CN204178544U - 一种无线地下传感器网络节点及装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无线地下传感器网络节点及装置，该无线地下传感器网络节点包括传感器模块、数据处理存储模块以及无线通讯模块，传感器模块与数据处理存储模块的第一端连接，无线通讯模块与数据处理存储模块的第二端连接。无线地下传感器网络节点还包括：可充电电源模块，该可充电电源模块通过利用管道流体流动动能来进行充电，可充电电源模块与传感器模块、数据处理存储模块以及无线通讯模块均连接。本实用新型公开的无线地下传感器网络节点装置包括一个或多个地面汇聚节点以及多个无线地下传感器网络节点。本实用新型中的无线地下传感器网络节点及装置具有功耗低、工作寿命长的优点，能为近地表地下土壤环境提供可靠的无线通讯。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线地下传感器网络节点及装置。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)技术是解决各类信息监测的主要技术手段。WSNs由大量资源受限的传感器节点组成，是一种无中心节点的全分布式系统。传感器节点一般配置有感测单元、计算单元、存储单元和通讯单元等模块。传感器节点以随机部署或确定性部署的方式在监测目标区域内协作完成监测对象的感测、计算和数据传输任务，实现监测区域的长时间、不间断监测。目前，无线传感器网络已应用在环境监控、科学探索、工业控制以及战场监测等领域。
管道运输在国民经济中占据着极其重要的位置，作为与公路、铁路、水运、航空并驾齐驱的五大运输工具之一，管道运输以其独特的优势被广泛运用在气体、液体等流体的运输过程中。石油、天然气作为“工业的血液”，是国家的经济动脉，是国家的生命线，是现代文明发展的支柱，它对于经济、政治、军事和人民生活的影响极大。因此，保证油气传输管道高效、安全的运行具有十分重要的经济意义和社会意义。但是，随着社会经济的发展，油气传输管道的传输距离也迅速加大，油气传输管道途经的位置环境也越来越恶劣，要保证油气传输管道的高效、安全运行，必须对油气传输管道的运行情况进行实时监测和巡查，以便及时发现运行中出现的问题，避免造成国家和企业经济上的重大损失。
目前，一般使用无线传感器网络对油气传输管道进行监测，但现有的无线传感器网络中的无线传感器网络节点通常采用自身携带的电池进行供电。而工作在近地表地下土壤环境中的无线地下传感器网络节点的能耗比传统的无线传感器网络节点能耗要大5-10倍，并且工作在地下环境中的无线地下传感器节点也不具备更换电池或加装诸如太阳能充电装置的条件。因此，这种靠自身携带电池进行供电的无线传感器网络节点的工作寿命不够长，无法满足对油气传输管道进行监测的需求。
发明内容
本实用新型实施例的目的是提供一种无线地下传感器网络节点及装置，以延长无线地下传感器网络节点的工作寿命。
为实现上述目的，本实用新型实施例通过以下技术方案来实现：
本实用新型提供了一种无线地下传感器网络节点，包括传感器模块、数据处理存储模块以及无线通讯模块，所述传感器模块与所述数据处理存储模块的第一端连接，所述无线通讯模块与所述数据处理存储模块的第二端连接，所述无线地下传感器网络节点还包括：
可充电电源模块，所述可充电电源模块通过利用管道流体流动动能来进行充电，所述可充电电源模块与所述传感器模块、所述数据处理存储模块以及所述无线通讯模块均连接。
优选的，所述可充电电源模块包括依次连接的可充电电池、发电机和叶轮机。
优选的，所述发电机含有整流器；所述叶轮机含有增速装置。
优选的，所述可充电电源模块还包括监测电路，所述监测电路与所述可充电电池连接，用于监测所述可充电电池的电压和/或电流。
优选的，所述传感器模块包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和流量传感器中的一种或多种的组合。
优选的，所述数据处理存储模块包括相互连接的处理器以及存储器，所述处理器与所述传感器模块和所述无线通讯模块进行连接。
优选的，所述处理器包括MSP430F135微控制器。
优选的，所述存储器包括AT24C08存储器。
优选的，所述无线通讯模块包括H8410无线射频芯片。
本实用新型还提供了一种无线地下传感器网络节点装置，该无线地下传感器网络节点装置包括多个所述无线地下传感器网络节点。
优选的，所述无线地下传感器网络节点装置包括一个或多个地面汇聚节点，所述一个或多个地面汇聚节点与多个所述无线地下传感器网络节点中的无线通讯模块连接。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型通过利用管道流体流动动能来进行充电来延长无线地下传感器网络节点的工作寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例中无线地下传感器网络节点结构原理框图。
图2为本实用新型实施例中无线地下传感器网络节点装置所适用的面向近地表地下土壤环境油气管道监测的无线地下传感器网络环境示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
下面以具体的实施例来详细说明本实用新型的具体实现方式。
实施例一
图1为本实用新型实施例中无线地下传感器网络节点的结构示意图。该无线地下传感器网络节点包括传感器模块1、数据处理存储模块2、无线通讯模块3以及可充电电源模块4。其中，传感器模块1与数据处理存储模块2的第一端以及可充电电源模块4连接，无线通讯模块3与数据处理存储模块2的第二端以及可充电电源模块4连接，数据处理存储模块2也与可充电电源模块4连接。
传感器模块1用于测量地下管道环境相关的物理参数，例如管道流体的压力、温度、湿度和流量。传感器模块1可包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和流量传感器中的一种或多种，根据实际测量需要，选择相应的传感器组合。压力传感器可选配上海速坤仪器仪表有限公司生产的通用型压力变送器SK-2033；温度传感器可选配上海速坤仪器仪表有限公司生产的装配式热电阻温度传感器WZP、WZC；湿度传感器可选配北京兴卧龙传感器科技开发有限公司生产的土壤温湿度传感器WLHT-100W；流量传感器可选配上海速坤仪器仪表有限公司生产的智能型电磁流量计SK-LDY。但压力传感器、温度传感器、湿度传感器和流量传感器的型号并不限于上述的型号，只要可用于测量地下管道中物理环境的即可。通过本实施例中的传感器模块1能实现地下管道物理环境的有效测量。
数据处理存储模块2用于处理传感器模块1所测量的数据并进行存储。数据处理存储模块2包括相互连接的处理器21和存储器22，处理器21和存储器22也可集成在同一芯片上，数据处理存储模块2通过处理器21与传感器模块1、无线通讯模块3和可充电电源模块4连接。处理器21用于将传感器模块1所发送的数据进行处理，并将处理结果发送给无线通讯模块3；存储器22用于将处理器21的处理结果进行存储。处理器21可采用MSP430F135微控制器，但并不限于此型号的微控制器。MSP430F135微控制器的功耗低，其电源电压在1.8～3.6V之间。当时钟频率为1Mhz时，MSP430F135微控制器的工作电流仅为200～400μA。当处于中断模式时，MSP430F135微控制器具有最低功耗，耗电电流仅为0.1μA。该MSP430F135微控制器还具有性价比高、功能多、抗干扰能力强、串口编程方便等优点。将处理器21采用MSP430F135微控制器能实现降低无线地下传感器网络节点的功耗、提高无线地下传感器网络节点的抗干扰能力以及便于无线地下传感器网络节点的串口编程等目的。存储器22可采用AT24C08存储器,该AT24C08存储器采用排针供电，并搭载I2C通讯所需的上拉电阻；其具有8引脚和5引脚两种，其中8引脚的AT24C08又具有多种封装形式。将AT24C08存储器作为存储器22不仅能降低功耗，还能提高可靠性。
无线通讯模块3用于向地面汇聚节点5传输数据处理存储模块2所发送的数据，在本实施例中主要用于向地面汇聚节点5传输传感器模块1发送的并经过处理器21处理后的数据。无线通讯模块3可采用H8410无线射频芯片，H8410无线射频芯片工作在433MHz，最大射频功率100mW，是一种嵌入式高速处理器和低功耗射频芯片。其采用打包方式进行数据传输，传输速率为2400～57600bps，适合近地表地下土壤环境中无线信道传输。
可充电电源模块4主要是利用地下管道中的流体流动动能来进行充电，为传感器模块1、数据处理存储模块2、无线通讯模块3提供电能。可充电电源模块4包括依次连接的可充电电池41、发电机42以及叶轮机43。可充电电源模块4的充电过程如下：在管道中流体流动的作用下，叶轮机43驱动发动机42发电，发电机42将所产生的电能传输给可充电电池41进行充电。优选的，可充电电池41可为12V可充电锂电池；发电机42包含有整流器，该整流器用于将交流电转化为直流电，发电机42可选用JS-34240的直流电机马达并配有JFT149-14V整流器，其输出电压为12V或24V；叶轮机42中含有增速装置，该增速装置主要用于提高叶轮机附近流体的流动速度，从而提高发电机的发电效率，叶轮机42可选用直径为30cm的叶轮机叶片。可充电电池41、发电机42以及叶轮机43并不限于上述型号。可充电电源模块4还可包括监测电路44，该监测电路44与可充电电池41连接，其主要用于监测可充电电池41中的电压和/或电流是否达到饱和值，一旦可充电电池41中的电压和/或电流达到饱和值，就会控制可充电电池41停止充电。监测电路44可选择5-12V,0-3A的充电电压/电流监测表，但并不限于此型号。本实施例中的可充电电源模块4具有体积小、成本低等优点，能保证可充电电池41在不同状态下都可以为无线地下传感器网络节点提供尽可能长的工作时间，有效地延长了无线地下传感器网络节点的工作寿命。
本实施例中的无线地下传感器网络节点针对近地表地下土壤信道信号衰减大、空变特性大的特点选择适合在地下土壤传输的传感器模块1和无线通讯模块3，有效保证了数据无线传输的可靠性。此外，本实施例中的无线地下传感器网络节点中油气管道信息数据具有低成本的优点并且其自动获取具有高可靠性，为有效地提高油气管道的运营效益奠定了基础。
实施例二
本实用新型实施例还提供了一种无线地下传感器网络节点装置，该装置所适用的面向近地表地下土壤环境油气管道监测的无线地下传感器网络环境示意图，如图2所示。该装置包括多个实施例一中公开的无线地下传感器网络节点100以及一个或多个地面汇聚节点5，多个无线地下传感器网络节点100采集的信息汇聚于一个或者多个地面汇聚节点5。地面汇聚节点5与无线地下传感器网络节点100中的无线通讯模块3连接，如图1所示。地面汇聚节点5用于接收无线通讯模块3所发送的数据，并通过无线通讯模块3来控制数据处理存储模块2和传感器模块1。例如，地面汇聚节点5发出查询数据的指令，无线通讯模块3将该指令传送给数据处理存储模块2。如果数据处理存储模块2中查询到与该指令符合的数据，便将所查询到的数据通过无线通讯模块3反馈给地面汇聚节点5；如果数据处理存储模块2中并没有存储与该指令符合的数据，这时数据处理存储模块2将向传感器模块1发送测量信号，指示传感器模块1测量与地面汇聚节点5所发送指令符合的数据，传感器模块1测量到相关数据后，通过数据处理存储模块2与无线通讯模块3将所测量到的数据反馈给地面汇聚节点5。
本实用新型中的无线地下传感器网络节点具有布设方便、工作性能可靠等优点。
虽然通过实施例描绘了本实用新型，本领域普通技术人员知道，本实用新型有许多变形和变化而不脱离本实用新型的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本实用新型的精神。
Claims (11)
1.一种无线地下传感器网络节点，包括传感器模块、数据处理存储模块以及无线通讯模块，所述传感器模块与所述数据处理存储模块的第一端连接，所述无线通讯模块与所述数据处理存储模块的第二端连接，其特征在于，所述无线地下传感器网络节点还包括：
可充电电源模块，所述可充电电源模块利用管道流体流动动能来进行充电，所述可充电电源模块与所述传感器模块、所述数据处理存储模块以及所述无线通讯模块均连接。
2.根据权利要求1所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述可充电电源模块包括依次连接的可充电电池、发电机和叶轮机。
3.根据权利要求2所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述发电机含有整流器；所述叶轮机含有增速装置。
4.根据权利要求2所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述可充电电源模块还包括监测电路，所述监测电路与所述可充电电池连接，用于监测所述可充电电池的电压和/或电流。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述传感器模块包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和流量传感器中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述数据处理存储模块包括相互连接的处理器以及存储器，所述处理器与所述传感器模块和所述无线通讯模块进行连接。
7.根据权利要求6所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述处理器采用MSP430F135微控制器。
8.根据权利要求6所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述存储器采用AT24C08存储器。
9.根据权利要求1,2,3,4,7,8中任一项所述的无线地下传感器网络节点，其特征在于，所述无线通讯模块采用H8410无线射频芯片。
10.一种无线地下传感器网络节点装置，其特征在于，所述无线地下传感器网络节点装置包括多个如权利要求1-9中任一项所述的无线地下传感器网络节点。
11.根据权利要求10所述的无线地下传感器网络节点装置，其特征在于，所述无线地下传感器网络节点装置还包括一个或多个地面汇聚节点，所述一个或多个地面汇聚节点与多个所述无线地下传感器网络节点中的无线通讯模块连接。
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