[发明专利]一种天然气管网安全监测的无线传感器网络节点装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及到一种天然气管网安全监测的无线传感器网络节点装置。

背景技术

天然气供给体系是城市的“生命线”之一，其主要输配方式为管道传输。伴随着管网越来越复杂、管线越来越长，重大安全隐患问题更加突出，管道泄漏以及由此引发的爆炸事故时有发生。因此，及时识别管网泄漏等安全隐患对保障城市安全具有重要意义。

目前，针对天然气管网的安全问题，主要采用的是人工巡检方法，即管网维护人员到达现场采用各种检测仪器并结合经验进行检测。该方法效率低、实时性差，检测范围有限。对于覆盖大的管网需要较多的人力资源；无法在线实时地对整个天然气供给网络进行全面监测；不能对施工破坏、小泄漏长期积累导致的爆炸等进行预警。因此，迫切需要一种高效、在线、实时的天然气管网安全监测技术。

无线传感器网络(Wireless Sensory Network，简称WSN)是部署在监测区域内的大量节点通过无线、多跳方式构成的网络系统，具有自组织、自修复、高可靠、低成本等特点。网络的节点装置通过传感器对周围环境或监测对象的参数进行采集，然后进行处理，再通过无线方式发送至相邻节点，最好通过自组织多跳的网络方式传送给使用者。WSN在环境监测、森林防火、智能农业、智能建筑、军事、健康监测和智能家居等领域具有广泛的应用场景。将WSN技术应用于天然气管网的安全监测，可以解决现有人工巡检方式的不足，具有很好的应用前景。

节点装置是WSN的基本组成单元，目前已经有许多节点设计方案，如广泛用于实验和科研领域的Mica系列节点，应用于环境监测的节点等。而WSN是应用为牵引的，节点装置的结构与具体应用密切相关。而针对天然气管网安全监测这一特殊场合的节点设计还未见报道。

发明内容

本发明为解决现有基于人工巡检仪器方式的效率低、非在线、不能大面积监测等缺点，提供一种低成本、低功耗、高效智能的应用于天然气管道安全监测的无线传感器网络节点装置及监测方法。实现了由于施工等外力对管道破坏的监测和识别；泄漏天然气浓度的检测；通过检测周围环境温度来识别可能引起爆炸或燃烧的火源以及检测是否已经发生燃烧事故。

本发明一种天然气管网安全监测的无线传感器网络节点装置，主要由电源模块、传感器模块、处理器模块以及无线通信模块共四部分组成。通过将节点安装于被监测管道的外壁上，由传感器模块采集管道环境参数并将管道环境参数在处理器模块中进行处理和存储，然后发送给无线通信模块，无线通信模块再把参数信息按照固定的通信格式以无线方式发送给邻近汇聚节点。所述电源模块用于为整个节点装置提供电源。

所述的汇聚节点设置在管道周围或者管道上的位置，用于接收一定距离内的节点装置发送的管道环境参数信息，并将该信息转发给监测中心。一定距离内是指节点装置与汇聚节点建立通信的有效范围。

本发明的处理器模块包括CPU芯片、编程接口电路和Flash存储器，当传感器节点处于编程模式时，可以通过编程工具借助于串口把编译好的代码通过编程接口电路下载到节点Flash存储器上，Flash存储器与CPU芯片通过SPI接口相连；

所述编程接口电路通过计算机串口下载编程，在上电初始化时，手动设置CPU芯片的复位信号置为低电平，然后把SPI接口的MISO置为低电平，在复位信号恢复到高电平保持至少0.5秒后，释放MISO，此时节点装置处于编程模式，通过编程工具并借助于计算机串口把编译好的代码下载到Flash存储器上。

所述Flash存储器与CPU芯片10通过SPI接口相连，SPI接口保证了数据传输的可靠性和高速性。

所述电源模块包括可充电电池、电压检测电路和充电接口电路。可充电电池用于输出3.3V电压给传感器模块、处理器模块和无线通信模块；电压检测电路与CPU芯片的模数转换ADC通道相接，用于测量可充电电池的电压，进而获得剩余电量；可充电电池与充电接口电路相接，当剩余电量不足时，对其充电。

本发明的传感器模块包括加速度传感器、气体传感器和温度传感器，传感器模块受处理器模块控制，用于采样天然气管道周边的环境参数。其中，加速度传感器将管道的振动转化为与振动幅值成比例关系的电压信号，气体传感器将天然气的浓度转化为与浓度成比例关系的电压信号，温度传感器将管道周围的温度转化为数字信号传送给CPU芯片，前两种电压信号再通过CPU芯片的模数转换ADC通道转化为数字信号，这三种信号由CPU芯片处理、保存后传送给无线通信模块，再由该模块发送给邻近的汇聚节点，经汇聚节点发送至监测中心；