阅读说明：本技术 一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点及使用方法 (Wireless sensor node capable of being arranged in emergency scene in throwing mode and using method ) 是由 席广永 王丽萍 张涛 邹东尧 马江涛 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点及使用方法,所述无线传感器节点包括顶端开口的不倒翁形状的防护壳体,防护壳体的顶端活动设有隔水顶板,隔水顶板上固定设有挡水圈和传感单元,隔水顶板中部设有与防护壳体内部相连通的安装孔；所述防护壳体内固定设有电源槽、固定夹、PCB板卡槽和可弹支撑模块；所述电源槽和固定夹均与电源模块相匹配；所述PCB板卡槽与PCB板相匹配；所述防护壳体通过可弹支撑模块与顶部防护罩活动连接。本发明采用可抛布设的方式提高无线传感器节点布设的效率；采用不倒翁形的设计可以在抛撒布设时,保证传感单元、天线的方向性；采用防水防火的壳体材料,可以提高无线传感器节点的测量环境的适应性能。(The invention provides a wireless sensor node capable of being thrown and laid in an emergency scene and a using method thereof, wherein the wireless sensor node comprises a tumbler-shaped protective shell with an opening at the top end, a waterproof top plate is movably arranged at the top end of the protective shell, a water retaining ring and a sensing unit are fixedly arranged on the waterproof top plate, and a mounting hole communicated with the interior of the protective shell is formed in the middle of the waterproof top plate; a power supply groove, a fixing clamp, a PCB clamping groove and an elastic supporting module are fixedly arranged in the protective shell; the power supply groove and the fixing clamp are matched with the power supply module; the PCB clamping groove is matched with the PCB; the protection shell is movably connected with the top protection cover through the elastic supporting module. The method adopts a mode of throwing layout to improve the efficiency of the layout of the wireless sensor nodes; by adopting the tumbler-shaped design, the directivities of the sensing units and the antennas can be ensured when the sensing units and the antennas are scattered and distributed; the waterproof and fireproof shell material is adopted, so that the adaptability of the wireless sensor node to the measuring environment can be improved.)

一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点及使用方法

技术领域

本发明涉及无线传感器节点技术领域，特别是指一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点及使用方法。

背景技术

无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，综合了传感技术、微电子技术、网络技术、无线通信技术、嵌入式技术、分布式计算处理技术等多种技术的交叉学科，涉及的范围十分广泛，因而相关的研究内容也十分丰富，目前世界各国均对其各方面开展了研究。

随着微电子机械系统、功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术、微型传感器技术及集成电路技术的飞速发展和日益成熟，使得由大量低成本、低功耗、小体积、短距离通信多功能的微型传感器通过无线链路自组织为无线传感器网络(WSN)成为现实。WSN已经广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域，在当前国际上备受关注，涌现了许多研究热点领域。

传感器节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元、处理单元、无线通信单元和供电单元等。此外，其他可以选择的功能部分有定位系统、移动系统以及电源供电系统等。

传感器单元由传感器和数/模转换模块组成，用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号；处理单元由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等，负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信单元由无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；供电单元通常采用微型电池，为传感器节点提供正常工作所必需的能源。

目前的室内外环境监测的传感器节点，一般是针对于固定安装或摆设安装在待测位置，这种布设方式难以满足应急场景对节点快速布设的要求。此外，现有的传感器节点缺少阻燃、防水等设计，无法完成对火灾等应急场景的环境参数的持续采集。

发明内容

针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点及使用方法，解决了现有的传感器节点缺少阻燃和防水装置，无法持续采集应急场景的环境参数的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点，包括顶端开口的不倒翁形状的防护壳体；所述防护壳体的顶端活动设有隔水顶板，隔水顶板上固定设有挡水圈和传感单元，隔水顶板中部设有与防护壳体内部相连通的安装孔；所述防护壳体内固定设有电源槽、固定夹、PCB板卡槽和可弹支撑模块；所述电源槽和固定夹均与电源模块相匹配；所述PCB板卡槽与PCB板相匹配；所述防护壳体通过可弹支撑模块与顶部防护罩活动连接。

所述隔水顶板的下部固定设有凸柱I，所述防护壳体的顶部设有凹槽I，凹槽I与凸柱I相匹配。

所述顶部防护罩为下端开口的中空的半球形防护罩，且顶部防护罩的开口直径大于防护壳体的开口直径。

所述可弹支撑模块包括弹簧，弹簧设有两根，两根弹簧之间设有锚固卡头，锚固卡头下端固定设有锚固杆，锚固杆的下端固定在防护壳体的底部，弹簧的下端均固定设置在防护壳体的底部设有稳固块上；弹簧的顶端均与连接弹片相连接，连接弹片的底部设有移动卡头，移动卡头与锚固卡头相匹配；所述连接弹片的顶端固定设有顶板，顶板通过螺钉II与天线的下端螺纹连接，天线的上端通过螺钉I与顶部防护罩螺纹连接。

所述锚固卡头下部设有圆柱形的凸柱II，凸柱II设有两个；所述移动卡头设有两个，移动卡头上均设有凹槽II，凹槽II与凸柱II相匹配。

所述隔水顶板上设有电线夹，电线夹与传感单元的数据线和电源线相匹配，传感单元通过电源线与电源模块相连接。

所述防护壳体、顶部防护罩、隔水顶板、挡水圈均由陶瓷化防火耐火硅橡胶材料制成。

所述电源槽、固定夹、PCB板卡槽均固定在防护壳体底部的稳固块上，电源槽、固定夹、PCB板卡槽均设有两个，且两个电源槽、固定夹、PCB板卡槽均关于锚固杆对称；所述PCB板卡槽为U形卡槽。

所述PCB板上固定设有ADC模块、处理单元和通信单元，ADC模块的采集端通过传感单元的数据线与传感单元的信号端相连接，ADC模块的信号输出端与处理单元的信号输入端相连接，处理单元的通信端与通信单元的通信端相连接，通信单元的天线端口与天线相连接；所述ADC模块、处理单元、通信单元和传感单元均与电源模块相连接。

所述传感单元为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和光敏传感器，温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和光敏传感器通过数据线与ADC模块的采集端相连接，温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和光敏传感器通过电源线与电源模块相连接。

一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点的使用方法，其步骤如下：

S1、当传感器节点从高处抛下时，防护壳体底部受压将产生压缩变形；

S2、防护壳体底部的形变推动锚固卡头的锚固杆上移，使得移动卡头的凹槽II和锚固卡头的凸柱II解锁；

S3、弹簧上弹推动顶板和天线支撑起顶部防护罩，使顶部防护罩与防护壳体分离；

S4、运行传感器节点，利用传感器节点的传感单元采集环境信息，并通过通信模块实现环境感知数据的传输。

本技术方案能产生的有益效果：

1）采用可抛布设的方式可以提高无线传感器节点布设的效率；

2）采用不倒翁形的设计可以在抛撒布设时，保证传感单元、天线的方向性；

3）采用防水防火的壳体材料，可以提高无线传感器节点的测量环境的适应性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明纵剖面的结构示意图；

图2为本发明的隔水顶板的俯视图；

图3为本发明的内部结构的俯视图；

图4为本发明的移动卡头的结构示意图；

图5为本发明的锚固卡头的结构示意图。

图中：1-防护壳体，2-顶部防护罩，3-螺钉I，4-凹槽I，5-电源槽，6-固定夹，7-PCB板卡槽，8-隔水顶板，9-挡水圈，10-凸柱I，11-安装孔，12-传感单元，13-电线夹，14-弹簧，15-锚固卡头，16-凸柱II，17-锚固杆，18-移动卡头，19-凹槽II，20-连接弹片，21-移动卡头顶板，22-螺钉II，23-天线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点，包括顶端开口的不倒翁形状的防护壳体1，防护壳体1为上部薄下部厚的壳体且下部设有稳固块，采用不倒翁形的可以在抛撒布设时，保证传感单元、天线的向上的方向性；如图2所示，所述防护壳体1的顶端活动设有隔水顶板8，隔水顶板8上固定设有挡水圈9和传感单元12，挡水圈9可防止室外的喷淋水或雨水进入防护壳体1内，进而确保防护壳体1内的传感单元12正常工作，隔水顶板8中部设有与防护壳体1内部相连通的安装孔11，安装孔11可以方便地进行传感单元12上的数据线和电源线的安装与连接，也方便天线23的伸出，与外界稳定通信；所述防护壳体1内固定设有电源槽5、固定夹6、PCB板卡槽7和可弹支撑模块，可弹支撑模块固定在防护壳体1的底部，电源槽5、固定夹6、PCB板卡槽7均固定在稳固上；如图3所示，所述电源槽5、固定夹6、PCB板卡槽7均设有两个，且电源槽5、固定夹6、PCB板卡槽7均关于锚固杆17对称；所述电源槽5和固定夹6均与电源模块相匹配，电源模块卡入电源槽5内，电源模块的输出线用固定夹6固定；所述PCB板卡槽7为一侧开口的U形卡槽，两个PCB板卡槽7的开口相对，PCB板卡槽7与PCB板相匹配，方便PCB电路板卡接在7内。本发明采用电源槽5、固定夹6和PCB板卡槽7保证电源模块和PCB板在抛撒布设时固定不动。所述防护壳体1通过可弹支撑模块与顶部防护罩2活动连接。所述隔水顶板8的下部的外圆周上固定设有一圈的凸柱I 10，所述防护壳体1的顶部设有一圈的凹槽I 4，凹槽I 4与凸柱I 10相匹配，便于将隔水顶板8与防护壳体1的扣合或分离。所述顶部防护罩2为下端开口的中空的半球形防护罩，且顶部防护罩2的开口直径大于防护壳体1的开口直径，可防止室外的喷淋水或雨水进入防护壳体1内，进而确保防护壳体1内的传感单元12、电源模块、处理单元和通信单元的正常工作。

如图4和图5所示，所述可弹支撑模块包括弹簧14，弹簧14设有两根，弹簧14之间设有锚固卡头15，锚固卡头15下端固定设有锚固杆17，锚固杆17的下端均固定在防护壳体1的底部，弹簧14的下端均固定在防护壳体1的稳固块上；弹簧14的上端均与连接弹片20相连接，连接弹片20的底部设有移动卡头18，移动卡头18与锚固卡头15相匹配，移动卡头18设有两个，两个移动卡头18可以夹住锚固卡头15；所述连接弹片20的顶端固定设有顶板21，顶板21通过螺钉II 22与天线23的下端螺纹连接，天线23的上端通过螺钉I 3与顶部防护罩2螺纹连接。所述锚固卡头15下部设有圆柱形的凸柱II 16，凸柱II 16设有两个；所述移动卡头18设有两个，移动卡头18上均设有凹槽II 19，凹槽II 19与凸柱II 16相匹配使移动卡头18与锚固卡头15相连接。通过向下按压顶部防护罩2使弹簧14压缩，移动卡头18下移接触固定卡头15时连接弹片20变形，移动卡头18继续下移一定距离后，移动卡头18位于固定卡头15下面时连接弹片20恢复使移动卡头18的凹槽II 19和锚固卡头15的凸柱II 16锁定，凸柱II16分别限位在两侧的凹槽II 19内，同时使顶部防护罩2与防护壳体1密合；通过在抛撒布设传感器节点时防护壳体1底部的压缩变形，使得移动卡头18的凹槽II 19和锚固卡头15的凸柱II 16解锁，通过弹簧14上弹推动移动卡头18顶板21和天线23支撑起顶部防护罩2，使顶部防护罩2与防护壳体1分离。防护壳体1是由陶瓷花防火耐火硅橡胶材料制成，在-70~200°C的温度下，具有普通硅橡胶的弹性和柔软性。当传感器节点从高处抛下时，由于防护壳体1底部薄壳的硅橡胶受压将产生压缩变形，推动锚固卡头15的锚固杆17上移，使得移动卡头18的凹槽II 19和锚固卡头15的凸柱II 16解锁，通过弹簧14上弹推动移动卡头18顶板21和天线23支撑起顶部防护罩2，使顶部防护罩2与防护壳体1分离。

所述隔水顶板8上设有电线夹13，电线夹13与传感单元12的数据线和电源线相匹配，用于固定传感单元12的数据线和电源线，保障传感器节点抛撒布设时传感单元12的固定不动，传感单元12通过电源线穿过安装孔11与电源模块相连接，为传感单元12提供工作电源。

所述防护壳体1、顶部防护罩2、隔水顶板8、挡水圈9的材料均为陶瓷化防火耐火硅橡胶材料，可阻燃、防水，且具有一定弹性，从而适于火灾等应急场景快速布设，防火防水设计能够增强无线传感器节点的现场适应能力，小巧型、可抛型设计能够提高布设效率。

所述PCB板上固定设有ADC模块、处理单元和通信单元，ADC模块的采集端通过传感单元12的数据线与传感单元12的信号端相连接，ADC模块的信号输出端与处理单元的信号输入端相连接，处理单元的通信端与通信单元的通信端相连接，通信单元的天线端口与天线23相连接；所述ADC模块、处理单元、通信单元和传感单元12均与电源模块相连接，电源模块为ADC模块、处理单元、通信单元和传感单元12供电。

所述传感单元12为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和光敏传感器，温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和光敏传感器通过数据线与ADC模块的采集端相连接，温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和光敏传感器通过电源线与电源模块相连接。

本发明在安装时，将电源模块安装在卡槽平台的电源槽5内，用两个固定夹6分别固定电源模块；PCB板竖直***PCB板卡槽7内；将天线23下端的螺纹孔与顶板21上的螺钉II22固定；将隔水顶板8的凸柱I 10与防护壳体1的凹槽I 4扣合，并将天线23、传感单元12上的数据线和电源线穿过安装孔11；将传感单元12安装在隔水顶板8上部，并利用电线夹13固定电源线和数据线；将天线23上部的螺纹孔与防护罩2的螺钉I 3固定；通过按压顶部防护罩2使弹簧14压缩，移动卡头18下移接触固定卡头15时连接弹片20变形，移动卡头18越过固定卡头15时连接弹片20恢复使移动卡头的凹槽II 19和锚固卡头15的凸柱II 16锁定，同时使顶部防护罩2与防护壳体1密合；通过在抛撒布设传感器节点时防护壳体1底部的压缩变形，使得移动卡头18的凹槽II 19与锚固卡头15的凸柱II 16解锁，通过弹簧14上弹推动顶板21和天线23支撑起顶部防护罩2。

一种用于应急场景可抛布设的无线传感器节点的使用方法，具体步骤如下：

S1、当传感器节点从高处抛下时，防护壳体1底部受压将产生压缩变形，其中，防护壳体1底部的形变量与抛出高度H、防护壳体1底部的弹性模量E、传感器节点的质量m、防护壳体1底部圆半径R₁相关，其计算公式为：

，其中，为重力加速度，抛出高度H>0.5m。

S2、防护壳体1底部的形变推动锚固卡头15的锚固杆17上移，使得移动卡头18的凹槽II 19和锚固卡头15的凸柱II 16解锁，其中，移动卡头18的凹槽II 19和锚固卡头15的凸柱II 16的解锁与底部的形变量、凹槽II（19）和凸柱II（16）的尺寸有关，且底部的变形量大于凹槽II的尺寸与凸柱II的尺寸的差值。

S3、弹簧14上弹推动顶板21和天线23支撑起顶部防护罩2，使顶部防护罩2与防护壳体1分离，其中，顶部防护罩2与防护壳体1分离的程度受到弹簧14的压缩量影响，弹簧14的压缩量设计取决于顶部防护罩2的半径R₂、安装孔11的半径R₃、隔水顶板8的半径R₄、防水角度、传感器节点内外环境快速充分交互的数据采集需求。

压缩量为：。

一般而言，传感器节点内外环境快速充分交互要求弹簧14的压缩量。

S4、运行传感器节点，利用传感器节点的传感单元12采集环境信息，并通过通信模块实现环境感知数据的传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。