专利名称：一种基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无线通信领域，具体涉及一种基于隐蔽式密封节点的无线传感器
网络系统。
背景技术：
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成、通过无
线通信方式形成的一个多跳自组织网络。其中节点具有监控能力、计算能力和通信能力，能
通过无线通信模块相互传递信息，协同完成监测任务。无线传感器网络以其低功耗、低成
本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革，成为当今国内外倍受关注的新兴
前沿研究领域之一，在各学科领域有着广阔的应用前景，特别是在环境监测、军事侦察、农
业生产和医疗健康监护等领域。但现今对无线传感器网络的大多数研究仅局限在实验室中
或者仅在理想的环境条件下，从理论到实际应用的转换还需解决一系列问题。 在一些实际工程应用(如野外环境监测)中，如何使无线传感器网络节点处于较
为隐蔽的状态，减少阳光、风雨、电波干扰、人为损坏、动物践踏等对物理节点的影响和破
坏，成为无线传感器网络从实验室走向实际应用中需要解决的问题之一(中国科学院计算
技术研究所赵磊，阚保强，夏鹏，徐勇军，李晓维一种无线传感器网络网关设备发明专利公
开号101009619，
公开日期2007. 08. 01)。在地面与水体监测中，将节点埋在地下、或浸入水
中一定深度，是隔离气候影响、防止动物践踏和人为损坏的有效方法。由于导电大地和水对
高频电磁波(868MHz/915MHz/2. 4GHz频段)的衰减作用将使节点通信距离急剧下降，以至
组网失败。这种情况下节点中用于无线通信的射频天线须与节点分离并伸出地面或水面，
埋入地下或浸入水中的节点需要密封以防水、防潮。此外，传感器对恶劣环境的耐受程度高
于节点，为保护相对脆弱的节点，还可将传感器与节点进行分离，将传感器置于监测点，将
节点置于相对安全的地方。 目前用于水下信息采集设计的无线传感器网络(中科院嘉兴中心微系统所分中心吴波，李中一，姜华，刘海涛，赵康，张帆，李保海，周璐巍，鲍星合一种用于水下信息采集的无线传感器网络装置和实现方法发明专利公开号101324987，
公开日期2008. 12. 17)，仅描述了网络结构，并未涉及如何保护节点的物理安全，如何防水、防潮，如何部署节点等问题。现有厂家生产的传感器节点通常和射频天线及传感器连接在一起(http:〃www.sunspotworld. com/) (Crossbow公司eKo组件说明书)(宁波中科集成电路设计中心有限公司GAINSJ节点说明书)，在特殊环境下无法分开部署。浙江大学设计的一种用于水体污染监测的无线传感网络系统(浙江大学杨灿军，许云龙，赵伟，刘芳芳，张佳帆一种基于电化学传感器的水体环境污染监测系统实用新型专利授权公告号CN201110839Y，授权公告日2008. 09. 03)仅将传感器和节点入水，GPRS模块仍置于水面浮体上，隐蔽性差。因此，目前为实验室或一般性应用设计的无线传感器网络节点在野外环境中应用存在较大的局限性，仍有待改进。
实用新型内容为了解决无线传感器网络系统在野外环境工作的局限性，减少阳光、风雨、温差、人为破坏、动物践踏等对物理节点的影响，本实用新型提供了一种基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统，可将天线、传感器与节点分离，并把节点、传感器密封以防潮、防水，便于掩埋在地下或放置于水中，以达到不受周围环境干扰、安全隐蔽，适合在野外环境中应用的目的。 本实用新型所采用的技术方案是 —种基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统，包括一般节点、汇聚节点和天线，节点之间通过无线通信模式相连， 一般节点和汇聚节点分别设置在密封装置中。[0008] —般节点由电源、电源转换电路板、节点和温度传感器组成。电源可采用12V12Ah蓄电池供电；电源转换电路把电源电压(如12V)转换成节点额定电压(如3V)，实现稳压供电；节点负责把传感器传送来的数据通过无线通信模块传递给汇聚节点；温度传感器通过信号电缆线与节点相连。各部分连接如图l所示。电源、电源转换电路板和节点封装到同一密封盒中，盒盖上有两个孔一孔中置密封孔，内通信号电缆线；另一孔通节点柔性天线，实现射频信号的收发功能。电缆线采用防水耐高温外包装，传感器密封于铝金属管中，便于感知外界温度。 汇聚节点由电源、电源转换电路板、GPRS模块、节点、温度传感器组成。电源可用12V45Ah蓄电池经转换电路同时给GPRS模块和节点供电；电源转换电路把电源电压(如12V)转换成节点额定电压(如3V)和GPRS模块额定电压(如9V)，实现稳压供电；GPRS用于实现汇聚节点与移动网、Internet网络的远程数据通信功能；汇聚节点负责接收周边一般节点发送来的信号，也可以同时承担检测功能；温度传感器通过信号电缆线与节点相连。各部分连接如图4所示。电源、电源转换电路板封装到同一密封盒中，盒盖打孔，孔内置密封孔，内通电源线。GPRS模块和节点封装到同一密封盒中，盒盖打四孔一孔中置密封孔，内通信号电缆线；二孔中置密封孔，内通电源线；三孔通节点柔性天线，实现射频信号的收发功能，四孔通GPRS模块柔性天线，实现远距离信号收发功能。信号线和电源线采用防水耐高温外包装，电源线一端连接电源，一端同时连接GPRS模块和节点，信号线连接传感器与节点，传感器密封于铝金属管中，便于感知外界温度。 该方案中的柔性天线在密封盒内通过SMA接口和节点连接，通过密封孔伸出密封
盒之外，露于地面或水面之上；选择塑料天线保护套管使天线具有柔韧性和还原性，在不受
外力压迫下处于直立状态，受压后能够复原，天线套管选择与地面环境相近的颜色。在封装示例中，节点为JN5139系列型号，芯片为JN5139-Z01-M01R1电源转换电路
板是LM317稳压片，能给节点和GPRS模块提供稳定电压；GPRS模块为sim300型号。 密封盒用市面上非常容易购买到的"乐扣"和特百惠牌密封盒，防水、防潮、耐高温
(可达120°C )，价格便宜，节省成本。 该无线传感器网络的密封式节点具备良好的防潮、防水、耐高温性能；柔性天线、传感器与节点分离，节点和传感器能够置于地下或水下，具有良好的隐蔽性，便于部署。整个无线传感器网络可以灵活方便地应用于野外环境的监测中。
图1 一般节点各部分连接图[0015] 图2—般节点密封内部透视图[0016] 图3—般节点密封效果图[0017] 图4汇聚节点各部分连接图[0018] 图5汇聚节点密封内部透视图[0019] 图6汇聚节点密封效果图[0020] 图7电源转换模块 图8隐蔽式无线传感器网络地下掩埋整体效果图[0022] 图9隐蔽式无线传感器网络水下部署整体效果图 1. I型电源 2. I型电源转换电路 3.节点柔性天线 4.节点5.温度传感器6. I型密封盒 7.天线过孔 8.SMA接口 9.信号电缆线 10.密封孔 11.铝制金属管 12. II型电源13. II型电源转换电路 14.GPRS模块 15.串行线 16.GPRS柔性天线17. II型密封盒18.电源线19. III型密封盒20. —般密封节点浮体21.汇聚密封节点浮体 22.网兜
具体实施方式实施例1.掩埋式无线传感器网络。在新疆煤田火区治理后复燃情况监测中，为避免牲畜践踏和人为破坏，同时为了保护相对脆弱的节点，将节点与传感器分开掩埋、天线伸出地表。 1)本套方案中，节点4为北京博讯科技有限公司的JN5139系列，芯片为JN5139-Z01-M01R1，工作频率2. 45GHz，额定电压3V。 GPRS模块14为北京博锐智业科技有限公司sim300GPRS模块。 一般节点所需的I型电源1电压为12V、容量12Ah。相应的I型电源转换电路2，把12V转换为3V稳定电压。为同时驱动节点和GPRS模块，II型电源12电压为12V，容量45Ah。相应的II型电源转换电路13，把12V转换为3V和9V两路稳定电压。 电源转换电路采用LM317T芯片，电压输出范围为1. 2V_37V，典型电路图如图7所示。所需输出电压可按下式计算。 <formula>formula see original document page 5</formula> 式中，VKEF —般取1. 25V，由于IADJ 一般小于100 y A，故可忽略IADJR2。如需要3V电压，当设定Rl为680 Q时，可算出R2为1K Q 。[0029] 2)系统的连接以及密封。 —般节点各部分的连接如图1所示，I型电源1通过I型电源转换电路2给节点4供电，温度传感器5通过信号电缆线9与节点4相连。I型电源转换电路2粘贴于节点4原干电池贴放处，节点4用环氧树脂贴于I型电源1 一侧，三者一起封装到I型密封盒6(型号为"乐扣"牌HPL818)中，粘贴位置如图2所示。盒盖打两孔一孔直径16mm中置密封孔10，内通信号电缆线9，密封孔与盒盖结合处用环氧树脂密封；节点柔性天线3通过直径为4mm的二孔(天线过孔7)，伸出盒外出露于地表，便于收发射频信号，天线与盒盖结合处用环氧树脂密封。节点柔性天线3连接到无线通信模块20的SMA接口 8上，信号电缆线9采用防水耐高温外包装， 一端连接传感器， 一端连接到节点4的第7和第20排接线端子上，为防止密封盒变形，盒内可用硬泡沫塑料衬实。温度传感器5用环氧树脂密封于铝质金属管中，感知外界温度。整体封装效果如图3所示。 对于汇聚节点，连接方法如图4所示，11型电源12利用II型电源转换电路13通过电源线18同时给GPRS模块14和节点4供电，GPRS模块14和节点4通过串行线15相连，温度传感器5通过信号电缆线9与节点4相连。II型电源转换电路贴于13贴在II型电源12顶部，封装与II型密封盒(型号为"特百惠"牌10升多用手提方桶)中，为防止密封盒变形漏水，盒内可用泡沫塑料衬实，盒盖与盒体连接处用环氧树脂再次密封。盒盖打孔，空内置密封孔10，内通电源线18，与盒盖连接处用环氧树脂密封。节点4贴于GPRS模块14之上，封装到III型密封盒19(型号为"乐扣"牌HPL815D)中，两者之间用串行线15相连。盒盖打四孔一孔直径16mm中置密封孔，内通信号电缆线9 ;二孔直径16mm中置密封孔，内通电源线18 ;节点柔性天线3经过直径4mm的三孔，伸出盒外出露于地表，便于收发射频信号；GPRS柔性天线16经直径为4mm的四孔伸出盒外出露于地表，进行远距离信号的收发。密封盒的所有缝隙均涂以环氧树脂，为防止模块滑动或受力变形，盒内用泡沫塑料衬实，或者在掩埋时外加木质盒进行保护，具体封装方式如图5所示。信号电缆线9和电源线18采用防水耐高温外包装；信号电缆线9 一端连接传感器，一端连接与节点4的第7和第20排接线端子上；电源线一端连接II型电源转换电路13，另一端3V出口连接节点4，9V出口连接GPRS模块14。温度传感器5用环氧树脂密封于铝质金属管中。整体封装效果如图6所示。[0032] 3)掩埋。 当该无线传感器网络系统用于地下温度信息监测时，一般节点和汇聚节点的掩埋深度设计为地表下0. 5m，以减小牲畜践踏、人为破坏、温差等影响；一般节点、汇聚节点、GPRS模块的天线均伸出地表以保证正常通信，经伪装后伸出地表长度为0. 13m(天线连同馈线总长度0. 63m，出露地面长度0. 13m);温度传感器与节点分离，位于地表下1. 5m处，温度传感器更接近热源，从而使节点较为安全。若干一般节点和一个汇聚节点通过Zigbee协议自组网构成无线传感器网络，通过GPRS模块经移动网和连接到Internet的服务器进行双向通讯，共同构建成用于监测地下温度的实时监测系统。实际掩埋效果如图8所示。[0034] 实施例2.水体无线传感器网络监测系统。当根据特定要求将节点放入水下时，节点各部分的连接和密封与实施例1相同，不同之处是需加一个浮体20，使天线伸出水面。[0035] 1)浮体浮力计算[0036] 浮体浮力大小可按下式计算。[0037] F浮〉mg—P液gV排 式中，F浮为浮体浮力，m为水下系统的总重，g为重力加速度9. 8m/s2， P 为水体
密度，Vft为水下系统排开水体的体积。 本例中， 一般密封节点浮体20的浮力大小为Fff> mg-p sgVft= 4. 6X9. 8_103X9. 8X0. 00312 = 14. 5N 式中，一般密封节点的总重m为4. 6kg，水下系统排开水体的体积Vft (I型密封盒6与铝制金属管11总体积)为0. 00312m 水体密度P液为1000kg/m3。由上式得，一般密封节点浮体20浮力应大于14. 5N，本例取15N。 汇聚密封节点包括三个部分，II型密封盒17、 III型密封盒19以及铝制金属管11，其中III型密封盒19体积为0. 001836m3，入水后所受浮力为18N，但自身重力只有0. 3kg，为保证能够入水，盒中配比一定量沙子，使III型密封盒19重量超过1. 836kg，本例配比后重量为2kg。 汇聚密封节点浮体21的浮力大小Fff> mg-p sgVft= 15. 4X9. 8_103X9. 8X0. 010764 = 45. 4328N 式中，汇聚密封节点的总重m为15. 4kg(II型密封盒17为13. 3kg、 III型密封盒
19为2kg，铝制金属管11为0. lkg)，水下系统排开水体的体积Vft0. 010764m3(II型密封盒
17与III型密封盒19以及铝制金属管11总体积)，水体密度P液为1000kg/m3。由上式
得，汇聚密封节点浮体21浮力应大于45. 4328N，本例取50N。 2)浮体体积计算 本例浮体材质为泡沫塑料。由上一步知，一般密封节点浮体20浮力为15N，根据？》= P液gV排可以得出，一般密封节点浮体20体积为0.0015m3(浮体为泡沫塑料，本身重量可忽略不计)。为增加浮体平衡能力，浮体的水平面可尽量取大，本例尺寸选为0. 25m(长)XO. 2m(宽)XO. 03m(高)。 汇聚密封节点浮体21浮力为50N，根据F^二 P a gV排可以得出，汇聚密封节点浮体21体积为0. 0051m3(浮体为泡沫塑料，本身重量可忽略不计)，本例尺寸选为0. 4m(长)XO. 32m(宽)XO. 04m(高)。[0049] 3)浮体安装 如以节点入水深度为O. 5m计算的话，可用尼龙类网兜22将节点悬挂在浮体20下0. 5m处，天线穿过浮体上的钻孔伸出0. 13m，为不使天线受力，浮体上为天线留的孔不宜过紧，同时调节网兜，使水下节点平稳悬挂。整体效果见图9。 本发明不限于这些公开的实施方案，本发明将覆盖在专利书中所描述的范围，以及权利要求范围的各种变型和等效变化。
权利要求一种基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统，包括一般节点、汇聚节点和天线，节点之间通过无线通信模式相连，其特征在于，一般节点和汇聚节点分别设置在密封装置中。
2. 如权利要求1所述的基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统，其特征在于，一 般节点由电源、电源转换电路板、节点和温度传感器组成；电源、电源转换电路板和节点封 装到同一密封盒中，节点通过密封盒上的密封孔分别与盒外的节点柔性天线和信号电缆线 相连；传感器密封于铝金属管中，通过信号电缆线与节点相连；所说的信号电缆线采用防 水耐高温的外包装。
3. 如权利要求1所述的基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统，其特征在于，汇 聚节点由电源、电源转换电路板、GPRS模块、节点、温度传感器组成；电源蓄电池经转换电 路同时给GPRS模块和节点供电；电源转换电路把电源电压转换成节点额定电压和GPRS模 块额定电压，实现稳压供电；GPRS用于实现汇聚节点与移动网、Internet网络的远程数据 通信功能；汇聚节点负责接收周边一般节点发送来的信号；温度传感器通过信号电缆线与 节点相连；电源、电源转换电路板封装到同一密封盒中，盒盖打孔，孔内置密封孔，内通电 源线；GPRS模块和节点封装到同一密封盒中，盒盖打四孔一孔中置密封孔，内通信号电缆 线；二孔中置密封孔，内通电源线；三孔通节点柔性天线，实现射频信号的收发功能，四孔 通GPRS模块柔性天线，实现远距离信号收发功能；信号线和电源线采用防水耐高温外包 装，电源线一端连接电源，一端同时连接GPRS模块和节点，信号线连接传感器与节点，传感 器密封于铝金属管中，便于感知外界温度。
4. 如权利要求2或3所述的基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统，其特征在于， 所说的柔性天线在密封盒内通过SMA接口和节点连接，通过密封孔伸出密封盒之外，设置 在地面或水面之上。
专利摘要本实用新型涉及无线通信领域，具体涉及一种基于隐蔽式密封节点的无线传感器网络系统。该系统包括一般节点、汇聚节点和天线，节点之间通过无线通信模式相连，其特征在于，一般节点和汇聚节点分别设置在密封装置中。该无线传感器网络的密封式节点具备良好的防潮、防水、耐高温性能；柔性天线、传感器与节点分离，节点和传感器能够置于地下或水下，具有良好的隐蔽性，便于部署。整个无线传感器网络可以灵活方便地应用于野外环境的监测中。
文档编号H04W84/18GK201509319SQ20092023199
公开日2010年6月16日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者曹清华, 林琳, 蒋中秋, 薛利军, 闫述, 陈祖爵 申请人:江苏大学