CN110602662A - 一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的*** - Google Patents

一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，所述无线传感器***包括输送管道、设置在下水管道上的多个无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器节点包括传感器模块、处理器模块、电源管理模块，所述无线传感器节点的传感器模块集成有温度传感器的通讯接口、湿度传感器的通讯接口、分布式光纤传感器的通讯接口、测力应变计的通讯接口、压力传感器的通讯接口、流量传感器的通讯接口、超声波传感器的通讯接口。本发明实施例通过对管道水质监测提供相应的监控手段，实现自动化采集，方便终端监控用户实现数据采集和故障排除等。

Description

一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的***
技术领域
本发明涉及智慧城市技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的***。
背景技术
管道运输是液体输送的一种重要方式，在管道网络的铺设中，会存在各种数据的汇聚和采集等需求，而现有的传输管道由于布局线路问题导致管道监测***还比较落后，大部分停留在人工巡逻的基础上。已有的监测***存在***稳定性差、灵敏度低、容易误报和漏报、无法准确定位故障点、信息化程度低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，面对给排水管道中的各种数据监控，提供了一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，通过对管道水质监测提供相应的监控手段，实现自动化采集，方便终端监控用户实现数据采集和故障排除等。
本发明提供了一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，所述无线传感器***包括输送管道、设置在下水管道上的多个无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器节点包括传感器模块、处理器模块、电源管理模块，所述无线传感器节点的传感器模块集成有温度传感器的通讯接口、湿度传感器的通讯接口、分布式光纤传感器的通讯接口、测力应变计的通讯接口、压力传感器的通讯接口、流量传感器的通讯接口，其中：所述无线传感器节点的处理器模块由微处理单元和无线通信单元两个功能模块组成，所述无线传感器节点所采集到的信息经微处理单元处理后由无线通信单元发送，所述输送管道上设有用于安装无线传感器节点的附加腔体，所述附加腔体给无线传感器节点提供必要的机械保护和安装平台，无线传感器节点安装在输送管道上的附加腔体内；所述汇聚节点和多个传感器节点通过自组织方式构成一个采集和传输下水道管道数据的无线传感器网络，所述传感器节点将采集的下水道管道数据传输到通信设备，所述通信设备将接收到的下水道管道数据传送到远程监控中心进行集中处理，并将所述下水道管道数据存储并显示给监控终端；所述无线传感器节点基于传感器模块连接有温度传感器、湿度传感器、分布式光纤传感器、测力应变计、压力传感器和流量传感器。
所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点与所述汇聚节点的距离不超过预设的距离下限Smin时，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点直接将所采集的下水道管道数据传递至汇聚节点；所述多个无线传感器节点的无线传感器节点与所述汇聚节点的距离超过预设的距离下限Smin时，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点将所采集的下水道管道数据通过多跳的形式传递至汇聚节点。
所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点通过交换信息获取邻居节点标识和位置信息，设置统一管道线路上相邻的两个无线传感器节点互为邻居节点，所述相邻的两个无线传感器间支持多跳的形式传递所述下水道管道数据。
所述多个无线传感器节点中的源节点至所述汇聚节点的传输总跳数x：
其中，Si,o为所述源节点i到汇聚节点的距离，Sa，o为网络中第a个传感器节点到汇聚节点的距离，H为网络中的传感器节点数量，为取整函数，表示对进行取整数。
所述源节点在采集到下水道管道数据后，生成传输数据包，所述传输数据包包括所述源节点的标识、下水道管道数据和跳数计数器，所述跳数计数器的初始值为所述源节点确定的传输总跳数，所述下水道管道数据包括传感器模块所采集的数据；所述源节点在所述源节点的邻居节点中选择一个邻居节点作为目的节点，并将所述传输数据包发送至所述目的节点；所述目的节点接收到所述传输数据包后，更新所述传输数据包，将所述传输数据包中的跳数计数器的值减一，并将所述目的节点所采集的下水道管道数据写入到所述传输数据包；将所述目的节点作为下一跳的源节点，直至目的节点接收到的数据包中的跳数计算器的值为1；在接收到数据包中的跳数计算器的值为1的目的节点，将自身采集的下水道管道数据写入到所述传输数据包后，将整个传输数据包发送给汇聚节点。
所述流量传感器包括无线无源流量传感器包括敏感单元、电源管理模块和通讯模块，其中：所述敏感单元用于感应下水道管道内的流体，产生对应电压信号，并将电压信号发送给电源管理模块和所述通讯模块；所述电源管理模块对所述电压信号进行整流滤波处理，并基于所述电压信号产生使能信号提供电源给所述通信模块；所述通讯模块在所述电源管理模块所产生的电源下将所述电压信号经过模数转换电路转换为脉冲信号，并调制于震荡电路所产生的正弦信号中，调制后的正弦信号经过放大电路将携带有流量信息的电压信号发送至所述无线传感器节点的传感器模块上。
综上，本发明实施例所提供的传感器模块集成了多种传感器对输送管道的健康状况进行监控，传感器节点通过无线传感器收集收据，实现信号数据的无线传输，实现了输送管道的多数据量的高效监测。在每段管道线路上安装有无线传感器节点，多个无线传感器节点与汇聚节点通信，形成一个基于无线通信的一对多式的信息传递节点，可实时检测多段管路的线路情况，由于每段管路上又设置有多个无线传感器，可进行多点检测。本发明具有结构简单、实时性好等优点，成本低、方便实用，能实现管道数据的远程实时监控，且会发出报警信号，可以有效减少管道损耗带来的负面效果。
本发明实施例结合管道线路所进行布局无线传感器节点，可以实现将采集的下水道管道数据通过多跳的形式传递至汇聚节点的路由机制，该路由机制根据源节点到汇聚节点的距离确定传输下水道管道数据的传输总跳数，并基于管道线路上所限定的邻居节点的方式确定下一跳的目的节点。通过该路由机制进行下水道管道数据的多跳传输，简单便捷，由于管道线路上所实现的是基于线路布局特征，其所实现的管道线路上的邻居节点与管道线路重合，保障了只有临近节点的无线传感器节点作为目的节点进行传输，其整个传输过程的路线具有明确的方向性，保证了线路路径传递的可控制性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的基于无线传感器的传输下水道管道数据的***结构示意图；
图2是本发明实施例中的无线传感器节点的结构示意图；
图3是本发明实施例中的流量传感器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例中基于无线传感器的传输下水道管道数据的***结构示意图，图2示出了本发明实施例中的无线传感器节点的结构示意图，所述无线传感器***包括输送管道、设置在下水管道上的多个无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器节点包括传感器模块、处理器模块、电源管理模块，所述无线传感器节点的传感器模块集成有温度传感器的通讯接口、湿度传感器的通讯接口、分布式光纤传感器的通讯接口、测力应变计的通讯接口、压力传感器的通讯接口、流量传感器的通讯接口，其中：所述无线传感器节点的处理器模块由微处理单元和无线通信单元两个功能模块组成，所述无线传感器节点所采集到的信息经微处理单元处理后由无线通信单元发送，无线传感器节点中的电源管理模块采用有线接入的方式供给电源，若干个无线传感器节点可以统一由同一个电源输入线供给电源，所述输送管道上设有用于安装无线传感器节点的附加腔体，所述附加腔体给无线传感器节点提供必要的机械保护和安装平台，无线传感器节点安装在输送管道上的附加腔体内；所述汇聚节点和多个传感器节点通过自组织方式构成一个采集和传输下水道管道数据的无线传感器网络，所述传感器节点将采集的下水道管道数据传输到通信设备，所述通信设备将接收到的下水道管道数据传送到远程监控中心进行集中处理，并将所述下水道管道数据存储并显示给监控终端；所述无线传感器节点基于传感器模块连接有温度传感器、湿度传感器、分布式光纤传感器、测力应变计、压力传感器和流量传感器。即本发明实施例的传感器模块可采集到温度参数、湿度参数、压力参数、测力应变参数、光纤参数、流量参数等等，这些都属于下水道管道数据。
传感器模块采用微控制器的中断机制优先级来获取连接在通讯接口上传感器的传感器数据；或者该传感器模块采用轮询方式对各个通讯接口给以响应来获取不同传感器发送给传感器模块的传感器数据。当传感器模块上的多个通讯接口同时有数据请求时，MCU的中断机制判断中断请求的优先级，对优先级高的中断请求优先响应。当多个通讯接口同时有数据请求时，也可以通过轮询方式，对各个通讯接口予以响应，即通讯接口的地址由小到大进行响应，最终将各个传感器数据发送至处理器模块中。
具体实施中，该多个无线传感器节点中的无线传感器节点与所述汇聚节点的距离不超过预设的距离下限Smin时，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点直接将所采集的下水道管道数据传递至汇聚节点；所述多个无线传感器节点的无线传感器节点与所述汇聚节点的距离超过预设的距离下限Smin时，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点将所采集的下水道管道数据通过多跳的形式传递至汇聚节点。
所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点通过交换信息获取邻居节点标识和位置信息，设置统一管道线路上相邻的两个无线传感器节点互为邻居节点，所述相邻的两个无线传感器间支持多跳的形式传递所述下水道管道数据。整个无线传感器节点是沿着管道线路进行布局的，即无线传感器节点相当于沿着管道线路进行排布和分布，彼此相邻的两个无线传感器互为邻居节点，即一个无线传感器最多只有两个无线传感器节点为邻居节点。
所述多个无线传感器节点中的源节点至所述汇聚节点的传输总跳数x：
其中，Si,o为所述源节点i到汇聚节点的距离，Sa，o为网络中第a个传感器节点到汇聚节点的距离，H为网络中的传感器节点数量，为取整函数，表示对进行取整数。
所述源节点在采集到下水道管道数据后，生成传输数据包，所述传输数据包包括所述源节点的标识、下水道管道数据和跳数计数器，所述跳数计数器的初始值为所述源节点确定的传输总跳数x，所述下水道管道数据包括传感器模块所采集的数据；所述源节点在所述源节点的邻居节点中选择一个邻居节点作为目的节点，并将所述传输数据包发送至所述目的节点；所述目的节点接收到所述传输数据包后，更新所述传输数据包，将所述传输数据包中的跳数计数器的值减一，并将所述目的节点所采集的下水道管道数据写入到所述传输数据包；将所述目的节点作为下一跳的源节点，直至目的节点接收到的数据包中的跳数计算器的值为1；在接收到数据包中的跳数计算器的值为1的目的节点，将自身采集的下水道管道数据写入到所述传输数据包后，将整个传输数据包发送给汇聚节点。需要说明的是，源节点到汇聚节点过程中，从源节点首先采集数据封装数据形成传输数据包，并将传输数据包发给源节点所相邻的邻居节点，然后邻居节点将所采集端额数据封装在传输数据包，再将传输数据包发送至临近汇聚节点的邻居节点，直至传输数据包发送给汇聚节点，这个传输数据包封装了从源节点到汇聚节点间所有无线传感器节点所采集的下水道管道数据。
具体实施过程中，源节点首先刷新存储在源节点上的邻居节点列表，若所述邻居节点列表中仅有一个邻居节点，则所述源节点则选择仅有的一个邻居节点作为目的节点；若所述邻居节点列表中有两个邻居节点，则所述源节点在获取邻居节点标识及位置信息后，需要计算两个邻居节点的权值，并按照权值由大到小的顺序对两个邻居节点列表进行排序，构建邻居节点列表；源节点采用协作传输数据包方式将数据包发送至该跳的目的节点，具体执行：源节点向邻居节点列表的两个邻居节点广播协作消息，该两个邻居节点收到协作消息后向源节点反馈协作确认消息，源节点选择最先反馈协作确认消息的邻居节点作为协作节点，将数据包发送至该协作节点，由该协作节点将数据包发送至该跳的目的节点；其中权值的计算公式为：
其中：pij为源节点i的第j个邻居节点的权值，Gj为所述第j个邻居节点的当前剩余能量，Gmin为预设最小能量值，Si，j为源节点i与其第j个邻居节点的距离，q1为预设的能量权重因子，q2为预设的距离权重因子。
通常两个邻居节点中剩余能量越多、位置优势越大的邻居节点具有更大的权值。源节点事先按照权值从大到小的顺序对两个邻居节点进行排列，避免在传输下水道管道数据阶段进行权值的计算而浪费时间；本实施例中，源节点向邻居节点列表的两个邻居节点广播协作消息，该两个邻居节点收到协作消息后向源节点反馈协作确认消息，源节点选择最先反馈协作确认消息的邻居节点作为协作节点，将数据包发送至该协作节。
图3示出了本发明实施例中的流量传感器结构示意图，该流量传感器包括无线无源流量传感器包括敏感单元、电源管理模块和通讯模块，其中：所述敏感单元用于感应下水道管道内的流体，产生对应电压信号，并将电压信号发送给电源管理模块和所述通讯模块；所述电源管理模块对所述电压信号进行整流滤波处理，并基于所述电压信号产生使能信号提供电源给所述通信模块；所述通讯模块在所述电源管理模块所产生的电源下将所述电压信号经过模数转换电路转换为脉冲信号，并调制于震荡电路所产生的正弦信号中，调制后的正弦信号经过放大电路将携带有流量信息的电压信号发送至所述无线传感器节点的传感器模块上。该流量传感器可以采用无源触发的方式触发传感器所采集的数据传输至无线传感器节点的传感器模块上，可以减少整个无线传感器节点上所需的功耗。
综上，本发明实施例所提供的是传感器模块集成了多种传感器对输送管道的健康状况进行监控，传感器节点通过无线传感器收集收据，实现信号数据的无线传输，实现了输送管道的多数据量的高效监测。在每段管道线路上安装有无线传感器节点，多个无线传感器节点与汇聚节点通信，形成一个基于无线通信的一对多式的信息传递节点，可实时检测多段管路的线路情况，由于每段管路上又设置有多个无线传感器，可进行多点检测。本发明具有结构简单、实时性好等优点，成本低、方便实用，能实现管道数据的远程实时监控，且会发出报警信号，可以有效减少管道损耗带来的负面效果。
本发明实施例结合管道线路所进行布局无线传感器节点，可以实现将采集的下水道管道数据通过多跳的形式传递至汇聚节点的路由机制，该路由机制根据源节点到汇聚节点的距离确定传输下水道管道数据的传输总跳数，并基于管道线路上所限定的邻居节点的方式确定下一跳的目的节点。通过该路由机制进行下水道管道数据的多跳传输，简单便捷，由于管道线路上所实现的是基于线路布局特征，其所实现的管道线路上的邻居节点与管道线路重合，保障了只有临近节点的无线传感器节点作为目的节点进行传输，其整个传输过程的路线具有明确的方向性，保证了线路路径传递的可控制性。
以上对本发明实施例所提供的基于无线传感器的传输下水道管道数据的***进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，其特征在于，所述无线传感器***包括输送管道、设置在下水管道上的多个无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器节点包括传感器模块、处理器模块、电源管理模块，所述无线传感器节点的传感器模块集成有温度传感器的通讯接口、湿度传感器的通讯接口、分布式光纤传感器的通讯接口、测力应变计的通讯接口、压力传感器的通讯接口、流量传感器的通讯接口，其中：所述无线传感器节点的处理器模块由微处理单元和无线通信单元两个功能模块组成，所述无线传感器节点所采集到的信息经微处理单元处理后由无线通信单元发送，所述输送管道上设有用于安装无线传感器节点的附加腔体，所述附加腔体给无线传感器节点提供必要的机械保护和安装平台，无线传感器节点安装在输送管道上的附加腔体内；所述汇聚节点和多个传感器节点通过自组织方式构成一个采集和传输下水道管道数据的无线传感器网络，所述传感器节点将采集的下水道管道数据传输到通信设备，所述通信设备将接收到的下水道管道数据传送到远程监控中心进行集中处理，并将所述下水道管道数据存储并显示给监控终端；所述无线传感器节点基于传感器模块连接有温度传感器、湿度传感器、分布式光纤传感器、测力应变计、压力传感器和流量传感器。
2.如权利要求1所述的基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，其特征在于，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点与所述汇聚节点的距离不超过预设的距离下限Smin时，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点直接将所采集的下水道管道数据传递至汇聚节点；所述多个无线传感器节点的无线传感器节点与所述汇聚节点的距离超过预设的距离下限Smin时，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点将所采集的下水道管道数据通过多跳的形式传递至汇聚节点。
3.如权利要求2所述的基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，其特征在于，所述多个无线传感器节点中的无线传感器节点通过交换信息获取邻居节点标识和位置信息，设置统一管道线路上相邻的两个无线传感器节点互为邻居节点，所述相邻的两个无线传感器间支持多跳的形式传递所述下水道管道数据。
4.如权利要求3所述的基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，其特征在于，所述多个无线传感器节点中的源节点至所述汇聚节点的传输总跳数x：
其中，Si,o为所述源节点i到汇聚节点的距离，Sa，o为网络中第a个传感器节点到汇聚节点的距离，H为网络中的传感器节点数量，为取整函数，表示对进行取整数。
5.如权利要求4所述的基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，其特征在于，所述源节点在采集到下水道管道数据后，生成传输数据包，所述传输数据包包括所述源节点的标识、下水道管道数据和跳数计数器，所述跳数计数器的初始值为所述源节点确定的传输总跳数，所述下水道管道数据包括传感器模块所采集的数据；所述源节点在所述源节点的邻居节点中选择一个邻居节点作为目的节点，并将所述传输数据包发送至所述目的节点；所述目的节点接收到所述传输数据包后，更新所述传输数据包，将所述传输数据包中的跳数计数器的值减一，并将所述目的节点所采集的下水道管道数据写入到所述传输数据包；将所述目的节点作为下一跳的源节点，直至目的节点接收到的数据包中的跳数计算器的值为1；在接收到数据包中的跳数计算器的值为1的目的节点，将自身采集的下水道管道数据写入到所述传输数据包后，将整个传输数据包发送给汇聚节点。
6.如权利要求1至5任一项所述的基于无线传感器的传输下水道管道数据的***，其特征在于，所述流量传感器包括无线无源流量传感器包括敏感单元、电源管理模块和通讯模块，其中：所述敏感单元用于感应下水道管道内的流体，产生对应电压信号，并将电压信号发送给电源管理模块和所述通讯模块；所述电源管理模块对所述电压信号进行整流滤波处理，并基于所述电压信号产生使能信号提供电源给所述通信模块；所述通讯模块在所述电源管理模块所产生的电源下将所述电压信号经过模数转换电路转换为脉冲信号，并调制于震荡电路所产生的正弦信号中，调制后的正弦信号经过放大电路将携带有流量信息的电压信号发送至所述无线传感器节点的传感器模块上。
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