專利名稱：一種天然氣管網安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信領域，具體涉及到一種天然氣管網安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點 裝置。
背景技術：
天然氣供給體系是城市的"生命線"之一，其主要輸配方式為管道傳輸。伴隨著管網越 來越復雜、管線越來越長，重大安全隱患問題更加突出，管道泄漏以及由此引發(fā)的爆炸事故 時有發(fā)生。因此，及時識別管網泄漏等安全隱患對保障城市安全具有重要意義。
目前，針對天然氣管網的安全問題，主要采用的是人工巡檢方法，即管網維護人員到達 現場采用各種檢測儀器并結合經驗進行檢測。該方法效率低、實時性差，檢測范圍有限。對
于覆蓋大的管網需要較多的人力資源；無法在線實時地對整個天然氣供給網絡進行全面監(jiān)測； 不能對施工破壞、小泄漏長期積累導致的爆炸等進行預警。因此，迫切需要一種高效、在線、 實時的天然氣管網安全監(jiān)測技術。
無線傳感器網絡(Wireless Sensoiy Network,簡稱WSN)是部署在監(jiān)測區(qū)域內的大
量節(jié)點通過無線、多跳方式構成的網絡系統(tǒng)，具有自組織、自修復、高可靠、低成本等特點。 網絡的節(jié)點裝置通過傳感器對周圍環(huán)境或監(jiān)測對象的參數進行釆集，然后進行處理，再通過 無線方式發(fā)送至相鄰節(jié)點，最好通過自組織多跳的網絡方式傳送給使用者。WSN在環(huán)境監(jiān)測、
森林防火、智能農業(yè)、智能建筑、軍事、健康監(jiān)測和智能家居等領域具有廣泛的應用場景。 將WSN技術應用于天然氣管網的安全監(jiān)測，可以解決現有人工巡檢方式的不足，具有很好 的應用前景。
節(jié)點裝置是WSN的基本組成單元，目前已經有許多節(jié)點設計方案，如廣泛用于實驗和 科研領域的Mica系列節(jié)點，應用于環(huán)境監(jiān)測的節(jié)點等。而WSN是應用為牽引的，節(jié)點裝 置的結構與具體應用密切相關。而針對天然氣管網安全監(jiān)測這一特殊場合的節(jié)點設計還未見 報道
發(fā)明內容
本發(fā)明為解決現有基于人工巡檢儀器方式的效率低、非在線、不能大面積監(jiān)測等缺點， 提供一種低成本、低功耗、高效智能的應用于天然氣管道安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點裝
置及監(jiān)測方法。實現了由于施工等外力對管道破壞的監(jiān)測和識別；泄漏天然氣濃度的檢測； 通過檢測周圍環(huán)境溫度來識別可能引起爆炸或燃燒的火源以及檢測是否已經發(fā)生燃燒事故。
本發(fā)明一種天然氣管網安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點裝置，主要由電源模塊、傳感器 模塊、處理器模塊以及無線通信模塊共四部分組成。通過將節(jié)點安裝于被監(jiān)測管道的外壁上， 由傳感器模塊采集管道環(huán)境參數并將管道環(huán)境參數在處理器模塊中進行處理和存儲，然后發(fā) 送給無線通信模塊，無線通信H塊再把參數信息按照固定的通信格式以無線方式發(fā)送給鄰近 匯聚節(jié)點。所述電源,莫塊用于為整個節(jié)點裝置提供電源。
所述的匯聚節(jié)點設置在管道周圍或者管道上的位置，用于接收一定距離內的節(jié)點裝置發(fā) 送的管道環(huán)境參數信息，并將該信息轉發(fā)給監(jiān)測中心。 一定距離內是指節(jié)點裝置與匯聚節(jié)點 建立通信的有效范圍。
本發(fā)明的處理器模塊包括CPU芯片、編程接口電路和Flash存儲器，當傳感器節(jié)點處 于編程模式時，可以通過編程工具借助于串口把編譯好的代碼通過編程接口電路下載到節(jié)點 Flash存儲器上，Flash存儲器與CPU芯片通過SPI接口相連；
所述編程接口電路通過計算機串口下載編程，在上電初始化時，手動設置CPU芯片的復 位信號置為低電平，然后把SPI接口的MISO置為低電平，在復位信號恢復到高電平保持至 少0.5秒后，釋放MISO，此時節(jié)點裝置處于編程模式，通過編程工具并借助于計算機串口 把編譯好的代碼下載到Flash存儲器上。
所述Flash存儲器與CPU芯片10通過SPI接口相連，SPI接口保證了數據傳輸的可靠 性和高速性。
所述電源模塊包括可充電電池、電壓檢測電路和充電接口電路?？沙潆婋姵赜糜谳敵?3.3V電壓給傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊；電壓檢測電路與CPU芯片的模數轉 換ADC通道相接，用于測量可充電電池的電壓，進而獲得剩余電量；可充電電池與充電接 口電路相接，當剩余電量不足時，對其充電。
本發(fā)明的傳感器模塊包括加速度傳感器、氣體傳感器和溫度傳感器，傳感器模塊受處理 器模塊控制，用于采樣夭然氣管道周邊的環(huán)境參數。其中，加速度傳感器將管道的振動轉化
5為與振動幅值成比例關系的電壓信號，氣體傳感器將天然氣的濃度轉化為與濃度成比例關系 的電壓信號，溫度傳感器將管道周圍的溫度轉化為數字信號傳送給CPU芯片，前兩種電壓信 號再通過CPU芯片的模數轉換ADC通道轉化為數字信號，這三種信號由CPU芯片處理、 保存后傳送給無線通信模塊，再由該模塊發(fā)送給鄰近的匯聚節(jié)點，經匯聚節(jié)點發(fā)送至監(jiān)測中 心；
所述加速度傳感器由CPU芯片控制通斷，從而打開/關閉加速度傳感器，降低功耗。加 速度傳感器把采集到振動信號以模擬形式輸送給CPU芯片的模數轉換ADC通道，或者以數 字形式輸送給CPU芯片的輸入捕捉通道。
所述氣體傳感器由CPU芯片控制通斷，從而打開/關閉氣體傳感器，降低功耗。氣體傳 感器把釆集到的天然氣濃度信號輸送給CPU芯片的ADC通道。
所述溫度傳感器由CPU芯片通過一個通用I/O通道以單總線接口方式獲取溫度傳感器采 集到的溫度數值。
所述無線通信模塊包括無線收發(fā)器、Balun器件和天線，無線收發(fā)器通過配置外圍必需 的電阻電容和Bahm器件連接，Balun器件通過射頻同軸連接器和天線相連，在CPU芯片 的控制下，無線收發(fā)器接收處理器模塊的數字信號，并通過Balun器件進行阻抗匹配后，再 通過天線以無線的方式發(fā)^f出去。
本發(fā)明一種天然氣管網安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點監(jiān)測方法，分為五個步驟來完成 步驟一在管壁外每間隔一定距離布置節(jié)點裝置，節(jié)點裝置待網絡創(chuàng)建后，進入待機； 步驟二節(jié)點裝置一旦檢測到滿足喚醒條件的事件發(fā)生，立即被喚醒，此時傳感器，莫塊 重新開始采集管道周圍環(huán)境信息參數，包括溫度信號、加速度信號和天然氣濃度信號；
步驟三步驟三中釆集到的信號發(fā)送給處理器模塊，處理器模塊對各種信號轉換成數字 信號并存儲處理，同時節(jié)點裝置自動設置地址、數據格式；
步驟四將步驟四中處理后的信息發(fā)送給無線通信模塊，無線通信模塊以無線方式將其
再發(fā)送給鄰近的匯聚節(jié)點，接著進入待機；
步驟五匯聚節(jié)點再把參數信息傳送給監(jiān)測中心，此時監(jiān)測中心就會顯示采集到的參數 信息。
當無線傳感器網絡節(jié)點裝置處于定時査詢的工作機制時，節(jié)點每隔一定時間自動喚醒一次，通過本發(fā)明的節(jié)點裝置定時采集天然氣管網周邊環(huán)境參數，以無線的方式發(fā)送給鄰近的 匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再把參數信息傳送給監(jiān)測中心，此時監(jiān)測中心就會顯示采集到的參數信 息，同時，可以設定天然氣管網臨界安全值為溫度，天然氣濃度，振動強度參數，當外力引 起管道的振動強度、天然氣濃度或溫度超過設定的上述參數時，節(jié)點就會立即被喚醒，采集 天然氣管網周邊環(huán)境參數信息，經匯聚節(jié)點將報警信息發(fā)送給監(jiān)測中心，給工作者立即采取 措施提供行動依據。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1) 采用本發(fā)的節(jié)點裝置構建無線傳感器網絡對天然氣管網進行安全監(jiān)測，與傳統(tǒng)人工 巡檢方式相比，效率高，檢測范圍廣，能在線實時地對整個天然氣供給網絡進行全面監(jiān)測， 能對施工破壞、小泄漏長期積累導致的爆炸等進行預警；
(2) 本發(fā)明采用無線傳感器網絡技術，利用電池供電和無線通信方式，不需要電纜和布 線，部署靈活，大大降低了施工量；
(3) 本發(fā)明采用模塊化的體系結構，具有良好的可擴展性，通過更換不同的傳感器模塊 來靈活方便地實現采集其它參數的功能；
(4) 可以用來指導通用的無線傳感器節(jié)點研制，應用者可以根據其特殊的應用領域通過 更換不同的傳感器模塊來靈活方便地實現其功能。


圖1為本發(fā)明的節(jié)點裝置結構組成框圖3為本發(fā)明節(jié)點裝置的數據傳輸流程圖2為本發(fā)明節(jié)點裝置依據IEEE802.15.4標準建立網絡流程圖； 圖4為應用本發(fā)明的節(jié)點裝置構成的天然氣管網安全監(jiān)測系統(tǒng)結構圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明一種天然氣管網安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點裝置，所述的節(jié)點 裝置主要由電源模塊1、傳感器模塊5、處理器模塊11以及無線通信模塊18共四部分組成， 將本發(fā)明的節(jié)點裝置安裝于被監(jiān)測管道的外壁上，傳感器模塊5采集管道周圍環(huán)境信息參數， 并將所有參數傳給處理器模塊ll進行處理和存儲，最后輸送給無線通信模塊18,無線通信
7模塊18再把參數信息按照固定的通信格式以無線方式發(fā)送給鄰近匯聚節(jié)點。所述電源才莫塊1 用于為整個節(jié)點裝置提供電源。
所述的匯聚節(jié)點設置在管道周圍或者管道上的位置，用于接收一定距離內的節(jié)點裝置發(fā) 送的管道環(huán)境參數信息，并將該信息轉發(fā)給監(jiān)測中心。 一定距離內是指節(jié)點裝置與匯聚節(jié)點 建立通信的有效范圍。
如圖1所示，本發(fā)明的處理器模塊11包括CPU芯片、編程接口電路和Flash存儲器, CPU芯片采用英國Jennie公司的高性能、高集成度的32bit RISC處理器JN5139。
所述編程接口電路13通過計算機串口下載編程，在上電初始化時，手動設置CPU芯片 10的復位信號置為低電平，然后把SPI接口的MISO置為低電平，在復位信號恢復到高電 平保持至少0.5秒后，釋放MISO，此時節(jié)點裝置處于編程模式，通過編程工具并借助于計 算機串口把編譯好的代碼下載到Flash存儲器14上。
所述Flash存儲器14與CPU芯片10通過SPI接口相連，SPI接口保證了數據傳輸的 可靠性和高速性。
所述電源模塊1包括可充電電池3、電壓檢測電路4和充電接口電路2。可充電電池3 用于輸出3.3V電壓給傳感器模塊5、處理器模塊11和無線通信模塊18;電壓檢測電路用 于測量可充電電池3的電壓，將測得的電壓信號通過CPU芯片10的模數轉換ADC通道9 轉化為數字信號，由CPU芯片10處理、存儲后傳送給無線通信凈莫i央18,再由該模塊發(fā)送 給鄰近的匯聚節(jié)點，經匯聚節(jié)點發(fā)送至監(jiān)測中心；可充電電池3與充電接口電路2相接，當 剩余電量不足時，對其充電。
本發(fā)明的傳感器模塊5用于采樣天然氣管道周邊的環(huán)境參數，該傳感器模塊5可以定時 采集管道周圍的環(huán)境信息參數，也可以根據節(jié)點裝置的喚醒條件，由處理器模塊11在節(jié)點 裝置喚醒后控制傳感器模塊5實時進行信息采集。所述的傳感器f莫塊5包括加速度傳感器6、 氣體傳感器7和溫度傳感器8，所述的溫度傳感器8實時釆集管道周圍環(huán)境溫度信號,由CPU 芯片10通過一個通用I/O通道以單總線接口方式獲取溫度傳感器8采集到的溫度數值。
加速度傳感器6將管道的振動轉化為電壓信號，氣體傳感器7將天然氣的濃度轉化為電 壓信號，電壓信號再通過CPU芯片10的模數轉換ADC通道9轉化為數字信號，然后與溫 度信號一起由CPU芯片10處理、存儲后傳送給無線通信模塊18，再由該模塊發(fā)送給鄰近的匯聚節(jié)點，經匯聚節(jié)點發(fā)送至監(jiān)測中心；
當節(jié)點裝置喚醒后，所述加速度傳感器6由CPU芯片io控制通斷，從而打開/關閉加 速度傳感器6。加速度傳感器6把采集到振動信號以模擬形式輸送給CPU芯片10的ADC 通道9，或者以數字形式輸送給CPU芯片10的輸入捕捉通道12。
所述氣體傳感器7由CPU芯片IO控制通斷，從而打開/關閉氣體傳感器7，降低功耗。 氣體傳感器7把采集到的氣體濃度信號輸送給CPU芯片10的ADC通道9。
所述的喚醒條件是指，節(jié)點裝置上的傳感器模塊5采集到的環(huán)境參數超出設定的臨界安 全值所產生的外部中斷，或者為定時喚醒的時間到。
無線通信模塊18包括無線收發(fā)器17、 Balim器件16和天線15。無線通信模塊18與 處理器模塊11相接，在CPU芯片10的控制下與匯聚節(jié)點進行數據發(fā)送。
所述無線通信模塊18中的無線收發(fā)器17通過配置外圍必需的電阻電容和Balun器件 16連接，Bakm器件16通過射頻同軸連接器和2.4GHz天線15相連，實現節(jié)點間信息的 傳送。無線收發(fā)器17接收到處理器模塊11的數字信號，并通過Balun器件16進行阻抗 匹配后，最后通過天線15發(fā)送給與該節(jié)點裝置鄰近的匯聚節(jié)點。
如圖2所示，本發(fā)明一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點監(jiān)測方法，通過如下步 驟來完成
步驟一在管壁外每間隔一定距離布置節(jié)點裝置，節(jié)點裝置待網絡創(chuàng)建后，進入待機； 如圖3所示，本發(fā)明一種天然氣管網安全監(jiān)測傳感器網絡節(jié)點裝置需要依據 IEEE802.15.4標準建立網絡，通過7步來完成 步驟l:系統(tǒng)上電；
步驟2:對每個設備的IEEE802.15.4協議棧進行初始化；
步驟3:在每個網絡上有且只有一個個人區(qū)域網(Personal Area Network,簡稱PAN) 協調器；在事先約定的^交備上初始化PAN協調器；
步驟4:設置網絡標識PANID，網絡之間由PANID來區(qū)分；
步驟5:為每個設備分配一個16位的網絡短地址做為組網的標識進行通訊，PAN協調 器的網絡短地址通常被定義為0x0000;
步驟6: PAN協調器通過能量掃描檢測來找到一個相對安靜的射頻頻率通道，并利用此
9通道來建立自己的無線網絡；
步驟7:其他網絡設備在完成自己的初始化過程后通過頻道掃描找到相對應的PAN協調 器，經過身份驗證后加入網絡，此時PAN協調器將發(fā)送一個組網標識給該設備，當網絡中出 現PAN協調器和至少一個其他設備后，網絡就可以進行數據傳輸。
步驟二節(jié)點裝置一旦檢測到滿足喚醒條件的事件發(fā)生，立即被喚醒，此時傳感器模塊5 開始采集管道周圍環(huán)境信息參數，包括溫度信號、加速度信號和天然氣濃度信號。
步驟三步驟三中采集到的信號發(fā)送給處理器模塊ll,處理器模塊ll對各種信號轉換 成數字信號并存儲處理，同時節(jié)點裝置自動設置地址、數據格式。
步驟四將步驟四中處理后的信息發(fā)送給無線通信模塊18，無線通信模塊18以無線方 式將其再發(fā)送給鄰近的匯聚節(jié)點，接著進入待機。
步驟五匯聚節(jié)點再把參數信息傳送給監(jiān)測中心，此時監(jiān)測中心就會顯示釆集到的參數 信息。
如圖4所示，當無線傳感器網絡節(jié)點裝置處于定時査詢的工作機制時，節(jié)點裝置每隔一 定時間自動喚醒一次，節(jié)點裝置通過傳感器模塊5定時采集天然氣管網周邊環(huán)境參數，并最 終通過無線通信模塊18以無線的方式發(fā)送給鄰近的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再把參數信息傳送 給監(jiān)測中心，此時監(jiān)測中心就會顯示采集到的參數信息，同時，可以設定天然氣管網臨界安 全值為溫度，天然氣濃度，振動強度參數，當外力引起管道的振動強度、天然氣濃度或溫度 超過設定的上述參數時，節(jié)點裝置就會立即被喚醒，采集天然氣管網周邊環(huán)境參數信息，經 匯聚節(jié)點將報警信息發(fā)送給監(jiān)測中心，給工作者立即采取措施提供行動依據。
權利要求
1、一種天然氣管網安全監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點裝置，其特征在于該節(jié)點裝置安裝于被監(jiān)測管道的外壁上，主要由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊以及無線通信模塊共四部分組成；所述處理器模塊負責控制傳感器模塊和無線通信模塊的數據采集和傳輸；傳感器模塊采集管道環(huán)境參數并將管道環(huán)境參數在處理器模塊中進行處理和存儲，然后發(fā)送給無線通信模塊，無線通信模塊再把參數信息按照固定的通信格式以無線方式發(fā)送給鄰近匯聚節(jié)點；所述電源模塊用于為整個節(jié)點裝置提供電源。
2、 如權利要求1所述一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點裝置，其特征在于所述 處理器模塊包括CPU芯片、編程接口電路和Flash存儲器，所述編程接口電路通過計算機 串口下載編程，并存儲在Flash存儲器上，Flash存儲器與CPU芯片通過SPI接口相連。
3、 如權利要求1所述一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點裝置，其特征在于所述 電源模塊包括可充電電池、電壓檢測電路和充電接口電路；可充電電池輸出3.3V電壓給傳 感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊；電壓檢測電路與CPU芯片的模數轉換ADC通道相 接，用于測量可充電電池的電壓，進而獲得剩余電量；可充電電池與充電接口電路相接，當 剩余電量不足時，對其充電。
4、 如禾又利要求1所述一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點裝置，其特征在于所述 傳感器，莫塊包括加速度傳感器、氣體傳感器和溫度傳感器，傳感器模塊受處理器模塊控制，用于采樣天然氣管道周邊的環(huán)境參數；其中，溫度傳感器將管道周圍的溫度轉化為數字信號 傳送給CPU芯片，加速度傳感器將管道的振動轉化為電壓信號，氣體傳感器將天然氣的濃度 轉化為電壓信號，兩種電壓信號再通過CPU芯片的模數轉換ADC通道轉化為數字信號，這 三種數字信號由CPU芯片處理、存儲后傳送給無線通信模塊，再由該模塊發(fā)送給鄰近的匯聚 節(jié)點，經匯聚節(jié)點發(fā)送至監(jiān)測中心。
5、 如權利要求1所述一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點裝置，其特征在于所述 無線通信模塊包括無線收發(fā)器、Balun器件和天線，無線收發(fā)器通過配置外圍必需的電阻電 容和Balun器件連接，Balun器件通過射頻同軸連接器和天線相連，在CPU芯片的控制下， 無線收發(fā)器接收處理器模塊的數字信號，并通過Balun器件進行阻抗匹配后，再通過天線以無線的方式發(fā)射出去。
6、 如權利要求1所述一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點裝置，其特征在于所述 加速度傳感器由CPU芯片控制通斷，從而打開/關閉加速度傳感器，加速度傳感器以兩種形 式輸送給CPU芯片，所述的兩種形式分別是振動信號以+莫擬形式輸送給CPU芯片的，莫數 轉換ADC通道，或者以數字形式輸送給CPU芯片的輸入捕捉通道。
7、 一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點監(jiān)測方法，其特征在于步驟一在管壁外每間隔一定距離布置節(jié)點裝置，節(jié)點裝置待網絡創(chuàng)建后，進入待機； 步驟二節(jié)點裝置一旦檢測到滿足喚醒條件的事件發(fā)生，立即被喚醒，此時傳感器模塊 重新開始采集管道周圍環(huán)境信息參數，包括溫度信號、加速度信號和天然氣濃度信號；步驟三步驟三中采集到的信號發(fā)送給處理器模塊，處理器模塊對各種信號轉換成數字信號并存儲處理，同時節(jié)點裝置自動設置地址、數據格式；步驟四將步驟四中處理后的信息發(fā)送給無線通信模塊，無線通信模塊以無線方式將其再發(fā)送給鄰近的匯聚節(jié)點，接著進入待機；步驟五匯聚節(jié)點再把參數信息傳送給監(jiān)測中心，此時監(jiān)測中心就會顯示釆集到的參數信息。
8、 根據權利要求7所述的一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點監(jiān)測方法，其特征在 于所述的一定距離布置節(jié)點裝置是指與匯聚節(jié)點建立通信的有效范圍。
全文摘要
一種天然氣管網安全監(jiān)測的傳感器網絡節(jié)點裝置，主要包括電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。該節(jié)點在處理器模塊的控制下，通過傳感器模塊中的加速度傳感器、氣體傳感器和溫度傳感器采集管道及周邊環(huán)境與安全相關的參數；節(jié)點之間通過無線通信模塊進行數據交互并構建成自組織、多跳的無線傳感器網絡，最終將節(jié)點處的與安全相關的信息傳送到監(jiān)測中心。采用無線傳感器網絡技術對城市天然氣管網進行在線、實時監(jiān)測，能夠及時發(fā)現施工破壞、泄漏等不安全因素，提高天然氣管網運行的安全性，降低人工維護成本。
文檔編號F17D5/02GK101555991SQ20091008456
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權日2009年5月21日
發(fā)明者萬江文, 馮仁劍, 張帥鋒, 皓 薛 申請人:北京航空航天大學