串聯(lián)式光喚醒傳感器設計

文/李從飛 楊維剛 陳凡

目前物聯(lián)網(wǎng)傳感器按照通信方式進行分類可以分為無線傳感器和有線傳感器。

無線傳感器一般依靠電池提供電源，采用超低功耗設計，不采集數(shù)據(jù)時傳感器進入休眠狀態(tài)。但在一些強電磁干擾或強屏蔽環(huán)境下，無線連接比較困難，數(shù)據(jù)傳輸可靠性差，此時傳感器將耗費更多的電量進行重發(fā)，重發(fā)不成功將導致數(shù)據(jù)的丟失。

有線傳感器一般采用電纜進行通信，電纜在提供通信媒介的同時往往還具有供電功能。有線傳感器的弊端在于通信的傳輸距離和可靠性上，電信號的傳輸距離較短，而在某些強電磁干擾環(huán)境下，通信將變得不可靠，通信距離也會變短。

本文提出了一種采用光纖通信、電池供電的串聯(lián)式光喚醒傳感器，傳感器不工作時進入休眠狀態(tài)，工作時可由光通信或監(jiān)測信號喚醒，采集、傳輸完數(shù)據(jù)之后，傳感器再次進入休眠，節(jié)省電量。本設計有效的解決了低功耗與遠距離通信可靠性的矛盾，適用于惡劣電磁環(huán)境下的可靠傳感采集和數(shù)據(jù)傳輸。

1 工作原理

傳感器與數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控后臺共同組成完整的傳感監(jiān)測系統(tǒng)，其中傳感器與采集器之間采用光纖連接，采集器與監(jiān)控后臺之間采用無線或以太網(wǎng)線連接；采集器和監(jiān)控后臺由外部供電，傳感器由內(nèi)部電池供電。

串聯(lián)式光喚醒傳感器采用級聯(lián)方式工作，采集器和各級傳感器之間采用環(huán)網(wǎng)串行的手挽手方式工作。采集器定期發(fā)出采集控制信號，收到信號的傳感器首先被喚醒開始工作，采集本身數(shù)據(jù)后發(fā)出控制命令喚醒下一級傳感器，將本身數(shù)據(jù)發(fā)送至下一級傳感器后進入省電休眠模式，下一級傳感器開始工作，整個網(wǎng)絡通過傳感器逐級喚醒實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。串聯(lián)式光喚醒傳感器工作的網(wǎng)絡連接示意圖如圖1所示。

2 硬件設計

如圖2所示，串聯(lián)式光喚醒傳感器由電池、持續(xù)供電部分和間斷供電部分組成，電池同時為持續(xù)供電部分和間斷供電部分供電；持續(xù)供電部分用于檢測光纖接收信號和傳感器監(jiān)測信號，當兩種信號任一觸發(fā)時，啟動間斷供電部分的電源，間斷供電部分開始工作，保持住電源的供應，傳感器開始采集、傳輸數(shù)據(jù)，然后關斷間斷供電部分的的電源，進入省電休眠模式。

持續(xù)供電部分包括光纖接收模塊，轉(zhuǎn)換器、比較器、或門和LDO電源；其中LDO電源用于將可變的電池電壓轉(zhuǎn)換為合適的固定電壓，光纖接收模塊負責監(jiān)測光纖接收信號的有無，轉(zhuǎn)換器和比較器用于監(jiān)測目標信息并給出異常信號，傳感器監(jiān)測的目標信息包括但不限于溫度、濕度、氣體、光強、壓力等。

圖1：傳感器網(wǎng)絡連接示意圖

圖2：傳感器結(jié)構(gòu)框圖

間斷供電部分包括光纖發(fā)送模塊，主控制器，轉(zhuǎn)換器信號處理運放，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和可控LDO電源；當模塊無需工作時，LDO無輸出，間斷供電部分均不工作，減少功率消耗；當持續(xù)供電部分的出發(fā)信號到來后，可控LDO電源開始輸出，控制器開始采集數(shù)據(jù)，接收光纖數(shù)據(jù)，整合之后通過光纖發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)往下一級。

持續(xù)供電部分出發(fā)喚醒間斷供電部分的方式有兩種，一是光纖發(fā)送模塊在發(fā)送有效數(shù)據(jù)之前先發(fā)送喚醒信號，觸發(fā)下一級傳感器進入工作狀態(tài)，此種喚醒為定時喚醒，所定時長由采集器控制；二是傳感器監(jiān)測信號喚醒，當傳感器的監(jiān)測對象參數(shù)指標異常，超出設定值時，喚醒傳感器進行數(shù)據(jù)采集和上傳，此種喚醒為突發(fā)喚醒，可由環(huán)形網(wǎng)絡中的任一傳感器發(fā)起。

3 工作模式

傳感器組網(wǎng)后，有兩種工作模式，定時工作模式和突發(fā)工作模式，在實際運行中兩種模式同時運行。

定時工作模式時，由采集器定時發(fā)起數(shù)據(jù)通信和信息監(jiān)測，采集器通過光纖發(fā)送接口發(fā)送喚醒信號，傳感器1內(nèi)部的光纖接收模塊收到喚醒信號后輸出信號給邏輯或門，控制可控LDO電源，使得傳感器1的間斷工作部分開始工作，控制器輸出信號給邏輯或門，此時即使光纖接收模塊收到的喚醒信號消失，間斷工作部分仍能工作；傳感器1被喚醒后從光纖接收模塊接收數(shù)據(jù)的同時，開始通過信號模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC和轉(zhuǎn)換器采集傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)；將接收到的數(shù)據(jù)和本身采集到的數(shù)據(jù)進行整合打包之后，傳感器1通過光纖發(fā)送模塊發(fā)送喚醒信號以便喚醒傳感器，經(jīng)過一定的延時再將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；級聯(lián)的其他傳感器與傳感器1的工作方式一致。

突發(fā)工作模式時，如果傳感器j中的轉(zhuǎn)換器輸出的信號經(jīng)過比較器比較后異常，比較器輸出信號給邏輯或門，控制可控LDO電源，使得傳感器j的間斷工作部分開始工作，控制器輸出信號給邏輯或門，此時即使轉(zhuǎn)換器輸出的異常信號消失，間斷工作部分仍能工作；傳感器j被喚醒后開始通過信號模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC 和轉(zhuǎn)換器采集傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)；傳感器j通過光纖發(fā)送模塊發(fā)送喚醒信號以便喚醒傳感器j+1，經(jīng)過一定的延時再將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；級聯(lián)中傳感器j后級的傳感器與定時工作模式中的傳感器工作方式一致。

4 應用場景

4.1 輸電線路監(jiān)測

輸電線路包括架空線路和電纜線路，縱橫延伸幾公里到幾百公里，且處于不同的環(huán)境里，受地理、氣候因素影響較大，電網(wǎng)的停電事故很大概率是由線路事故引起的。對輸電線路的在線監(jiān)測受通信條件制約較大，地下電纜溝的輸電電纜無法采用當前成熟的無線通信，架空線路雖可采用，但因數(shù)量的原因?qū)崿F(xiàn)成本較高。采用本文所述串聯(lián)式光喚醒傳感器可以有效解決通信可靠性問題，同時對于架空線路可以增加CT取能供電模式，提高電池使用時間。傳感器可以檢測輸電線路的電流幅值，用于指示線路故障；監(jiān)測環(huán)境溫度，用于火災示警。

4.2 油氣管道監(jiān)測

油氣管道均為高壓運行，油氣本身易燃、易爆并具有毒性，發(fā)生事故不但產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失，甚至會產(chǎn)生火災、爆炸，破壞周圍環(huán)境，影響周邊人身安全。對油氣管道的泄露監(jiān)測非常有必要，但管道一般處于郊外，通信條件差，且無法取電，采用本文所述串聯(lián)式光喚醒傳感器可以解決上述問題，不但能夠穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)管道泄露監(jiān)測，而且能夠定位故障位置。

4.3 隧道監(jiān)測

隧道具有一定的封閉性，地質(zhì)水文情況復雜。若通風排水設備不完善，將導致隧道內(nèi)氣體、粉塵濃度不定；若有有害氣體，不僅影響施工人員的身體健康，還可能引起爆炸。采用本文所述串聯(lián)式光喚醒傳感器可實現(xiàn)隧道內(nèi)環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測隧道內(nèi)各點的環(huán)境溫濕度、有害氣體含量、粉塵濃度，為安全施工提供有力保證。

5 小結(jié)

本文提出了一種適用于惡劣通信環(huán)境中的傳感器，采用間歇休眠、通信喚醒的模式進行工作可以提高電池的使用壽命，光纖級聯(lián)通信的模式可以確保通信可靠、安裝方便，同時實現(xiàn)異常定位功能。