申请/专利权人：南京信息工程大学

申请日：2018-12-06

公开（公告）日：2024-02-20

公开（公告）号：CN109459151B

主分类号：G01K1/024

分类号：G01K1/024;G01K7/22

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.20#授权;2019.11.12#著录事项变更;2019.11.01#著录事项变更;2019.04.05#实质审查的生效;2019.03.12#公开

摘要：本发明公开了一种低温背景下海量温度点在线监测装置与方法，在线监测装置包含温度采集模块、信号传输模块、信号调理模块、主控单元和供电模块；温度采集模块包含若干分散设置在待检测土壤中的温度传感器；信号传输模块包含依次相连的调制电路、载频电路和解调电路；信号调理模块包含模拟开关模块、调理电路和模数转换芯片；主控单元包含微控制器、存储模块、GPRS远程传输模块和USB模块。工作时，温度采集模块采集信号并进行传输，主控单元控制模拟开关模块按照预先设定的温度传感器排序将并行的各个温度传感器的温度信号转化为串行信号，将模数转换芯片转化后的数字信息存储至存储模块，并控制GPRS远程传输模块将其发送给上位机。

主权项：1.一种低温背景下海量温度点在线监测装置的单线传输方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，令温度传感器的数量为n，传输信道带宽为B，预先设定的传输信号占用总频带为F总，预先设定的相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽为f空，B＞F总；根据以下公式计算每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标： 步骤2，根据每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标、相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽f空、发生载波的振荡器起始振荡频率F0,计算出各个温度传感器对应的载波频率：fcm＝F0+F标+f空n-m式中，fcm为第m个温度传感器温度信息的载波频率；所述低温背景下海量温度点在线监测装置，包含温度采集模块、信号传输模块、信号调理模块、主控单元和供电模块；所述温度采集模块包含若干分散设置在待检测土壤中的温度传感器；所述温度传感器用于感应其所在地土壤的温度，并将其传递给所述信号传输模块；所述信号传输模块包含依次相连的调制电路、载频电路和解调电路；所述调制电路分别和各个温度传感器相连，用于将各个温度传感器的温度信号一一对应调整到信息传输宽带上的各个预先设定的载波频率上、整合成传输信号，并将整合成的传输信号传递给所述载频电路；所述载频电路用于将整合成的传输信号由调制电路传送至解调电路；所述解调电路用于将整合成传输信号解调成各个温度传感器的温度信号、并将其并行传递给所述信号调理模块；所述信号调理模块包含模拟开关模块、调理电路和模数转换芯片；所述模拟开关模块的输入端和所述解调电路相连，输出端通过所述调理电路和所述模数转换芯片的输入端相连，控制端和所述主控单元相连；模拟开关模块用于根据主控单元的指令将并行的各个温度传感器的温度信号按照预先设定的温度传感器排序转化为串行信号，并将其传递给所述调理电路；所述调理电路用于将输入的串行信号调理为在所述模数转换芯片模数转换范围内的模拟信号后，将其传递给所述模数转换芯片；所述模数转换芯片用于将调理电路输出的模拟信号转化为相应的数字信息，并将其传递给所述主控单元；所述主控单元包含微控制器、存储模块、GPRS远程传输模块和USB模块；所述微控制器分别和存储模块、GPRS远程传输模块、USB模块、模拟开关模块电气相连，用于控制模拟开关模块按照预先设定的温度传感器排序将并行的各个温度传感器的温度信号转化为串行信号，将模数转换芯片转化后的数字信息存储至存储模块，并控制GPRS远程传输模块将模数转换芯片转化后的数字信息即各个温度传感器的温度信息发送给上位机；所述USB模块用于手动下载存储模块中各个温度传感器的温度信息。

全文数据：一种低温背景下海量温度点在线监测装置与方法技术领域本发明涉及低温环境下热敏电阻测量技术领域，尤其是一种低温环境下海量温度点在线监测装置与方法。背景技术温度监测是目前许多工程需要涉及的重要技术领域，也是现形铁道部在道路建设与发展的重要建设指标，尤其在发展西北地区更需要建设道路，但西北地区如高原地区的土质环境与平原地区有较大差异，较寒冷的地区含水土壤易变成冻土区域，由于冻土的流变性，在此上面建设工程道路易造成冻胀和融沉，因此需要在土壤下放置大量的温度传感器测量温度判断土质情况，以便工程建设。当测量点数较多时，如达到几百个点或者几千个点时，减少测量电路的复杂度，提高测量可靠性是目前科技工作者一直追求的目标。传统的多通道温度点测量主要基于微控制器，若测量温度点为数字信号，直接连接微控制器的输入输出口进行数据处理，若为模拟信号，先将各点转化为数字信号，再与微控制器相连接，该方法的局限性在于可测温度点的数量与微控制器的通用输入输出口有关，仅适用于小通道数量的点数测量；传统大量温度点远距离测量，一个温度点输出一路信号，因此若为几百或者几千个测量点需要几百或者几千根信号线输出信号，加大设备的体积，集成度降低且提高设备维护的困难度。发明内容本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种低温环境下海量温度点在线监测装置与方法。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种低温环境下海量温度点在线监测装置，包含温度采集模块、信号传输模块、信号调理模块、主控单元和供电模块。所述温度采集模块包含若干分散设置在待检测土壤中的温度传感器；所述温度传感器用于感应其所在地土壤的温度，并将其传递给所述信号传输模块。所述信号传输模块包含依次相连的调制电路、载频电路和解调电路；所述调制电路分别和各个温度传感器相连，用于将各个温度传感器的温度信号一一对应调整到信息传输宽带上的各个预先设定的载波频率上、整合成传输信号，并将整合成的传输信号传递给所述载频电路；所述载频电路用于将整合成的传输信号由调制电路传送至解调电路；所述解调电路用于将整合成传输信号解调成各个温度传感器的温度信号、并将其并行传递给所述信号调理模块。所述信号调理模块包含模拟开关模块、调理电路和模数转换芯片；所述模拟开关模块的输入端和所述解调电路相连，输出端通过所述调理电路和所述模数转换芯片的输入端相连，控制端和所述主控单元相连；模拟开关模块用于根据主控单元的指令将并行的各个温度传感器的温度信号按照预先设定的温度传感器排序转化为串行信号，并将其传递给所述调理电路；所述调理电路用于将输入的串行信号调理为在所述模数转换芯片模数转换范围内的模拟信号后，将其传递给所述模数转换芯片；所述模数转换芯片用于将调理电路输出的模拟信号转化为相应的数字信息，并将其传递给所述主控单元；所述主控单元包含微控制器、存储模块、GPRS远程传输模块和USB模块；所述微控制器分别和存储模块、GPRS远程传输模块、USB模块、模拟开关模块电气相连，用于控制模拟开关模块按照预先设定的温度传感器排序将并行的各个温度传感器的温度信号转化为串行信号，将模数转换芯片转化后的数字信息存储至存储模块，并控制GPRS远程传输模块将模数转换芯片转化后的数字信息即各个温度传感器的温度信息发送给上位机；所述USB模块用于手动下载存储模块中各个温度传感器的温度信息。作为本发明一种低温环境下海量温度点在线监测装置进一步的优化方案，所述温度传感器采用热敏电阻。作为本发明一种低温环境下海量温度点在线监测装置进一步的优化方案，所述供电模块采用太阳能板。本发明还公开了一种该低温环境下海量温度点在线监测装置的单线传输方法，包含以下步骤：步骤1，令温度传感器的数量为n，传输信道带宽为B，预先设定的传输信号占用总频带为F总，预先设定的相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽为f空，B＞F总；根据以下公式计算每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标：步骤2，根据每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标、相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽f空、发生载波的振荡器起始振荡频率F0计算出各个温度传感器对应的载波频率：fcm＝F0+F标+f空n-m式中，fcm为第m个温度传感器温度信息的载波频率；步骤3，根据各个温度传感器对应的载波频率对各个温度传感器的温度信息进行调制，整合成传输信号；步骤4，调制电路将整合成的传输信号传递给载频电路，载频电路将整合成的传输信号由调制电路传送至解调电路。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：当信号线的传输带宽较大时，设计不同的载频电路可以只使用一条传输信号线实现多个温度点数的监测，减少监测装置的复杂度，增强装置的集成度，极大地降低装置的成本；太阳能与蓄电池双充电模块，保证无人值守的状态下能够自动提供电源；大量点数监测使得数据更加全面且可靠；装置除了远程传输功能外另设了USB接口，避免远程传输带来的数据丢失，提高装置的可靠性；上位机程序计算各个离散温度点的变异程度，识别多波动区域带，显示冻土区域，将提取数据和分析数据相结合，使得装置更加智能。附图说明图1显示了本发明的一种低温背景下海量温度点在线监测装置的总体框图；图2显示了本发明的一种温度点布局示意图；图3显示了本发明的一种单线中各路信号频谱示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示，本发明公开了一种低温环境下海量温度点在线监测装置，包含温度采集模块、信号传输模块、信号调理模块、主控单元和供电模块。温度采集模块：包含若干分散设置在待检测土壤中的温度传感器，温度传感器采用二线制热敏电阻温度传感器，共有两端，一端连接AD7793信号调理模块中的模数转换芯片的输出激励电流源端，另一端作为采集温度的电压信号输出，连接信号传输模块的调制器。温度采集布局示意图如图2所示。信号传输模块：包含调制电路、载频电路和解调电路。在一根信号线的带宽较大的前提下，改变各个信号的频率，将其进行频谱搬移，使得能在一根信号线上传输，另外为了避免各个信号的互相干扰，则信号与信号之间空有一定的频带不使用，达到一根信号线传输多条信号的目的。信号先通过低通滤波器，限定最高频率，再通过调制器与载波相乘，不同的信号需要确定不同的载波，载波fc确定方法如下：发生载波的振荡器起始振荡频率为F0，相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽为f空，共有n个通道，即n个单边带上边带或者下边带，由传输信号与载频电路相乘得到，传输信号占用总频带为F总选取的信号线的带宽为B，B＞F总，则每路信号的标准带宽为：第m路载波频率为：fcm＝F0+F标+f空n-m确定各载波信号后进行信号的频谱搬移，m路信号在单信号线中的频谱f1～fm示意图如图3所示。信号调理模块：包含模拟开关模块、调理电路和模数转换芯片。解调出的信号经过模拟开关模块，模拟开关选择可通过电信号范围较大的信号，若解调出的原始信号不在模拟开关可通过信号的范围内，需在解调器后加上运算放大器，将信号控制在模拟开关可通过的范围内。当信号数量较多时，模拟开关与译码器相连，译码器的输出引脚连接每个模拟开关的使能端，译码器的控制端和模拟开关的地址端与主控单元的信号输入输出口相连接，通过控制译码器的输入端选择工作的模拟开关，控制模拟开关的地址端选择输出选择的一路信号，随着信号数量的增加，可以随之增加译码器的数量和模拟开关的数量。信号从模拟开关模块依次输出后，经过调理电路，调理电路主要由运算放大器组成，调节运算放大器的电阻值，改变输出的信号范围，保证信号在数模转换器ADC的转换电压范围内。该装置采用24位AD7793型号的数模转换器，其转换电压为0～5V，内置激励电流源，可为热敏电阻提供电流源，输出电压信号。主控单元：包含微控制器、存储模块、GPRS远程传输模块和USB模块；微控制器分别和存储模块、GPRS远程传输模块、USB模块、模拟开关模块电气相连，用于控制模拟开关模块按照预先设定的温度传感器排序将并行的各个温度传感器的温度信号转化为串行信号，将模数转换芯片转化后的数字信息存储至存储模块，并控制GPRS远程传输模块将模数转换芯片转化后的数字信息即各个温度传感器的温度信息发送给上位机；USB模块用于手动下载存储模块中各个温度传感器的温度信息。太阳能供电模块：直接采用市面上已有的太阳能板采集能量，电源使用1块6V、2W的太阳能电池板直接通过4055给两块并联起来的锂电池充电，打开输出开关，锂电池通过MC34063CD组成的升压电路升到5V，输出5V电压。上位机以一个传感器一年的数据值均为离散数据，通过计算一年数据的方差值，求得数据的波动幅度，以此分析冻土区域。m个传感器，测得一年的温度数据值记为T1，T2，…，Tm-1，Tm，均值为amt，则随机温度点在各个时刻t对于均值的偏离程度即方差记为D[Tmt]，D[Tmt]＝E{[Tmt-amt]2}对装置所测各个传感器一年温度点的方差值进行冒泡运算，选择出方差值较大的点，根据各种冻土如永冻土、季节性冻土和短期冻土等温度变化的特性，对其计算相应的温度波动阈值，将阈值与方差值比较，得出装置测量温度点区域的土质类型。本发明还公开了一种该低温环境下海量温度点在线监测装置的单线传输方法，包含以下步骤：步骤1，令温度传感器的数量为n，传输信道带宽为B，预先设定的传输信号占用总频带为F总，预先设定的相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽为f空，B＞F总；根据以下公式计算每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标：步骤2，根据每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标、相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽f空、发生载波的振荡器起始振荡频率F0计算出各个温度传感器对应的载波频率：fcm＝F0+F标+f空n-m式中，fcm为第m个温度传感器温度信息的载波频率；步骤3，根据各个温度传感器对应的载波频率对各个温度传感器的温度信息进行调制，整合成传输信号；步骤4，调制电路将整合成的传输信号传递给载频电路，载频电路将整合成的传输信号由调制电路传送至解调电路。本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种低温环境下海量温度点在线监测装置，其特征在于，包含温度采集模块、信号传输模块、信号调理模块、主控单元和供电模块；所述温度采集模块包含若干分散设置在待检测土壤中的温度传感器；所述温度传感器用于感应其所在地土壤的温度，并将其传递给所述信号传输模块；所述信号传输模块包含依次相连的调制电路、载频电路和解调电路；所述调制电路分别和各个温度传感器相连，用于将各个温度传感器的温度信号一一对应调整到信息传输宽带上的各个预先设定的载波频率上、整合成传输信号，并将整合成的传输信号传递给所述载频电路；所述载频电路用于将整合成的传输信号由调制电路传送至解调电路；所述解调电路用于将整合成传输信号解调成各个温度传感器的温度信号、并将其并行传递给所述信号调理模块；所述信号调理模块包含模拟开关模块、调理电路和模数转换芯片；所述模拟开关模块的输入端和所述解调电路相连，输出端通过所述调理电路和所述模数转换芯片的输入端相连，控制端和所述主控单元相连；模拟开关模块用于根据主控单元的指令将并行的各个温度传感器的温度信号按照预先设定的温度传感器排序转化为串行信号，并将其传递给所述调理电路；所述调理电路用于将输入的串行信号调理为在所述模数转换芯片模数转换范围内的模拟信号后，将其传递给所述模数转换芯片；所述模数转换芯片用于将调理电路输出的模拟信号转化为相应的数字信息，并将其传递给所述主控单元；所述主控单元包含微控制器、存储模块、GPRS远程传输模块和USB模块；所述微控制器分别和存储模块、GPRS远程传输模块、USB模块、模拟开关模块电气相连，用于控制模拟开关模块按照预先设定的温度传感器排序将并行的各个温度传感器的温度信号转化为串行信号，将模数转换芯片转化后的数字信息存储至存储模块，并控制GPRS远程传输模块将模数转换芯片转化后的数字信息即各个温度传感器的温度信息发送给上位机；所述USB模块用于手动下载存储模块中各个温度传感器的温度信息。2.根据权利要求1所述的低温环境下海量温度点在线监测装置，其特征在于，所述温度传感器采用热敏电阻。3.根据权利要求1所述的低温环境下海量温度点在线监测装置，其特征在于，所述供电模块采用太阳能板。4.基于权利要求所述的低温环境下海量温度点在线监测装置的单线传输方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，令温度传感器的数量为n，传输信道带宽为B，预先设定的传输信号占用总频带为F总，预先设定的相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽为f空，B＞F总；根据以下公式计算每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标：步骤2，根据每个温度传感器的温度信号所占的频宽F标、相邻温度传感器的温度信号之间的空频带频宽f空、发生载波的振荡器起始振荡频率F0,计算出各个温度传感器对应的载波频率：fcm＝F0+F标+f空n-m式中，fcm为第m个温度传感器温度信息的载波频率；步骤3，根据各个温度传感器对应的载波频率对各个温度传感器的温度信息进行调制，整合成传输信号；步骤4，调制电路将整合成的传输信号传递给载频电路，载频电路将整合成的传输信号由调制电路传送至解调电路。

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