一种基于能信共传的传感系统及传感数据采集方法与流程

1.本发明涉及光纤通信和供能技术领域，尤其涉及一种基于能信共传的传感系统及传感数据采集方法。


背景技术：

2.传统传感器在针对大环境、多区域、多种类的参数感知任务中，存在电力供能困难、易受环境影响破坏、信息传输不稳定和布设困难等问题。现阶段，部分环境检测参数可以通过对光纤特性进行检测得到，但是其余大部分还是需要单独设置传感器。通常情况下，需要对传感器分别构建供能网络和信息传输网络，成本较高，在面对极端环境的情况下供能网络和信息传输网络布设困难，系统运行过程中容易受到影响，极大限制了信息化建设的进度。同时传感器的布设采用有线形式，安装过程复杂，也不乏有效适应极端环境的检测需求。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明实施例提供了一种基于能信共传的传感系统及传感数据采集方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决传统传感网络布设过程中需要同时搭建传能网络和通信网络导致的布设困难、成本较高且传感器装载复杂的问题。
4.本发明的技术方案如下：
5.一方面，本发明提供一种基于能信共传的传感系统，包括：
6.一体化光缆，所述一体化光缆内包括多条复用光纤，所述复用光纤用于传输第一波长的传能光束和第二波长的通信光束；
7.多个节点组件，所述节点组件按照指定位置设置在所述一体化光缆上，所述节点组件至少包括设置在所述一体化光缆内部的内嵌板级子系统和外挂在所述一体化光缆外侧的外挂传感器单元；
8.所述内嵌板级子系统包括：第一波分复用器，连接所述复用光纤，并分离所述传能光束和所述通信光束；光电池，连接所述第一波分复用器，用于接收所述传能光束并转化为电能；第一光通信单元，连接所述第一波分复用器，接收或发送所述通信光束；连接所述第一光通信单元的第一无线通信单元和第一无线传能单元；能量存储管理单元，连接所述光电池，用于存储电能并为所述第一波分复用器、所述第一光通信单元、所述第一无线通信单元和所述第一无线传能单元供电。
9.所述外挂传感器单元包括：多种类型的传感器元件；数据采集单元，连接各传感器元件以采集传感器数据；第二无线通信单元，连接所述数据采集单元，并与所述第一无线通信单元无线通信；第二无线传能单元，无线接收所述第一无线传能单元提供的电能，并向各传感器元件、所述数据采集单元和第二无线通信单元供电。
10.在一些实施例中，所述第一波长为1500～1600nm，所述第二波长为1300～1350nm。
11.在一些实施例中，所述第一无线通信单元和所述第二无线通信单元均包括蓝牙模
块、rfid模块、nfc模块和/或wifi模块。
12.在一些实施例中，所述节点组件还包括：定位模块，所述定位模块由所述能量存储管理单元供电并连接所述为控制单元，所述定位模块包括gps模块和/或北斗定位模块；和/或，设置在外挂传感器单元上的节点组件电子标识。
13.在一些实施例中，所述能量存储管理单元包括储能电池组、电池管理系统和储能变流器。
14.在一些实施例中，所述第一无线传能单元包括依次连接所述能量存储管理单元的逆变器和第一电磁线圈；所述第二无线传能单元包括依次连接的第二电磁线圈和整流器。
15.在一些实施例中，所述基于能信共传的传感系统，还包括：
16.站点组件，设置在所述一体化光缆的起始端，包括激光器、第二光通信单元和第二波分复用器，所述激光器产生所述传能光束，所述第二光通信单元采用所述通信光束与所述第一光通信单元建立通信连接，所述第二波分复用器用于将所述传能光束和所述通信光束导入所述复用光纤。
17.在一些实施例中，所述光电池采用硅与砷化镓异质集成得到，或者所述光电池采用硅与磷化铟异质集成得到。
18.另一方面，本发明还提供一种基于能信共传的传感数据采集方法，所述方法在如上述基于能信共传的传感系统上执行，所述方法包括：
19.通过第一波分复用器分离第一波长的传能光束并导入光电池，所述光电池将转化得到的电能传输至能量存储管理单元存储；
20.所述能量存储管理单元通过第一无线传能单元向第二无线传能单元供电，所述第二无线传能单元向外挂传感器单元的各传感器元件和数据采集单元供电；
21.所述数据采集单元采集各传感器元件获取的传感数据，通过第二无线通信单元无线传输至第一无线通信单元后，转发至第一光通信单元；
22.由所述第一光通信单元将所述传感数据转换为第二波长的光信号，并经所述第一波分复用器导入复用光纤传输。
23.在一些实施例中，所述数据采集单元采集各传感器元件获取的传感数据之前，还包括：
24.所述第一波分复用器分离第二波长的控制指令光信号并导入第一光通信单元；
25.所述第一光通信单元将所述控制指令光信号转换为控制电信号，通过所述第一无线通信单元无线传输至所述第二无线通信单元后，转发至所述数据采集单元，以指令发起传感数据采集。
26.本发明的有益效果至少是：
27.所述基于能信共传的传感系统及传感数据采集方法，通过一体化光缆布设复用光纤，同时传输传能光束和通信光束，通过光电池将复用光纤内的光信号转化为电能存储在能量存储管理单元用于供电，同时，复用光纤还传输通信光束实现能信供传，一次部署就能同时建立供能网络和通信网络。一体式的结构能够有效避免外部环境产生的破坏，保证供能和传感器数据传输的稳定性。通过无线供电的形式为外挂传感器单元供电，能够灵活设置外挂传感器单元的安装位置适应环境检测需求。
28.进一步的，通过引入硅与砷化镓异质集成技术，或引入硅与磷化铟异质集成技术，
提升光电池的光电转化能力。
29.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
30.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
32.图1为本发明一实施例所述基于能信共传的传感系统的结构示意图。
33.图2为本发明一实施例所述基于能信共传的传感系统中内嵌板级子系统结构示意图。
34.图3为本发明一实施例所述基于能信共传的传感系统中外挂传感器单元结构示意图。
35.附图标记说明：
36.100：一体化光缆；
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110：复用光纤；
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200：节点组件；
37.210：内嵌板级子系统；
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211：第一波分复用器；
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212：光电池；
38.213：第一光通信单元；
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214：第一无线通信单元； 215：第一无线传能单元；
39.216：能量存储管理单元；
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220：外挂传感器单元；
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221：传感器元件；
40.222：数据采集单元；
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223：第二无线通信单元； 224：第二无线传能单元。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
42.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
43.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
44.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
45.在大范围多领域的传感检测任务中，现有技术需要同时搭建供能网络和通信网络，成本高昂且布设困难，传感器的布设位置和方式是基于对环境的监测需求设置的，传感器与功能网络和通信网络固定设置的方式难以适应复杂的监测环境。
46.具体的，本发明提供一种基于能信共传的传感系统，如图1所示，包括：一体化光缆100和多个节点组件200。
47.一体化光缆100内包括多条复用光纤110，复用光纤110用于传输第一波长的传能光束和第二波长的通信光束。在一些实施例中，第一波长为1500～1600nm，第二波长为1300～1350nm。优选的，第一波长为1550nm，第二波长为1310nm。
48.节点组件200按照指定位置设置在一体化光缆100上，节点组件200至少包括设置在一体化光缆100内部的内嵌板级子系统210和外挂在一体化光缆100外侧的外挂传感器单元220。节点组件200用于对目标参数的检测，在范围较小或者要求检测精度较高的任务场景下，节点组件200可以按照1m、2m或3m等间距设置，而在范围较大或检测精度要求较低的任务场景下，节点组件200可以按照60m、100m或1km等间距设置。一体化光缆100沿任务监测点进行布设，节点组件200设置在任务监测点上。
49.如图2所示，内嵌板级子系统210包括：第一波分复用器211、光电池212、第一光通信单元213、第一无线通信单元214、第一无线传能单元215和能量存储管理单元216。
50.第一波分复用器211连接复用光纤110，并分离传能光束和通信光束。本实施例中，通过引入第一波分复用器211，能够实现在同一条复用光纤110中引入更多激光束用于传能或通信，提高了单条复用光纤110的容量。
51.光电池212连接第一波分复用器211，用于接收传能光束并转化为电能。本实施例中所指的光电池212是用于在光照射下产生电动势的元件，在一些实施例中，光电池212采用硅与砷化镓异质集成得到，或者光电池212采用硅与磷化铟异质集成得到。
52.对于近红外光，iii-v族半导体材料(砷化镓gaas、磷化铟inp)具有最高的光电转换效率。因此，本实施例中片上一体化能源收集器件在硅衬底上集成iii-v族材料，即硅与gaas(inp)的异质集成技术。当前，异质集成包括异质外延、晶片键合、纳米线生长这三种技术路线。本实施例可以采用刻槽外延和低温晶片键合解决热失配问题，采用缓冲层纳米线生长技术解决晶格失配问题，并研制出高性能硅基长波长光电探测器。在一些实施例中，光电池212采用无机光电材料和热电材料复合制成。针对1550nm光的转换，因为其能量较小，光电转换采用的效率不高，一般只能达到35％左右，为了提升能量转换效率，可以再镀一层热电材料，吸收光电转换过程中释放的热量，能够提升2％～3％的效率，构成一个混合的光电转换装置。
53.第一光通信单元213，连接第一波分复用器211，接收或发送通信光束。第一光通信单元213由光电子器件、功能电路和光接口等组成，包括发射端和接收端两部分，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。在本实施例中，第一光通信单元213能够将内嵌板级子系统210接入复用光纤110，实现光信号与电信号之间的转换，通过光通信的形式实现控制指令的接收和传感数据的回传。
54.第一无线通信单元214和第一无线传能单元215连接第一光通信单元213。在一些实施例中，第一无线通信单元214可以采用蓝牙模块、rfid模块(radio frequency identification，射频识别)、nfc模块(near field communication)和/或wifi模块。第一无线传能单元215包括依次连接能量存储管理单元216的逆变器(图中未示出)和第一电磁线圈(图中未示出)，其中，逆变器用于将直流电转化为设定频率的交流电，第一电磁线圈用于将交流电转化为电磁场，以将能量进行无线传输。
55.能量存储管理单元216，连接光电池212，用于存储电能并为第一波分复用器211、第一光通信单元213、第一无线通信单元214和第一无线传能单元215供电。
56.如图3所示，外挂传感器单元220包括：多种类型的传感器元件221，数据采集单元222、第二通信单元和第二无线传能单元224。
57.多种类型的传感器元件221可以包括温度传感器、光传感器、力敏传感器和磁敏传感器中的一种或多种。本实施例中，传感器单元所包含的温度传感器、光传感器、力敏传感器和磁敏传感器四类传感器涵盖了绝大多数场景下所需要的传感器类型。本实施例就是通过配置组合不同形式的传感器，以实现不同的检测任务。在一些实施例中，传感器元件221包括：土壤温度传感器、空气温湿度传感器、蒸发传感器、雨量传感器、光照传感器和/或风速风向传感器。本实施例的传感器配置形式能够实现对气候土壤环境的检测。在其他应用场景下，也可以针对性的设置所需的传感器，用于完成特定的检测任务。
58.数据采集单元222，连接各传感器元件221以采集传感器数据，数据采集单元222按照设定评率进行采样，并进行数据回传，另一些实施例中，也可以根据接收到的采样指令进行传感器数据的采集。本实施例中，可以采用微控制模块(mcu)作为数据采集单元222。
59.第二无线通信单元223，连接数据采集单元222，并与第一无线通信单元214无线通信；同样的，第二无线通信单元223可以采用蓝牙模块、rfid模块(radio frequency identification，射频识别)、nfc模块(near field communication)和/或wifi模块。
60.第二无线传能单元224，无线接收第一无线传能单元215提供的电能，并向各传感器元件221、数据采集单元222和第二无线通信单元223供电。在一些实施例中，第二无线传能单元224包括依次连接的第二电磁线圈(图中未示出)和整流器(图中未示出)。通过与第一电磁线圈进行感应，第二电磁线圈将变化的电磁场转化为交变电流，再由整流器将交变电流转变为直流电，以为各传感器元件221、数据采集单元222和第二无线通信单元223供电。
61.在一些实施例中，节点组件200还包括：定位模块，定位模块由能量存储管理单元216供电并连接为控制单元，定位模块包括gps模块和/或北斗定位模块；和/或，设置在外挂传感器单元220上的节点组件200电子标识。在本实施例中，通过设置定位模块，能够实时监控各节点组件200的实际位置，将各节点组件200采集到的环境参数对应至实际位置。进一步的，节点组件200电子标识用于对外挂传感器进行身份标识。
62.在一些实施例中，能量存储管理单元216包括储能电池组、电池管理系统和储能变流器。
63.电池储能具有技术相对成熟、容量大、安全可靠、噪声低、环境适应性强、便于安装等优点，所以本实施例中，能量存储管理单元216采用小型电池组来储存电能；当然，对于高度集成封装的节点组件200，还可以采用超级电容进行储能和供电。
64.在一些实施例中，能量存储管理单元216可以由储能单元和监控与调度管理单元组成：储能单元包含储能电池组(ba)、电池管理系统(bms)和储能变流器(pcs)；监控与调度管理单元包括中央控制系统(mgcc)和能量管理系统(ems)。
65.电池管理系统(bms)安装于储能电池组内，负责对储能电池组进行电压、温度、电流、容量等信息的采集，实时状态监测和故障分析，同时通过can总线与储能变流器、监控与调度系统联机通信，实现对电池进行优化的充放电管理控制。
66.电池管理系统(bms)具有电池电压均衡、电池组保护、热管理、电池性能的分析诊断等功能。要求能够实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压、并计
算得到的电池内阻等参数，通过分析诊断模型，得出单体电池当前容量或剩余容量(soc)的诊断，单体电池健康状态(soh)的诊断、电池组状态评估，以及在放电时当前状态下可持续放电时间的估算。
67.监控与调度管理单元包括储能单元的能量调度、管理中心，包含中央控制系统(mgcc)和能量管理系统(ems)，负责收集全部电池管理系统数据、储能变流器数据及配电柜数据，向各个部分发出控制指令，控制整个储能系统的运行，合理安排储能变流器工作；系统既可以按照预设的充放电时间、功率和运行模式自动运行，也可以接受操作员的即时指令运行。
68.在一些实施例中，基于能信共传的传感系统，还包括站点组件，站点组件设置在一体化光缆100的起始端，包括激光器、第二光通信单元和第二波分复用器，激光器产生传能光束，第二光通信单元采用通信光束与第一光通信单元213建立通信连接，第二波分复用器用于将传能光束和通信光束导入所述复用光纤110。
69.在本实施例中，设置站点组件以实现完整的供能和数据通信。站点组件用于发出传能光束并与各节点组件200建数据通信。激光器可以采用气体激光器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器和自由电子激光器。第二光通信单元由光电子器件、功能电路和光接口等组成，包括发射端和接收端两部分，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。产生的传能光束和通信光束通过第二波分复用器导入复用光纤110。
70.另一方面，本发明还提供一种基于能信共传的传感数据采集方法，所述方法在如上述基于能信共传的传感系统上执行，所述方法包括步骤s101～s104：
71.步骤s101：通过第一波分复用器211分离第一波长的传能光束并导入光电池212，光电池212将转化得到的电能传输至能量存储管理单元216存储。
72.步骤s102：能量存储管理单元216通过第一无线传能单元215向第二无线传能单元224供电，第二无线传能单元224向外挂传感器单元220的各传感器元件221和数据采集单元222供电。
73.步骤s103：数据采集单元222采集各传感器元件221获取的传感数据，通过第二无线通信单元223无线传输至第一无线通信单元214后，转发至第一光通信单元213。
74.步骤s104：由第一光通信单元213将传感数据转换为第二波长的光信号，并经第一波分复用器211导入复用光纤110传输。
75.在步骤s101～s104中，所述能信共传的传感系统作为执行主体，一体化光缆100沿预定的监测线路进行布设，节点组件200被设置在指定的监测位置处，首先内嵌板级子系统210中，由第一波分复用器211将第一波长的传能光束导入光电池212，将光能转化为电能，本实施例中，传能光束采用1550nm波长。转化得到的电能通过能量存储管理单元216进行存储，并向第一波分复用器211、第一光通信单元213、第一无线通信单元214和第一无线传能单元215供电。
76.第一无线传能单元215向第二无线传能单元224供电，第一无线传能单元215中，通过逆变器将能量存储管理单元216输出的直流电转变为设定频率的交流电，第一电磁线圈通过交流电的激发产生变化的电磁场。第二无线传输单元中，第二电磁线圈将变化的电磁场转化为交变电流，再由整流器将交变电流转变为直流电，以为各传感器元件221、数据采
集单元222和第二无线通信单元223供电。
77.在一些实施例中，步骤s103之前，即数据采集单元222采集各传感器元件221获取的传感数据之前，还包括步骤s201～s202：
78.步骤s201：第一波分复用器211分离第二波长的控制指令光信号并导入第一光通信单元213。
79.步骤s202：第一光通信单元213将控制指令光信号转换为控制电信号，通过第一无线通信单元214无线传输至第二无线通信单元223后，转发至数据采集单元222，以指令发起传感数据采集。
80.本实施例中，所述基于能信共传的传感系统是基于接收到的控制指令光信号发起数据采集的。在另一些实施例中，所述基于能信共传的传感系统可以按照预设的采样时间和采样频率进行传感数据的采集。
81.本发明中，能信共传的一体化光缆能够通过一定波长的光在同一根光缆中同时实现能量与信息的传输，具有铺设组网简单、能够充分利用终端运算能力的特点，一方面，一体化光缆可以用于基于光纤反射特征的对环境参数的监测。但由于现阶段光纤监测能力有限，额外的、特需的传感器需要与能信共传一体化光缆配合使用。
82.考虑到光缆系统的泛用性，其总体的简洁性必须慎重考虑。采取一体化光缆与传感器分立式布设，在一体化光缆外部挂设需要的传感器，有需要就布设，没有需要就不需布设。
83.本发明所述基于能信共传的传感系统及传感数据采集方法，应用于特殊环境下参数指标监测，解决了光缆在特殊环境下无法进行的参数识别的短板，且基于光缆布设的难度提出了与该系统配套的传感器的模块化安装与应用，极大程度上节省了安装成本与维护难度。
84.所述基于能信共传的传感系统及传感数据采集方法，主要包括光电转换、能量存储、无线供电与无线通信四个部分。其中，光电转换部分是将一体化光缆中的光能转化为可供使用的电能，由于外挂传感器单元是按照需要部署的，所以在一般情况下其系统是不需要对其供能的，这就需要系统在空闲时将能量存储起来，为后续可能进行的供能做好准备。无线供电主要是提供电磁感应原理进行能量的传输，将存储的能量通过电磁线圈对外辐射，就可给配套的能够无线接收能量的传感器提供能量。无线通信技术则通过短程通信设备进行系统与传感器之间的交互，可将终端传过来的信息、指令传递给传感器，也可接收传感器采集的信息，并传回终端进行数据分析。
85.一般来说，可用利用光纤中光的反射情况来监测光纤本身的形变、温度等的变化进而进行对环境的监测，比如可以使用布设在大洋深处的光缆来监测海底的地震情况。另外，对其他检测项目，如二氧化碳浓度，有毒气体等，无法通过光纤进行直接测量，本实施例通过设置专用传感器进行测量。由于只有在部分的能信共传光缆中需要额外的传感器，一般情况下不需要部署，所以本发明采用了通用型模块化传感器架构，在有需要的地方直接通过简单的固定方式将传感器固定在光缆上，就可实现该光缆对传感器的能量供用。
86.综上所述，所述基于能信共传的传感系统及传感数据采集方法，通过一体化光缆布设复用光纤，同时传输传能光束和通信光束，通过光电池将复用光纤内的光信号转化为电能存储在能量存储管理单元用于供电，同时，复用光纤还传输通信光束实现能信供传，一
次部署就能同时建立供能网络和通信网络。一体式的结构能够有效避免外部环境产生的破坏，保证供能和传感器数据传输的稳定性。通过无线供电的形式为外挂传感器单元供电，能够灵活设置外挂传感器单元的安装位置适应环境检测需求。
87.进一步的，通过引入硅与砷化镓异质集成技术，或引入硅与磷化铟异质集成技术，提升光电池的光电转化能力。
88.需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
89.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
90.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。