一种动态混合介质环境无线传感器节点及其中继网络和通信方法与流程

本发明属于无线通信中继网络领域，特别涉及该领域中的一种盾构机刀盘上的无线传感器节点及其中继网络和通信方法。

背景技术：

1、盾构机广泛应用于地铁隧道、穿江过海隧道、山岭隧道、城市综合管廊、引水隧道、排污隧洞、深层煤矿斜井、大型竖井等的施工，具有高效、安全等特点。在盾构机的工作过程中，因刀具检测和过度磨损导致停机更换与维修所占时间和费用约为整体工程的30%，因此刀具的合理使用对工程工期和造价有很大的影响，盾构刀具及其监测技术已经成为盾构机施工技术的研究核心。

2、盾构刀具监测的信号传输技术是制约盾构刀具监测技术发展的主要瓶颈之一，由于监测传感器安装布置在盾构机刀盘上，盾构掘进时传感器处于运动状态之中，传感器周围的介质为泥土、砂石、水、空气，且随着刀盘的转动动态变化，这对监测信号的可靠传输提出了很高的要求。

3、目前盾构机刀盘的参数监测主要采用有线传输和无线传输两种方式，有线传输存在刀盘布线困难和线缆防护困难等问题，其应用的局限性较大；无线传输基本采用星型无线网络，在盾构机掘进时，刀盘处于转动状态，大部分监测节点被不固定的介质掩埋，高频电磁波在泥水等介质中的信号衰减大，无法实现该场景下的可靠应用，而低频电磁波信号虽可有效穿透水、土等介质，保证泥水、土压盾构模式的无线信号传输，但由于安装空间的限制，低频无线通信的覆盖范围有限，无法实现主节点与刀盘上所有终端节点的直连通信。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种动态混合介质环境无线传感器节点及其中继网络和通信方法，无线传感器节点能够适应刀盘运动状态及周围介质动态变化的场景，中继网络能够实现全刀盘无死区全覆盖和全刀盘刀具参数的实时采集监测。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种动态混合介质环境无线传感器节点，其改进之处在于：包括腔体仓，该腔体仓的一端由盖板封闭，另一端设置两个测量传感器，腔体仓内被分隔为采集电路安装固定仓和电池固定仓两个独立的部分，在采集电路安装固定仓内安装采集电路和无线模块，采集电路分别与上述的两个测量传感器和无线模块电连接，在电池固定仓内安装为节点供电的电池，在电池固定仓外设置为电池充电的充电接口。

4、进一步的，盖板通过螺栓与腔体仓固定连接，在盖板上设置用于安装螺栓的固定螺栓孔，固定螺栓孔与盖板之间以保护边框相隔。

5、进一步的，两个测量传感器分别安装在腔体仓的传感器安装孔内。

6、进一步的，两个测量传感器中，一个采用圆形高耐磨绝缘材料，另一个采用无磁钢加焊硬质合金。

7、一种中继网络，其改进之处在于：包括上位机、主节点、若干级中继节点和若干终端节点，中继节点和终端节点采用权利要求1所述的无线传感器节点，主节点安装在盾构机的土仓隔板上，中继节点和终端节点安装在盾构机刀盘上，且第一级中继节点安装在刀盘上的主节点通信范围内，上位机与主节点通信，各终端节点分别通过各级中继节点与主节点通信。

8、进一步的，终端节点能被设置为中继节点。

9、一种通信方法，适用于上述的中继网络，其改进之处在于，包括如下步骤：

10、步骤1，根据刀盘图和各终端节点在刀盘上的安装布置情况，确定各终端节点在刀盘上的中继路径和中继级数；

11、步骤2，在上位机上配置各终端节点的中继级数和各级中继节点的地址；

12、步骤3，将各终端节点的中继级数和路由配置信息下发给主节点；

13、步骤4，主节点收到配置指令后将中继路由列表存储到非易失存储器内；

14、步骤5，上位机开始正常轮询采集各终端节点的数据，主节点收到数据采集指令后进行数据帧解析，并查询读取之前存储在非易失存储器内的中继路由信息，主节点进行数据帧组包，组成的数据包包含中继路由信息、数据流向信息和帧类型信息；

15、步骤6，主节点启动无线发射，目标地址的终端节点及其所在路由的各级中继节点会收到来自主节点的数据请求数据包；

16、步骤7，终端节点或中继节点收到数据包后进行帧解析，根据帧解析结果确定数据包的流向和数据包的目标发送地址，中继节点进行数据组包，根据数据流向和下一级目标地址，向下一级目标地址的终端节点或中继节点发送数据包；

17、步骤8，经过若干级中继节点的传输，主节点收到来自终端节点的数据包后，再上传给上位机；

18、步骤9，上位机进行数据解析，以图形化界面展示监测信息，并对异常工况进行预警。

19、本发明的有益效果是：

20、本发明所公开的无线传感器节点，腔体仓分开设计，便于进行胶体灌封和可充电电池的更换取出。

21、本发明所公开的中继网络，能够很好地适应动态混合介质无线通信要求，能够解决盾构机全刀盘监测参数的无死角覆盖难题，有效降低刀具损坏和停机风险，提升施工效率。

22、本发明所公开的中继网络，可以克服自适应中继网络建立时间长和因有效通信路径动态变化而无法适应介质和无线节点动态变化的行业工况难题，具有稳定高效的特点。

23、本发明所公开的通信方法，中继路由信息存储在非易失存储器内，终端节点安装完成后，根据其实际物理位置关系在上位机上一次设置中继路由信息，完成后无需再次设置，操作简洁高效。

技术特征：

1.一种动态混合介质环境无线传感器节点，其特征在于：包括腔体仓，该腔体仓的一端由盖板封闭，另一端设置两个测量传感器，腔体仓内被分隔为采集电路安装固定仓和电池固定仓两个独立的部分，在采集电路安装固定仓内安装采集电路和无线模块，采集电路分别与上述的两个测量传感器和无线模块电连接，在电池固定仓内安装为节点供电的电池，在电池固定仓外设置为电池充电的充电接口。

2.根据权利要求1所述动态混合介质环境无线传感器节点，其特征在于：盖板通过螺栓与腔体仓固定连接，在盖板上设置用于安装螺栓的固定螺栓孔，固定螺栓孔与盖板之间以保护边框相隔。

3.根据权利要求1所述动态混合介质环境无线传感器节点，其特征在于：两个测量传感器分别安装在腔体仓的传感器安装孔内。

4.根据权利要求1所述动态混合介质环境无线传感器节点，其特征在于：两个测量传感器中，一个采用圆形高耐磨绝缘材料，另一个采用无磁钢加焊硬质合金。

5.一种中继网络，其特征在于：包括上位机、主节点、若干级中继节点和若干终端节点，中继节点和终端节点采用权利要求1所述的无线传感器节点，主节点安装在盾构机的土仓隔板上，中继节点和终端节点安装在盾构机刀盘上，且第一级中继节点安装在刀盘上的主节点通信范围内，上位机与主节点通信，各终端节点分别通过各级中继节点与主节点通信。

6.根据权利要求5所述的中继网络，其特征在于：终端节点能被设置为中继节点。

7.一种通信方法，适用于权利要求5所述的中继网络，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种动态混合介质环境无线传感器节点及其中继网络，该节点包括腔体仓，该腔体仓的一端由盖板封闭，另一端设置两个测量传感器，腔体仓内被分隔为采集电路安装固定仓和电池固定仓两个独立的部分，在采集电路安装固定仓内安装采集电路和无线模块，采集电路分别与上述的两个测量传感器和无线模块电连接，在电池固定仓内安装为节点供电的电池，在电池固定仓外设置为电池充电的充电接口。本发明所公开的无线传感器节点，腔体仓分开设计，便于进行胶体灌封和可充电电池的更换取出。

技术研发人员：谢红武,肖敬涛,王振,陈东海
受保护的技术使用者：中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29