CN107787587A - 集成无线通信感测和监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数据通信系统，该数据通信系统包括：能够安装至壳体的外壳，该外壳包括被构造成与该壳体之外的网络进行通信的收发器；能够附接至该外壳的监测装置，该监测装置提供与该壳体内的实时状况相关的数据；控制电子器件，该控制电子器件能够经由该收发器控制传感器数据通信；以及电源，该电源能够至少间歇性地为该收发器供电。

Description

集成无线通信感测和监测系统

背景技术

机器到机器通信对能源、通信和安全市场等等变得越来越重要。在那些工业中使用的监控和数据采集(SCADA)系统依靠来自远程定位的传感器的输入以正确地运作。SCADA系统也可输出信号以致动在现场的远程设备。该设备相当大的一部分位于壳体中和地下，而在这些位置之间提供无线通信可能是个挑战。

用于定位壳体和地下事件或状况的当前方法仍是缓慢且劳动密集的。

发明内容

在本发明的一个方面，一种数据通信系统包括设置在壳体上的收发器，该壳体诸如地下、地面或地上壳体。该收发器包括外壳，该外壳能够安装至入口端口，其中收发器被构造成与壳体之外的网络通信。数据通信系统还包括设置在壳体中的监测装置，诸如传感器，该监测装置提供与壳体内的实时状况相关的数据。数据通信系统还包括控制电子器件以经由收发器控制传感器数据通信。在本发明的一个方面，数据通信系统还包括位于外壳内的电源，该电源用于为收发器供电。

在另一方面，传感器检测以下项目中的至少一者：温度、易燃材料或燃烧副产品、机械应变、机械移动、湿度、土壤状况、压力、危害性大气环境、液体流、渗漏、部件寿命终止或寿命、人员存在、物理状态、光照水平和振动。

在另一方面，收发器单元包括硬化型地上天线和无线电部件。在另一方面，收发器被构造成将传感器信息向上游发送至节点或地上的云服务器。在另一方面，传感器数据包括周期性状态通知和异步告警通知中的一者或多者。

在另一方面，入口端口包括人孔盖。在另一方面，收发器外壳固定至人孔盖，并且收发器外壳的一部分延伸穿过形成于入口盖中的孔。在另一方面，延伸穿过形成于入口盖中的孔的收发器外壳部分与入口盖的顶部表面基本上齐平。

在另一方面中，壳体包括地下保险库。在另一方面中，壳体包括地面或地上壳体。

本发明的上述发明内容并不旨在描述本发明的每个例示的实施方案或每个具体实施方式。附图及其后的详细描述更特别地举例说明这些实施方案。

附图说明

在下文中，将引用非限制性示例并且参考附图对本发明进行部分描述，在附图中：

图1为根据本发明的一个方面的数据通信系统的局部剖视图。

图2为根据本发明的另一方面安装至人孔盖的数据通信系统的局部剖视图。

图3A和图3B为根据本发明的其它方面的安装至电子器件机柜的数据通信系统的另一个视图。

图4为根据本发明的另一方面的数据通信系统的侧视图。

图5为根据本发明的另一方面的示例通信过程的流程图。

虽然本发明可修正为各种修改形式和可替换的形式，但其具体形式已在附图中以举例的方式示出，并且将做详细描述。然而，应当理解，不旨在将本发明限制于所描述的特定实施方案。相反，其目的在于涵盖落入如由所附权利要求书所限定的本发明的范围之内的所有修改、等同形式和可替换的方案。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考了作为本文组成部分的附图，并且在附图中以举例说明的方式示出了其中可实践本发明的具体实施方案。就这一点而言，方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“前端”、“向前”和“后端”等参考所描述的一个或多个附图的取向来使用。因为本发明实施方案的部件可以定位成多个不同取向，所以方向性术语用于说明的目的，并且不具有任何限制性。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可利用其它实施方案，并且可进行结构性或逻辑性的改变。因而，不能认为以下的详细描述具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。

在本发明的一个方面，数据通信系统包括集成无线通信网络模块，该集成无线通信网络模块具有通信部件或网关、微控制器或微处理器单元、电源以及可内置于或附接至(通过接口连接器面板)壳体诸如IP68级壳体或设备机柜的电子器件。数据通信系统还可包括集成传感器和/或用于将一个或多个(附加的)传感器直接连接/附接至数据通信系统的端口或接口。任选地，数据通信系统还包括内置GPS功能。模块可被模制或机加工成能由热塑性塑料或其它类型的模制材料制成。集成数据通信系统被设计为模块化且灵活的系统，其能够根据需要连接多种类型的传感器。在一些方面，传感器可通过由数据通信系统接收的软件更新进行远程配置。在一个方面，集成数据通信系统包括传感器软件狗，该传感器软件狗可将传感器头部延伸至地下环境中的各种位置。在另一方面，集成数据通信系统包括可在地面延伸的传感器。此外，虽然集成数据通信系统可在壳体诸如人孔和保险库中操作，但是它也可为独立装置，可用于诸如监控交通、桥梁声学和灌溉测绘等各种应用中。

具体地讲，在一个方面，收发器包括物理上稳健的天线和无线电部件。该天线/收发器可采集来自一个或多个监测装置/传感器的信号组合，该一个或多个监测装置/传感器提供关于环境、部件以及地下壳体内的其它状况的实时数据。收发器可与地上网络元件诸如无线接入点、移动无线电单元和私人无线电部件进行通信。收发器可设置或嵌入在凸起或齐平安装的结构中。另外，多个天线(例如，发射/接收WiFi、GPS、移动无线电等信号的天线)可设置在单一稳健结构中。

图1示出本发明的一个方面，即数据通信系统100。在这一方面，数据通信系统100为地下数据通信系统。通信系统100设置在示例性地下壳体诸如地下保险库中。在该示例实施方式中，保险库包括多种电气设备。

数据通信系统包括收发器140，其被构造成与壳体之外的网络进行通信。收发器140安装在外壳110内，该外壳能够安装至入口端口、壳体或设备机柜。外壳可包括盖或顶部部分115和底部部分118。数据通信系统包括天线147和无线电部件。数据通信系统还包括用于控制通信操作、内容和时间的微控制器或微处理器120。此外，数据通信系统还包括一个或多个监测装置或传感器130，其可集成在外壳内或者可经由独立的接口卡(参见例如图4)进行安装，该接口卡能够附接至外壳，提供与壳体内的实时状况相关的数据。作为全集成单元，数据通信系统还可包括电源(诸如电池、铁电装置、超级电容器、能量收集器或光伏装置)，以至少间歇性地为收发器140供电。

在一个方面，收发器140可以模块化方式安装/设计以具有针对不同应用程序将各种附加传感器安装在多个封装中的灵活性。

如图2所示，壳体或保险库可从地上经由包括人孔盖50的进口或入口端口55进入，该人孔盖可由金属或非金属形成，并可具有常规的圆形形状。在一个方面，人孔盖50可安装在入口端口55的环、框架或凸缘结构52上。此外，收发器140的外壳110的顶部部分(盖115)可被设计成与入口盖50的顶部表面基本上齐平。这样就降低了外部元件损坏收发器的风险。在一些方面，安装结构119可用于从壳体内部将数据通信系统100固定至人孔盖50。

在这一方面，保险库可被构造为常常由电器设施、气体设施、水设施和/或其它设施使用的常规地下保险库。然而，在另选的方面中，数据通信系统100可用于另一类地下壳体或类似结构中，诸如人孔、地下室、地窖、凹坑、掩蔽所、管线或其它地下壳体。

如上所述，数据通信系统还包括至少一个监测装置或传感器，该至少一个监测装置或传感器可监测保险库或位于保险库或设备机柜中的部件或设备的物理状况。此类状况将通常难以从地上或机柜之外采集或估计。如本文所述，数据通信系统可提供通信基础结构，以在服务技术人员不物理上进入保险库/机柜确定以那些状况的情况下将状况信息中继至地上/外部网络或SCADA。在一些情况下，数据通信系统可提供一种与某种结构来回进行无线通信的装置，该结构通过以其它方式阻止与结构的内部部分来回进行直接无线通信的方式构造。

因此，设想诸如图4所示的监测装置或传感器130可包括以下传感器中的一者或多者：温度、易燃材料或燃烧副产品、机械应变、机械移动(例如，每分钟转数)、湿度、土壤状况(酸性、含水量、矿物质含量)、压力、危害性大气环境、液体流、渗漏、部件寿命终止或寿命(例如，阴极保护传感器)、人员存在(例如，已经有人进入该壳体)、物理状态(例如，壳体打开或闭合、门打开或闭合、开关或阀门打开或闭合、物品已经被篡改)、光传感器、振动(地震、强夯)。例如，数据通信系统可利用一系列环境传感器诸如气体(例如，CH4、H2S、CO等)、水和温度(或湿度)来实现。每个传感器可具有硬件可编程的唯一I2C地址。此外，传感器可各自具有一个或多个延伸至环境中的独立探头(例如，它们可被密封以在某些应用中持续浸没)。

在本发明的另一方面，数据从传感器或监测装置传送至位于壳体之外的网络或SCADA。该通信可经由收发器140实现。数据通信系统可解释监测装置/传感器信息以确定环境状况，诸如危害性气体的存在、水分、粉尘、化学组成、腐蚀、害虫存在，以及更多。另外，数据通信系统可将聚集的信息向上游发送，诸如周期性状态或异步告警通知至另一聚集节点或地上的云服务器。数据通信系统还可响应由上游聚集节点或云(例如SCADA)服务向网关单元发送的消息。来自上游节点或云服务的典型命令可包括“传输状态”、“执行动作”、“设定配置参数”、“加载软件”等。

在若干方面，收发器140包括耦接至无线电部件的环境硬化型天线147，该无线电部件与广泛使用的地上无线通信网络诸如WiFi、WiMax、移动电话(3G、4G和LTE)、专用授权频带等进行通信。可使用的一种示例天线为可购自锐锋公司(taoglas,www.taoglas.com)的传统蜂窝/GPS安装天线。在一个方面，除了无线电部件和天线部件之外，收发器单元140还可包括处理器、数据存储单元、通信接口、电源和人机接口装置。

外壳110可以是密封结构并可包括一个或多个外壳部分，诸如盖115和底部部分或底板118。外壳部分中的至少一些可由可模制的塑性材料制成。外壳可由稳健的厚外壳材料形成。外壳部分的材料可以抵御侵蚀性物质。外壳可以被密封以保护包含在其内的无线电部件、天线和其它部件。通过使用合适材料的密封，诸如含石墨的材料，可另外提供抵御侵蚀性物质(例如汽油或油)的密封件，这些物质可存在于外部环境中。

此外，底板118还可被构造成附接于机柜，诸如图3A所示，其中数据通信系统100安装至设置在机柜103上的独立安装盒104上。另选地，如图3B所示，数据通信系统100可直接安装至机柜103上。

在一个另选的方面，外壳110可以被构造为由可被模制、加工或浇铸的高耐冲击树脂制成的射频透明的路面标记物。一种示例性另选的构造在美国专利6,551,014中有所描述，该专利以引用的方式全文并入本文。在该另选方面中，可修改标记物的反射率以视觉上指示保险库中设备的状态。例如，闪烁光或非闪烁光可指示正常/异常状态。另外，缓慢闪烁的标记物光可指示警告，并且/或者快速闪烁光可指示危险状况。在该示例中，液晶滤光器可安装在反射器前面，并且可用微处理器调制LC极性。另选地，可直接调制内部光源，例如LED。

收发器单元可由热塑性塑料模制而成，通过机加工、挤出制成，或者可通过传统的制造工艺制成。另外，收发器单元的任何表面或面(例如，顶部表面)可用特殊涂层、喷雾、层压件、反射涂层或其它类表面膜(诸如微复制工艺)进行处理。此类表面处理使收发器单元能够用于其它应用，诸如太阳能储存、照明、吸热器(能量)、标牌、环境感测、化学感测和声音检测。

容纳在外壳110内的电气部件或电子部件可以是有源的、无源的或者既是有源的又是无源的两者。另外，所利用的天线设计类型可考虑到用于形成人孔盖50的构造和材料。在一个优选的方面，人孔盖50包括标准的常规人孔盖，因为各种尺寸和组成的现有人孔盖可以容易地修改以适配收发器/天线。

因此，通过该构造，如果监测装置130感测到故障或问题状况，则收发器单元140可将实时故障位置信息传送至电力设施网络或SCADA系统。

数据通信系统还包括微控制器或微处理器120，该微控制器或微处理器可设置在独立的控制电子器件板121上，诸如图1所示。微控制器或微处理器120可包括能够提供对收发器140和监测装置或传感器130的操作控制的一个或多个芯片或电子装置。此外，控制器芯片可被构造成仅需要较低的功率电平，大约小于10W。数据通信系统可将极低功率(例如，<3W)的高度计算性芯片集与时间同步事件和可配置的传感器130集成。此外，在一个方面，GPS能力以及时间同步事件的集成有助于通过以设定的阈值进行的早期检测以及通过针对关键结构性或设施部件的各种初期应用程序/故障/衰退的算法来找出问题状况。

微控制器或微处理器120以及监测装置或传感器130中的一者或两者可包括适当的电路和/或电子器件以读取传感器数据、分析数据、聚集数据、分类数据、基于数据推断状况，以及基于数据采取动作。此外，数据通信系统可为事件相关性提供时钟源(未示出)。

在本发明的一个另选的方面，如图4所示，数据通信系统100’可包括传感器接口卡或板132，该传感器接口卡或板允许连接一个或多个传感器并且能够与控制电子器件板进行通信。例如，传感器130可安装至接口卡或板132。传感器130可设置有传感器软件狗133，该传感器软件狗可使传感器头部137延伸至地下环境的各种位置。还示出了附加的传感器接口插座131b和131c。另外，传感器134可耦接至接口卡或板132并且可包括传感器延伸机构135以进一步延伸传感器头部137的可及范围。

在一个另选的方面中，可用于容纳收发器的至少一些部件的示例结构在美国专利8,135,352中有所描述，该专利以引用的方式全文并入本文。

在另一方面中，多个天线可嵌入相同外壳110(或外壳部分)中，从而允许地上的多种通信方法。例如，WiFi和4G天线可与GPS天线一起嵌入相同的地上天线外壳中，以提供多网络连接与GPS定位和定时信息。蓝牙天线可嵌入外壳中以向靠近收发器/网关单元的人员提供本地通信。例如，驱动收发器/网关单元的技术人员可使用蓝牙直接读取下面保险库中的传感器。RFID天线可嵌入地上外壳中以允许用RFID阅读器读取地下传感器数据。

此外，屏蔽部件125可设置在天线147和控制电路120之间以保护电子器件免受天线或外部干扰。

在另一方面中，可通过各种装置向地下数据通信系统100的部件供电。在这一方面，收发器140包括额定使用至少12-15年的大型一次电池。电池(未示出)可安装在电路板121的下侧。在这一方面，通信系统100可被构造成通过在周期基础上工作来节省收发器140所用的电力。例如，除例如每天一次状态检查之外，传感器可被编程为仅当发生关键的问题性事件时才向收发器140发送信号。

在另一另选的方面，地下壳体还可包括靠近收发器140安装的无线电力发射器。无线电力发射器可(经由电感耦合，诸如近场电感耦合)将电力无线地传输至收发器。例如，无线电力发射器可包括与位于收发器140中的第二电感器耦接的第一(一次)电感器。可经由安装在地下壳体内的铰接支撑臂使无线电力发射器靠近收发器140。在一个方面，无线发射器可置于工作位置，在该位置处，与收发器140的距离可比所使用的载波频率的约1/3波长近。无线电力发射器和收发器内的天线定位可根据状况进一步优化。

在另一方面，可采用太阳能电池板以涓流形式为电池、可安装在主电路板上的储能芯片或其它内部部件供电。另选地，压电换能器可用于将在壳体内发现的机械振动转化成可存储在电池或超级电容器中的电能。例如，常规的压电换能器可购自美迪公司(Mide,www.mide.com)。此类额外的能量储存可延长系统100中所包括的电源/一次电池的使用寿命。

更详细地，图5提供了示例通信流程图，该流程图示出涉及传感器、收发器和网络诸如移动客户端应用的示例通信方案。在图5的示例中，根据所利用的传感器的类型，传感器测量结果可由有源传感器自身进行处理。传感器通过执行一种或多种分析模式来处理测得的信号。在该示例中，传感器可记录实时状态的测量结果(步骤362)。传感器确定是否要将格式化的数据传送至收发器(步骤364)。如果否，则在步骤366中，传感器确定它是否应分析数据。如果不分析数据，则将数据发送至数据存储装置(步骤374)。如果要分析数据，可执行分析和/或事件检测(步骤368)。基于分析，将数据存储于存储器中(步骤374)。

如果要将数据传送至壳体之外，则在步骤375中，(无线地或通过通信线)将格式化/测得/经分析的数据传送至收发器。在这一方面，收发器140通常保持在睡眠模式(步骤380)并且将在从传感器接收至数据存储装置中所存储的数据信号(步骤376)时，被通知唤醒(步骤377)。否则，在这一方面，收发器在预定时间唤醒。

在步骤378中，决定传输数据。如果不发送数据，收发器可置回睡眠模式(步骤380)。数据包被格式化并经由标准或私有电信协议(步骤399)从收发器传输至云数据服务或SCADA(步骤398)。接收数据的实体(例如，操作中心或服务车辆)可然后根据来自收发器/网关单元的通知采取动作。例如，WAN接收器(例如，移动接收器单元，诸如拥有加载有适当应用程序的通信装置的服务技术人员，或服务提供商的操作中心)可接收来自收发器的封包数据、查询、解密和/或解码信息(步骤390中)。该信息可藉由Web应用程序的数据消耗(步骤396)，经由互联网或网络通信装置(步骤395)从/向云数据服务或SCADA(步骤398)传送。例如，在步骤396中，可进行表示性状态传输，从而创建、读取、更新和/或删除服务器上的信息。

在一个方面，此类通信系统允许设施公司准确地定位事件或状况位置，因此节省了进入和物理上检测电网内多个保险库位置的时间和花费。此外，该通信系统允许设施直接与特定壳体和/或收发器通信以重新配置或更新系统设置、表格、电力和环境感测的阈值。

类似于上文所述，在另选的方面，如图3A和图3B所示，数据通信系统100可在地上环境中实现，诸如低电压线缆、中电压线缆或高电压线缆109从地下进入并且暴露在地面设备中的地方。传感器线可通过端口107进入或伸出独立安装盒104机柜103。数据通信系统100可包括一个或多个传感器诸如传感器130a和130b，并且可直接安装至机柜103或独立的安装盒104。例如，可使用这些通信系统中的一个或多个的地面或地上装置包括例如电力或配电变压器、电机、开关装置、电容器组和发电机。此外，这些通信系统中的一个或多个可在自监测应用程序中实现，该自监测应用程序诸如桥梁、天桥、车辆和标志监测、地铁、大坝、隧道和建筑物。监测装置自身可需要功率非常低的计算能力，该计算能力由事件发生、识别、定位以及经由自供电单元采取的动作来驱动。此外，GPS能力以及时间同步事件的集成有助于通过以设定的阈值进行的早期检测以及通过针对关键结构性或设施部件的各种初期应用程序/故障/衰退的算法来找出关键问题。另一变量是能够用在相当危险的应用程序中的非破坏性机械构造。

数据通信系统可被构造为模块化或可升级的单元。此类模块化单元可允许经由一个或多个接口端口保护或隔离模块附接。如图4所示，多个传感器连接至数据通信系统100’。此类构造可允许监测各种附加环境传感器，该附加环境传感器可检测诸如气体、水、振动、温度、氧含量等参数。软件狗或连接器组件还可包括即插即用电路以用于自动识别和认出所插入的感测模块(并自动设置正确的同步、定时及其它适当的通信条件)。

在一个方面，此类通信系统允许设施公司准确地定位地下事件，因此节省了进入和物理上检测电网内多个保险库位置的时间和花费。另外，执行适当的本地动作可迅速恢复对顾客的服务并防止对电网自身的进一步损坏。

现已参考若干独立的实施方案描述了本发明。上述具体实施方式已被给出仅用于清楚地理解本发明。不应将之理解为或用作不必要的限制。对右、左、前、后、上和下的参考以及对方向的参考仅是示例性的，并且不限制受权利要求书保护的发明。在不脱离本发明范围的情况下，在所描述的实施方案中进行许多修改对本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围不应受本文所述细节和结构的限制，而是仅受权利要求的语言描述的结构及其那些结构的等同物的限制。

Claims (15)

1.一种数据通信系统，包括：

能够安装至壳体的外壳，所述外壳包括被构造成与所述壳体之外的网络进行通信的收发器；能够附接至所述外壳的监测装置，所述监测装置提供与所述壳体内的实时状况相关的数据；控制电子器件，所述控制电子器件经由所述收发器控制传感器数据通信；以及电源，所述电源在至少间歇性基础上为所述收发器供电。

2.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中所述监测装置包括传感器。

3.根据权利要求2所述的数据通信系统，其中所述传感器检测以下项目中的至少一者：温度、易燃材料或燃烧副产品、机械应变、机械移动、湿度、土壤状况、压力、危害性大气环境、液体流、渗漏、部件寿命终止或寿命、人员存在、物理状态、光照水平和振动。

4.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中所述收发器单元包括硬化型地上天线。

5.根据权利要求4所述的数据通信系统，其中所述收发器单元还包括无线电部件。

6.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中所述收发器被构造成将聚集的信息向上游发送至另一聚集节点或地上的云服务器。

7.根据权利要求6所述的数据通信系统，其中所聚集的数据包括周期性状态通知和异步告警通知中的一者或多者。

8.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中所述收发器被构造成响应由上游的聚集节点或云发送至所述收发器的消息。

9.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中所述壳体包括地下壳体。

10.根据权利要求9所述的数据通信系统，其中所述外壳能够安装至所述地下壳体的入口端口，其中所述入口端口包括人孔盖和用于接收所述人孔盖的环部分。

11.根据权利要求9所述的数据通信系统，其中所述收发器外壳基本与所述人孔盖的顶部表面齐平。

12.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中所述壳体包括地面或地上壳体。

13.根据权利要求1所述的数据通信系统，还包括被构造成连接至一个或多个环境传感器的多个接口端口。

14.根据权利要求13所述的数据通信系统，其中至少一个接口端口提供软件狗连接。

15.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中所述电源包括电池、铁电装置、超级电容器、能量收集器和光伏装置中的一者。