CN113611064A - 一种无人值守的震动-磁-声传感器节点 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人值守的震动‑磁‑声传感器节点，节点采用双微处理器系统，双微处理器系统由第一微处理器和第二微处理器通过串口连接而成；第一微处理器连接有目标探测器、震动信号发生器、磁场发生器和声波发生器，目标探测器包括震动传感器、磁异常探测器、话音检测器；第二微处理器连接有无线通信模块，无线通信模块用于实现节点之间或节点与外部手持终端的双向通信。本发明的传感器节点体积小、功耗低、具有环境自适应功能。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种无人值守的震动-磁-声传感器节点。
背景技术
近三十年来，国内外陆续研发出了多种具有无线组网功能的震动传感器节点、震动-声音传感器节点、震动-磁传感器节点、震动-声音-磁传感器节点以及微波雷达和微波雷达-摄像机节点，用于探测人和车辆等入侵目标，这些节点统称为无线传感器网络(WSN)节点，也称为无人值守地面传感器(T-UGS)节点。
例如：美国陆军的AN/PRS-9A型战场反入侵系统(BAIS-i)，是迄今为止目前应用最广泛、成效最显著的战术型无人值守地面传感器系统，BAIS-i由若干个小型无尾椎磁电式震动传感器节点和一部AN/PSQ-16型手持监视/发射器所组成，可在各种地形、极端温度与恶劣环境下工作，具有人员/车辆监视、入侵预警与威胁分类等功能。但其无法根据节点布放区域的环境如地质地貌等进行自适应调节，灵敏度和虚警率都有待提高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种体积小、功耗低、具有环境自适应功能的无人值守的震动-磁-声传感器节点，以克服现有的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，所述节点安装在一节点壳体内部，所述节点设有供电电源和双微处理器系统，所述双微处理器系统由第一微处理器和第二微处理器通过串口连接而成；所述第一微处理器和第二微处理器分别连接若干功能模块；
所述第一微处理器连接有目标探测器、震动信号发生器、磁场发生器和声波发生器，所述目标探测器包括震动传感器、磁异常探测器、话音检测器；所述目标检测器均配置有自适应信号调理电路，所述自适应信号调理电路用于所述目标检测器的自检、信号增益和警戒阈值的自适应调节；
所述第二微处理器连接有无线通信模块，所述无线通信模块用于实现所述节点之间或所述节点与外部手持终端的双向通信。
进一步地，所述供电电源采用锂电池和太阳能电池板混合供电，所述供电电源采用PMOS管电子开关控制节点中各功能模块的电源的开启或关闭。
进一步地，所述震动传感器用于探测地面微震动；所述磁异常探测器用于探测铁磁体移动目标；所述话音检测器用于探测说话声。
进一步地，所述无线通信模块包括VHF无线通信模块和BLE无线通信模块，所述VHF无线通信模块用于实现所述节点之间的双向通信，所述BLE无线通信模块用于所述节点与手持终端之间的双向通信。
进一步地，所述第一微处理器还连接有铁电存储器，所述铁电存储器用于存放所述节点的命令字典、参数以及缓存采样数据。
进一步地，所述第一微处理器还连接有雨声检测器，所述雨声检测器用于检测雨点落在所述节点壳体上的雨滴声以及触发关闭所述震动传感器和话音检测器的电源。
进一步地，所述第二微处理器还连接有时钟日历模块，所述时钟日历模块用于记录目标探测时刻以及同步各节点间的时间。
进一步地，所述第二微处理器还连接有电池电量检测器，所述电池电量检测器用于实时监测电池的电量。
进一步地，所述第二微处理器还连接有电磁蜂鸣器和防侵入检测器，所述电磁蜂鸣器用于指示所述节点中各功能模块的初始状态，所述防侵入检测器用于判断所述节点布放期间是否倾倒或被盗。
进一步地，所述第一微处理器和第二微处理器均设有Micro USB接口和SWJ端口，所述Micro USB接口和SWJ端口用于所述双微处理器系统应用程序的开发与调试。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
1、本发明的节点采用双微处理器系统(第一微处理器和第二微处理器)分别管理与控制目标探测器与无线通信模块，在任意时刻都可保持T-UGS节点与监控终端(或中继节点/基站节点)之间的通信联络，且在不改变系统自组网应用程序的前提下，即可实现目标探测器的更新换代(更换第一微处理器)；此外，还可同时进行目标探测与无线组网通信，避免了二者交替工作而可能出现的目标漏检或无线通信不畅的现象，且简化了系统应用程序设计的复杂度；
2、采用异构传感器数据融合的目标探测与识别方案，极大降低了无人值守地面传感器系统的虚警概率，同时结合配置的微震动-交变磁场-声波信号源，可根据节点布放区域的外部条件(如地貌)，自动调节目标探测器的信号增益和警戒阈值，使得不论在何种外部条件下，目标探测器的灵敏度和警戒阈值均能达到最佳值，进而极大地提高目标探测器的灵敏度和检测概率；
3、由于节点中的震动传感器和话音检测器会受雨天气象影响，利用安装在T-UGS节点壳体内部的雨声检测器，来检测雨滴敲打壳体发出的响声，就可在中雨天气象条件下，触发关闭震动传感器和话音检测器的电源，以降低无人值守地面传感器系统的虚警概率；
4、采用可开启/关断的电源为目标探测器和其他功能模块供电，结合PMOS管电子开关控制节点中各功能模块的电源的开启或关闭，以实现T-UGS节点中目标探测器和各个功能模块的分时运行，进而降低T-UGS节点的功耗；
5、采用电磁蜂鸣器指示T-UGS节点中目标探测器和各种功能模块的初始状态，无需查看监控终端即可了解节点是否存在故障，从而实现节点的快速布放。
附图说明
图1为本发明的节点结构图；
图2为PMOS管电子开关电路图；
图3为自适应信号调理电路，其中，图3(a)为目标探测器的波形包络输出电路，图3(b)为目标探测器的信号增益及警戒阈值调节电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，所述节点安装在一节点壳体内部，所述节点设有供电电源和双微处理器系统，如图1所示，所述双微处理器系统由第一微处理器(MCU-1板卡)和第二微处理器(MCU-2板卡)通过串口连接而成；所述第一微处理器和第二微处理器分别连接若干功能模块；
所述第一微处理器(MCU-1板卡)连接有目标探测器、震动信号发生器、磁场发生器和声波发生器，所述目标探测器包括震动传感器、磁异常探测器、话音检测器；所述震动传感器用于探测地面微震动；所述磁异常探测器用于探测铁磁体移动目标；所述话音检测器用于探测说话声；所述目标检测器均配置有自适应信号调理电路，所述自适应信号调理电路用于所述目标检测器的自检、信号增益和警戒阈值的自适应调节；
所述第二微处理器(MCU-2板卡)连接有无线通信模块，所述无线通信模块用于实现所述节点之间或所述节点与外部手持终端的双向通信。
本实施例选用高灵敏度低频地震检测器、高灵敏度巨磁阻抗(GMR)芯片和高灵敏度电容驻极体麦克风作为探头，设计了基于波形包络输出电路(如图3(a)所示)和信号增益及警戒阈值调节电路(如图3(b)所示)的如图3所示的自适应信号调理电路，以及与之配套的微震动信号发生器、交流磁场信号发生器和话音信号发生器，不仅实现了T-UGS节点中目标探测器的自检功能以及信号增益和警戒阈值的自适应调节，而且降低了微处理器系统的采样速率及其信号特征提取的复杂度，具体地，由高灵敏度低频地震检测器及其自适应信号调理电路组成的微震动传感器，无需安装尾椎插入土质地面，就可探测到8米以内人员行走所引起的地面微震动；由三轴灵敏度巨磁阻抗芯片及其自适应信号调理电路组成的标量磁异常探测器，可探测100米以内的运行车辆；由高灵敏度防水型电容驻极体麦克风及其自适应信号调理电路组成的话音检测器，可以检测到5米以内正常说话声，采用这种基于异构传感器数据融合的目标探测与识别的方案，可极大降低无人值守地面传感器系统的虚警概率，提高T-UGS节点的目标检测概率。
图3(a)为目标探测器的波形包络输出电路，其中，电容器C1和电阻R1构成高通滤波器；低功耗运算放大器(U1)、二极管D、电阻R2、R3、R4和电容器C2构成包络检波器，其充电时间常数为τ1＝R2×C2，放电时间常数为τ2≥(R3//R4)×C2，且有τ2>>τ1，这里，引入肖特基二极管SD的主要作用是降低幅值包络信号的直流分量；图3(b)为目标探测器的信号增益及警戒阈值调节电路，其中，低功耗运算放大器(U1)、电阻R1、R2、R3和IIC数控电位器(U2-1/2)构成增益可控的同向放大器；电阻R4和电容C1构成一阶低通滤波器(截止频率小于10Hz)；低功耗比较器(U3，OTC输出)、IIC数控电位器(U2-2/2)和电阻R5构成阈值可控的比较器电路，电容器C2用于滤除阈值噪声，电阻R6和发光二极管VD用于显示比较器的输出状态。
所述供电电源采用锂电池和太阳能电池板混合供电，如图2所示，所述供电电源采用PMOS管电子开关控制节点中各功能模块的电源的开启或关闭，以实现T-UGS节点中目标探测器和各个功能模块的分时运行，进而降低T-UGS节点的功耗，按每天向外(监控终端)发送1000条报警信息，采用5200mAH锂电池供电，该节点可持续工作30天以上。
本节点采用超低功耗电子元器件组成各种应用电路；采用可开启/关断电源作为目标探测器和其他功能模块的供电电源；采用微处理器系统和无线通信模块的休眠-唤醒模式，通过这些措施，能最大限度地降低T-UGS节点的功耗。
所述无线通信模块包括VHF无线通信模块(高频无线通信模块)和BLE无线通信模块(蓝牙无线通信模块)，所述VHF无线通信模块用于实现所述节点之间的双向通信，所述BLE无线通信模块用于所述节点与手持终端之间的双向通信。
所述第一微处理器还连接有铁电存储器和雨声检测器，所述铁电存储器用于存放所述节点的命令字典、参数以及缓存采样数据；所述雨声检测器用于检测雨点落在所述节点壳体上的雨滴声，在中雨、大雨或暴雨的气象条件下，可触发关闭所述震动传感器和话音检测器的电源，以降低无人值守地面传感器系统的虚警概率。
所述第二微处理器还连接有时钟日历模块、电池电量检测器、电磁蜂鸣器和防侵入检测器；所述时钟日历模块用于记录目标探测时刻以及同步各节点间的时间；所述电池电量检测器用于实时监测电池的电量；所述电磁蜂鸣器用于指示所述节点中各功能模块的初始状态，通过微处理器系统控制蜂鸣器发出不同的响声，来指示UGS节点中各功能部件的初始状态，方便节点的快速布放；所述防侵入检测器用于判断所述节点布放期间是否倾倒或被盗。
所述第一微处理器和第二微处理器均设有Micro USB接口和SWJ端口，所述MicroUSB接口和SWJ端口用于所述双微处理器系统应用程序的开发与调试。
本实施例的节点基本配置如下：
(1)无尾椎微震动传感器、三维磁异常探测器、话音检测器、雨声检测器和Tamper传感器；
(2)检测模式：人/动物、车辆运动引起的地面震动；语音和雨声；铁磁体移动引起的磁异常；
(3)LoRaTM直序扩频(160～170MHz)LoRa无线通信模块，PCB天线；
(4)BLE4.2/5.0蓝牙模块，PCB天线；
(5)AES128或256位加密；
(6)2个USB接口；
(7)扁平纽扣振动电机(微振动信号发生器)；
(8)动圈式蜂鸣器；
(9)3.7V锂电池供电(5.2Ah，有效工作时间大于30天)；
(10)规格：72×52×33mm(可定制)；重量：140g(可定制)；
(11)工作温度：-25℃～65℃；
(12)防护等级：IP67。
本实施例是一款微小型、低功耗、高灵敏度智能传感器节点，采用手工布放方式，将该节点布放在重要设施周围或边境线要道上，可用于探测与识别人和车辆等入侵目标。本节点的MCU_1板卡主要用于控制、调度、管理目标探测器，实现探测器信号调理电路增益和警戒阈值的自适应调节、数据采集与处理、目标特征提取与识别、电源的节能调度与管理；MCU_2板卡主要用于实现T-UGS节点的无线通信与自组网。此外，该T-UGS节点还具有远程配置节点参数和通信模式等功能，既可作为目标探测器节点，又可作为中继、中继/探测节点或基站节点使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述节点安装在一节点壳体内部，所述节点设有供电电源和双微处理器系统，所述双微处理器系统由第一微处理器和第二微处理器通过串口连接而成；所述第一微处理器和第二微处理器分别连接若干功能模块；
所述第一微处理器连接有目标探测器、震动信号发生器、磁场发生器和声波发生器，所述目标探测器包括震动传感器、磁异常探测器、话音检测器；所述目标检测器均配置有自适应信号调理电路，所述自适应信号调理电路用于所述目标检测器的自检、信号增益和警戒阈值的自适应调节；
所述第二微处理器连接有无线通信模块，所述无线通信模块用于实现所述节点之间或所述节点与外部手持终端的双向通信。
2.如权利要求1所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述供电电源采用锂电池和太阳能电池板混合供电，所述供电电源采用PMOS管电子开关控制节点中各功能模块的电源的开启或关闭。
3.如权利要求2所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述震动传感器用于探测地面微震动；所述磁异常探测器用于探测铁磁体移动目标；所述话音检测器用于探测说话声。
4.如权利要求2所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述无线通信模块包括VHF无线通信模块和BLE无线通信模块，所述VHF无线通信模块用于实现所述节点之间的双向通信，所述BLE无线通信模块用于所述节点与手持终端之间的双向通信。
5.如权利要求3所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述第一微处理器还连接有铁电存储器，所述铁电存储器用于存放所述节点的命令字典、参数以及缓存采样数据。
6.如权利要求5所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述第一微处理器还连接有雨声检测器，所述雨声检测器用于检测雨点落在所述节点壳体上的雨滴声以及触发关闭所述震动传感器和话音检测器的电源。
7.如权利要求4所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述第二微处理器还连接有时钟日历模块，所述时钟日历模块用于记录目标探测时刻以及同步各节点间的时间。
8.如权利要求7所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述第二微处理器还连接有电池电量检测器，所述电池电量检测器用于实时监测电池的电量。
9.如权利要求8所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述第二微处理器还连接有电磁蜂鸣器和防侵入检测器，所述电磁蜂鸣器用于指示所述节点中各功能模块的初始状态，所述防侵入检测器用于判断所述节点布放期间是否倾倒或被盗。
10.如权利要求1至9任一项所述的一种无人值守的震动-磁-声传感器节点，其特征在于：所述第一微处理器和第二微处理器均设有Micro USB接口和SWJ端口，所述Micro USB接口和SWJ端口用于所述双微处理器系统应用程序的开发与调试。
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