CN101827461A - 管理地下设施的无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管理地下设施的无线通信系统，更具体地，涉及管理下述地下设施的无线通信系统：所述地下设施能够在恶劣的地下环境下为无线通信提供其经过精确测量的状态信息。本发明的管理地下设施的无线通信系统包括：多个附属于地下设施的传感器节点，所述传感器节点在根据包括唤醒信号的驱动信号探测地下设施的状态信息后，通过磁场通信发送感知信号；以及信息采集设备，所述信息采集设备将驱动信号发送给传感器节点，采集从传感器节点发送的感知信号，并将采集到的信息通过短距离无线通信发送给监测系统。

Description

管理地下设施的无线通信系统

技术领域

本发明涉及管理地下设施的无线通信系统，更具体地，涉及管理下述地下设施的无线通信系统：所述地下设施能够在恶劣的地下环境下为无线通信提供其经过精确测量的状态信息。

背景技术

磁场通信是利用区域内的磁场的无线通信系统，该区域由距天线的距离λ/2π限定，在该距离处，电磁场与天线分离，并以电磁波的形式传播到自由空间中。磁场通信在包含金属、水、土壤或倒塌的建筑物残骸的恶劣环境下可靠地工作。

图1是示出了用于磁场通信的磁场区域的产生的示意图。当在偶极子天线的馈电点之间施加AC电压时，产生的电场导致在天线中形成AC电流，并由此产生了磁场。电磁场在距离d处与天线分离并发射到自由空间中，其中d等于λ/2π。此时，发送单元通过利用诸如ASK或BPSK之类的方法调制的磁场发送数据信号，接收单元接收来自发送单元通过磁场发送的数据信号，并且利用ASK或BPSK方法解调数据信号以获得原始数据。

磁场通信在靠近水、土壤或金属的环境中实现了可靠的无线通信；磁场通信被广泛地认为是一种重要的突破RFID/USN技术的限制的无线通信技术。

由于在靠近水、土壤或金属的恶劣环境中的强烈干扰，传统RFID/USN技术遇到了通信困难。表1示出了磁场通信和其他短距离通信的对比。

表1

诸如供水线路、地下水道系统、输电线、输气管道、通信线路、油管、热管的生命线是主要的地下设施，出于保护和美观的目的，这些设施通常被埋设在地下。

但是由于其建设在地下，很难准确地确定这些地下设施的状态。经常地检查这些设施的状况是十分重要的，这是因为一旦上述生命线之一发生故障，影响将是巨大的。

出于这个原因，人们正在研究使用多个传感器在地面上采集地下设施的状态信息的方法，其中，这些传感器是附属于地下设施上的能够感知其状况的传感器。然而，由传感器探测到的感知信号不能够使用利用RFID/USN技术的传统通信方法发送到地面。

发明内容

技术问题

本发明被提出以解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种管理地下设施的无线通信系统，该地下设施能够在恶劣环境下通过附属于埋在地下的设施的传感器节点和位于地面上的信息采集设备之间的磁场通信来采集地下设施的状态信息。

本发明的另一个目的是提供一种管理地下设施的无线通信系统，该系统能够半永久性地运行而不需要替换电池，因为可以利用从信息采集设备发送的磁场通信信号为传感器节点的驱动电源充电。

本发明的另一个目的是提供一种管理地下设施的无线通信系统，该系统能够利用信息采集设备和传感器节点之间的距离信息和信息采集设备的GPS位置信息实现对地下设施的基于位置的监测。

技术方案

根据本发明的一种示例性实施方式的管理地下设施的无线通信系统包括：多个附属于地下设施的传感器节点，所述传感器节点在根据包括唤醒信号的驱动信号探测地下设施的状态信息后，通过磁场通信发送感知信号；以及信息采集设备，所述信息采集设备将驱动信号发送给传感器节点，采集从传感器节点发送的感知信号，并将采集到的信息通过短距离无线通信发送给监测系统。

根据本发明的具体特征的驱动信号由传感器节点的唤醒信号和充电信号组成，并且每个信号具有预定的期间。当接收到唤醒信号时，传感器节点退出空闲模式并探测地下设施的状况，还将状态数据发送给信息采集设备。在状态数据的发送完成之后，传感器节点很快再次进入空闲模式以降低能耗。在空闲模式期间，充电单元利用在驱动信号的充电信号期间接收到的充电信号为传感器节点中的电池充电，该电池被作为驱动电源。

传感器节点由下述设备组成：输出通过探测地下设施状况而得到的感知信号的传感器，所述探测响应于包括在驱动信号中的唤醒信号；通信单元，该通信单元通过磁场通信与信息采集设备之间进行数据的发送和接收；充电单元，用于在充电信号期间为电池充电，所述充电信号期间包括在从信息采集设备发送的驱动信号中；以及控制单元，用于将由传感器在驱动信号的唤醒信号期间探测到的感知信号发送到信息采集设备，并在充电信号期间发送控制信号以通过充电单元为电池充电。

信息采集设备由下述设备组成：磁场通信单元，用于将驱动信号通过磁场通信发送给传感器节点，并接收从传感器节点发送的感知信号；短距离通信单元，用于通过短距离无线通信与监测系统进行数据通信；存储器，用于为每个传感器节点存储由信息采集设备采集到的感知信号；以及控制器单元，用于通过磁场通信单元将携带有唤醒信号的驱动信号按照传感器的感知程序发送给传感器节点，并将采集到的感知信号通过短距离通信单元发送给监测系统，其中感知信号是从磁场通信单元接收的。

根据本发明的附加特征的信息采集设备可以通过分析每个传感器节点的感知信号的信号强度来计算信息采集设备和传感器节点之间的距离，并将该距离信息与感知信号一起发送到监测系统。

根据本发明的附加特征的信息采集设备还可包括GPS接收机单元，用于通过接收从GPS卫星发送的GPS信号计算并输出相应的信息采集设备的位置；通过将GPS接收机单元计算的当前位置信息与感知信号一起发送到监测系统，能够实现对地下设施的基于位置的管理。

本发明的有益效果

由于磁场通信使用低频率，与高频RF或UHF RFID相比，磁场通信具有十分敏感的场衰减特点，并且对于附近障碍的敏感性低得多，障碍例如土壤和水。因此，通过利用磁场通信可以实现高精度的距离测量。

本发明的管理地下设施的无线通信系统通过利用附属于地下设施的传感器节点和位于地面的信息采集设备之间的磁场通信，能够在恶劣环境下方便地采集和监测地下设施的状态信息。

本发明的管理地下设施的无线通信系统可以通过下述方法半永久性地运行而不需要替换电池：将传感器节点中的电池作为驱动电源，并利用从信息采集设备发送的磁场通信信号为电池充电。

本发明的管理地下设施的无线通信系统可通过下述方法提供对地下设施的基于位置的监测：通过分析磁场通信的强度计算信息采集设备和传感器节点之间的相对精确的距离，并利用GPS位置信息。

附图说明

图1是示出了用于磁场通信的磁场区域的产生的示意图；

图2是示出了根据本发明的一种优选示例性实施方式的管理地下设施的无线通信系统的示意图；

图3是根据本发明的一种优选示例性实施方式的传感器节点的框图；

图4是根据本发明的一种优选示例性实施方式的信息采集设备的框图。

具体实施方式

根据参考附图详细描述的优选实施方式，本发明的上述特征和附加特征将变得更加清晰。为了使本领域技术人员能够更加全面的了解和再现本发明，下文将详细描述优选实施方式。

图2是示出了根据本发明的一种优选示例性实施方式的管理地下设施的无线通信系统的示意图。

根据本发明的一种示例性实施方式的管理地下设施的无线通信系统包括：附属于地下设施的多个传感器节点100，其在根据包括唤醒信号的驱动信号探测到地下设施的状态信息的之后通过磁场通信发送感知信号；信息采集设备300，其将驱动信号发送给传感器结点100，采集从传感器节点100发送的感知信号，并将采集的信息通过短距离无线通信发送；监测系统500，用于接收并分析从信息采集设备300发送的感知信号并存储、管理和提供分析的结果；以及由现场管理人员携带的移动终端700，用于接收从信息采集设备300发送的感知信号并提供地下设施的状态信息。

用于管理地下设施的无线通信系统还可以包括无线中继器以将从信息采集设备300发送的采集到的感知信号通过短距离无线通信发送到位于远程位置的监测系统500.

能够通过互联网将监测系统500连接到上述无线中继器，并且监测系统500由下述设备组成：网络服务服务器，其利用通过互联网连接的计算机提供网络服务；数据库服务器，其存储探测到的每个地下设施的状态信息和分析的结果；以及分析服务器，用于为每个地下设施分析感知信号并将分析结果存储到数据库服务器上，或者利用显示设备提供分析结果。

移动终端700可以由PDA或类似于移动通信终端的设备实现，移动终端700接收和分析从信息采集设备300发送的感知信号，并根据分析结果提供每个地下设施的当前状态信息。这种移动终端700由现场管理人员携带，当移动终端700进入信息采集设备300的感知信号的服务范围内时，从信息采集设备300发送的感知信号被接收和分析以利用显示设备提供结果，由此现场管理人员能够方便地监测地下设施的状况。

传感器节点100与诸如水管、下水道、输电线、输气管、通信线路、油管和热管之类的设施一起埋在地下并附着在一起；传感器节点100探测相应的地下设施的诸如温度、温度、压力和裂缝之类的状况并将状态信息通过磁场通信发送到信息采集设备300。此时，感知信号与识别信息一起被发送，识别信息用于确定相应的传感器节点100。将结合图3更详细地描述这种传感器节点100。

图3是根据本发明的一种优选示例性实施方式的传感器节点的框图。如图3所示，本发明的传感器节点100由下述设备组成：传感器101，用于通过探测地下设施的状况生成感知信号，所述探测地下设施响应于包括在驱动信号中的唤醒信号；通信单元103，用于通过磁场通信与信息采集设备300进行数据通信；充电单元107，用于在充电信号期间为电池105充电，所述充电信号包括在从信息采集设备300发送的驱动信号中；以及控制单元109，用于将感知信号通过磁场通信发送到信息采集设备300并生成控制信号以通过充电单元107按照充电期间为电池105充电，其中，感知信号是由传感器101响应于驱动信号中的唤醒信号按照驱动信号中的唤醒期间探测得到的，驱动信号是从信息采集设备300发送的。

根据本发明的具体特征，通过信息采集设备300发送给每个传感器节点100的驱动信号包括唤醒信号和充电信号，每个唤醒信号和充电信号可具有预定期间；其中，驱动信号的充电期间由驱动信号除唤醒期间外的期间组成。

例如，信息采集设备300连续地将驱动信号发送到传感器节点100，但当到了检查地下设施的状况的时间时，携带唤醒信号的驱动信号才被发送。在不需要检查地下设施的状况的期间内，传感器节点100工作在执行最少功能的待机模式下直到其接收到唤醒信号以降低能量消耗。

尽管能够测量地下设施的温度、湿度、压力、裂缝的传感器101足以应付大多数情况，但也可以使用能够测量地下设施除上述参数之外的各种状况的更复杂的传感器101。传感器节点100可由多个传感器而不是一个传感器101组成。

可利用通过磁场通信与信息采集设备300进行数据通信的磁场通信调制解调器实现通信单元103，通信单元103接收并生成从信息采集设备300发送的驱动信号，并将传感器101探测的感知信号发送给信息设备300。

可由小型电池充电器实现充电单元107，从而利用在驱动信号的充电期间驱动信号的静电感应生成的电力为电池105充电，驱动信号是从通信单元103接收的。驱动信号是自信息采集设备300发送的电磁波，因此当通信单元的天线接收到该电磁波时，由于静电感应，电流开始流过天线，充电单元107整流该电流并为电池105充电。

由充电单元107充电的电池105的电力被传感器101用于响应于驱动信号的唤醒信号而检查地下设施的状况，还用于将反映探测到的状况的感知信号通过磁场通信发送给信息采集设备300。

举例来说，可通过利用用于算术运算的微处理器和外围电路单片集成到一个芯片上的微处理器来实现控制单元109，控制单元109控制传感器101的每个元件的运行以响应从信息采集设备300发送的唤醒信号。

当接收到携带唤醒信号的驱动信号时，控制单元109将控制信号发送到传感器节点100中工作在空闲模式下的每个部分以促使其驱动。

当反映温度、湿度、压力和感知信号和裂缝等级的感知信号从传感器101发出时，控制单元109将相应的感知信号发送给通信单元103，感知信号携带其唯一的识别信息，然后通信单元103将相应的感知信号通过磁场通信发送给信息采集设备300。

一旦感知信号的发送完成，控制单元就将控制信号发送给传感器100的每个部分以停止其运行并将其再次切换到空闲模式。此时，充电单元107按照包括充电信号的驱动信号利用由接收到的充电信号的静电感应生成的电力为电池105充电，由控制单元109的控制信号控制所述充电信号。

安装在地面上的信息采集设备300连续地将唤醒信号和携带有充电信号的驱动信号发送给多个传感器节点100，并通过磁场通信采集从单个传感器节点100发送的感知信号，并且将采集到的感知信号通过短距离无线通信发送。这样的信息采集设备300可以表现为小型收发器类型，更优选地，表现为一种半埋式结构。将在下文中结合图4更详细地描述这种信息采集设备300。

图4是根据本发明的一种优选示例性实施方式的信息采集设备的框图。如图4所示，本发明的信息采集设备300由下述设备组成：磁场通信单元301，其将驱动信号通过磁场通信发送给传感器节点100，并接收从传感器节点100发送的感知信号；短距离通信单元303，其通过短距离无线通信与监测系统500进行数据通信；存储器305，其存储信息采集设备300采集的每个传感器节点100的感知信号；以及控制器单元307，用于根据传感器节点100的感知程序将唤醒信号并入驱动信号，将该驱动信号通过磁场通信单元301发送给传感器节点100，采集从磁场通信单元301接收的感知信号，并将该感知信号通过短距离通信单元303发送给监测系统500。

磁场通信单元301通过磁场通信与传感器节点100进行数据通信，并将驱动信号发送到埋在地下的传感器节点100，并发送从多个传感器节点100接收到的感知信号，其中，驱动信号按照控制单元307的控制信号包括唤醒信号和充电信号。

短距离通信单元303利用诸如蓝牙和Zigbee的短距离无线通信协议与监测系统500或移动终端700进行数据通信，并将由磁场通信单元301采集的单个传感器节点100的感知信号发送到监测系统500或移动终端700。短距离通信单元303接收从监测系统500或移动终端700发送的控制信号并将该控制信号发送给控制器单元307。

举例来说，可以由诸如EEPROM或闪存的可读且可写的存储器实现存储器305，存储器305存储从磁场通信单元301接收的单个传感器节点100的感知信号。控制器单元307控制存储在存储器305中的单个传感器节点100的这些感知信号的存取。

与传感器节点100的控制单元109类似，可通过利用用于算术运算的微处理器和外围电路单片集成到一个芯片上的微处理器来实现控制器单元307，控制器单元307生成并发送按照地下设施的感知程序携带唤醒信号的驱动信号。控制器单元307接收从磁场通信单元301发送的感知信号，将对应于每个传感器节点100的感知信号存储到存储器305中，并将对应于每个传感器节点100的所述感知信号通过短距离通信单元303发送给监测系统500或移动终端700。此时，如果信息采集设备300和监测系统500之间的距离太远而不能够进行短距离无线通信，还可以安装连接到监测系统500上的无线中继器。

根据本发明的附加特征，本发明的信息采集设备300通过探测从传感器节点100发送的感知信号(即磁场强度)计算信息采集设备300和传感器节点100之间的距离，并将计算得到的该距离信息和采集到的感知信号一起发送给监测系统500或移动终端700。

控制器单元307通过测量从磁场通信单元301发送的相应于每个感知节点100的感知信号的强度来计算信息采集设备300和传感器节点100之间的距离，并将该距离信息和感知信号一起发送给监测系统500。

如上所述，与其他类型的短距离无线通信相比，磁场通信的强度相对于距离的变化要大得，这个事实意味着：由于在磁场通信系统中，相对于距离的强度变化大，在磁场通信系统中能够更准确地确定发送单元和接收单元之间的距离。相对于磁场通信的地下信号强度的预先测定的距离数据存储在信息采集设备300的存储器305中，然后，控制器单元307能够通过下述方法计算信息采集设备300和传感器节点100之间的距离：测量通过磁场通信单元301接收的感知信号的强度(即磁场强度)，并且将该距离与存储在存储器305中的距离数据相比较。这样计算出的距离信息包括在感知信号中并被发送到监测系统500或移动终端700。

根据本发明的附加特征，本发明的信息采集设备300包括GPS接收机单元309，用于通过接收从GPS卫星发出的GPS信号计算并输出相应的信息采集设备300的位置，并且控制器单元307将GPS接收机单元309计算的当前位置信息与感知信号一起发送。

GPS接收机单元309通过接收从GPS发出的GPS信号计算信息采集设备300的位置信息，并将该计算出的位置信息发送给控制器单元307。由于现在利用GPS信号的位置计算方法已广泛可知，因此略去了对该方法的详细描述。控制器单元307将信息采集设备300的位置信息并入相应于每个单独传感器节点100的感知信号，并将该感知信号通过磁场通信发送，其中，GPS接收机单元309计算信息采集设备300的位置信息。

通过接收通过信息采集设备300发送的信息采集设备300的位置信息、信息采集设备300和传感器节点100之间的距离信息和地下设施的状态信息，并利用监测系统500或移动终端700，可以有效地管理相应的地下设施的状况，同时也可能实现对地下设施的基于位置的管理。

举例来说，对于每条水管来说，可以利用信息采集设备300的位置信息以及信息采集设备300和传感器节点100的距离信息计算各种参数，所述各种参数例如：水管的弯曲程度和倾斜，并且当这些参数被转化为图像时，监测系统500的管理人员能够实现对地下设施的可视化检查。

Claims (15)

1.一种管理地下设施的无线通信系统，该系统包括：

至少一个附属于地下设施的传感器节点，所述传感器节点在根据包括唤醒信号的驱动信号探测地下设施的状态信息后，通过磁场通信发送感知信号；以及

信息采集设备，所述信息采集设备将驱动信号发送给传感器节点，采集从传感器节点发送的感知信号，并将采集到的信息通过短距离无线通信发送给监测系统。

2.如权利要求1所述的管理地下设施的无线通信系统，其中驱动信号包括用于传感器节点的唤醒信号期间和充电信号。

3.如权利要求2所述的管理地下设施的无线通信系统，其中传感器节点还包括：

输出通过探测地下设施状况而得到的感知信号的传感器，所述探测响应于包括在驱动信号中的唤醒信号；

通信单元，该通信单元通过磁场通信与信息采集设备之间进行数据的发送和接收；

充电单元，用于在充电信号期间为电池充电，所述充电信号期间包括在从信息采集设备发送的驱动信号中；以及

控制单元，用于将由传感器在驱动信号的唤醒信号期间探测到的感知信号发送到信息采集设备，并在充电信号期间发送控制信号以通过充电单元为电池充电。

4.如权利要求3所述的管理地下设施的无线通信系统，其中信息采集设备包括：

磁场通信单元，用于将驱动信号通过磁场通信发送给传感器节点，并接收从传感器节点发送的感知信号；

短距离通信单元，用于通过短距离无线通信与监测系统进行数据通信；

存储器，用于为每个传感器节点存储由信息采集设备采集到的感知信号；以及

控制器单元，用于通过磁场通信单元将携带有唤醒信号的驱动信号按照传感器的感知程序发送给传感器节点，并将采集到的感知信号通过短距离通信单元发送给监测系统，其中感知信号是从磁场通信单元接收的。

5.如权利要求4所述的管理地下设施的无线通信系统，其中控制器单元通过分析从磁场通信单元发送的相应于每个传感器节点的感知信号来计算信息采集设备和传感器节点之间的距离，并将该距离信息与感知信号一起发送给监测系统。

6.如权利要求5所述的管理地下设施的无线通信系统，其中控制器单元利用从传感器节点通过磁场通信发送的信号计算传感器节点和信息采集设备之间的距离。

7.如权利要求5所述的管理地下设施的无线通信系统，其中信息采集设备还包括GPS接收机单元，该GPS接收机单元通过接收从GPS卫星发送的GPS信号计算并输出相应的信息采集设备的位置。

8.如权利要求5所述的管理地下设施的无线通信系统，其中控制器单元将GPS接收机单元计算的当前位置信息与感知信号一起发送。

9.如权利要求8所述的管理地下设施的无线通信系统，还包括移动终端，该移动终端接收从信息采集设备通过短距离无线通信发送的感知信号，并将感知结果在其上显示。

10.一种附属于地下设施的传感器节点，该传感器节点通过磁场通信发送感知信号，通过根据驱动信号探测地下设施的状态信息而得到该感知信号，所述驱动信号携带有唤醒信号和充电信号，该传感器节点包括：

传感器，该传感器发送根据唤醒信号探测地下设施的状态信息而得到的感知信号；

通信单元，该通信单元通过磁场通信进行数据通信；

充电单元，该充电单元通过接收充电信号为电池充电，该充电信号并入到从信息采集设备发送的驱动信号中；以及

控制单元，该控制单元将感知信号通过磁场通信发送给信息采集设备，并按照充电期间发送用于通过充电单元为电池充电的控制信号，其中，该感知信号是由传感器根据从信息采集设备按照驱动信号的唤醒期间发送的驱动信号的唤醒信号探测得到的。

11.一种将驱动信号发送给至少一个传感器节点的信息采集设备，所述驱动信号包括唤醒信号和充电信号，所述传感器节点附属于地下设施并通过磁场通信发送通过探测地下设施的状况得到的感知信号，该信息采集设备采集从传感器节点发送的感知信号，并通过短距离无线通信发送采集到的感知信号，该信息采集设备包括：

磁场通信单元，该磁场通信单元通过磁场通信将驱动信号发送给传感器节点，并接收从传感器节点发送的感知信号；

短距离通信单元，该短距离通信单元通过短距离通信与监测系统进行数据通信；

存储器，该存储器存储信息采集设备采集的相应的传感器节点的感知信号；以及

控制器单元，该控制器单元根据传感器节点的感知程序生成驱动信号，将驱动信号从磁场通信单元发送到传感器节点，采集从磁场通信单元接收的感知信号，并通过短距离通信单元将采集到的感知信号发送给控制器单元。

12.如权利要求11所述的信息采集设备，其中控制器通过分析从磁场通信单元发送的与每个传感器节点相应的感知信号计算传感器节点和信息采集设备之间的距离，并将该距离信息与感知信号一起发送。

13.如权利要求12所述的信息采集设备，其中控制器单元利用从传感器节点通过磁场通信发送的信号计算传感器节点和信息采集设备之间的距离。

14.如权利要求12所述的信息采集设备，其中信息采集设备还包括GPS接收机单元，该GPS接收机单元通过接收GPS卫星发送的GPS信号计算信息采集设备自身的位置。

15.如权利要求14所述的信息采集设备，其中控制器单元将GPS接收机单元计算的当前位置信息与感知信号一起发送。

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