串联式光唤醒传感器设计

文/李从飞 杨维刚 陈凡

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。

无线传感器一般依靠电池提供电源，采用超低功耗设计，不采集数据时传感器进入休眠状态。但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。

本文提出了一种采用光纤通信、电池供电的串联式光唤醒传感器，传感器不工作时进入休眠状态，工作时可由光通信或监测信号唤醒，采集、传输完数据之后，传感器再次进入休眠，节省电量。本设计有效的解决了低功耗与远距离通信可靠性的矛盾，适用于恶劣电磁环境下的可靠传感采集和数据传输。

1 工作原理

传感器与数据采集器、监控后台共同组成完整的传感监测系统，其中传感器与采集器之间采用光纤连接，采集器与监控后台之间采用无线或以太网线连接；采集器和监控后台由外部供电，传感器由内部电池供电。

串联式光唤醒传感器采用级联方式工作，采集器和各级传感器之间采用环网串行的手挽手方式工作。采集器定期发出采集控制信号，收到信号的传感器首先被唤醒开始工作，采集本身数据后发出控制命令唤醒下一级传感器，将本身数据发送至下一级传感器后进入省电休眠模式，下一级传感器开始工作，整个网络通过传感器逐级唤醒实现数据采集和发送。串联式光唤醒传感器工作的网络连接示意图如图1所示。

2 硬件设计

如图2所示，串联式光唤醒传感器由电池、持续供电部分和间断供电部分组成，电池同时为持续供电部分和间断供电部分供电；持续供电部分用于检测光纤接收信号和传感器监测信号，当两种信号任一触发时，启动间断供电部分的电源，间断供电部分开始工作，保持住电源的供应，传感器开始采集、传输数据，然后关断间断供电部分的的电源，进入省电休眠模式。

持续供电部分包括光纤接收模块，转换器、比较器、或门和LDO电源；其中LDO电源用于将可变的电池电压转换为合适的固定电压，光纤接收模块负责监测光纤接收信号的有无，转换器和比较器用于监测目标信息并给出异常信号，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。

图1：传感器网络连接示意图

图2：传感器结构框图

间断供电部分包括光纤发送模块，主控制器，转换器信号处理运放，ADC模数转换器和可控LDO电源；当模块无需工作时，LDO无输出，间断供电部分均不工作，减少功率消耗；当持续供电部分的出发信号到来后，可控LDO电源开始输出，控制器开始采集数据，接收光纤数据，整合之后通过光纤发送模块将数据发往下一级。

持续供电部分出发唤醒间断供电部分的方式有两种，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，所定时长由采集器控制；二是传感器监测信号唤醒，当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传感器发起。

3 工作模式

传感器组网后，有两种工作模式，定时工作模式和突发工作模式，在实际运行中两种模式同时运行。

定时工作模式时，由采集器定时发起数据通信和信息监测，采集器通过光纤发送接口发送唤醒信号，传感器1内部的光纤接收模块收到唤醒信号后输出信号给逻辑或门，控制可控LDO电源，使得传感器1的间断工作部分开始工作，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，间断工作部分仍能工作；传感器1被唤醒后从光纤接收模块接收数据的同时，开始通过信号模数转换ADC和转换器采集传感器的监测数据；将接收到的数据和本身采集到的数据进行整合打包之后，传感器1通过光纤发送模块发送唤醒信号以便唤醒传感器，经过一定的延时再将需要发送的数据发送出去；级联的其他传感器与传感器1的工作方式一致。

突发工作模式时，如果传感器j中的转换器输出的信号经过比较器比较后异常，比较器输出信号给逻辑或门，控制可控LDO电源，使得传感器j的间断工作部分开始工作，控制器输出信号给逻辑或门，此时即使转换器输出的异常信号消失，间断工作部分仍能工作；传感器j被唤醒后开始通过信号模数转换ADC 和转换器采集传感器的监测数据；传感器j通过光纤发送模块发送唤醒信号以便唤醒传感器j+1，经过一定的延时再将需要发送的数据发送出去；级联中传感器j后级的传感器与定时工作模式中的传感器工作方式一致。

4 应用场景

4.1 输电线路监测

输电线路包括架空线路和电缆线路，纵横延伸几公里到几百公里，且处于不同的环境里，受地理、气候因素影响较大，电网的停电事故很大概率是由线路事故引起的。对输电线路的在线监测受通信条件制约较大，地下电缆沟的输电电缆无法采用当前成熟的无线通信，架空线路虽可采用，但因数量的原因实现成本较高。采用本文所述串联式光唤醒传感器可以有效解决通信可靠性问题，同时对于架空线路可以增加CT取能供电模式，提高电池使用时间。传感器可以检测输电线路的电流幅值，用于指示线路故障；监测环境温度，用于火灾示警。

4.2 油气管道监测

油气管道均为高压运行，油气本身易燃、易爆并具有毒性，发生事故不但产生巨大的经济损失，甚至会产生火灾、爆炸，破坏周围环境，影响周边人身安全。对油气管道的泄露监测非常有必要，但管道一般处于郊外，通信条件差，且无法取电，采用本文所述串联式光唤醒传感器可以解决上述问题，不但能够稳定可靠的实现管道泄露监测，而且能够定位故障位置。

4.3 隧道监测

隧道具有一定的封闭性，地质水文情况复杂。若通风排水设备不完善，将导致隧道内气体、粉尘浓度不定；若有有害气体，不仅影响施工人员的身体健康，还可能引起爆炸。采用本文所述串联式光唤醒传感器可实现隧道内环境监测，监测隧道内各点的环境温湿度、有害气体含量、粉尘浓度，为安全施工提供有力保证。

5 小结

本文提出了一种适用于恶劣通信环境中的传感器，采用间歇休眠、通信唤醒的模式进行工作可以提高电池的使用寿命，光纤级联通信的模式可以确保通信可靠、安装方便，同时实现异常定位功能。