CN114326521A - 一种多节点无线传感器网络漏水定位监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，属于工业级测试技术领域。至少包括漏水监测模块、无线通信模块和PC上位机，漏水监测模块至少包括漏水监测传感带、主控板和电源供电模块，漏水监测传感带收集到的信号交由主控板进行处理，电源供电模块为漏水监测传感带和主控板进行供电；无线通信模块包括传感器节点、路由节点和协调器节点，传感器节点将数据以数据帧的形式进行打包由路由节点传递给协调器节点；PC上位机根据无线通信模块传输的数据帧进行泄漏检测和漏点定位。本系统不仅可以用于确保传感信号的高精度和高灵敏度，同时还利用无线传感器网络加强了监测系统的信息传递能力。

Description

一种多节点无线传感器网络漏水定位监测系统

技术领域

本发明涉及一种多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，属于工业测试技术领域。

背景技术

液体渗漏对石油化工、航空航天、船舶航母、雷达电子等行业具有潜在毁灭性的风险，及时高效地对水下航行器、大型相控阵雷达、火箭贮箱等大型设备渗液进行监测具有极其重要的意义。传统的光纤传感多用于应变与温度参量的直接测量，在监测液体渗漏或其它场景中需要借助特殊装置来将其转化为应变或温度的函数关系。但在昼夜温差大、被测环境工作温度高的诸如雷达等高热流密度电路成组模块的散热系统中，空气中的水蒸气容易凝结成露，传统的光纤传感精度和灵敏度较低，无法分辨冷却液泄漏与水凝露，导致虚警率升高，造成频繁停机拆查的后果，严重影响系统的正常工作运行。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，本系统不仅可以用于确保传感信号的高精度和高灵敏度，同时还利用无线传感器网络加强了监测系统的信息传递能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，至少包括漏水监测模块、无线通信模块和PC上位机，漏水监测模块通过无线通信模块与PC上位机通信连接，所述的漏水监测模块至少包括漏水监测传感带、主控板和电源供电模块，漏水监测传感带收集到的数据信号交由主控板进行处理，电源供电模块为漏水监测传感带和主控板进行供电，所述的漏水监测传感带至少包括侧边抛磨型光纤、LED灯带、导流槽、导流管和光纤灯带封装外壳，连接导流槽的导流管紧密贴合于侧边抛磨型光纤的加工区域与LED灯带光源之间，光纤灯带封装外壳为侧边抛磨型光纤与LED灯带提供了不受外界干扰的暗场环境；所述的无线通信模块包括传感器节点、路由节点和协调器节点，与漏水监测模块通信连接的传感器节点将数据以数据帧的形式进行打包，路由节点收到数据帧并自动发送组网申请与协调器节点进行配对，协调器节点管理数据链路；所述PC上位机根据无线通信模块传输的数据帧进行泄漏检测和漏点定位，泄漏检测即将数据帧的数据与标准值a进行比较，在a±A范围外判断为漏水，其中A为常数，漏点定位即根据数据帧中的数据定位检测到漏水的漏水监测传感带，将泄漏检测和漏点定位的结果在PC上位机中显示并储存。

所述的漏水监测，模块中至少包括4条以上漏水监测传感带和与每条漏水监测传感带单独配置的主控板。

所述的侧边抛磨型光纤包括纤芯和包裹于纤芯外的包层，在光纤轴向间隔固定长度沿光纤径向开有盲孔，盲孔深度为光纤直径的25％—40％，盲孔的表面暴露于光纤的包层外，用于采集光信号。

所述的侧边抛磨型光纤为通过对垂直于光纤径向截面进行钻孔从而使加工区域的纤芯从光纤包层中暴露出来的光纤。

所述侧边抛磨型光纤采用直径1.8-2.1mm的POF光纤，其中纤芯直径为0.9-1.1mm。

所述的主控板至少包括光电转换器、AD采集模块、放大滤波模块和主控芯片，AD采集模块根据预定采集频率，对光电转换器从漏水监测传感带中接收到的光信号转换成的模拟信号进行采集，采集后的信号经过放大滤波模块处理后交由主控芯片进行模数转换，主控芯片至少包括串口A，串口B和串口C，串口A连接LED灯带，串口B连接放大滤波模块，串口C与无线通信模块中的传感器节点通信连接。

所述的无线通信模块中的传感器节点，路由节点和协调器节点均为搭载了Z-stack协议栈的ZigBee无线通信模块，由主控板处理好的数字信号通过串口C交由传感器节点以数据帧的形式进行打包，打包好的数据帧通过采用多跳网状组网拓扑结构的路由节点透明传输至协调器节点，协调器节点通过串口与上位机通信连接。

所述的无线通信模块打包的数据帧由帧头、源端口号、目的端口号、数据地址和帧尾组成，其中数据地址长度为2个字节，数据传输过程采用的是小端模式，先将低八位字节传输，再将高八位字节传输。

所述的漏水监测模块旁设有用于将残留在漏水监测传感带内壁的液体吹干的鼓风机。

PC上位机对漏水监测模块按如下步骤进行进行自动标定：

(1)启动鼓风机，吹干漏水监测模块的漏水监测传感带内壁的液体，然后关闭鼓风机；

(2)对漏水监测传感带进行自我标定，即将漏水监测传感带采集的前十组静态数据的平均数作为新的用于判断是否漏水的标准值a；

(3)将标准值a与探针标准值，即探针数据b进行比较，若标准值a与探针数据b不同，则重新执行步骤(1)，直到标准值a与探针数据b相同为止；

(4)设置对标准值a检定的周期T，每隔时间T，收集探针实时监测数据信号即采集值c，将采集值c与阈值范围a±A进行比较，若采集值c在阈值a±A范围内则判断没有发生漏水事件，若采集值c超出阈值a±A范围，则判断发生漏水事件并进行漏水示警。

根据以上技术方案可知，本发明提供的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统中漏水监测模块的漏水监测传感带采用侧边抛磨型光纤，由于当抛磨区域有入射光进入光纤中时，部分纤芯中会发生多模干涉，主控板可以利用光纤任意一端输出光功率的变化来监测折射率的变化，通过判断折射率来确定漏液的成分避免误判，同时由于暴露出的纤芯部分增大了与介质的接触面积，避免了光纤激发的消逝场造成的能量损耗，所以本技术方案在提高了传感器的准确性的同时提高了传感器的灵敏度。而且在本发明中的路由节点将传感器采集到的数据打包并自动发送组网申请与协调器节点进行配对，协调器节点管理数据链路，组成无线传感器网络，由于无线传感器网络可以保证在数据传输中不受到实际数据线缆的限制，所以本技术方案加强了监测系统的信息传递能力。

本发明提供的技术方案还具有以下益处：

在无线通信模块中，路由节点按照多跳式网状拓扑结构进行组网，由于多跳网状组网拓扑结构在数据传输时遇到故障路径可绕过故障点或换条链路进行数据传输，所以本技术方案提高了数据传输容错率。

在漏水监测模块旁设有用于将残留在漏水监测传感带内壁的液体吹干的鼓风机，因为本系统可以通过鼓风机将由于毛细作用残留在传感器内壁的液体吹干，同时配合PC上位机的自动标定程序对漏水监测传感带中的漏水监测模块进行自动标定，所以本技术方案可以高效的提高漏水监测模块的可重复率。

附图说明

图1系统总体结构图；

图2侧边抛磨型光纤的侧边抛磨结构图；

图3漏水监测传感带封装图；

图4PC上位机对漏水监测模块的自动标定及检测程序。

图中：1、包层；2、纤芯；3、导流槽；4、导流管；5、LED灯带；6、侧边抛磨型光纤；7、光纤灯带封装外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细具体的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明所提供的技术方案中，系统总体结构图如图1所示，漏水监测模块通过无线通信模块与PC上位机通信连接，漏水监测模块中至少包括4条以上漏水监测传感带和与每条漏水监测传感带单独配置的主控板。主控板至少包括光电转换器、AD采集模块、放大滤波模块和主控芯片，AD采集模块根据预定采集频率，对光电转换器从漏水监测传感带中接收到的光信号转换成的模拟信号进行采集，采集后的信号经过放大滤波模块处理后交由主控芯片进行模数转换，主控芯片至少包括串口A，串口B和串口C，串口A为RS485串口，连接LED灯带5；串口B为GPIO串口，连接放大滤波模块；串口C为UART串口，与无线通信模块中的传感器节点通信连接。无线通信模块的底层开发平台为Z-Stack协议栈，传感器节点每隔一段时间由下位机的定时器唤醒，不工作时处于睡眠状态。路由节点不需要进行数据处理，直接将传感器节点打包好的数据透明传输至协调器节点，最后由协调器节点通过串口发送到PC上位机进行处理和显示，PC上位机数据处理在Labview上体现。路由节点采用多跳式网状拓扑结构进行大规模组网。PC上位机控制漏水监测系统启动后，路由节点将漏水检测模块采集到的数据打包并自动发送组网申请与协调器节点进行配对，协调器节点管理数据链路，组成多跳模式的网状拓扑结构，遇到故障路径可绕过故障点或换条链路，提高数据传输容错率。

在本发明提供的技术方案中，漏水监测传感带至少包括侧边抛磨型光纤6、LED灯带5、导流槽3、导流管4和光纤灯带封装外壳7等零件。侧边抛磨型光纤6为通过对垂直于光纤径向截面进行钻孔从而使加工区域的纤芯2从光纤包层1中暴露出来的光纤。侧边抛磨型光纤6的侧边抛磨结构图如图2所示，侧边抛磨型光纤6包括纤芯2和包裹于纤芯2外的包层1，在光纤轴向间隔固定长度沿光纤径向开有盲孔，盲孔深度为光纤直径的25％—40％，盲孔的表面暴露于光纤的包层1外，用于采集光信号，检测漏水事件的发生。当抛磨区域有入射光进入侧边抛磨型光纤6中时，部分纤芯2中发生多模干涉，利用侧边抛磨型光纤6任意一端输出光功率的变化来监测折射率的变化。暴露出的纤芯2部分增大了与介质的接触面积，避免光纤激发的消逝场造成的能量损耗，提高了传感器的灵敏度。在本实施例中，侧边抛磨型光纤6采用直径1.8-2.1mm的POF光纤，其中纤芯2直径为0.9-1.1mm，在数控钻孔台上用半径L为0.5mm的钻孔锥垂直于光纤径向截面进行加工，抛磨深度D为0.8mm。

漏水监测传感带封装图如图3所示，连接导流槽3的导流管4紧密贴合于侧边抛磨型光纤6的加工区域与LED灯带5光源之间，光纤灯带封装外壳7为侧边抛磨型光纤6与LED灯带5提供了不受外界干扰的暗场环境。本实施例中截取0.6m长的POF光纤，每隔0.1m加工一个侧边抛磨型光纤6结构，将光纤镶嵌在定制好的PVC光纤壳内，使LED灯带5的光源照射进光纤上的盲孔中，侧边抛磨型光纤6与LED灯带5的距离为500μm，用热缩管对LED灯带5进行防水保护后，用紫外固化UV胶对光纤和LED灯带5进行固定，增加其鲁棒性和耦合效率。连接导流槽3的导流管4紧密贴合于侧边抛磨型光纤6的加工区域与LED灯带5光源之间，光纤灯带封装外壳7为侧边抛磨型光纤6与LED灯带5提供了不受外界干扰的暗场环境；

在本发明所采用的技术方案中，无线通信模块传输的数据以数据帧的形式打包发送给PC上位机进行判断，无线通信模块的传输速率最高可达10kps。一条传输数据由5部分组成：帧头、源端口号、目的端口号、数据地址和帧尾。传输数据的格式与定义如表1所示：

表1 传输数据的格式与定义

帧头和帧尾标志位分别为固定字节“FE 08”和“FF”，数据传输过程中如果有数据是和数据帧的帧头帧尾重复，即FF、FE这两个字节，为了不让传输模块错误地判断数据位中的FF、FE字节当成帧头帧尾，要将数据位中的FF用FE FD来替代，FE用FE FC来替代。数据地址长度为2个字节，数据传输过程采用的是小端模式，先将低八位字节传输，再将高八位字节传输。

在本发明所采用的技术方案中，当漏水监测模块监测到漏水事件时，由于达西定律，液体将停留在光纤灯带耦合部位难以排走，导致传感器可重复使用率的下降，在漏水监测模块旁设有用于将残留在漏水监测传感带内壁的液体吹干的鼓风机。通过鼓风机将由于毛细作用残留在传感器内壁的液体吹干，配合PC上位机的自动标定程序实现高效的可重复率，如图4所示，漏水监测模块自动标定程序及后续检测程序按如下步骤进行操作：

(1)启动鼓风机，吹干漏水监测模块的漏水监测传感带内壁的液体，然后关闭鼓风机；

(2)对漏水监测传感带进行自我标定，即将漏水监测传感带采集的前十组静态数据的平均数作为新的用于判断是否漏水的标准值a；

(3)将标准值a与探针标准值，即探针数据b进行比较，若标准值a与探针数据b不同，则重新执行步骤(1)，直到标准值a与探针数据b相同为止；

(4)设置对标准值a检定的周期T，每隔时间T，收集探针实时监测数据信号即采集值c，将采集值c与阈值范围a±A进行比较，若采集值c在阈值a±A范围内则判断没有发生漏水事件，若采集值c超出阈值a±A范围，则判断发生漏水事件并进行漏水示警。

Claims (10)

1.一种多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，至少包括漏水监测模块、无线通信模块和PC上位机，漏水监测模块通过无线通信模块与PC上位机通信连接，其特征在于：

所述的漏水监测模块至少包括漏水监测传感带、主控板和电源供电模块，漏水监测传感带收集到的数据信号交由主控板进行处理，电源供电模块为漏水监测传感带和主控板进行供电，所述的漏水监测传感带至少包括侧边抛磨型光纤、LED灯带、导流槽、导流管和光纤灯带封装外壳，连接导流槽的导流管紧密贴合于侧边抛磨型光纤的加工区域与LED灯带光源之间，光纤灯带封装外壳为侧边抛磨型光纤与LED灯带提供了不受外界干扰的暗场环境；

所述的无线通信模块包括传感器节点、路由节点和协调器节点，与漏水监测模块通信连接的传感器节点将数据以数据帧的形式进行打包，路由节点收到数据帧并自动发送组网申请与协调器节点进行配对，协调器节点管理数据链路；

所述PC上位机根据无线通信模块传输的数据帧进行泄漏检测和漏点定位，泄漏检测即将数据帧的数据与标准值a进行比较，在a±A范围外判断为漏水，其中A为常数，漏点定位即根据数据帧中的数据定位检测到漏水的漏水监测传感带，将泄漏检测和漏点定位的结果在PC上位机中显示并储存。

2.根据权利要求1所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述的漏水监测，模块中至少包括4条以上漏水监测传感带和与每条漏水监测传感带单独配置的主控板。

3.根据权利要求1或2所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述的侧边抛磨型光纤包括纤芯和包裹于纤芯外的包层，在光纤轴向间隔固定长度沿光纤径向开有盲孔，盲孔深度为光纤直径的25％—40％，盲孔的表面暴露于光纤的包层外，用于采集光信号。

4.根据权利要求3所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述的侧边抛磨型光纤为通过对垂直于光纤径向截面进行钻孔从而使加工区域的纤芯从光纤包层中暴露出来的光纤。

5.根据权利要求3所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述侧边抛磨型光纤采用直径1.8-2.1mm的POF光纤，其中纤芯直径为0.9-1.1mm。

6.根据权利要求1或2所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述的主控板至少包括光电转换器、AD采集模块、放大滤波模块和主控芯片，AD采集模块根据预定采集频率，对光电转换器从漏水监测传感带中接收到的光信号转换成的模拟信号进行采集，采集后的信号经过放大滤波模块处理后交由主控芯片进行模数转换，主控芯片至少包括串口A，串口B和串口C，串口A连接LED灯带，串口B连接放大滤波模块，串口C与无线通信模块中的传感器节点通信连接。

7.根据权利要求6所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述的无线通信模块中的传感器节点，路由节点和协调器节点均为搭载了Z-stack协议栈的ZigBee无线通信模块，由主控板处理好的数字信号通过串口C交由传感器节点以数据帧的形式进行打包，打包好的数据帧通过采用多跳网状组网拓扑结构的路由节点透明传输至协调器节点，协调器节点通过串口与上位机通信连接。

8.根据权利要求1所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述的无线通信模块打包的数据帧由帧头、源端口号、目的端口号、数据地址和帧尾组成，其中数据地址长度为2个字节，数据传输过程采用的是小端模式，先将低八位字节传输，再将高八位字节传输。

9.根据权利要求1所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：所述的漏水监测模块旁设有用于将残留在漏水监测传感带内壁的液体吹干的鼓风机。

10.根据权利要求9所述的多节点无线传感器网络漏水定位监测系统，其特征在于：PC上位机对漏水监测模块按如下步骤进行进行自动标定：

(1)启动鼓风机，吹干漏水监测模块的漏水监测传感带内壁的液体，然后关闭鼓风机；

(2)对漏水监测传感带进行自我标定，即将漏水监测传感带采集的前十组静态数据的平均数作为新的用于判断是否漏水的标准值a；

(3)将标准值a与探针标准值，即探针数据b进行比较，若标准值a与探针数据b不同，则重新执行步骤(1)，直到标准值a与探针数据b相同为止；

(4)设置对标准值a检定的周期T，每隔时间T，收集探针实时监测数据信号即采集值c，将采集值c与阈值范围a±A进行比较，若采集值c在阈值a±A范围内则判断没有发生漏水事件，若采集值c超出阈值a±A范围，则判断发生漏水事件并进行漏水示警。

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