一种用于自动化系统的淹水传感器的制作方法

本发明涉及一种用于智能自动化系统的淹水传感器。本发明的装置是一种低成本和低功耗的系统，使得传感器节点可以更加方便地集成到智能自动化系统中。使用者可以通过如因特网或移动网络之类的通信网络远程访问传感器的信息。

背景技术：

在过去几年，许多新的智能家居系统在其可连接设备的列表中添加了漏水探测器(例如专利us2017299210a1)。这些传感器可以放置在如洗衣机、洗碗机或热水器等电器附近，也可以安装在地下室、厨房、浴室、厕所或车库中，以防管道爆裂所带来的危害。及早发现隐患对于避免这些情况的发生至关重要。

大多数智能家居水传感器都是由电池供电的，其涉及一些低功耗的无线技术。随着无线通信技术发展迅速，无线传感器网络的应用已经扩展到家用自动化、环境监测、健康监测等领域。无线传感器网络的出现解决了整个家庭对有线传感器节点的需求，降低了安装和维护的成本。ieee802.15.4标准尤为适合在智能家居框架内实现低成本、低功耗、可靠控制以及实时监控的应用。但是，有效的如何实现电源管理是无线传感器节点急需解决的一个主要问题。

无线设备的问世意味着不同学科的整合，如电子学、计算机科学及通信系统。系统可从传感器收集信息，处理信息并激活输出。

一般来说，家用淹水探测器的工作原理是基于至少两个电子系统引脚之间的电导率变化。这类系统的其中一个例子可参见专利文件us2015091723中记载的一个实施例，其涉及了淹水及温度传感器的不同工作方法和系统，其可包括通过测量淹水传感器中的至少一对金属探针之间的电阻来检测房屋中是否有水的存在以及进行温度检测，同时使用一个或多个水平传感器检测传感器相对于重力的方向。其中，金属探针可以延伸。金属探针也可以是镀金的。可以用一个远程探针来探测水的存在。传感器可以采用无线收发机与一个或多个外部设备无线通信。

然而，到目前为止，在偏远地区部署智能传感器有两个显著的缺点：组件成本和电池寿命。使用者需要定期监测传感器，检查节点状态和更换电池。因此，当下亟需一款集成的解决方案，可以使得(每一次)维护和更换访问之间的时间间隔大大延长。为此，现在需要一种全新的、具有高效实时操作控制模式的淹水传感器，从而产生具有自动检测功能的长效自治传感器。

技术实现要素：

本发明记载了一种无线淹水传感器，用于检测家庭地板上是否有水存在，从而提供漏水的早期警报。其部署了一个无线传感器网络来收集来自传感器节点的测量数据。中央控制器用于协调网络并根据传感器的地理位置处理数据。用户可以远程查询是否存在水或其他液体以及特定节点的电池状态、泄漏的液体类型或其它与其功能及警报相关的信息。本发明的传感器在成本、部署的简易程度及维护方面进行了优化，从而使其被最终用户广泛接受。本发明的目的是通过权利要求1的传感器实现的。本发明的其他实施例在从属权利要求中公开。

本发明所记载的传感器的一个优点是，传感电极可在两个高度对液体(通常是水)的存在进行检测，因此它可以区分判断是意外的水溢出(例如，一杯或一桶水的掉落)还是真实存在淹水情况(破裂的管道、外部的水入口等)。这是一个非常便捷的功能特征，其可将假报警的情况控制在最低，如同一申请人在专利文献ep3264384中所公开的，其也通过引用并入本文中。

由于手持便携式设备的应用和无线传感器网络领域的深入研究(其通常使用电池驱动设备)，电源管理技术有了显著提升。在本发明中，低功耗硬件组件的适当选择和定制的wsn解决方案可实现延长电池寿命、扩展系统自主性的优点。

该发明的另一个发明目的是提供了一种传感器，其可以通过降低系统的复杂性，实现为最终用户的日常生活提供切实优势的解决方案，它可部署在真实环境中并长期使用。本发明公开了一种基于ieee802.15.4无线技术标准的实时报警淹水传感器集成无线传感器网络。

最后，尽管目标应用在智能家居中，但该系统也可用于工业，因为它可以检测地下室、工厂地板、实验室或其他位置是否存在水或其他潮湿液体。

在整个说明书和权利要求书中，“包括”一词及其变体并不寻求排除其他技术特征、附件、组件或步骤。对于本领域技术人员来说，本发明的其他目的、优点和特征，一部分可从描述中，一部分可从实践中推导出来。以下示例和附图以图解的方式提供，并不寻求限制本发明。此外，本发明涵盖本文所示的优选实施例的所有可能组合。

附图简要说明

下面将非常简要地描述有助于更好地理解本发明并且与作为其非限制性示例呈现的所述发明的实施例明确相关的一系列附图。

图1示出了本发明的淹水传感器的硬件概览图。

图2示出了本发明的淹水传感器的简化电路示意图。

图3示出了本发明的淹水传感器的固件概览图。

图4示出了具有根据本发明的淹水传感器的淹水检测信号的示例，其中(a)表示自来水；(b)表示海水；(c)表示肥皂水。

优选实示例

淹水传感器是一种被用于检测家用或工业环境中的液体泄漏(在非限制性示例中以水作为示例)的装置。本发明的无线传感器(即传感器节点)是根据与尺寸效率、低成本和低功耗相关的要求而开发的。在优选实施例中，无线传感器连接到家庭(或工厂)网络并且可以向用户发送警报，从而降低因水(或其他流体)造成的灾害的补救成本。

在非限制性的实施例中，其部署的wsn由五个淹水传感器节点(可视情况增加或减少)和网关或中央控制器组成。在一个实施例中，还包括警报器，它可发出针对水存在的声音警报。淹水传感器检测水面上的积水，并通过无线模块发送数据，实现与主系统的通信。传感器节点可以通过互联网(tcp/ip协议)或使用中央控制器的数据移动网络(例如2g/3g/4g/5g)彼此通信并与外部网络通信。无线淹水传感器连接到智能家居中央控制器，用户可以使用移动电话或平板电脑等便携式电子设备查询设备装置的状态。如果设备检测到液体，用户将收到警报，比如，通常是短信或推送的通知。此外，本发明的无线泛光传感器还可以包括倾斜传感器(以便用户知道是否有人移动了传感器)、温度传感器、蜂鸣器和灯。本发明的概述图可参见图1。

传感器节点包括所有必要的电路，用于检测两个水位处是否存在水、监测传感器的倾斜度、处理数据、光信号和通过射频发送警报。更具体地说，根据图1的非限制性示例性实施例的淹水传感器包括电池、用于控制硬件、执行水位测量和电子检测的微控制器；射频模块；还有一个蜂鸣器用以警告用户水的存在。它还包含一个篡改器，用于以处理为目的或破坏情况，而检测设备的打开情况。此外，1传感器节点包括一个倾斜仪，该倾斜仪使系统能够识别可能存在的水流，并可以知道设备是否已被重新定位或操控。在无线传感器节点的设计中，考虑了无线技术的强大耐用、低成本和低功耗、持久使用的能源和体积减小等特点。

为了延长电池的寿命，与电源管理和堆栈协议相关的设计领域被设计了出来。节点的能量消耗被优化，即它可以完全由电池进行供电。对洪水传感器在硬件设计、无线通信和固件等方面进行了精心设计，使其可在单芯电池(如cr123型电池)下实现10年以上的自主运行。

关于射频模块，它通过通信标准发送和接收数据。无线通信协议的选择是通过考虑数据速率、低功耗和成本来确定的。ieee802.15.4标准最适合于满足目标应用的要求。它适用于传输数据量小的应用场合，使网络节点长时间不用充电就可以由电池供电。此外，该标准还通过增加节点数量来扩展网络范围。在非限制性示例性实现中，射频模块基于来自microchip公司的mrf89xa收发器，这是可用的功耗最低的收发器之一，并且通过868mhz的无线通信与中央控制器节点交换数据。

图2显示了淹水传感器的电路示意图。这个电路负责测量两个水位，它基于一个数字电路，通过放置在电路板底部的电极来检测不同的液体高度。该电路的设计使其静态电流消耗几乎为零，电流仅在有水的情况下流动，从而节省了功耗。如果检测到淹水，电路的输出将会被激活，微控制器就会脱离它通常保持的零功率状态。

另一方面，倾斜传感器可以测量任意方向上最多15度的倾斜。正如上面所提到的，这种元件对于检测传感器的运动情况是非常有用的，无论是通过水流或淹水，还是通过操控。它是一个几乎没有功耗的数字电路，因此它不损害本发明追求的自治性和功耗规范。在非限制性示例性实施例中，倾斜传感器基于来自signalquest的sq-sen-815b。

淹水传感器的封装具上设有电极，可以接触到平坦的接触面，并检测是否存在水或其他类型的液体。本发明的传感器可以放置在地板上或墙上。为了可以安装在墙上，设计了一个附件，该附件一旦固定在墙上(用粘合剂)，就可以将传感器磁性地连接到墙上。

在非限制性示例性实施例中，中央控制器执行数据处理以及与远程服务器的通信，并且它被设计成模块化结构。此控制单元具有不同的有线和无线通信模块，以及六个扩展插槽的通用模块，例如传感器、输入和输出或通信。该控制系统由microchip公司的32位pic32mz1024微处理器管理，具有高达140mhz的时钟频率，和以下特性：80i/o引脚，32模拟输入通道，专用硬件为uart,spi,i2c和usb通信总线，和实时时钟(rtc)。系统支持15v和36v之间的输入电压。电源电路有三个主要模块，用于将输入电压降低到5v，这需要为一些数字电路供电，并获得双电源电压(±12v)用于模拟电路。从电池电压中，产生另外两个电压：一个3.3v为所有控制部件供电，另一个5v为通信电路供电。其目的是使中央控制永远不会失去与服务器的连接，并能够发送警报和事件，即使在断电的情况下主电源断开。选用4500mah和3.7v的备用电池，以便在紧急情况下提供足够的能量，确保12小时的连通性。

为了避免失去连接性，通信采用了冗余的设计方式，因此，该控制器包含以下类型的通信：以太网、rs485、usb、wifi和移动数据。以太网、wifi和移动数据通信用于建立与远程服务器或云的连接。网络使用的优先顺序是以太网、wifi和移动数据通信，因此控制中心将始终首先通过以太网进行连接。如果发生连接丢失，或者如果用户设置建立连接，设备将尝试通过其他两种方式的其中之一来执行通信。

为移动数据通信提供了与某些行业标准兼容的扩展槽，如xbee和click模块。这样一来便可增加设计的灵活性，因为它可以根据无线系统的目标国家使用不同技术和频率的模块。此外，对于安装在本地的应用程序，还包括usb连接，以便设备可以直接连接到pc。最后，对于其他需要传感器之间通信(无需网络连接)的应用程序，还提供了rs485类型的工业串行接口通信。该接口也可用于级联连接的电源设备，以便于安装。此外，在配备spi和i2c总线以及数字和模拟输出的任何扩展插槽中，可以连接zigbee、6lowpan或同等类型的通信模块。

所有有线连接均采用绝缘体集成电路进行电流隔离设计，以便在出现电压尖峰或不必要的瞬变时，将通信与主电源隔离，以防止信息丢失或改变。

为了进一步强化信息功能，控制中心包括一个存储卡插槽，可容纳高达4gb的内存。系统检测到内存已连接，如果已连接，将创建事件的历史记录，可通过提取卡本身或在恢复通信时通过任何通信接口来收集。每个扩展模块都有一个电源控制电路，允许在必要时禁用该模块，使设备进入超低功耗模式，并延长内部电池的自主权。

在非限制性示例性实施例中，警报器是负责用声音警告用户系统中存在警报的装置，并且起到威慑入侵者的作用。与系统的其他模块一样，警报器需要可以提高功率效率和减小尺寸的设计。该设备由外部供电，但其也包括两个cr123电池，以在断电时保持其功能。它可以安装在桌面或墙壁上，其典型的常规尺寸为88mmx63mm。

警报器的电路已经实现可以在一个单一的两层印刷电路板上的布局。它包含用于射频通信的必要电子设备、警报器的正确管理(声音指示)和防篡改打开机制。整个电子设备，包括之前为传感器节点描述的相同微控制器和射频模块，放置于顶部，电池和电源输入放在pcb底部。

新兴的自主低功耗应用，如小型化无线传感器节点，需要高效的电源管理系统。无线系统的长期运行需要在硬件和软件两个层面上使用适当的设计策略。如前所述，选择硬件元件以确保具有低功耗的适当功能。此外，该软件还集成了节能模式。

在淹水传感器节点，在大部分时间，通过保持微控制器电源关闭(无电源)来实现超低功耗。一个离散的硬件定时器周期性地监督微控制器通电以发送激活信号。对于淹水传感器，硬件会保持待命以便在水检测的情况下立即启动微控制器。此功能消除了定期检查水传感器的需要，并实现将通电间隔延长到几十分钟甚至几个小时。

图3显示了由软件实现的有限状态机的高级视图。每次对微控制器供电时，都需要对尾流源进行分析。如果没有发现水警报，则会向入口发送一条活动消息，以及状态信息，例如电池电量、射频信号强度等。一旦激活的消息被控制单元确认，微控制器就会释放其电源并返回到无电源状态。

如果在分析尾流源时发现了水警报，那么这个过程与活动进程非常相似，将发送警报消息而不是活动消息。这种事件发生的可能性很小，因此在估算电池寿命时可以忽略该事件。

值得一提的是，由于下电时微控制器失去ram保留，因此关闭系统的方法面临着一些挑战。这迫使固件将执行上下文存储在节点的非易失性内存中。为了降低成本和故障率，决定采用微控制器内部的闪存。这种类型的内存通常支持大约十万次循环，这足以在设备的预期寿命内的占空比中安全地存储执行上下文。

控制单元使用外部电源。因此，降低其功耗远不如降低节点功耗重要。在这些节点上花费的能量的重要部分与通信相关，并且这里是控制单元通过使用时隙技术为相关节点带来重要节能的地方。

控制单元维护可信节点列表。它为每一个监听和传输安排时间。控制单元定期广播一帧，让所有节点知道它们应该在需要的时候听取、获取信息或传输信息。该机制将冲突概率降至接近零，避免了数据包重试，延长了节点电池寿命。

信道跳频技术与时隙方法一起使用。这两种技术的结合称为时隙信道跳频(tsch)。tsch堆栈不仅可以避免系统节点之间的冲突，而且可以处理阻塞一个或多个信道的强无线电电噪声。控制单元与其相关节点共享信道跳变方案。通过使用和商定的方案，所有节点都可以预测在每个时隙上使用什么信道。此外，控制单元可以执行信道黑名单，以便在某些信道被阻塞或出于任何原因被禁止时维持带宽。

这种技术的一个小的不便之处是节点注册变得更加复杂。节点在收到控制单元的许可之前不能对话通信。因此，除非为此目的设置了特定的插槽，否则无法自动发现节点。自动发现的另一种方法是通过其他通道更新受信任节点的列表。在这种情况下，用户可以通过网站、ios应用程序或android应用程序向系统添加节点。完成后，远程服务器向控制单元请求在其受信任节点列表中注册一个新节点。从这一点开始，控制单元将插槽分配给特定的节点，这样它们就可以通信了。

注册过程完成后，系统将自动运行，即使与远程服务器的所有通信丢失，也能确保较高的可读性。

这种传感器不仅能探测到水，而且能区分液体。图4显示了一些液体阻抗图。信号ch3对应于第二淹水电平；因此，在后面所有的情节中，它都变得活跃起来。ch1信号和ch2信号是地板上的两个电极。如在上述图中可以看出，液体的特性阻抗和它们在激活后的第一秒期间产生的趋势存在差异。如果发生警报，所有电极的值都会被采样并发送至云端，在云端由一个服务器进行相应的组合和处理，以根据检测到的阻抗和传感器的地理位置来评估液体的性质，也就是说，如果传感器检测到阻抗值为x的液体，并且传感器放置在海边，则服务器将评估该液体可能是海水。

无线系统的发展使得它可以在家中包含其他可测量的变量，因此所有的家庭系统都集成到一个集中控制单元中，可以从不同的无线移动设备(如智能手机或平板电脑)访问。因此，当移动终端上运行ios或android应用程序时，控制中心通过web服务器与最终用户进行交互，以实现实时数据的显示。

提出了一种适用于无线传感器网络的低功耗淹水检测系统。设计的传感器可以让终端用户更容易地本地及远程地监测家庭设备，它可以在家庭遇到情况时提醒用户。这种传感器不仅能探测到水，而且能区分液体的种类。(本发明)部署了一个无线传感器网络，其中设置了了淹水感应器节点、执行器节点和控制中心。对于每个节点，(本发明)均详细描述了其硬件和软件组件。(本发明)利用ieee802.15.4标准成功地实现了传感器网络与控制中心之间的通信。移动应用程序的图形用户界面允许远程访问、实时控制以及监视多个性能参数。这就实现了一个低成本、可靠性高和易于扩展的、应用于智能家居的基础设施。本发明还使得机器学习算法与传感器的地理位置相结合，扩大了可分辨液体的数量，提高了识别成功率，通过挖掘活动模式，它甚至可能为产品带来新的功能，比如家用电器的预防性维护。

在适当的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现本发明中提供的几个实施例。此外，在适当的情况下，本文档中建立的各种硬件组件和/或软件组件可以组合成包括软件、硬件和/或两者的复合组件，而不脱离权利要求中定义的本发明的目的。在适当的情况下，在此建立的各种硬件组件和/或软件组件可以被分离为包括软件、硬件或两者的子组件，而不脱离在权利要求中定义的本发明的目的。此外，在适当的情况下，预期软件组件可以实现为硬件组件，反之亦然。

根据本说明书的软件，例如非暂时性指令、数据和/或程序代码，可以存储在一个或多个非暂时性机器可读介质中。还可以设想，本文中标识的软件可以使用一个或多个通用或专用联网计算机和/或计算系统和/或另一类型的计算机来实现。在适当的情况下，本文所描述的各种步骤的顺序可以改变和/或分成子步骤以提供本文所描述的特征。

上述实施例说明但不限制本发明。还必须理解的是，根据本发明的目的，可以进行若干修改和变化。因此，本发明的范围仅由权利要求限定。