專利名稱：一種地下管道監控方法
技術領域：
本發明涉及民用地下管網探測與管理領域，尤其是一種地下管道監控方法。
背景技術：
各種管道，特別是水管燃氣管內部環境監測具有十分重要的意義，如能通過流量監測判斷水管泄露位置，能有效地減少水資源的無謂浪費；如能通過流量或管內壓力監控及時發現氣管泄露，能有效地減少燃氣管爆炸事故，挽救生命。目前管道探測領域的發展大多停留在定位技術上，如探地雷達、低頻電磁場技術，震動聲學方法、射頻標簽方法等，雖能有效提供管道位置信息，但無法對管道內環境狀況進行有效監測。現有的一些管道內監測技術是采用攝像頭、激光、聲納、電磁等技術，大都停留在離散點測量水準，而沒有實現實時管道內監測的功能。

發明內容
本發明涉及一種地下管道狀態實時監測的方法和工藝，尤其是涉及管道內傳感器與近地表中繼器通信，以及中繼器與終端通信的應用，適用于管網智能化監控。本發明公開了一種地下管道監控方法，其特征在于，包括預埋步驟，將若干中繼器埋設在管道的上方近地表位置處，使該中繼器外殼一端與空氣接觸，以預留手機頻段無線信號通道給外殼內無線通信模塊和遠方終端進行無線通信；在埋設該中繼器時啟動其GPS模塊使其接收到GPS坐標以數字信號形式存儲在中繼器內存儲器內供以后調用；實時監測步驟，由終端發送監測指令通過無線信號被該中繼器接收，該中繼器開始工作，并在完成此工作進程前不再接收終端信號，該中繼器發送電磁信號給各預設在管道內各處的傳感器，發送完畢后，其進入監聽模式；所述傳感器接收到電磁信號后進入工作狀態，即開始存儲電能量，當存儲能量高于閾值I時，射頻芯片中的控制模塊開始工作，即控制感應元件進入工作狀態；感應元件因環境改變而導致其本征諧振品質發生變化，同時得到的感應信號被控制模塊記錄；感應線圈存儲電能量再次低于閾值2時，射頻芯片將所記錄的感應信號通過感應線圈向中繼器發射；中繼器接收感應信號后通過模數轉換并編碼后連同從存儲器內讀出的GPS坐標信息通過其無線通信模塊向對應終端發送；感知步驟，所述終端接收到信號后通過進行解碼，還原傳感器感應元件所感知的管道內部環境變化。比較好的是，所述中繼器為有源設備，通過普通電池，或其一段外殼暴露在地表進行太陽能充電。比較好的是，所述反饋信號包括頻率、振幅、相位等信息。比較好的是，所述中繼器只有在接收到終端指令后才進入工作狀態，其他時間處于低能耗的休眠狀態。比較好的是，能提供對管內環境改變的實時監測，其實時性和遠程遙控性極大地增強了監控的效率，以及凸顯在建網是的可控的實時動態性。比較好的是，所述反饋信號針對各種傳感器，在某個中繼器所轄不同種類傳感器情況下，通過實現設定不同傳感器不同本征頻率進行區別。比較好的是，所述對不同傳感器甄別工作原理，以及中繼器GPS位置和標準化的傳感器兩兩間距，再輔以幅度、相位等信息進而計算出各個傳感器的實際位置坐標。比較好的是，所述傳感器內感應線圈及射頻芯片部分可進行塑封，用于安裝在管道內壁上或內嵌在管道壁內，而感應元件部分則要暴露在管道內空氣中以感知空氣流量、壓力、溫度等環境參量。
本發明有效利用了中繼器對地下傳感器信息的接收、編碼和發送，以及終端處對信息的解碼還原，同時實現了遠程實時監測管內信息的目的。


下面，參照附圖，對于熟悉本技術領域的人員而言，從對本發明方法的詳細描述中，本發明的上述和其他目的、特征和優點將顯而易見。圖I (a) (b)為本發明系統工作原理圖；圖2為本發明監測方法的流程圖；圖3為本發明的中繼器與傳感器的結構框圖；圖4 7給出幾種傳感器在管道內的附著形式的示意圖。
具體實施例方式如下結合附圖進行實施例描述。圖I為本發明的工作原理圖。單個中繼器11能與附近N個傳感器12進行通信，在實際應用中傳感器個數N的選取要根據傳感器12兩兩的間距以及所采用的通信頻率及其帶來的單位距離電磁傳播衰減而定。中繼器11與單個或多個終端13進行無線通信，在接收來自某終端13指令信號后開始工作，并在此工作周期內不再接收任何終端的指令。在完成工作周期后，中繼器11將編碼后的感知信號向對應終端發送，并在該終端13進行解碼后得到管內感知信息。中繼器11處編碼規則對應于終端13處解碼規則。圖I (a)為工作示意圖，即某一中繼器11與對應N個傳感器12通信；圖I (b)為一現場實例，其中，3個中繼器Rl R3接收3個終端13的指令控制并回傳對應終端編碼后感知信息。圖2是本智能管道系統的施工流程圖，其對應步驟為預埋步驟S21，在一段長度的內裝傳感器12的智能管道鋪設時，將一種中繼器11埋設在該段管道的上方近地表位置處，使該中繼器11外殼(非金屬殼)一端與空氣接觸，以預留手機頻段無線信號通道給外殼內無線通信模塊和遠方終端進行無線通信。S22，在埋設中繼器11時啟動其GPS模塊使其接收到GPS坐標以數字信號形式存儲在中繼器11內存儲器內供以后調用。該中繼器11為有源設備，通過普通電池或太陽能充電電池(利用其一段外殼暴露在地表，可作為充電電板)提供電能。實時監測步驟
S23，終端發送監測指令通過無線信號被中繼器11接收，中繼器11開始工作，并在完成此工作進程前不再接收終端信號；中繼器11通過其第二 LC振蕩電路線圈發送電磁信號給各傳感器12 ;發送完畢后，其進入監聽模式；S24，傳感器12內感應線圈(即第一 LC振蕩電路)接收到電磁信號后進入工作狀態，即開始存儲電能量，當存儲能量高于閾值I時，射頻芯片中的控制模塊開始工作，即控制感應元件進入工作狀態；S25，感應元件因環境改變而導致其本征諧振品質發生變化，同時得到的感應信號被控制模塊記錄；S26，感應線圈存儲電能量再次低于閾值2時，射頻芯片將所記錄的感應信號通過感應線圈向中繼器11發射；S27，中繼器11接收射頻信號后通過模數轉換并編碼后連同從存儲器內讀出的 GPS坐標信息通過其無線通信模塊向對應終端發送。感知步驟S28，終端接收到信號后通過運用事先約定好的編解碼規則進行解碼，還原傳感器感應元件所感知的管道內部環境變化。進一步地，對于不同傳感器，如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器，解碼后數據與實際管內壓力、流量、溫度等信息的關系是既有測量數據，可以通過查找表或曲線擬合的方式，在終端得到解碼后進行數據對應。在終端同時接收到中繼器11所在位置坐標信息，就實現了對管道內環境變化以及其位置信息的動態與靜態雙信息的把握。重要一點，在終端未向中繼器11發送監測指令的情況下，中繼器11處于極低能耗的休眠狀態，傳感器12為無源設備不耗能，只有在指令到達時中繼器11以及傳感器12才“喚醒”進入工作狀態。另外一點，在中繼器11休眠狀態下，無源的傳感器可被類似目前通用的射頻探測系統探測，如類似3M公司的探測設備在地表進行離散點測量。此時，地表的探測設備通過其內置的LC振蕩電路與傳感器中的第一 LC振蕩電路進行通信。也就是說該無源傳感器在這種情況下可以提供位置以及感應管內信息給地表探測設備(注意到目前通用的探測系統只能探測到位置，而無法得到感應管內信息)。這種地表探測設備可以形象地被理解為“移動的中繼器”。“移動的中繼器”和本專利主要討論的預埋中繼器的優劣表現為后者提供遠程控制，可任何時候進行無人監測操作，有利于建監控網，前者需要人實地操作測量，同時將增加對實地因素(如路面狀況，環境天氣，有無GPS信號及其準確性等)的綜合考慮。圖4-7為傳感器12在管道的存在形式，主要分為內嵌式和內貼式。其中為圖4為片狀內貼式傳感器(貼于管道內壁)；圖5為環狀內貼式傳感器；圖6是片狀內嵌式傳感器；圖7為環狀內嵌式傳感器。值得注意的是，傳感器內感應線圈及射頻芯片部分可進行塑封，用于安裝在管道內壁上或內嵌在管道壁內；而感應元件部分則要暴露在管道內空氣中以感知空氣流量、壓力、溫度等環境參量。對于水管，特殊工藝封裝的感應元件部分可從管壁伸出并暴露在水流中。在實際操作中要盡量減少暴露或伸出部分承受的流體沖擊面積壓力以減小沖擊力對感應元件的耗損。
進一步地，注意到一個中繼器11能同時與多個傳感器12進行通信，其通過以下方式區分不同傳感器12所傳信息我們將不同傳感器感應線圈的本征頻率設為不同，如圖I實例圖中，中繼器Rl與4個傳感器SI. LSI. 2，SI. 3，SI. 4進行通信。將4個傳感器的感應線圈的本征頻率分別設為H，f2, f3, f4，那么在中繼器端就可以進行區分。由于事先知道傳感器間距(兩兩傳感器間距是依照智能管道生產或后貼傳感器標準規范確定)，再結合接收信號的振幅、相位等信息，同時知道中繼器的GPS全球唯一坐標，那么就可以簡介測算出提供中斷處接收到的管內感知信息的傳感器的具體位置。本發明面向新鋪管道和舊管道換新改造，將傳感器12內置到管道壁內或貼于管道內壁。鋪設新管道也就是將傳感節點鋪設入地。圖3給出了上述過程中中繼器11與傳感器12的結構框圖，其中，傳感器12包括感應元件122，包含控制模塊的射頻芯片123，和為射頻芯片提供電能的的第一 LC振蕩電路121 (或稱為感應線圈)。感應線圈121及射頻芯片123部分可進行塑封，用于安裝在管 量、壓力、溫度等環境參量。對于水管，特殊工藝封裝的感應元件部分可從管壁伸出并暴露在水流中。在實際操作中要盡量減少暴露或伸出部分承受的流體沖擊面積壓力以減小沖擊力對感應元件的耗損。中繼器11包括無線通信模塊111，用于中繼器11接收遠方終端的指令，以及向終端發送編碼后的感知信息；第二 LC振蕩電路114，用于發送電磁波信號給傳感器12中第一 LC振蕩電路121，并接受來自第一 LC振蕩電路121的回饋感應信號；控制模塊110，用于控制中繼器11與終端的雙向通信，控制對GPS信號的接收和存儲，控制第二 LC振蕩電路114發送電磁信號以及控制其接收回饋信號，并對回饋信號進行模數轉換、編碼和存儲；時鐘模塊118，與控制模塊110配合，用于界分中繼器11各工作階段；GPS模塊112，接收GPS位置信息；存儲器113，用于存儲GPS位置信息和回饋處理后信息；數模轉換模塊115，對接收的回饋模擬信號進行數字化處理；編碼器116，對轉換后數字信息進行編碼，該編碼是實現約定好，對應于終端解碼處理；電源管理117，提供中繼器11電能，可以通過電池實現，或進一步通過太陽能電池擺脫普通電池壽命的限制。本發明的傳感器12適用于非金屬管道。不同金屬管道會對感應線圈間通信產生不一致的影響，故不在本專利主要討論范圍之內。本發明實現了管道內感知信息向終端的接力傳遞，克服了高頻信號(即中繼器與終端間的無線通信)由于巨大衰減無法在地下土壤環境下有效傳遞的缺點，有效利用了中繼器對地下傳感器12信息的接收、編碼和發送，以及終端處對信息的解碼還原，同時實現了遠程實時監測管內信息的目的。前面提供了對較佳實施例的描述，以使本領域內的任何技術人員可使用或利用本發明。對這些實施例的各種修改對本領域內的技術人員是顯而易見的，可把這里所述的總的原理應用到其他實施例而不使用創造性。因而，本發明將不限于這里所示的實施例，而應依據符合這里所揭示的原理和新特征的最寬范圍。
權利要求
1.一種地下管道監控方法，其特征在于，包括 預埋步驟，將若干中繼器埋設在管道的上方近地表位置處，使該中繼器外殼一端與空氣接觸，以預留手機頻段無線信號通道給外殼內無線通信模塊和遠方終端進行無線通信；在埋設該中繼器時啟動其GPS模塊使其接收到GPS坐標以數字信號形式存儲在中繼器內存儲器內供以后調用； 實時監測步驟，由終端發送監測指令通過無線信號被該中繼器接收，該中繼器開始工作，并在完成此工作進程前不再接收終端信號，該中繼器發送電磁信號給各預設在管道內各處的傳感器，發送完畢后，其進入監聽模式；所述傳感器接收到電磁信號后進入工作狀態，即開始存儲電能量，當存儲能量高于閾值I時，射頻芯片中的控制模塊開始工作，即控制感應元件進入工作狀態；感應元件因環境改變而導致其本征諧振品質發生變化，同時得到的感應信號被控制模塊記錄；感應線圈存儲電能量再次低于閾值2時，射頻芯片將所記錄的感應信號通過感應線圈向中繼器發射；中繼器接收感應信號后通過模數轉換并編碼后連同從存儲器內讀出的GPS坐標信息通過其無線通信模塊向對應終端發送； 感知步驟，所述終端接收到信號后通過進行解碼，還原傳感器感應元件所感知的管道內部環境變化。
2.根據權利要求I所述的一種地下管道監控方法，其特征在于，所述中繼器為有源設備，通過普通電池，或其一段外殼暴露在地表進行太陽能充電。
3.根據權利要求I所述的一種地下管道監控方法中的原始感知信息，其特征在于，所述反饋信號包括頻率、振幅、相位等信息。
4.根據權利要求I所述的一種地下管道監控方法，其特征在于，所述中繼器只有在接收到終端指令后才進入工作狀態，其他時間處于低能耗的休眠狀態。
5.根據權利要求I所述的一種地下管道監控方法，其特點在于，能提供對管內環境改變的實時監測，其實時性和遠程遙控性極大地增強了監控的效率，以及凸顯在建網是的可控的實時動態性。
6.根據權利要求3所述的一種地下管道監控方法，其特點在于，所述反饋信號針對各種傳感器，在某個中繼器所轄不同種類傳感器情況下，通過實現設定不同傳感器不同本征頻率進行區別。
7.根據權利要求6所述的一種地下管道監控方法，其特點在于，所述對不同傳感器甄別工作原理，以及中繼器GPS位置和標準化的傳感器兩兩間距，再輔以幅度、相位等信息進而計算出各個傳感器的實際位置坐標。
8.根據權利要求6或7所述的一種地下管道監控方法，其特點在于， 所述傳感器內感應線圈及射頻芯片部分可進行塑封，用于安裝在管道內壁上或內嵌在管道壁內，而感應元件部分則要暴露在管道內空氣中以感知空氣流量、壓力、溫度等環境參量。
全文摘要
本發明公開地下管道監控方法，包括將若干中繼器埋設在管道的上方近地表位置處，使該中繼器外殼一端與空氣接觸，以預留手機頻段無線信號通道給外殼內無線通信模塊和遠方終端進行無線通信；由終端發送監測指令通過無線信號被該中繼器接收，該中繼器開始工作，并在完成此工作進程前不再接收終端信號，該中繼器發送電磁感應信號給各預設在管道內各處的傳感器，發送完畢后進入監聽模式，接收來自傳感器感應信號，并進行編碼；所述終端接收到信號后通過進行解碼，還原傳感器感應元件所感知的管道內部環境變化。本發明有效利用了中繼器對地下傳感器信息的接收、編碼和發送，以及終端處對信息的解碼還原，同時實現了遠程實時監測管內信息的目的。
文檔編號F17D5/00GK102748588SQ20111010182
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者宋雷, 郝彤 申請人:郝彤