CN205754883U - 可回收式水下无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可回收式水下无线传感器网络节点，属于水下无线观测设备。该节点包括可回收的电子舱和电源舱，两者之间通过爆炸螺栓实现机械连接与定时分离，通过水密接头实现电气连接。本实用新型的水下无线传感器网络节点是一种坐底式节点，消除多普勒效应的影响；通过在电子舱外部设置大容量电池舱，工作时间可延长至30天，可长期连续的获取海洋环境参数；可在母船直接抛投入海，工作时间满足后电子舱与电源舱自动分离，实现电子舱的回收；电子舱浮出水面后通过北斗卫星向回收母船发出短报文，实现自身的定位，以被回收；此外，节点最大工作水深为200米。

Description

可回收式水下无线传感器网络节点

技术领域

本实用新型涉及一种可回收式水下无线传感器网络节点的机械结构，特别是针对携带大容量电池、可自由投放、可回收的节点。

背景技术

与航天探测技术相比，海洋探测技术进展相对落后，与陆上的探测技术更是相差甚远。这主要归结于三个原因：一是水下不能获得像太阳能一样的可持续能源，消耗化石燃料的内燃机在水下无法获得大量的空气，限制了水下传感器的供能；二是无线信号传输以声学传输为主，声学换能器与电磁信号发生器相比功率大，声波在水下衰减远快于电磁波；三是水下有线供能和有线传输信号的传感器设备及网络成本高，远深海更难实现。在实际中，水下有线观测网络多应用于近海水下的长期、连续观测，主要得益于近海水深浅，线缆铺设成本可以接受；对于远深海，多以随波浪流动的ARGO观测浮标为主，漂流浮标路径受风浪流影响。对于远深海固定海域的长期观测则多以水下无线传感器网络为主，具体地说就是在预先设定海域水下，按照网络的拓扑结构布设传感器节点，节点之间通过声学通信，由布设在水面的特定节点通过卫星将信息实时传送到陆地，实现对海域的立体实时观测。然而，无线传感器网络面临两个难题：一是节点通过锚链松弛系泊时，多普勒效应影响声学信号的传输；二是为使节点能工作更长时间，必须携带更大更重的蓄电池，这导致布放和回收困难，尤其是回收水下节点。针对以上难点，采用水下固定式节点可以排除多普勒效应，但是固定式节点的布放和回收难度将更加困难；携带大容量的蓄电池使布放回收困难，采用水下可持续的能源是最佳的选择，如温差能，然而温差能技术尚未发展到可利用的阶段，因此欲增加工作时间而不增加布放回收的难度必须要有更加新颖的节点设计思路。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种布放方便、工作时间长、可自动回收的可回收式水下无线传感器网络节点。

本实用新型的可回收式水下无线传感器网络节点，包括水声换能器、电子舱、天线、电源舱、三脚架、反力弹簧筒、换能器护栏、爆炸螺栓、水密接头、定位球；所述的电子舱由上下半球固连，顶部及底部各设有法兰盘，水声换能器安装在电子舱顶部上法兰盘上，水声换能器四周设有环形的换能器护栏，电子舱底部与三脚架顶通过爆炸螺栓单点连接，电子舱下法兰盘与三脚架的上法兰盘之间通过定位球定位，天线设置于电子舱下法兰盘下；三脚架上法兰盘下设置有偏向一侧的一对反力弹簧筒，筒内各设有一个反力弹簧；三脚架底部与电源舱固定连接，电源舱引出的电源正极通过水密接头引入电子舱，电源负极接于节点金属结构。

上述技术方案中，所述的电源舱为三个，分别固定于三脚架的三只脚底部。所述的定位球有三个，均布于电子舱下法兰盘与三脚架的上法兰盘之间，实现稳定定位。

所述的电子舱上下半球材料为玻璃钢，上下法兰盘材料为不锈钢；电源舱外层为混凝土，起防腐蚀和配重作用。

工作时间满足后，爆炸螺栓引爆，反力弹簧使得电子舱受到初始倾覆力矩，上浮过程中实现翻转，电子舱浮于水面后，天线将位于上方。爆炸螺栓引爆后，电子舱上浮回收，电源舱丢弃。

本实用新型的优点与积极效果为：

1、节点中电子舱与电源舱分开设置，设置三个电源舱可携带更多的蓄电池，节点理论工作时间可达30天；

2、节点可以从母船直接自由投放，节点自身重心、浮心的布置可使得节点能够在自由沉底过程中矫正姿态，确保电源舱坐底，电子舱在上方，水声换能器能正常工作；

3、节点为固定坐在海底，消除了多普勒效应的影响；

4、节点电子舱与电源舱三脚架通过爆炸螺栓单点连接，依靠三个定位球保证稳定性，工作时间到达后，爆炸螺栓引爆，电子舱分离并上浮实现自动回收，电源舱丢弃，不需要复杂的水下打捞设备协助；

5、电子舱重心位于安装有换能器的上半球，电子舱分离过程中，依靠布置于一侧的反力弹簧提供初始倾覆力矩，实现电子舱上浮过程中的翻转，保证电子舱到达水面后安装天线的半球位于上部，使得天线露出水面，实现与卫星通讯，方便回收母船能准确定位电子舱实现回收；

6、电源舱外壁为混凝土包覆，电池为一次性环保型高密度蓄电池，电源舱丢弃后不会对环境造成严重污染。

附图说明

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的左视图；

图4为图3中的局部放大图；

图5为本实用新型节点的工作流程；

图中，水声换能器1、电子舱2、天线3、电源舱4、三脚架5、反力弹簧筒6、换能器护栏7、密封圈8、水深传感器9、爆炸螺栓罩10、爆炸螺栓11、水密接头12、定位球13。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施做进一步描述：

如图1-4所示，节点主要包括电子舱2、三脚架5和三个电源舱4三部分，其中电子舱2与三脚架5的连接是依靠爆炸螺栓11实现的，三个电源舱4分别与三脚架5的三只脚通过法兰连接。

电子舱2为上下半球固连而成，顶部及底部各设置上下法兰盘，电子舱内设置水深传感器9，下法兰盘与电子舱间设有密封圈8，电子舱2内部安装电子设备、备用电源、控制系统等。电子舱2上法兰安装水声换能器1，换能器周围有金属的换能器护栏7，防止转移、布放与回收过程中碰撞水声换能器1；电子舱2下法兰中心位置安装的爆炸螺栓11与三脚架5单点连接，爆炸螺栓11外设有爆炸螺栓罩10，为保证电子舱2与三脚架5的稳定连接，在连接面处设置有三个定位球13，保证稳定性。电子舱2下法兰同时安装有水密接头12，电源舱4的正极引线通过该插头进入电子舱2，整个节点金属结构作为电源负极。电子舱2的重心在上半球，当工作时间满足后，爆炸螺栓11引爆，电子舱2与三脚架5的连接切除，安装在下法兰偏向一侧的反力弹簧提供分离力和倾覆力矩，电子舱2上浮并逐渐反转，换能器1将位于下半球，安装在下半球法兰的天线3将反转到上部，确保可回收的电子舱2在水面能与卫星通讯，实现自身的定位，被母船发现并回收。

电源舱4内部为一次性环保型高密度蓄电池，并在舱壁包覆有混凝土，防止电源舱丢弃后产生严重的污染。节点直接在母船投放，依靠电源舱4及混凝土配重实现在下潜过程中的姿态调整，确保在一定深度后能够以理想的姿态坐于海底：电子舱2在上部，三个电源舱4在下部，这样减小使得携带大蓄电池的重型节点投放简单，无需潜水员或ROV水下协助布放。而当工作时间满足后，电子舱2分离上浮回收，也减小了重型节点的水下回收困难度。

如图5所示为节点的工作流程，母船到达预投放海域后，节点电子舱2内的各个模块启动自检工作，如果正常则将其投放入水，反之则检查异常原因。入水的节点在下沉过程中调整自身姿态并最终坐于海底，然后各传感器模块正常工作，水声换能器1与形成网络的节点互相通讯。当工作时间满后，控制板输出控制信号引爆爆炸螺栓11，可回收的电子舱2球体上浮，到水面后天线3露出水面。北斗搜救模块向卫星发出信号，搜救回收母船收到位置信号，赶往电子舱2海域，将电子舱2回收，工作完成。

Claims (5)

1.一种可回收式水下无线传感器网络节点，其特征在于包括水声换能器(1)、电子舱(2)、天线(3)、电源舱(4)、三脚架(5)、反力弹簧筒(6)、换能器护栏(7)、爆炸螺栓(11)、水密接头(12)、定位球(13)；所述的电子舱(2)由上下半球固连，顶部及底部各设有法兰盘，水声换能器(1)安装在电子舱(2)顶部上法兰盘上，水声换能器(1)四周设有环形的换能器护栏(7)，电子舱(2)底部与三脚架(5)顶通过爆炸螺栓(11)单点连接，电子舱(2)下法兰盘与三脚架(5)的上法兰盘之间通过定位球(13)定位，天线(3)设置于电子舱(2)下法兰盘下；三脚架(5)上法兰盘下设置有偏向一侧的一对反力弹簧筒(6)，筒内各设有一个反力弹簧；三脚架(5)底部与电源舱(4)固定连接，电源舱(4)引出的电源正极通过水密接头(12)引入电子舱(2)，电源负极接于节点金属结构。

2.根据权利要求1所述的可回收式水下无线传感器网络节点，其特征在于，所述的电源舱(4)为三个，分别固定于三脚架的三只脚底部。

3.根据权利要求1所述的可回收式水下无线传感器网络节点，其特征在于，所述的定位球(13)有三个，均布于电子舱(2)下法兰盘与三脚架(5)的上法兰盘之间，实现稳定定位。

4.根据权利要求1所述的可回收式水下无线传感器网络节点，其特征在于，所述的电子舱(2)上下半球材料为玻璃钢，上下法兰盘材料为不锈钢。

5.根据权利要求1所述的可回收式水下无线传感器网络节点，其特征在于，所述的电源舱(4)外层为混凝土。