CN202991018U - 录井用无线传感器采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种录井用无线传感器采集系统，包括数据采集发送装置和数据接收装置，其中数据采集发送装置由无线传感器网络节点组成，无线传感器网络节点包括多个传感器节点和一个主节点，传感器节点包括传感单元、处理单元、无线通信单元和电源单元，主节点包括接口单元和无线通信单元，传感器节点和主节点通过无线传输方式进行通信，并且主节点与数据接收装置连接。通过采用上述结构，构成了无需在施工现场再进行布线的无线传感器采集系统，避免了因传输线缆受损而导致的采集系统故障，且大大降低了施工复杂度，显著提高了工作效率。

Description

录井用无线传感器采集系统

技术领域

本实用新型涉及一种传感器采集系统，特别是涉及一种录井用无线传感器采集系统。

背景技术

综合录井仪主要通过安装在井场各区域的传感器进行压力、流量、扭矩、泥浆特性等工程参数的采集，现阶段录井仪使用的传感器或者传感器采集系统采用集中式总线或CAN总线形式，这些传感器的信号传输和供电都需要通过电缆线与综合录井仪进行连接，从而安装、拆卸和维护相对麻烦，而且现场布线困难且容易受损，同时传感器信号在传输过程中容易受到井场各种异常情况的干扰，影响了录井的效率和质量。

实用新型内容

为克服以上现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种录井用无线传感器采集系统，从而摆脱施工现场布线要求，避免因意外工程事故对传输线缆造成损伤而导致的采集系统故障，并且降低施工复杂度，提高工作效率。

本实用新型的技术方案是：

一种录井用无线传感器采集系统，包括数据采集发送装置和数据接收装置，其中数据采集发送装置由无线传感器网络节点组成，无线传感器网络节点包括多个传感器节点和至少一个主节点，传感器节点包括采集外部信号的传感单元、处理传感单元输出信号的传感器节点处理单元、传输经处理后信号的传感器节点无线通信单元和用于供电的传感器节点电源单元，主节点包括接口单元和主节点无线通信单元，传感器节点和主节点通过各自的无线通信单元、采用无线传输方式进行相互通信，并且主节点通过接口单元与数据接收装置电连接。

上述录井用无线传感器采集系统，其中无线传感器网络节点还包括至少一个中继节点，中继节点包括中继节点无线通信单元和中继节点电源单元，中继节点通过无线传输方式分别与传感器节点和主节点进行通信。

上述录井用无线传感器采集系统，还包括了用于采集数据接收装置周围环境信号的附加传感器模块，附加传感器模块与数据接收装置连接，并且附加传感器模块中的若干传感器设于数据接收装置周围。

上述录井用无线传感器采集系统，其中传感单元中的传感器的供电电压为3V以下。

上述录井用无线传感器采集系统，其中传感单元中的传感器包括绞车传感器、泵冲传感器、压力传感器、出口流量传感器和扭矩传感器中的一种或几种，且该一种或几种传感器均与其所属的传感器节点为可拆卸电连接。

上述录井用无线传感器采集系统，其中传感单元中的传感器包括泥浆温度传感器、泥浆密度传感器、泥浆电导率传感器、超声波液位传感器和硫化氢传感器中的一种或几种，该一种或几种传感器均与其所属的传感器节点构成一体式结构。

上述录井用无线传感器采集系统，其中传感器节点、中继节点及主节点的无线通信单元采用集成了低功耗无线射频收发器和微处理器的ZigBee芯片，并采用ZigBee无线通信协议。

上述录井用无线传感器采集系统，其中传感器节点处理单元采用MSP430系列微处理器。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过将多个传感器节点和至少一个主节点构成无线传感器网络，各传感器节点分别采用无线传输方式与主节点进行通信，并且主节点还与数据接收装置连接，从而构成了无需在施工现场再进行布线的无线传感器采集系统，从而避免了因意外工程事故对传输线缆造成损伤而导致的采集系统故障，并且大大降低了施工复杂度，显著提高了工作效率；

2、本实用新型通过进一步在无线传感器网络节点中加入了中继节点，实现了对传感器节点及主节点的数据转发功能，从而更有效地保证了数据传输，并实现了更大范围的无线传感器网络覆盖；

3、本实用新型通过进一步引入附加传感器模块，能够对数据接收装置的周围环境，即录井仪器房内的室内环境进行实时检测，从而保证了仪器房内设备的安全可靠运行；

4、本实用新型通过对该系统的各个模块进行的低功耗设计，从而有效节约了电能和设备的运行成本，并且大大降低了更换系统内电池的频率，进而保证了系统在更长时期内的稳定可靠运行。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是录井用无线传感器采集系统的整体结构框图；

图2是录井用无线传感器采集系统的传感器节点的电路原理结构框图；

图3是录井用无线传感器采集系统的主节点的电路原理结构框图。

图中：传感单元1，传感器节点处理单元2，传感器节点无线通信单元3，接口单元4，主节点无线通信单元5。

具体实施方式

实施例一：如图1至图3所示，一种录井用无线传感器采集系统，包括数据采集发送装置和数据接收装置，其中数据采集发送装置由无线传感器网络节点组成，无线传感器网络节点包括多个传感器节点和至少一个主节点，传感器节点包括采集外部信号的传感单元1、处理传感单元1输出信号的传感器节点处理单元2、传输经处理后信号的传感器节点无线通信单元3和用于供电的传感器节点电源单元，主节点包括接口单元4和主节点无线通信单元5，传感器节点和主节点通过各自的无线通信单元、采用无线传输方式进行相互通信，并且主节点通过接口单元4与数据接收装置电连接。作为一种优选，传感器节点与主节点构成星形的网络拓扑结构，以在满足现场使用需求的前提下，尽量简化无线网络结构，减少系统的各部分功耗。通过上述结构，构成了无需在施工现场再进行布线的无线传感器采集系统，从而避免了因意外工程事故对传输线缆造成损伤而导致的采集系统故障，并且大大降低了施工复杂度，显著提高了工作效率。

上述传感器节点中，传感单元1包括了不同类型的各种传感器和传感器接口电路，传感器节点处理单元2包括了信号处理电路和微控制器，传感器节点无线通信单元3包括了无线射频模块和无线射频模块接口电路，其中无线射频模块负责无线网络的运行和无线数据的收发，它通过无线射频模块接口、并进一步优选为UART接口与微控制器连接；传感器接口部分负责调整信号采集通道，使得在连接不同类型的各传感器时，保证信号的正确传输；信号处理电路负责对输出的传感器信号进行进一步调理，使信号便于微控制器采集；微控制器负责对采集信号进行控制和处理，并响应无线射频模块的数据请求命令；传感器节点电源单元采用电池，负责为上述各模块供电。作为一种优选，传感器节点处理单元2中采用MSP430系列微处理器，并且传感单元1中的传感器的供电电压为3V以下，优选为2.8V，以便有效节约电能和设备的运行成本，降低更换系统内电池的频率，保证系统能在更长时期内的稳定可靠运行。

上述主节点中，主节点无线通信单元5同样包括了无线射频模块和无线射频模块接口电路，无线射频模块接口优选为TTL电平的UART接口。主节点的接口单元4是将无线射频模块的UART输出转换为其它接口形式，作为优选，可以根据实际需求选择RS232、USB、422等形式，而接口转换芯片则可以考虑SP3220EEA、FT232RQ和SP3490等芯片。

作为一种优选，上述传感器节点及主节点的无线射频模块采用集成了低功耗无线射频收发器和微处理器的ZigBee芯片，并采用ZigBee无线通信协议，作为进一步的优选，无线射频模块的主芯片可以采用FREESCALE的MC13213芯片，或者选择TI的CC2430芯片。

上述录井用无线传感器采集系统，其中传感单元1中的传感器包括绞车传感器、泵冲传感器、压力传感器、出口流量传感器和扭矩传感器中的一种或几种，且该一种或几种传感器均与其所属的传感器节点为可拆卸电连接。传感单元1中的传感器还包括泥浆温度传感器、泥浆密度传感器、泥浆电导率传感器、超声波液位传感器和硫化氢传感器中的一种或几种，而该一种或几种传感器均与其所属的传感器节点构成一体式结构。

下面详述无线传感器网络的网络组建及数据收发过程。

网络的组建由主节点发起，主节点启动后，首先扫描所有可用信道（优选2.4GHz频段共16条可用信道），应用被动扫描（检测信道能量强度）及主动扫描（检测是否有其它主节点在同信道工作），尽量寻找一条能量水平最小，且未被占用的信道，以减小干扰，然后在此信道上用出厂时已经分配好的短地址及PID建立网络，主节点建立网络后，将被动等待传感器节点加入。主节点内部保存有可允许加入的传感器节点长地址列表，当有节点请求加入网络时，主节点将查找地址列表，确定传感器节点地址是否在地址列表中，如果在则允许加入并分配给传感器节点短地址，如果不在则拒绝加入。

传感器节点启动后将搜索所有可用信道来查找可加入网络，方式为在信道内以广播的方式发送信标请求命令，然后打开接收机一段时间等待接收信标，同信道内所有收到此命令的主节点都会以广播的方式发送信标（信标内包含主节点短地址、PID等网络信息），传感器节点收到信标后，将信标信息保存在列表中，当所有可用信道均扫描完成后，传感器节点将从所有主节点信标中信号质量最强的一个开始尝试加入，用节点长地址发送关联请求命令，如果传感器节点成功加入一个网络，它将收到主节点分配给它的短地址，以后的所有通信都用短地址来完成，直到退出网络，如果所有加入网络的尝试都失败或没有可用的主节点（没收到任何信标命令），则传感器节点将休眠一段时间，然后重新进行以上过程。

主节点启动后将一直运行，除非人为重新启动，传感器节点则是在连续发送N次数据失败后认为主节点重启或其它原因导致网络不正常，则传感器节点重启。

主节点侧除发送数据时，接收机一直开启，随时可以接收数据，每接收到一条数据，立即把数据由串口发送到计算机，至计算机侧数据不能在主节点侧缓存，向计算机侧发送数据不经过应答，不支持重发，如果计算机侧忙或接收错误，则数据丢失。

向传感器节点侧发送数据时，计算机将正确格式的命令经串口发送至主节点，因此时传感器节点直接关联在主节点下，则数据采用间接发送方式排入发送队列，在收到目标传感器节点请求数据命令后将数据发出。数据发送成功后，反馈发送成功信息至计算机。

传感器节点按规定时间间隔发送数据，按规定时间间隔向主节点发送数据请求命令，发送数据时按照CSMA-CA方式，如果信道忙则延迟发送，如果延迟N次后仍信道忙则丢弃数据，如果数据发送后未收到应答信号，则尝试进行重发，重发1次后仍失败，则丢弃数据。

实施例二：作为进一步的改进，在上述实施例一的结构基础上，在录井用无线传感器采集系统中，其中的无线传感器网络节点还包括至少一个中继节点，中继节点包括中继节点无线通信单元和中继节点电源单元，上述单元均可采用与传感器节点中的相应单元相同的结构。中继节点通过无线传输方式分别与传感器节点和主节点进行通信，作为一种优选，中继节点与传感器节点及主节点一起形成了树形拓扑结构。通过进一步在无线传感器网络节点中加入了中继节点，实现了对传感器节点及主节点的数据转发功能，从而更有效地保证了数据传输，并实现了更大范围的无线传感器网络覆盖。

该实施例下的网络组建及数据收发过程同实施例一，唯一的区别在于：在引进中继节点的基础上，当向传感器节点侧发送数据时，如果目标传感器节点关联在中继节点下，则数据直接发送到中继节点，在中继节点中排入间接发送队列，等待目标节点请求数据；并且在传感器节点按规定时间间隔发送数据时，也会相应地向中继节点发送数据请求命令。

实施例三：作为进一步的改进，在上述实施例一或者实施例二的结构基础上，录井用无线传感器采集系统还包括了用于采集数据接收装置周围环境信号的附加传感器模块，附加传感器模块与数据接收装置连接，并且附加传感器模块中的若干传感器设于数据接收装置周围。主节点及数据接收装置（通常为计算机）一般设于录井仪器房内，通过加设附加传感器模块，便可对录井仪器房内的室内环境进行实时检测，从而保证了仪器房内设备的安全可靠运行。对于附加传感器模块中的传感器，则可选择采用现有技术的多种传感器，如温度传感器，湿度传感器，烟雾传感器，可燃气体传感器，有毒气体传感器等。

上面结合附图对本实用新型优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型构思的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种录井用无线传感器采集系统，包括数据采集发送装置和数据接收装置，所述数据采集发送装置由无线传感器网络节点组成，其特征在于：所述无线传感器网络节点包括多个传感器节点和至少一个主节点，其中所述传感器节点包括采集外部信号的传感单元、处理传感单元输出信号的传感器节点处理单元、传输经处理后信号的传感器节点无线通信单元和用于供电的传感器节点电源单元，主节点包括接口单元和主节点无线通信单元，所述传感器节点和主节点通过各自的无线通信单元、采用无线传输方式进行相互通信，并且所述主节点通过接口单元与所述数据接收装置电连接。

2.如权利要求1所述的录井用无线传感器采集系统，其特征在于：所述无线传感器网络节点还包括至少一个中继节点，所述中继节点包括中继节点无线通信单元和中继节点电源单元，中继节点通过无线传输方式分别与所述传感器节点和主节点进行通信。

3.如权利要求1或2所述的录井用无线传感器采集系统，其特征在于：该采集系统还包括用于采集所述数据接收装置周围环境信号的附加传感器模块，所述附加传感器模块与数据接收装置连接，并且附加传感器模块中的若干传感器设于数据接收装置周围。

4.如权利要求1或2所述的录井用无线传感器采集系统，其特征在于：所述传感单元中的传感器的供电电压为3V以下。

5.如权利要求3所述的录井用无线传感器采集系统，其特征在于：所述传感单元中的传感器包括绞车传感器、泵冲传感器、压力传感器、出口流量传感器和扭矩传感器中的一种或几种，且该一种或几种传感器均与其所属的传感器节点为可拆卸电连接。

6.如权利要求3所述的录井用无线传感器采集系统，其特征在于：所述传感单元中的传感器包括泥浆温度传感器、泥浆密度传感器、泥浆电导率传感器、超声波液位传感器和硫化氢传感器中的一种或几种，该一种或几种传感器均与其所属的传感器节点构成一体式结构。

7.如权利要求2所述的录井用无线传感器采集系统，其特征在于：所述传感器节点、中继节点及主节点的无线通信单元采用集成了低功耗无线射频收发器和微处理器的ZigBee芯片，并采用ZigBee无线通信协议。

8.如权利要求1所述的录井用无线传感器采集系统，其特征在于：所述传感器节点处理单元采用MSP430系列微处理器。

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