文摘

有一些高的水下区域生态利益应被监视。伊和海草施加相当大的工作在保护侵蚀的海岸线。在这些领域,许多动物和生物生存和发现草原食品和抵御捕食者。它被认为是一种生物学指标的质量沿海海洋水域。是很重要的监控和维护这些生态群落尽可能干净。在本文中,我们提出了一个伊梅多斯海洋浮标监测。它是基于一组的低成本传感器能够收集数据从水中如盐度、温度、浊度和天气的温度、相对湿度和降雨量等。系统安装在一个浮标,使它孤立的可能的氧化问题。使用单片机数据采集处理。最后的浮标连接基站放在中国大陆使用FlyPort模块通过无线连接。 The network performance is checked in order to ensure that no delays will be generated on the data transmission. This proposal could be used to monitor other areas with special ecological interest and for monitoring and supervising aquaculture activities.

1。介绍

无线传感器网络(网络)的研究工作近年来增加了巨大的许多类型的应用程序(1,2]。网络由传感器检测数据的环境和节点接收感知数据和处理它们。由于低内存和有限的电池(3),节点不能存储大量的数据,所以他们必须将其发送。成百上千的节点组成的网络可以他们需要根据不同的网络架构和使用自组织通信协议。这些协议应该考虑能量限制等几个方面(4),安全数据传输和宽容的网络故障(5为了保持一个正确的网络性能。

传感器节点主要由4个不同模块(6]。第一个传感模块,执行数据采集,可以由一个或多个传感器,一个或多个环境参数和遥感处理模块。中央处理单元执行与接收的数据处理和存储操作。无线收发模块负责无线通信和无线电频率可以使用不同的无线技术,无线网络,无线个域网。最后,电源模块,它应该提供一个连续和稳定的权力的其他模块,由电池和电源管理系统。建议有一些能量收集系统和实施一些节能策略(7]。

甚至大部分网络地面应用程序的开发,海洋应用程序成为一个重要的领域。四分之三的地球被水覆盖。人类对海洋影响越来越明显。水下环境的需要持续的监控网络可以被使用。陆地和水下网络有一些差异。在水下网络环境比陆地更激进的网络,所以部署的设备需要主要的保护:水隔离,以避免腐蚀和生物淤积。因为海浪潮汐和船只轮可以产生运动,系统必须准备承担这些运动和变化的位置从最初部署。通常使用水下网络覆盖地区高于地面网络(8];能源消费会更高,在水下环境中信号衰减。因此,重要的是实现节能技术在数据处理(9,10和能源获取解决方案11][延长网络寿命12)和网络的稳定性。水下网络中使用的设备价格通常高于地面轮。此外,网络在水下传感器节点被放置在一个特定的地方沿着水柱,所以需要浮选和系泊设备13]。最后,无线通信技术在地面网络使用不同的无线电频率;然而在水下网络水产生的一个重要的无线电频率衰减,所以有很多部署使用其他技术,如声音或光(14]。

水下传感器可以被放置在底部,在表面,或在不同的点沿着水柱。感觉到参数可以改变根据放置的传感器和传感器网络的目标。例如,在环境没有光就没有需要测量叶绿素和在远离人类的环境影响不需要测量碳氢化合物的存在。表1显示了主要参数,可以感觉到的传感器节点被放置在水里的地方列。虽然是一个大型的参数列表,最常见的是温度,pH值、浊度和溶解氧(做)13]。

根据(15),水下网络主要应用于通用海洋遥感和监测、水质监测、渔场监控、珊瑚礁监测和海洋贝类监测(见图1)。然而,理论应用广泛16,17]。我们可以突出海洋采样网络、环境监测、灾害预防、辅助导航,我侦察、军事目的,或海底探索,但很少有作品发表显示实际部署。结合其中一些参数,我们可以找到一些重要的应用程序可以帮助我们保护敏感地区如海草和伊的草地。

海草草甸生态系统被认为是一个重要的,因为他们是由植物生活在水下环境。自1980年以来,已经有减少29%的殖民地区由于一些威胁。损失率是110公里²/年(18]。最重要的参数,限制潜在区域海草是曝光(10%的表面辐射),身体接触(最大电流1.5 m / s),下层(砾石沙或泥)、温度(−1°C在夏天冬天30°C),和盐度(5到45事业单位)。这些数据对应的物种现在最为严格的需求。受影响最严重的环境问题是沿海地区扮演重要的角色。

这些生态系统的主要功能(我)沉积物和营养保留(19),(2)托儿所的幼鱼(19),(3)物种的食物如海牛、儒艮和绿海龟(18),(iv)一些附生植物藻类海草生活,增加生产率(19),(v)有限公司₂保留(更重要的是比热带雨林)(20.]。

一些威胁19](我)浊度的增加,(2)增加温度(全球变暖),(3)盐度变化,(iv)外国人的物种,(v)疏浚操作进口砂海滩,(vi)大规模放牧活动。

温度的增加产生的损失海草社区,由于数量的减少,有限公司₂草地可以保留减少。因为这些,自由有限公司₂大气中增加,所以其温度增加。这一过程形成了一个负面反馈循环。温度是一个非常重要的参数,应该详细监测的变化和其他动植物海草(21]。

我们的系统允许评估的角色不同的海草减少的威胁。我们可以估计的影响盐度、浊度、温度变化单独在一起。此外,气象信息,可以估计物理接触和太阳辐射。此外燃料检测系统包括评估这个特定污染物的影响。这样的系统是用于监控其他水下环境和威胁像海草一样。在[22),作者使用一个系统来监控在澳大利亚珊瑚礁。

根据(13),水下网络主要发达国家在欧洲(26引用),北美(引用19日),中国(21引用),澳大利亚(12)的引用。主要的拓扑用于此目的是明星拓扑和拓扑部分连接(13]。有一个巨大的水下环境的各种协议的细节如VBF HH-VBF, FBR。他们每个人都有优缺点。它没有意义来选择其中一个作为我们的场景的函数23]。

水下网络面临的主要挑战是(14,22](我)传感器保护避免腐蚀和生物淤积的隔离,确保水、(2)先进的浮标设计成本较低,防水,稳定性强;它还应该有一个能量收集系统和系泊系统,(3)能量收集系统设计;有几个海洋中使用可再生能源,可以像海水生成器,潮汐能、风能、(iv)系统的稳定性和可靠性,(v)分布式定位和时间同步。连续变化的传感器可以影响定位的精度和时间的数据对良好的分析是至关重要的。

在本文中,我们将呈现一个海洋多传感器浮标的设计在地中海伊草地监测。低成本的系统是基于两套传感器能够从水收集数据,如盐度、温度、或浊度,从天气,如温度、相对湿度,或降雨等。系统在一个浮标维护系统隔绝氧化的水,以避免可能出现的问题。数据收集的所有传感器使用单片机进行处理。最后的浮标连接基站通过无线连接使用FlyPort模块。整个系统和单个传感器已经在受控环境下进行测试。这个提议可以用来监测其他地区特殊的生态利益和监测和监督几个水产养殖活动。

本文的其余部分的结构如下。部分2显示了一些以前的油烟multiparametric相关系统用于监控一些自然环境。部分3解释我们的系统的主要部分以及无线模块用于与大陆连接浮标。的设计和操作参数传感器用来测量海洋部分所示4;同时设计和操作传感器用来测量气象参数的部分所示5。网络体系结构、协议建立连接,和网络性能部分所示6。最后一节7给出了结论和未来的工作。

2。相关工作

在本节中,我们奉献给你们一组精选的论文在不同的传感器用于监测水生环境。他们中的许多人提出水监测获得实时信息等参数质量和成分分析。在这其中,我们发现以下的:

O 'Flynn et al。24)描述的操作“SmartCoast”,多传感器系统进行水质监测。该系统旨在提供一个平台能够满足监测需求的水框架指令(WFD)。正在调查的关键参数包括温度、磷酸、溶解氧、电导率、pH值、浊度和水位。WSN在廷德尔平台开发,作者还提出了一个与“即插即用”功能,它允许传感器内的集成以及自定义传感器正在开发该项目。他们的研究结果表明,低功率无线多传感器网络实现是可行的。

克罗格et al。25)表示,生物传感器在海洋环境的巨大潜力。生物传感器的开发原位测量是一个困难的挑战,工作正在进行中解决的一些问题。而做出这样的观察能力是最有发展的终极目标,能够使分散的测量领域而不必过程收集的样本在专业实验室是一个重大进步,不应该被忽视。这是一个领域,生物传感器可能会发现他们最初的重要应用程序:成本低,用户友好的测试可以进行预选样本,可能有助于集中样本收集工作进行进一步详细的化学分析。

Thiemann和考夫曼26]目前算法对于营养的量化参数,塞齐盘透明度,基于高光谱方法测量叶绿素浓度机载数据。使用原位反射率数据的算法开发。这些方法被独立验证原位测量导致平均标准误差是1.0 -1.5米塞齐盘透明度和年级mg / L的叶绿素HyMap传感器的情况。多瞬时适用性的算法演示是基于一个三年的数据库。塞齐盘互补的准确性的透明度和叶绿素浓度和额外的空间和众多的湖泊,同步概述这种遥感方法很好地记录的变化,可以更精确地通过更广泛的原位测量。

河流域的水质监测水平以满足水框架指令的要求(WFD)造成了重大的经济负担使用传统的采样和实验室测试基于技术提出的O 'Flynn et al。27]。他们提出的发展部署项目。使用网络的主要优点如下:(我)高时间分辨率比传统方法所提供的数据,(2)来自多个传感器的数据流类型在多站网络,(3)数据融合来自不同电台可以帮助实现更好的理解流域以及事件监控的实时数据值和集水行为分析。

来自监测站的数据可以分析和使用无线技术传输到远程办公/实验室为了统计处理和解释这种专家系统。上升趋势对任何感兴趣的成分或违反环境质量标准(方程式)会提醒相关人员可以拦截严重污染事件通过评估水质参数的变化。检测这些变化必须执行测量每天几次。部署系统的功能不断采取样本和交流他们允许降低监控成本,同时提供更好的长期趋势的报道和检测参数的波动。

贪吃者等。28]呈现新的结果表征的多瑙河三角洲海域,探索多传感器浊度算法,可以很容易地适应了这一目的。为了研究多瑙河三角洲水的浊度模式,光学遥感技术被用来捕获的卫星图像与高空间分辨率80多个媒体。

在[29日]Albaladejo等人解释和说明的设计和实现一种新的多传感器监测浮标系统。传感器浮标系统提供了一个真正的机会来监控沿海浅水环境。该系统设计是基于一组基本的需求。主要的是低成本的实现,运用它的可能性在沿海浅水海洋环境中,合适的尺寸被部署在中非常低的影响,传感器系统的稳定性在移动环境中如海底,和总自治供电和数据记录。作者表明,设计成本和它的实现是便宜的。这意味着它可以集成在一个传感器网络,由于这些系统的礼节,他们会积极的和动态的环境中保持稳定像大海。作者已经确定的基本需求开发过程所必需的电子和机械部件组装一个传感器。

所等。30.)提出了一种新的方法来衡量海洋船用动力系统的参数。系统执行一个同步采样和分布式数据融合,基于最优状态估计。单一传感器测量数据准确估计的卡尔曼滤波器,估计和多传感器数据的行为是在全球范围内组合这些数据。仿真试验表明,获得的测量参数和基于多传感器数据融合的方法比结果的准确性和稳定性与单传感器直接测量方法。

Vespe et al。31日]给出的概述Satellite-Extended-Vessel交通服务(股票)原位和地球观测系统(EO)数据关联。认知数据相关性概念的描述显示的好处带给最终承认海上图片(RMP)在支持决策和情境感知的应用程序。他们显示的结果multitechnology集成及其带来的好处怀疑血管检测和传播跟踪。导航和地理知识是用于最终的数据关联实现。船舶运动特点和场景影响用于估算相关程度的信心。战术还显示场景描述为沿海海上交通的改善和开放水域监测。

Sousa-Lima et al。32]提出的库存列表固定自治声录音(AR)设备,包括缩写,开发人员的信息来源,总结每个AR系统的主要功能和规格。设备在很大程度上不同功能和成本。有小和hand-deployable单位检测海豚和海豚点击在浅水区和更大的单位,可以部署在深水记录高频带宽一年多了,但他们必须从一个大容器部署。讨论了系统的功能和限制审查的有效性的监测和研究海洋哺乳动物。

可以找到一些更有趣的研究工作在33),但没有人比提出的具有相同的功能和目的。

3所示。建议描述

本文的主要目的是开发一个多传感器浮标能够收集气象和海洋参数和寄给一个基站放置在海洋港口或大陆。本节解释多传感器的主要部分浮标以及无线节点用于实现我们的网络和传感器将被放置在浮标的位置。

3.1。多传感器浮标

浮标由一个塑料部分或浮动为整个系统提供足够的浮力和纤维结构,将包含所有的电器和电子组件和电池(见图2)。这种结构的内部很容易通过其外观方面的一个小门来访问。

此外,浮动(见图3)有一个纵向开口,遍历整个对象。在这个开放,传感器放置在非金属结构。传感器总是淹没在水里,因为浮力能力地方下的传感器水线以上传感器。有一个开放允许水流及其交流没有问题,避免积水。这部分定位传感器的主要原因是使他们免受冲击和其他问题。

我们的多传感器系统包括两组传感器。第一个是负责收集气象参数如降水、温度、相对湿度和太阳辐射。第二组的传感器位于水和他们收集的数据条件下。在我们的例子中,系统需要测量的温度、盐度、浊度和存在的燃料。

所有传感器连接到一个处理器能够从我们的传感器,获取模拟信号处理,将这些数据发送到无线基站位于内地。

3.2。无线节点的设计

我们的无线节点是基于无线模块称为Openpicus FlyPort [34]。这个无线模块由认证收发器IEEE 802.11无线芯片MRF24WB0MA尽管它使用IEEE 802.11无线技术,设备介绍的一个最小的能源消耗。这个设备的主要特征是它的16位低功耗单片机处理器芯片PIC24FJ256,与256 K Flash, 16 K内存,和16个Mips @32 MHz。图4显示一个视图的顶部这个模块。

有几个理由来使用这个无线模块。现有系统的主要优势是它工作在IEEE 802.11标准使得相当便宜的购买这些设备。此外,在C语言编程允许伟大的多功能性发展的新的应用程序。此外,它提供了一个嵌入式网站,可以看到当前值收集的传感器。最后,它的体积小使这个设备等多个应用程序的理想环境和农村监测(35),农业(36,37)、动物监测(38),室内监控(39),或可穿戴传感器e-health应用程序(40,41),等等。

最后,因为我们的多传感器浮标正与9个不同的传感器(8传感器与模拟值响应和一个传感器和一个开/关响应),我们需要一个微控制器至少有8个模拟输入。数字输入使用FlyPort模块可以控制。在我们的示例中,使用的设备是40-Pin增强Flash微控制器与10位A / D和毫微瓦技术(由微芯片PIC18F4520)。这个设备的主要特征之一是它的10位模拟-数字转换器模块(A / D) 13频道,它能够执行autoacquisition在睡眠模式和数据转换。微芯片声称pic18f4520s ADC可以高达每秒100 K样本虽然我们的应用程序不需要这个采样率。

图5显示一个图表与传感器之间的连接,单片机,基站位于大陆或海洋港口。

4所示。为海洋参数传感器监测

在本节中,我们将呈现传感器用来测量海洋的设计和操作参数。对于每个传感器,我们展示了电动方案和数学表达式与环境参数大小和电气值。对于我们的新发展,我们还将展示校准过程。

4.1。水温度传感器

为了发展水温度传感器,它是使用了一种耐NTC(负温度系数)(见图6);随着温度的增加,承运人浓度和过渡电阻会降低它的大小。

这个传感器连接到我们的电路的方法是形成一个分压器的输出电路连接到一个无线节点的模拟输入。我们的全国过渡委员会是放置在较低的分压器的一部分。这可以保护我们的系统。当电流通过全国过渡委员会很低,我们没有问题,因为散热是微不足道的。然而,如果散热增加,这可能影响传感器的电阻的值。出于这个原因,全国过渡委员会响应不是直线而是双曲线。但分压器的配置会使电压的变化几乎是线性的。

对于其他形式的分压器的阻力,它是用作1 kΩ阻力。这一事实将允许利用抽样范围,能耗由FlyPort有限。电子电路的原理图所示7。

输出电压作为温度的函数可以建模(K) 在哪里是优良的电阻分压器形成的阻力和全国过渡委员会。全国过渡委员会的值是在温度电阻吗这是298 K和是材料的温度特性,在2000 K和5000 K之间。

我们可以计算°C的温度 在哪里NTC电阻器上的电压注册,过渡电阻的值是在一个温度这是298 K,是材料的温度特征。是输出电压的函数注册的温度。最后,是水的温度。

收集来自传感器的数据,我们需要一个简短的程序代码负责获取电压和温度之间的等价性。算法1显示所使用的编程代码。

最后,为不同的温度传感器测试。图8显示温度测量的函数的输出电压。

4.2。水的盐度传感器

成本低盐度传感器是基于传感器没有铁磁核心(42,43]。传感器由两个线圈,一个环形线圈,一个电磁(放置在螺旋管)。这些线圈的特点如表所示2。图9显示了盐度传感器。

为了测量水的盐度,我们需要力量之一,这些线圈(塔尖)较少的正弦信号。在水中的溶质盐解决方案影响和修改驱动线圈产生的磁场。输出电压引起的第二个线圈的磁场与溶质盐的量。我们使用这个系统,而不是商业传感器因为我们的系统更便宜比商业设备。我们的系统的另一个优点是,它不需要定期校准和很容易从水中分离。

知道的频率是很重要的,我们的系统区分不同盐度水平更加精确;这个频率叫做工作频率。为了找到这个工作频率,我们开发了几个测试使用不同频率正弦信号第一个线圈。测试是使用5样品执行不同的盐度。样本由自来水和盐。他们的盐度去自来水水高度饱和盐。海水和淡水的电导率值一般是包含在样本。找工作频率,所有样品在不同的频率测量。八个不同的频率进行测试;从10千赫到750 kHz的频率。 The results of these tests are shown in Figure10。它代表了最大振幅注册为每个样本在不同频率。驱动线圈的输入信号是由函数发生器(18]。测量输出电压在第一个测试中,我们用一个示波器。图11显示在示波器屏幕上我们可以看到输入和输出的正弦波。我们可以看到,150 kHz的频率可以明显区分不同的样本。在590 kHz,可以区分所有的样品除了17岁和33 ppm。唯一的频率,我们的传感器是能够区分所有样本是150千赫。这个频率和工作频率选择。

FlyPort的主要功能是正弦波的生成用于传感器和采集的信号。传感器节点产生PWM信号,我们获得一个正弦信号用于功率换能器。需要过滤的PWM信号带通滤波器(瘘)为了获得我们所知的正弦信号。一旦由单片机产生PWM信号,需要过滤这个信号由一个带通滤波器的中心频率在150 kHz为了获得所需的正弦波。图13显示了一个PWM信号(脉冲宽度不同的火车)和过滤后获得的正弦波脉宽调制信号。

带通滤波器是由两个活动Sallen-Key滤波器级联二阶配置,也就是说,一个低通滤波器(LPF)和高通滤波器(高通滤波器)。截止频率是160千赫和140 kHz,分别(见图12)。PWM是由无线模块。系统配置为在150 kHz工作。之后,系统生成一个可变宽度脉冲重复频率为150赫兹。图14显示了我们的带通滤波器的频率响应。算法2显示了PWM信号的程序代码生成。

为了从盐度传感器收集的数据,我们设定一个小代码。这段代码的主要部分所示的算法3。所示,该系统将测量从模拟输入1。

一旦我们知道工作频率是150 kHz,我们执行校准。获得的校准进行了数学模型与水盐度的输出电压。试验台由使用超过30种不同的矿化度从0.19 ppm到38 ppm。校准的结果如图所示15。

我们可以看到,结果可以调节3直系范围不同的数学方程。根据盐度,传感器将使用其中一个方程。方程(3对盐度值从0 ppm)是3.28 ppm,和(4)是11.3 ppm值从3.28 ppm。最后(5对盐度从11.3 ppm)是35 ppm。所有这些方程都有最低0.9751的相关性。

最后,图16比较了盐度测量和预测的盐度,我们可以看到,我们的系统的准确性是相当好:

4.3。水浊度传感器

浊度传感器是基于红外LED(由Tsunamimstar TSU5400制造)作为光源发射和光电二极管作为探测器(由威世半导体S186P)。这些元素是处理与一个角度180°,4厘米的光电二极管可以捕获的最大的红外线LED (44]。

红外LED使用砷化镓技术制造的蓝灰色有色塑料包,注册的最大峰值波长为950 nm。光电二极管是一种红外过滤器,可怕地匹配砷化镓和砷化镓GaAlAs红外发射器(≥900海里)。红外滤光片S186P被塑料覆盖情况(950毫米)和适用于近红外辐射。发射机电路是由5 V的电压而光电二极管需要由15 V的电压。为了实现这些价值观,我们使用两个电压调节器LM78XX系列的凭许可证的最大输出电流1 a。使用LM7805发射机电路和使用LM7815接收机电路。图17显示了我们的电子方案浊度传感器。

为了校准浊度传感器,我们使用8样本不同浊度。他们都是专门为实验准备的那一刻。知道样品的浊度,我们使用一个商业浊度计、浊度计哈希2100 n,曾用同样的方法,我们的传感器(探测器放置在90度)。样本由海水和沉积物(粘土和淤泥),好材料,可以为测量时间跨度保持悬浮而不沉淀。准备使用的水样本来自地中海(西班牙)。盐度为38.5。pH值为8.07,温度为21.1°C时执行措施。8样本有不同的大量的粘土和淤泥。商业的浊度测量浊度计。介绍了样品在特定收件人与浊度计的测量。 These recipients are glass recipients with a capacity of 30 mL. The amount of sediments and the turbidity of each sample are shown in Table3。一旦知道每个样品的浊度,我们测量了他们使用我们开发的系统来测试它。对于每一个样本,每个测量浊度值成比例的输出电压。有关获得电压与每个样品的浊度、校准过程完成后,浊度传感器可以使用。校准结果如图18。它与每个浊度值的收集输出电压。方程(6输出电压的浊度相关。我们还展示了输出电压的数学方程,相关的沉积物(mg / L)(见(7))。最后,重要的是说,根据我们的实验中,我们的系统是0.15南大的准确性:

一旦完成了校准、验证过程。在这个过程中,使用4个样品。样品准备在实验室不知道沉积物的浓度和浊度。

这些样品与浊度传感器测量。每一个的输出电压与使用(浊度测量6)。输出电压和浊度值如表所示4。

与浊度传感器测量样品后,样品与商业浊度计测量来进行比较。这种比较是图所示19。我们可以看到在一线获得的数据显示了完美的调整(当两个措施是相同的)。可以看到,数据非常接近,除了一个案例(示例1)。所有样本的平均相对误差3.25%,最大相对误差为9.5%。这个最大相对误差太大相比其他样本的误差;这让我们觉得是一个错误的样本操作。如果我们删除这些数据,我们的浊度传感器的平均相对误差为1.17%。

4.4。烃检测器传感器

系统用于检测碳氢化合物的存在是由一个光学电路,它是由光源(LED)和受体(光电二极管)。的信号的存在与否取决于增加或减少燃料在海水表面(见图20.)。为了选择最好的光传感器来实现,我们使用了6种不同光的颜色(白、红、橙、绿、蓝、紫)作为光源。在所有情况下,我们使用感光(S186P)光受体。比别人便宜光敏二极管,但其最佳波长的红外线。虽然光线由光电二极管接收不是红外线,这种光电二极管能够与其他波长的光。电路都是在5 V供电。图的烃检测器的工作原理传感器如图21。

最后,传感器在不同条件下进行测试。这些测试中使用的样本是由海水和燃料,这是95辛烷值的汽油。他们准备在小塑料容器的30毫升,用不同数量的燃料(0、2、4、6、8和10毫升),所以每个样品都有一层不同厚度对海水的燃料。光电二极管和领导被放置在水面附近,在1厘米,我们可以看到在图22,橙光测试。

每个样本的输出电压作为光源的函数图所示23。每个灯都有不同的行为和与表面的相互作用,其中只有一些能够区分的存在和缺乏燃料。灯光,呈现出很大的差异电压存在燃料和没有它,白色,橙色,紫色的灯。然而任何光线能够给我们的定量结果。选择灯的测试重复10次为了检查测量的稳定性和有效性或传感器。因为我们的系统只将定性的结果,也就是说,存在与缺乏燃料,我们只使用两个样品与不同数量的燃料(0和2毫升)。结果如图所示24。表5总结了这些结果。

结果表明,这三个灯允许检测燃料在水的存在。不过白光是这礼物最低mV两样本之间的差异。所以橙色或紫灯是最好的选择在海水检测碳氢化合物的存在。

5。气象参数的传感器监测

本节介绍了设计和运行的气象传感器用来测量参数。对于每一个传感器,我们将看到电动方案和环境有关的数学表达式与电气参数大小的值。我们使用商业电路集成,需要一些额外的类型的电路。

5.1。环境温度传感器

TC1047是高精度温度传感器,提出了一种线性电压输出与测量温度成正比。选择该组件的主要原因是它容易连接和其准确性。TC1047之间可以养活一个电源电压2.7 V和4.4 V。这些设备的输出电压范围通常是100 mV−40°C和1.75 V至125°C。

这个传感器不需要任何额外的设计。当传感器输入,输出电压可以直接连接到我们的微处理器(见图25)。尽管−之间这个传感器的工作范围是40°C和125°C,我们有用的操作范围从−10°C到50°C,因为这个范围甚至比最坏的情况下广泛在地中海区域。图26显示输出电压之间的关系,测量温度和输出信号用于模型的数学表达式。

算法4显示了程序代码阅读环境温度传感器的模拟输入。

最后,我们已经测试了这个系统的行为。2个月期间试验台已执行。图27显示结果的最大,最小,每天平均温度的值。图28显示了这个传感器的电路。

5.2。相对湿度

因hih - 4000是一个高精度的湿度传感器,公司破产引发了附近的线性电压输出与测量相对湿度(RH)成正比。这个组件不需要额外的电路和元素。当传感器输入,输出电压可以直接连接到微处理器(见图27)。很容易连接及其精度±5%,对RH从0%提高到59%,对RH和±8%,从60%到100%。美联储因hih - 4000应该是公司破产引发的电源电压5 V。这个传感器的工作温度范围从−40°C到85°C。最后,我们应该记住,RH是依赖于温度的一个参数。出于这个原因,我们应该应用温度补偿随着RH (6)显示: 在哪里是输出电压的函数在%和RH吗饲料所需的电压是电路(在我们的例子中是5 V)。的值是RH %,%是RH值,温度补偿后,然后呢表达的是温度,°C。

图29日显示输出电压之间的关系,测量了RH %。最后,我们已经测试了这个传感器在2个月的行为。图30.显示了相对湿度值聚集在这个试验台。

5.3。风传感器

测量风速,我们使用一个直流电机作为发电机模式,在轴的旋转速度成为一个速度成正比的电压输出。一个适当的设计,我们必须考虑一些细节如逮捕风力的大小或圆的直径形成,等等。图31日显示了我们的设计风速计。我们使用3个半球结构,因为它是产生更少的动荡。此外,我们注意到一个发电机没有完全线性行为;叠片铁芯达到饱和限制当它到达一个磁场强度极限。在这种情况下,电压不是角速度成正比。达到饱和后,增加电压产生很少的变化近似对数行为的这种行为。

实现我们的系统,我们使用一个微型电动机时能产生3伏特的记录值12000 rpm。发动机性能曲线如图32。

表达风速、我们可以做不同的方式。一方面,rpm是角速度的测量,而m / s是一个线性速度。这种转换的速度,我们应该进行如下(见以下方程):

最后,m / s的线速度是表示所示 在哪里风速计的旋转频率,赫兹,风速计的转弯半径,角的速度在吗,是角速度,每分钟的转数()。

鉴于引擎操作的特点和数学表达式,风速仪测试期间2个月。传感器收集的结果如图所示33。

测量风的方向,我们需要一个叶片。我们的叶片是由两个SS94 A1霍尔传感器由霍尼韦尔(参见图制造34),它位于垂直地。除了这两个传感器、叶片轴上的永久磁铁,根据风的方向旋转。

我们的叶片是基于检测磁场。每个传感器提供了一个线性输出的数量成正比磁力线穿过它,所以当有一个较高的线性输出值,发现磁场更高。根据这个传感器的特点,它必须至少为6.6 V。如果传感器是美联储8 V,它得到一个输出4伏/销的价值,一个“0”时不应用任何磁场,和4伏的电压较低时,字段是负的。我们可以区分4主要情况:(我)磁场是负当进入从南极到检测器。这发生在当探测器面临着南极。(2)值大于4伏感觉到磁场时,输出将得到积极的(当磁铁的正极面对北极)。(3)探测器将输出4伏当磁场平行于探测器。在这种情况下,行磁场不通过检测器,因此没有磁场。(iv)最后,当得到中间值时,我们知道,风将介于四项基本分。

在我们的例子中,我们需要定义一个参考价值时,磁场不检测。因此,我们将减去4的电压值,我们为每个传感器获得。这将使我们能够区分叶片正是指向。这些可能的情况下:(我)如果+极磁铁的指向> 0 V,= 0 V。(2)如果+极磁铁的指向> 0 V,= 0 V。(3)如果+极磁铁的指向> 0 V,= 0 V。(iv)如果+极磁铁的指向< 0 V,= 0 V。(v)当+极磁铁的中间点≠0 V,≠0 V。

图35图显示了霍尔传感器、他们的位置和操作的原则。

为了计算风向,我们要使用的操作计算三角切角(见以下方程): 在哪里是由霍尔传感器记录电压2,由霍尔传感器电压记录1,然后呢代表着风的方向,作为一个参考东的基点。霍尔传感器的值可能是积极的还是消极的,风向将基于这些值的计算。因为对角切计算的值是相同的,在计算这个角的大小,系统必须知道风的方向,分析的价值和是积极的还是消极的。可以获得使用价值设置如图36。

后设置基准和考虑这个传感器的线性行为,我们有以下响应(见图37)。根据永久磁铁的位置,霍尔传感器记录的电压值,如图38。

5.4。太阳辐射传感器

太阳辐射传感器是基于两个光敏电阻的使用(LDRs)。使用两个贷款存款比率的主要原因是由于太阳辐射值将被计算为每个传感器记录的值的平均值。处理器负责进行数学计算。图40显示了线路图。电路安装在实验室测试其操作如图41。

如果我们使用异地恋放置在底部的分压器,它将给我们的最大电压时,异地恋在完全黑暗的,因为它是有电流的最大阻力。在这种情况下寄存器的最大价值。如果我们用分压器的顶部的异地恋,结果是相反的。我们选择第一个配置。太阳辐射的值的检测电压成正比

为了测试这个电路的操作,我们已经开发出一个小代码,允许我们收集来自传感器的值(参见算法5)。最后,我们收集测量传感器在2个月。图39显示的结果在这段时间里获得的风向。

图42显示的电压值期间收集的2分钟。我们可以看到,两个贷款存款比率提供相当相似的价值观;但是,使他们的平均价值,我们可以减少测量误差,由于他们的公差,这在某些情况下,可能从±5%,±10%。

最后,传感器是检测两个月在实际环境中。图43显示了这一试验获得的结果。

5.5。雨量传感器

LM331是一个集成转换器,可以使用单个源的完全可接受的精度10 kHz的频率范围从1 Hz。此集成电路适用于电压频率转换和频率电压转换。图44显示了转换为频率电压转换电路。

输入是由一个高通滤波器截止频率远高于最大输入。它使销6只看到优惠的输入波形,因此正负脉冲的一组是获得。此外,电压销7固定电阻分压器和近似。当一个负脉冲导致的电压水平降低销6的电压水平销7,内部比较器开关输出到高状态和设置内部触发器(FF)状态。在这种情况下,输出电流指示针1。

当销6的电压水平高于销7的电压水平,再次重置为零但FF维护其先前的状态。而设置的FF发生,减少区和晶体管输入开始负责通过。这个条件是维护期间(tc),直到电压销5达到2/3。瞬间之后,第二个内部比较器重置FF切换它;然后在驾驶区和晶体管输入电容器快速释放。这使比较器切换重置为零。保持这个状态,直到FF设置的一个新时期的开始输入频率和循环重复。

低通滤波器放在销给结果是一个连续的输出级别,这是与输入频率成正比。作为其数据表所示,输入频率之间的关系,显示了输出电流

完成系统的设计,我们应该定义之间的关系和大量的水。在我们的例子中,每个口袋里的体积是10毫升。因此,两个大小是由之间的等价性

最后,该系统可用于类似的系统,对水的口袋可以有更大的/更低的大小和数量的雨水,因此,输入频率将取决于它。

雨传感器在实际环境中测试了两个月。图45显示了结果。

6。移动平台和网络性能

为了连接和实时可视化数据,我们创立了一个Android应用程序,允许用户连接到服务器,看看数据。为了确保一个安全的连接,我们实现了一个虚拟专用网(VPN)保护授权凭证(45]。本节解释了网络协议,允许用户与浮标为了看到实时的值以及试验台进行网络性能和开发的Android应用程序。

6.1。基于安卓系统的数据采集系统

为了将数据存储在一个服务器,我们开发了一个Java应用程序基于套接字。应用程序实时显示传感器的活动在Android开发,它允许移动设备的数据的请求。访问从电脑可以执行嵌入到FlyPort通过web站点。本节显示了此安全协议用来进行连接和在这两种情况下的网络性能。

系统由一个传感器节点(客户端)位于浮标,无线连接到一个数据服务器(这个过程允许连接更多的浮标系统很容易)。还有一个VNP服务器充当安全系统允许外部连接。数据服务器负责存储数据从传感器和处理它们。数据访问服务器由一个VPN访问VPN服务器控件。服务器监控所有远程访问来自任何设备的请求。为了看到的内容数据库,用户应该连接到数据服务器后,流程如图46。连接从一个装置是由一个Android应用程序开发这一目标。首先,用户需要通过VPN建立连接。VPN服务器会检查用户凭证的有效性和执行身份验证和连接建立。之后,用户可以连接到数据服务器存储的数据或实时浮标看到它的状态(包括协议如图46一个接一个连续)。执行与浮标使用TCP套接字,因为它还允许我们保存和存储数据从传感器和过程的科学研究。通过执行数据输入/输出InputStream和OutputStream与套接字相关联的对象。服务器创建一个考察一下与端口号作为参数可以是一个数量从1024年到65534年(从1到1023的端口号是留给系统服务,如SSH、SMTP、FTP、邮件、www,和telnet)将侦听传入的请求。服务器在我们的系统中使用的TCP端口是8080。我们应该注意到每个服务器必须使用另一个端口。当服务器处于活动状态,等待客户端连接。我们使用的函数accept (),这被阻塞,直到客户机连接。在这种情况下,系统返回一个套接字,这是连接与客户:套接字AskCliente = AskServer.accept ()。

远程设备,应用程序允许配置客户端IP地址(浮标)和TCP端口用于建立连接(见图47 (a))。我们的应用程序显示两个按钮启动和停止的套接字连接。如果连接成功,消息确认状态。否则,应用程序将显示一个消息说,连接失败了。在那一刻,我们将能够选择数据从水从天气(参见图或数据47 (b))。这些数据显示在不同的窗口,一个用于气象数据(见图47 (c)数据(见图)和水47 (d))。

最后,为了测试网络操作,我们进行了测试(见图48在6分钟)。这个测试测量带宽消耗当客户通过该网站的用户访问节点,通过套接字连接。如图47显示,通过套接字连接访问执行时,消耗的带宽有一个峰值(33 kbps)开始测试。一旦完成了连接kbps带宽消耗减少到3。

消耗带宽,当用户连接到网站是100 kbps。此外,套接字之间的联系似乎更快。作为一个结论,我们的应用程序提供的带宽消耗低于网站托管节点的内存中。

7所示。结论和未来的工作

伊和海草是一些最重要的水下区域高生态价值负责保护海岸线免受侵蚀。他们还保护动物和植物生活在那里。

在本文中,我们提出了一个海洋浮标多传感器能够测量所有重要的参数会影响这些自然区域。浮标是基于一些低成本的传感器,可以收集数据从水和天气。收集的数据对所有传感器使用单片机处理并存储在一个数据库服务器。浮标与基站通过无线连接无线FlyPort模块。最后各个传感器、网络操作和移动应用程序收集数据从浮标在受控情况下进行测试。

在分析传感器的操作和性能,我们确信这个系统的使用可以是非常有用的保护和防止几种类型的损害可以摧毁这些栖息地。

第一步我们未来的工作将安装整个系统在实际环境中,阿利坎特(西班牙)附近。我们还想适应这个系统监测和控制鱼喂养过程中海洋渔场为了提高他们的可持续性46]。完善的系统通过创建一个更大的网络相结合的多传感器的数据浮标和海洋渔场和一些算法适用于收集数据47]。此外,我们想要应用新技术对提高网络性能(48),传输数据的安全49),其大小,通过添加一个特设网络的浮标(50),以及一些其他参数为降低功耗51]。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作一直支持的“Ministerio de Ciencia e Innovacion”“计划”我+ D + 2008 - 2011”在“Subprograma de四面八方de Investigacion基本”项目tec2011 - 27516。