基于光通信唤醒的光纤网络式传感器、光纤网络式传感器监测系统及其监测方法

摘要

本发明公开了一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器、光纤网络式传感器监测系统及其监测方法，包括电源供电模块、持续工作模块和间断工作模块；所述电源供电模块同时为持续工作模块和间断工作模块供电；所述持续工作模块用于检测光纤接收信号和传感器监测信号，当两种信号中的任一个被触发时，接通间断工作模块，当完成数据的采集和传输后切断间断工作模块，进入省电模式。本发明能够应用于恶劣应用环境中，通信距离远，可靠性高，且功耗小。

说明书

技术领域

本发明属于传感器测量监测领域，具体涉及一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器、光纤网络式传感器监测系统及其监测方法。

背景技术

近年来，物联网产业发展迅猛，传感器早已渗透到诸如工业生产、智能家居、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。由此可见，物联网传感器技术在发展经济、推动社会进步方面具有十分重要的作用。

目前物联网传感器按照通信方式进行分类可以分为无线传感器和有线传感器：

无线传感器可以方便的构建无线网络，监控中心可以通过无线网关手机传感器的数据。无线传感器依靠电池或振动发电机提供电源，采用超低功耗设计，不采集数据时传感器进入休眠状态。无线传感器一般存在以下两个问题：1)当无线传感器从休眠中醒来时需要耗费一定时间重新组网，建立连接，耗费电能量；2)在一些强电磁干扰或强屏蔽环境下，无线连接比较困难，数据传输可靠性差，此时传感器将耗费更多的电量进行重发，重发不成功将导致数据的丢失。

有线传感器一般采用电缆进行通信，电缆在提供通信媒介的同时往往还具有供电功能。有线传感器的弊端在于通信的传输距离和可靠性上，电信号的传输距离较短，而在某些强电磁干扰环境下，通信将变得不可靠，通信距离也会变短。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器、光纤网络式传感器监测系统及其监测方法，应用于恶劣应用环境中，通信距离远，可靠性高，且功耗小。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器，包括电源供电模块、持续工作模块和间断工作模块；所述电源供电模块同时为持续工作模块和间断工作模块供电；所述持续工作模块用于检测光纤接收信号和传感器监测信号，当两种信号中的任一个被触发时，接通间断工作模块，当完成数据的采集和传输后切断间断工作模块，进入省电模式。

进一步地，所述持续工作模块包括：包括光纤接收模块、逻辑或门、信号转换器、信号比较器和第一LDO电源；所述光纤接收模块的输入端用于检测光纤接收信号，其输出端分别与逻辑或门的输入端和间断工作模块相连；所述信号转换器通过信号比较器与逻辑或门的输入端相连；所述第一LDO电源与电源供电模块相连。

进一步地，所述间断工作模块包括光纤发送模块、主控制器、信号处理运算放大器、ADC模数转换器和可控LDO电源；所述光纤发送模块的输入端与主控器相连；所述主控器的输出端与持续工作模块中的逻辑或门的输入端相连；所述信号处理运算放大器的输入端与持续工作模块中的信号转换器相连，其输出端通过ADC模数转换器连接到主控制器；所述可控LDO电源的控制端与持续工作模块中的逻辑或门的输出端相连，其输入端与电源供电模块相连，其输出端分别与主控制器和ADC模数转换器相连，实现供电。

进一步地，所述电源供电模块为电池。

一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器监测系统，包括：数据采集器、监控后台和至少一个权利1-3中所述的基于光通信唤醒的光纤网络式传感器；所述数据采集器包括第一光纤接收模块和第一光纤发送模块，其与光纤网络式传感器之间采用光纤连接；数据采集器与监控后台之间采用无线或以太网线连接。

进一步地，所述的一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器监测系统，包括多个光纤网络式传感器，数据采集器与光纤网络式传感器之间采用环形串行的手挽手连接方式形成环形网络，数据采集器的光纤发送接口通过光纤与第一个光纤网络式传感器的光纤接收模块相连，第一个光纤网络式传感器的光纤发送模块通过光纤与第二个光纤网络式传感器的光纤接收模块相连，依次类推，最后第N个光纤网络式传感器的光纤发送模块通过光纤与数据采集器的光纤接收模块相连。

一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器监测系统的监测方法，包括以下步骤：

采用定时工作模式进行数据采集和传输，所述定时工作模式为：由数据采集器定时发起数据通信和信息监测信号，光纤网络式传感器的光纤发送模块在发送有效数据之前先发送唤醒信号，触发下一级的光纤网络式传感器进入工作状态，实现数据采集和上传；

采用突发工作模式进行数据采集和传输；所述突发工作模式为：当光纤网络式传感器的监测对象参数指标异常，超出设定值时，唤醒光纤网络式传感器进入工作状态，实现数据采集和上传，可由环形网络中的任一光纤网络式传感器发起；

定时工作模式和突发工作模式相互配合运行，用于实现不间断监测。

一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器监测系统的监测方法，所述定时工作模式具体包括以下步骤：

数据采集器定时发起数据通信和信息监测信号，数据采集器通过光纤发送接口发送唤醒信号；

第一个光纤网络式传感器中光纤接收模块收到唤醒信号后输出信号给逻辑或门，由逻辑或门控制可控LDO电源，使得光纤网络式传感器的间断工作模块开始工作；

主控制器输出信号给逻辑或门，此时即使光纤接收模块收到的唤醒信号消失，间断工作模块仍能工作；

第一个光纤网络式传感器被唤醒后利用光纤接收模块接收数据的同时，通过ADC模数转换器和信号转换器采集监测数据；

第一个光纤网络式传感器将接收到的数据和本身采集到的监测数据进行整合打包之后，通过其光纤发送模块发送唤醒信号以便唤醒与之相连的光纤网络式传感器，经过设定的延时后将需要发送的数据发送给与之相连的光纤网络式传感器；

级联的其他光纤网络式传感器与第一个光纤网络式传感器的工作方式一致。

进一步地，所述突发工作模式具体包括以下步骤：

当第一个光纤网络式传感器中的信号转换器输出的信号经过信号比较器比较后发现异常时，信号比较器输出信号给逻辑或门，逻辑或门控制可控LDO电源，使得光纤网络式传感器中的间断工作模块开始工作；

主控制器输出信号给逻辑或门，此时即使信号转换器输出的异常信号消失，间断工作模块仍能工作；第一个光纤网络式传感器被唤醒后开始通过ADC模数转换器和信号转换器采集监测数据；

第一个光纤网络式传感器通过光纤发送模块发送唤醒信号用于唤醒与之相连的光纤网络式传感器，经过设定的延时后将需要发送的数据发送给与之相连的光纤网络式传感器；

级联的其他光纤网络式传感器与第一个光纤网络式传感器的工作方式一致。

本发明的有益效果：

1、采用光纤作为通信媒介，传输可靠；

2、采用环形的通信拓扑结构，可实现通信自检、故障定位、通信异常告警；

3、采用电池供电，无需外接电源，安装方便；

4、采用光纤通信，抗电磁干扰能力强，可用于恶劣环境下的智能监测；

5、基于光通信唤醒的光纤网络式传感器设置了持续工作模块和间断工作模块，既提高了电池使用寿命，又不会丢失有用的监测信息；

6、通信速率高，传输耗时少，且逐级传输，减少了总传输时间，降低了功率消耗。

附图说明

图1为本发明一种实施例的传感器监测系统连接图；

图2为本发明一种实施例的传感器的内部结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例一

如图1-2所示，一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器，包括电源供电模块1、持续工作模块和间断工作模块；所述电源供电模块1同时为持续工作模块和间断工作模块供电；所述持续工作模块用于检测光纤接收信号和传感器监测信号，当两种信号中的任一个被触发时，接通间断工作模块，当完成数据的采集和传输后切断间断工作模块，进入省电模式。

以温度监测传感器为例，信号转换器2为PT100热敏电阻，信号比较器3为低功耗比较器MAX933，逻辑或门4为74LVC32，第一LDO电源5和可控LDO电源11均为TPS780，光纤发送模块5和光纤接收模块6为器件AFBR-5803的两个单独供电的部分，主控制器8为低功耗FPGA iCE40 LP384，信号处理运算放大器9为纳瓦级运放LPV801，ADC模数转换器10为超低功耗模数转换器ADS7040。

优选地，所述持续工作模块包括：包括光纤接收模块6、逻辑或门4、信号转换器2、信号比较器3和第一LDO电源5；所述光纤接收模块6的输入端用于检测光纤接收信号，其输出端分别与逻辑或门4的输入端和间断工作模块相连；所述信号转换器2通过信号比较器3与逻辑或门4的输入端相连；所述第一LDO电源5与电源供电模块1相连。其中第一LDO电源5用于将可变的电池电压转换为合适的固定电压，光纤接收模块6负责监测光纤接收信号的有无，信号转换器2和信号比较器3用于监测目标信息，并给出异常信号，光纤网络式传感器监测的目标信息包括但不限于温度、湿度、气体、光强、压力等。

优选地，所述间断工作模块包括光纤发送模块7、主控制器8、信号处理运算放大器9、ADC模数转换器10和可控LDO电源11；所述光纤发送模块7的输入端与主控器相连；所述主控器的输出端与持续工作模块中的逻辑或门4的输入端相连；所述信号处理运算放大器9的输入端与持续工作模块中的信号转换器2相连，其输出端通过ADC模数转换器10连接到主控制器8；所述可控LDO电源11的控制端与持续工作模块中的逻辑或门4的输出端相连，其输入端与电源供电模块1相连，其输出端分别与主控制器8和ADC模数转换器10相连，实现供电。当间断工作模块无需工作时，可控LDO电源11无输出，间断工作模块不工作，减少功率消耗；当持续工作模块的触发信号到来后，可控LDO电源11开始输出，主控制器开始采集数据和接收光纤数据，整合之后通过其光纤发送模块将数据发往下一级。

优选地，所述电源供电模块1为电池。

相对于现有技术，其有益效果是：

基于光通信唤醒的光纤网络式传感器，设置了持续工作模块和间断工作模块，既提高了电池使用寿命，又不会丢失有用的监测信息。

实施例二

一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器监测系统，包括：数据采集器、监控后台和至少一个权利1-3中所述的基于光通信唤醒的光纤网络式传感器；所述数据采集器包括第一光纤接收模块6和第一光纤发送模块7，其与光纤网络式传感器之间采用光纤连接；数据采集器与监控后台之间采用无线或以太网线连接。

优选地，所述的一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器监测系统，包括多个光纤网络式传感器，数据采集器与光纤网络式传感器之间采用环形串行的手挽手连接方式形成环形网络，数据采集器的光纤发送接口通过光纤与第一个光纤网络式传感器的光纤接收模块6相连，第一个光纤网络式传感器的光纤发送模块7通过光纤与第二个光纤网络式传感器的光纤接收模块6相连，依次类推，最后第N个光纤网络式传感器的光纤发送模块7通过光纤与数据采集器的光纤接收模块6相连；数据采集器发出采集控制信号，通过光纤网络式传感器逐级唤醒采集数据并发送。

综上：

所述持续工作模块触发唤醒间断工作模块的方式有两种，一是光纤发送模块在发送有效数据之前先发送唤醒信号，触发下一级传感器进入工作状态，此种唤醒为定时唤醒，所定时长由数据采集器控制；二是光纤网络式传感器监测信号唤醒，当光纤网络式传感器的监测对象参数指标异常，超出设定值时，唤醒传感器进行数据采集和上传，此种唤醒为突发唤醒，可由环形网络中的任一光纤网络式传感器发起。

相对于现有技术，具有以下有益效果

1 采用光纤作为通信媒介，传输可靠；

2 采用环形的通信拓扑结构，可实现通信自检，故障定位，通信异常告警；

3 采用光纤通信，抗电磁干扰能力强，可用于恶劣环境下的智能监测；

4 通信速率高，传输耗时少，且逐级传输，减少了总传输时间，降低了功率消耗。

实施例三

一种基于光通信唤醒的光纤网络式传感器监测系统的监测方法，包括以下步骤：

采用定时工作模式进行数据采集和传输，所述定时工作模式为：由数据采集器定时发起数据通信和信息监测信号，光纤网络式传感器的光纤发送模块7在发送有效数据之前先发送唤醒信号，触发下一级的光纤网络式传感器进入工作状态，实现数据采集和上传；

采用突发工作模式进行数据采集和传输；所述突发工作模式为：当光纤网络式传感器的监测对象参数指标异常，超出设定值时，唤醒光纤网络式传感器进入工作状态，实现数据采集和上传，可由环形网络中的任一光纤网络式传感器发起；

定时工作模式和突发工作模式相互配合运行，用于实现监测。

所述定时工作模式具体包括以下步骤：

数据采集器定时发起数据通信和信息监测信号，数据采集器通过光纤发送接口发送唤醒信号；

第一个光纤网络式传感器中光纤接收模块6收到唤醒信号后输出信号给逻辑或门4，由逻辑或门4控制可控LDO电源11，使得光纤网络式传感器的间断工作模块开始工作；

主控制器8输出信号给逻辑或门4，此时即使光纤接收模块6收到的唤醒信号消失，间断工作模块仍能工作；

第一个光纤网络式传感器被唤醒后利用光纤接收模块6接收数据的同时，通过ADC模数转换器10和信号转换器2采集监测数据；

第一个光纤网络式传感器将接收到的数据和本身采集到的监测数据进行整合打包之后，通过其光纤发送模块7发送唤醒信号以便唤醒与之相连的光纤网络式传感器，经过设定的延时后将需要发送的数据发送给与之相连的光纤网络式传感器；

级联的其他光纤网络式传感器与第一个光纤网络式传感器的工作方式一致。

所述突发工作模式具体包括以下步骤：

当第一个光纤网络式传感器中的信号转换器2输出的信号经过信号比较器3比较后发现异常时，信号比较器3输出信号给逻辑或门4，逻辑或门4控制可控LDO电源11，使得光纤网络式传感器中的间断工作模块开始工作；

主控制器8输出信号给逻辑或门4，此时即使信号转换器2输出的异常信号消失，间断工作模块仍能工作；第一个光纤网络式传感器被唤醒后开始通过ADC模数转换器10和信号转换器2采集监测数据；

第一个光纤网络式传感器通过光纤发送模块7发送唤醒信号用于唤醒与之相连的光纤网络式传感器，经过设定的延时后将需要发送的数据发送给与之相连的光纤网络式传感器；

级联的其他光纤网络式传感器与第一个光纤网络式传感器的工作方式一致。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。