一种基于北斗与GPRS的积雪测量装置的制作方法

一种基于北斗与gprs的积雪测量装置
技术领域
1.本实用新型涉及气象监测设备技术领域，具体的说是涉及一种基于北斗与gprs的积雪测量装置。


背景技术：

2.积雪作为固体水体的存在，是气候系统中非常重要的组成部分，积雪独特的辐射特性和热力性质会影响地表的辐射收支、热量平衡和水分平衡过程，积雪的消融引起的水文效应，可通过改变地表能量平衡、水循环和大气环流进而对同期和后期气候系统产生重要影响，积雪热力性质和消融都与其内部的温度变化存在紧密的联系，因此对积雪内部不同层高的积雪温度变化进行监控就显得尤为重要。
3.现有的积雪温度测量多为三线制的铂电阻传感器，精度比较低，且传输系统主要依靠gprs的传输模式，在偏远的高原等无人区，在地基基站无法覆盖的区域无法及时的回传数据，无法对积雪温度进行大面积的组网观测。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术的不足，本实用新型提供一种基于北斗与gprs的积雪测量装置，在有效解决测量精确度的同时，也实现测量数据及时采集的工作。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为 ：一种基于北斗与gprs的积雪测量装置，包括安装支架、储能电池、供电系统，其特征在于，还包括微处理器、gprs通信模块、北斗通信模块、数据存储模块、上位机系统、锁存器、多路通道选择单元、数模转换模块、电流激励模块；安装支架一端固定于地面，另一端设有多个安装孔，安装孔内设有温度传感器，各温度传感器与电流激励模块通过防寒电缆连接；微处理器的温度数据端与数模转换模块的温度数据端双向连接、微处理器的gprs信号端与gprs通信模块的信号端双向连接、微处理器的北斗信号端与北斗通信模块的信号端双向连接、微处理器的存储信号端与数据存储模块的信号端双向连接、上位机系统通过gprs通信模块或北斗通信模块与微处理器控制端连接；微处理器的测温控制输出端与锁存器的控制输入端连接、锁存器的控制输出端通过多路通道选择单元与数模转换模块的控制端连接、数模转换模块的数据采集端与电流激励模块的数据输出端连接；储能电池或供电系统给微处理器、gprs通信模块、北斗通信模块、数据存储模块、上位机系统、锁存器、多路通道选择单元、数模转换模块、电流激励模块供电；供电系统给储能电池供电。
6.作为优选，所述安装支架为环氧树脂圆柱；环氧树脂的热传导系数低，有效避免安装支架的上下热传导效应，并且硬度较大；安装支架设计为的圆柱型结构，以减小本身对风雪的阻挡，直径3
‑
5cm为宜；顶端设有斜拉绳，增强安装支架的稳定性，保证温度传感器与积雪稳定接触。
7.作为优选，所述安装孔间距为1
‑
2cm的等距孔，根据测量精度需要而定。
8.作为优选，所述温度传感器为pt100型传感器，在0℃时电阻值为100ω，利用温度
变化对电阻值的影响，通过测量电阻值反推环境温度。
9.作为优选，所述微处理器为msp430f449。
10.作为优选，所述供电系统为风力发电或太阳能发电或现有市民用电；发电系统的功率应大于储能电池充电功率和设备额定功率，储能电池的电能满足设备满负荷运转7天以上。
11.本积雪测量装置由于布置于野外，无人值守、配备防雷系统，保护设备安全。
12.本实用新型的有益效果是：1）可以同时对多层积雪的温度进行高精度测量；2）可对积雪的厚度进行测量；3）可实现对高原等无人区积雪的温度、厚度进行远程无人值守测量、监测。
附图说明
13.图1为本实用新型的设备连接示意图；
14.图2为数模转换电路图；
15.图3为多路温度采集接信号控制图；
16.图4为gprs及北斗终端通信电路。
具体实施方式
17.下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
18.参见图1、2、3、4，一种基于北斗与gprs的积雪测量装置，包括安装支架、储能电池、供电系统、微处理器、gprs通信模块、北斗通信模块、数据存储模块、上位机系统、锁存器、多路通道选择单元、数模转换模块、电流激励模块。
19.安装支架一端固定于地面，混凝土基座为250cmx250cm，且深埋于地表一下10cm处，减小基座对积雪温度测量的影响；另一端设有等距安装孔，孔距根据测量精度需要，1
‑
2cm皆可；根据测量精度要求，在需要的安装孔内设置pt100型温度传感器，在0℃时电阻值为100ω，利用温度变化对电阻值的影响，通过测量得到的电阻值反推环境温度。
20.各温度传感器通过防寒电缆与电流激励模块连接测电压，电流激励模块发出一个精确恒流电源分别测某个温度传感器、高精度100ω标准电阻（0.02%的精度，温度系数5ppm/
°
c）的2组电压值，利用电压差反算出温度传感器的电阻值，然后再根据pt100电阻值和温度的曲线关系，推算出温度；同理，电流激励模块对各温度传感器的电压测量，利用电压差推算得到每个传感器温度。
21.微处理器型号为msp430f449，微处理器的温度数据端与数模转换模块的温度数据端双向连接，负责采集温度测量和数模转换算法写入；微处理器的gprs信号端与gprs通信模块的信号端双向连接，用于发送gprs数据和接收指令；微处理器的北斗信号端与北斗通信模块的信号端双向连接，用于发送北斗数据和接收指令；微处理器的存储信号端与数据存储模块的信号端双向连接，用于读写测量数据；微处理器的控制端与上位机系统双向连接，用于指令发出、运行显示等。
22.测量命令由上位机系统发出，经gprs通信模块或北斗通信模块将指令传给微处理器，微处理器的测温控制输出端传入锁存器的控制输入端，锁存器发出测量命令并通过多路通道选择单元选择测量对象，通过数模转换模块及电流激励模块具体实施测量，并将测
量结果反馈至微处理器及时存储；待全部温度传感器数据测量完毕后，微处理器通过gprs通信模块或北斗通信模块将测量数据报送至上位机系统。
23.上位机系统通过接收的各温度传感器测量数据进行分析，能得到多层积雪的准确温度；通过单个温度传感器测量数据及变化规律，结合温度传感器的安装高度，能判断积雪厚度；同时，上位机系统支持远程修改装置的软件程序。
24.微处理器主要完成逻辑指令的执行、温度数据的采集，温度的数字量处理计算并将数据通过北斗终端和gprs通信模块进行传输。
25.北斗终端获取自动站采集的气象数据通过北斗卫星发送到指挥机。同时接收指挥机发送过来的指令信息。指挥机负责北斗中心站平台与北斗普通终端的数据通信，接收来自北斗普通终端的气象数据或者其他指令反馈信息，发送北斗中心站的指令给北斗普通终端。
26.gprs通信模块获取自动站采集的气象数据并通过基站送入上位机系统，并负责指令的反馈与传输。
27.安装支架为环氧树脂圆柱；环氧树脂的热传导系数低，有效避免安装支架的上下热传导效应，并且硬度较大；安装支架设计为的圆柱型结构，以减小本身对风雪的阻挡，直径3
‑
5cm为宜；顶端设有斜拉绳，增强安装支架的稳定性，保证温度传感器与积雪稳定接触。
28.作为优选，所述安装孔间距为1
‑
2cm的等距孔，根据测量精度需要而定。
29.作为优选，所述温度传感器为pt100型传感器，在0℃时电阻值为100ω，利用温度变化对电阻值的影响，通过测量电阻值反推环境温度。
30.作为优选，所述微处理器为msp430f449。
31.作为优选，所述供电系统为风力发电或太阳能发电或现有市民用电；发电系统的功率应大于储能电池充电功率和设备额定功率、储能电池的电能满足设备满负荷运转3天以上。
32.本积雪测量装置由于布置于野外，无人值守、配备防雷系统，保护设备安全。
33.实施例:以10个温度传感器测量为例
34.测量精度优化：温度传感器为pt100型传感器，在0℃时电阻值为100ω，随着温度的变化，电阻值随之改变；通过电流激励模块的恒流源1ma，对温度传感器施加恒定的电流信号测量电压；同时，引入高精度100ω标准电阻（0.02%的精度，温度系数5ppm/
°
c），测量此标准电阻两端电压作为环境标准电压，通过电压差可以反算出pt100温度传感器的电阻值，然后再根据pt100电阻值和温度的曲线关系，推算出温度。
35.根据激励电流源恒定不变的特性，铂电阻的测量跟激励电流无关，这样便消除了激励电流偏差带来的测量误差，这样便实现了温度的高精度采集；pt100采用四线制接法，消除了引线电阻引起的测量误差，进一步提升测量的精度；通过多路信号选择电路分别对10路温度进行选择测量，并送往微处理器进行计算、存储、传输。
36.测控顺序控制：将系统所测10路积雪温度数据，分2路进行，每一路所测数据为5层；多路通道选择单元由6支级联的cd4051型多路开关构成，完成5路温度数据通道的选择；微处理器的p1.0
‑
p1.5的6个端口，用来对多路通道选择单元的cd4051型多路开关的地址码进行控制。
37.当p1.0
‑
p1.6的输出为0000000时，此时的多路通道选择单元连通的是第一支温度
传感器；当p1.0
‑
p1.6的输出为0000010时，此时的多路通道选择单元连通的是第二支温度传感器；当p1.0
‑
p1.6的输出为0000100时，此时的多路通道选择单元连通的是第三支温度传感器；当p1.0
‑
p1.6的输出为0000110时，此时的多路通道选择单元连通的是第四支温度传感器；当p1.0
‑
p1.6的输出为0001000时，此时的多路通道选择单元连通的是第五支温度传感器；这样便完成了第一路5支温度传感器的测量。
38.然后切换至另一路，p1.0
‑
p1.6分别输出0000000、0000010、0000100、0000110、0001000，分别对第二路的5支温度传感器进行测量；当p1.0
‑
p1.6输出值为0001100时，选择的为标准电阻通路，此时可以测出标准电阻两端的电压，分别把10路温度传感器两端的电压与标准电阻两端的电压进行相除并乘以标准电阻，就得到了10路温度传感器的电阻值，通过电阻值求得10层积雪的温度值。
39.微处理器u1的p2.0、p2.1、p2.2、p2.3口与数模转换模块u4的sclk、cs、dout、din连接，用于控制ad7792的时序及数据读写。
40.数据传输：为了保证数据传输的稳定性和可靠性，减少gprs通信模块和北斗通信模块之间数据传输的干扰，此实用新型中采用两路数据传输，既两路数据不共用。图中rxd1和txd1与微处理器的p3.5urxd0和p3.4utxd0相连接，rxd2和txd2与微处理器的p3.6urxd1和p3.7utxd1相连接。
41.由于微处理器为低功耗的3.3v电平，而通讯串口芯片为5v电平，所以在微处理器和通讯串口中间进行了光电隔离。u16、u17的4n25芯片既在两者之间隔离了干扰，又完成了电平的转换。gprs通信模块和上位机之间的协议为udp。
42.上位机系统向gprs通信模块下发数据上传的命令，微处理器收到指令后，将计算好的10路温度传感器数据通过gprs模块进行上传，完成入库；上位机系统通过北斗指挥机向北斗通信模块下发数据上传的命令，微处理器收到指令后，将计算好的10路温度传感器数据通过北斗通信模块发送至北斗指挥机，再 通过北斗中心站平台并转入上位机系统，完成数据的收集和存储；为了保障数据的安全，本地数据除了通过gprs通信模块和北斗通信模块传输至上位机系统之外，还存储在数据存储模块的大容量存储卡中。
43.鉴于实际测量的需求，温度传感器数量和测量高度可自由调节；同时也可大范围布局，实现大面积组网观测；并能进行远程无人值守精确测量及数据实时监测、采集。
44.以上所述例子，仅为说明本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都应属于本实用新型保护的范围。