[發(fā)明專利]一種天然氣管網(wǎng)安全監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點裝置

無效

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• 申請日: 2009-05-21
• 公開（公告）號: CN101555991A
• 公開（公告）日: 2009-10-14
• 發(fā)明（設計）人: 馮仁劍;張帥鋒;萬江文;薛皓
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F17D5/02
• 分類號: F17D5/02;G01D21/02;H04W84/18;H02J7/02
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務所
• 代理人: 周長琪

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(wǎng)安全監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的安全問題，主要采用的是人工巡檢方法，即管網(wǎng)維護人員到達現(xiàn)場采用各種檢測儀器并結合經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)安全監(jiān)測技術。

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless?Sensory?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(wǎng)絡系統(tǒng)，具有自組織、自修復、高可靠、低成本等特點。網(wǎng)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(shù)進行采集，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(wǎng)絡方式傳送給使用者。WSN在環(huán)境監(jiān)測、森林防火、智能農(nóng)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(wǎng)的安全監(jiān)測，可以解決現(xiàn)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(jīng)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡節(jié)點裝置及監(jiān)測方法。實現(xiàn)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(jīng)發(fā)生燃燒事故。

本發(fā)明一種天然氣管網(wǎng)安全監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)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(shù)并將管道環(huán)境參數(shù)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(shù)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。

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(shù)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，F(xiàn)lash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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院透咚傩浴?/p>

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。可充電電池用于輸出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(shù)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，用于采樣天然氣管道周邊的環(huán)境參數(shù)。其中，加速度傳感器將管道的振動轉化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(shù)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(shù)轉換ADC通道轉化為數(shù)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(jīng)匯聚節(jié)點發(fā)送至監(jiān)測中心；