐明了本发明的新颖特征特性。然而，当结合附图阅读时，参照以下详细描述，本发明自身及其使用的优选模式、进一步的目标和其优点将被最好的理解，其中参考标号中最左边的有效数字表示其中各个参考标号出现的第一幅图，在附图中：
图1是与地下水监控井可操作地相关联的地下水监控设备的说明性实施例的程式化图；
图2是图1的地下水监控设备的通信设备的说明性实施例的方块图；
图3是图1的地下水监控设备的传感器包的说明性实施例的方块图；
图4是地下水监控系统的说明性实施例的程式化图；
图5是图1的多个地下水监控设备和图4的数据取回设备的程式化透视图；
图6是正由人操作的图1的多个地下水监控设备和图4的数据取回设备的透视图；
图7是与车辆可操作地相关联的图4的数据取回设备的程式化侧立面图；以及
图8是图1的多个地下水监控设备和图4的数据取回设备的示例性网络配置的图形表示。
尽管本发明容许各种修改和替代形式，但是其特定实施例已经通过附图中的示例的方式显示，并且在此详细描述。然而应该理解，此处的特定实施例的描述不意在将本发明限定于公开的特定形式，相反地，本发明涵盖落入由权利要求限定的本发明的范围内的所有修改、等价物和替代。
具体实施方式
以下描述本发明的说明性实施例。为了清晰，不是全部的实际实现都在本说明书中描述。当然将理解的是，在任何这种实际实施例的开发中，必须作出许多特定实现的决定以实现开发者的特定目标(如服从与系统相关的和与商业相关的约束)，所述特定目标将在一个实现和另一个实现之间变化。此外，还将理解的是，这种开发努力可能是复杂和费时的，然而将是从本公开获益的本领域的普通技术人员的常规任务。
地下水监控系统包括一个或多个地下水监控设备和以无线方式通信的数据取回设备。优选地，一个或多个地下水监控设备和数据取回设备使用很低力的无线电方法学通信，如由美国纽约州纽约的电器与电子工程师协会颁布的IEEE标准802.15.4和由美国加利福尼亚州圣拉蒙的ZigBee联盟颁布的“ZigBee”无线设备说明书所限定的无线电方法学。
图1描述地下水监控设备101的程式化的说明性实施例，该监控设备与井架103和井盖105操作相关。井架103通常在107从井盖105延伸到地平面以下。井盖105延伸到地平面107以上，基本密封井架103，并且阻止对布置在井架103和/或井盖105内的物体的未授权篡改。在图示的实施例中，地下水监控设备101包括无线通信设备109、溢流冒口(strain relief)111、传感器包113、通信线缆115和机壳117。溢流冒口111可以在某些实施例中省略。线缆115包括上部119a和下部119b。线缆115的上部119a在通信设备109和溢流冒口111之间延伸。电缆115的下部119b在溢流冒口111和传感器包113之间延伸。传感器包113布置在井架103内，并且通过线缆115悬挂在地下水内(如图5的地下水501)。通信信号和电力优选地经由线缆115在通信设备109和传感器包113之间传播。优选地，通信设备109将电力提供到传感器包113。机壳117以如此方式隐藏通信设备109的内部元件，使得通信设备109能够由授权人员访问，阻止了流体进入到通信设备109，保护了通信设备109的内部元件不受电磁干扰，并且基本免受腐蚀。
图2是描述通信设备109的说明性实施例的方块图。通信设备109只在大约150米范围内可操作来通信。在图示的实施例中，通信设备109包括：射频收发器201、处理器203和电化学电池(如电池组(battery)205)。收发器201与天线207耦合用于传输和接收射频信号。电池组205为处理器203和收发器201提供电力。电池组205还经由线缆115的一条或多条线209将电力提供给传感器包113。优选地，电池组205具有足够的容量以在至少多个月的时期内(更加优选地在超过一年的时段内)为处理器203、收发器201和传感器包113供电。处理器203经由线缆115的一条或多条线与传感器包113通信。处理器203控制收发器201。
图3是描述传感器包113的说明性实施例的方块图，其包括：处理器301、存储器303、模数(A/D)转换器305、以及一个或多个传感器307。电力经由线缆115的一条或多条线209由电池组205(在图2中示出)提供给处理器301、存储器303、A/D转换器305、以及一个或多个传感器307。该一个或多个传感器307可以包括在传感地下水的水位或特性中有用的任何传感器。例如，一个或多个传感器307可以包括压力、温度和/或传导性传感器。一个或多个传感器307输出对应于被测参数的信号。在图示的实施例中，一个或多个传感器307将模拟电信号输出到A/D转换器305，该A/D转换器305将模拟电信号转换为数字电信号。A/D转换器305将数字信号输出到处理器301，其将数字信号的表示连同其它数据(如时间、日期等)一起存储到存储器303。处理器301经由一条或多条线211与通信设备109的处理器203通信。
图4是描述地下水监控系统401的说明性实施例的程式化图。在图示的实施例中，地下水监控系统401包括地下水监控设备101和数据取回设备403。尽管数据取回设备403可以采取由本发明设想的多种形式，但是图4的数据取回设备403体现在手持计算机405(如“袖珍PC”或“个人数字助理”)中。在图示的实施例中，计算机405包括图形用户接口407，其允许用户与数据取回设备403通信。数据取回设备403包括收发器409和天线411，用于与地下水监控设备101(由图形413代表)无线通信。具体地，数据取回设备403的收发器409通过经由天线207和411传播的射频信号与地下水监控设备101的收发器201无线通信。
参照图2-4，数据取回设备403包括硬件和软件组件，其共同命令地下水监控设备101将存储在存储器303中的地下水数据无线地传输到数据取回设备403。当存储在存储器303中的数据成功传输后，清除存储器303。数据取回设备403以此方式操作，以便从一个或多个地下水监控设备101获得数据，如图5中所示。在一个实施例中，当布置在距离地下水监控设备101不超过大约150米的范围内时，数据取回设备403对地下水监控设备101可操作。数据取回设备403还可以用作“bip指示器”，用于帮助确定可以隐藏的地下水监控设备101的位置。此外，数据取回设备403可以将设置或用于传感器包113的操作的各参数传输到通信设备109，随后通信设备109经由线缆115传输到传感器包113。
应该注意，本发明设想了除图4的数据取回设备之外的数据取回设备。本发明的数据取回设备可以构建为可操作来与地下水监控设备101的通信设备109通信、并且从地下水监控设备101取回数据的任何设备，无论该设备是由人601(如图6所示)、动物或是由车辆(如图7所示)运输到地下水监控设备101的最近区域。
优选地，通信设备109和数据取回设备403在由美国纽约州纽约的电器与电子工程师协会颁布的IEEE标准802.15.4限定的协议下操作，在此通过引用并入其全部。在另一个实施例中，通信设备109和数据取回设备403在由IEEE标准802.15.4-2003限定的协议下操作，在此也通过引用并入其全部。优选地，地下水监控设备101和数据取回设备403根据由美国加利福尼亚州圣拉蒙的ZigBee联盟颁布的ZigBee说明书文件053474r13所限定的方法学操作，在此通过引用并入其全部。
优选地，在通信设备109和数据取回设备403之间的无线通信以采用二元相移键控调制的868/915MHz直接序列扩频模式、采用偏移正交相移键控调制的868/915MHz直接序列扩频模式、采用二元相移键控调制的868/915MHz并行序列扩频模式、以及采用偏移正交相移键控调制的2450MHz直接序列扩频模式中的至少一种完成。
地下水监控设备101和数据取回设备403能够配置为许多不同的网络配置。图8描述一个这种示例性配置。例如在图8中，地下水监控设备101和数据取回设备403配置为“星形”网络配置。在该配置中，地下水监控设备101直接与数据取回设备403通信。优选地，地下水监控设备101的通信设备109(在图1和2中示出)以需要最小电消耗的模式(如“休眠”)操作。在从数据取回设备403接收信号后，在范围内的一个或多个地下水监控设备101的通信设备109被唤醒，并且数据从一个或多个地下水监控设备101传输到数据取回设备403。传输数据后，一个或多个地下水监控设备101的通信设备109返回休眠以保存电能。
由于本发明可以以对在此处教导中获益的本领域的技术人员显而易见的不同而等价的方式修改和实践，所以以上公开的特定实施例只是说明性的。此外，不同于如在权利要求中所述，此处示出的结构或设计的细节不是旨在限定。因此明显的是，以上公开的特定实施例可以改变或修改，并且所有这种变化可看作在本发明的范围内。尽管本发明以有限的形式示出，但是其不局限于这些形式，而是服从各种改变或修改。因此，此处要求的保护如在权利要求中提出的一样。