TWI418159B - 水中無線感測器 - Google Patents

Description

水中無線感測器

本發明提供一水中無線感測器，特別地，在水中部署至少一以上無線感測器，利用無線感測器所組成的通訊網路將感測資訊互相交遞傳送。

由於經濟的發展和工業現代化造成人口急遽的增加，陸地上的資源已不敷使用，各先進國家積極尋找和開發新的資源。海洋不外乎是最好的選擇，它占了地球上最大的表面積(達70%)，最深深度可達一萬一千米，擁有地球上近90%的資源。除了有豐富且多樣的生物資源，更蘊藏了大量的礦產和石油。近年來，由於微型感測器的進步和通訊技術的發達，使資源的開發和探勘不再受距離和空間的限制。

現有的水中無線感測器大致分為兩種，一種是浮標在海面，利用纜線的連接將感測器下放至所需的深度；另一種則是在感測器底端加裝錨，由固定在海床上的錨放線拉住上浮的感測器。第一種方式雖然有辦法控制深度但卻受限於線材的長度與強度，並且也會阻擋海面船隻的航行；第二種雖然不會阻擋海面的交通但卻因海底地形複雜無法操控深度，並且在電力耗盡後便永遠沉在海底，無法回收造成汙染。

因此，如能提供一種水中無線感測器應是迫切需要的。

本發明之一目的在於提出：一水中無線感測器，本發明改進現有的水中無線感測器，係包含一充電裝置、一沉浮裝置、一通訊裝置、一感測裝置以及控制前述4種裝置作動之一控制器。首先，依預設多個下沉條件之一沉浮機制使之能夠藉由網路的終端來控制感測器的深度，以便應付各種探勘、感測等應用之需求。另外，也增加電力回復機制，藉由整個感測器網路程式來協調或由遠端電腦操控。當感測器電力不足或任務空檔時期，輪流浮上水面進行太陽能充電。此種電力回復機制配合程式化控制沉浮機制，便可大幅度延長整個無線感測器網路裝置的壽命，可減少在遼闊的海域尋找回收感測器與定期更換蓄電池的麻煩。藉由沉浮控制機制和電力回復機制，將可使水中無線感測器網路的應用、資源的探勘更加方便、實用。

本發明所研發之水中無線感測器不需要定期更換電池，可隨時透過網路控制感測器或變更任務。未來，不管應用在海洋汙染監測、軍事監控、資源探勘都將是一套更加方便、實用的水底無線感測系統。

依上述的研究方法與設計，將可大幅的改善現有的水中無線感測器網路的運作方式，讓研究人員或使用者自行安排巧妙地結合探測任務與充電排程，以滿足水底探測任務的需求。

故本發明將提出一種設計方法改良其缺點，提供一種水中無線感測器1，如圖一為本發明之水中無線感測器架構示意圖，其中該水中無線感測器1，係包含一沉浮裝置11、一感測裝置12、一通訊裝置13及一充電裝置14以及控制前述4種裝置之關連作動之一微控制器15(如單晶片IC或具運算功能之電子電路為例)。其中，如圖二所示，該圖為該沉浮裝置11內調節水量之構件示意圖。包括一轉換器111、一壓力計112、一儲水槽113、一幫浦114及一電磁閥115之該沉浮裝置11係被配置於該水中無線感測器1內任一側，因應一預定狀況而使該水中無線感測器1下沉一預定水深。較詳細的說明為：一預定水深為200公尺的一外部訊息已預先傳送至該微控制器15內，當該沉浮裝置11內的該壓力計112感測一目前水平深度為0公尺為一不期望水深深度，該壓力計112產生一類比信號並傳送至該轉換器111轉換成一數位信號，藉以告知該微控制器15判讀一目前水深的深度是否為一期望水深深度(200公尺)。若不，該微控制器15根據當前的水深與該預定水深漸近地控制該幫浦114及該電磁閥115之運作，此時，該幫浦114及該電磁閥115依據預定水深為200公尺的排水量而改變該儲水槽113之水量(進入或排出)，直至該水中無線感測器1下沉至預定水深為200公尺。而用於感測水底多個環境參數之該感測裝置12收集至相關於水深為200公尺如水溫、水壓、水中含氧量此類型的物理參數、如污染物質的含量此類型的特定物質等環境參數。該感測裝置12會傳送包含該等環境參數之一資料訊號至該微控制器15內，該微控制器15接收該資料訊號並傳送包含該資料訊號之一命令訊號至該通訊裝置13內的一通訊晶片131進行信號調節及放大以驅動該通訊裝置13內的一超音波收發器132。該超音波收發器132將所接收的已放大信號進行機械震盪以發出一超音波信號，並透過包含複數個無線感測器節點之一無線感測器網路回傳至設置在陸地、海洋或一飛行器之一主控端B(亦可稱之為基地台B)如第3圖所示(該圖為包含複數個無線感測器節點之一無線感測器網路至於海洋進行水底感測任務之示意圖)。其中該水中無線感測器1係作為一無線感測器節點。

此外，如第3圖。對於目前已下沉200公尺之該水中無線感測器1欲達到另一預定水深(150公尺)為實施策略為：該主控端B透過與自身距離最近的水中無線感測器2發出相關於另一預定水深(150公尺)之一外部訊息。此時，該水中無線感測器2內的通訊晶片131將所收到的該外部訊息傳送至該水中無線感測器1內的該通訊裝置13之該超音波收發器132，該超音波收發器132產生一類比震盪信號並被傳送至該通訊晶片131進行調節及分析以取得一分析結果，並將該分析結果傳送至該微控制器15。該微控制器15將另一預定水深(150公尺)與當前水深(200公尺)進行比較，若當前水深(200公尺)為一不期望水深深度，該壓力計112產生另一類比信號並傳送至該轉換器111轉換成另一數位信號，藉以告知該微控制器15判讀是否為一期望水深深度(150公尺)。若不，該微控制器15根據當前的水深與該預定水深漸近地控制該幫浦114及該電磁閥115。此時，該幫浦114及該電磁閥115改變該儲水槽113之水量(進入或排出)，直至該水中無線感測器1下沉至預定水深為150公尺。而用於感測水底多個環境參數之該感測裝置12收集至相關於水深為150公尺如水溫、水壓、水的含氧量、污染物質的含量等環境參數。

該感測裝置12傳送包含該等環境參數之另一資料訊號至該微控制器15，該微控制器15接收該資料訊號並傳送包含該資料訊號之另一命令訊號至該通訊裝置13內的該通訊晶片131。該通訊晶片131進行信號調節及放大以驅動該通訊裝置13內的該超音波收發器132，該超音波收發器132將所接收的已放大信號進行機械震盪以發出另一超音波信號，並透過包含複數無線感測器節點之該無線感測器網路回傳至該主控端B。

而對於供應該水中無線感測器所需的電力之該充電裝置14較佳的選擇為太陽能電力回復裝置，亦或是鹽差、溫差...等電力回復裝置。其使用方法為，當作為無線感測器節點的該水中無線感測器1呈需充電狀態時，該微控制器15發出一命令訊號至該沉浮裝置11以將該沉浮裝置11內的該儲水槽113排出一適當水量，以讓該水中無線感測器1浮出水面或至可透光區，使得該太陽能電力回復裝置14吸收陽光進行充電。此時，鄰近該水中無線感測器2或3一或多個水中無線感測器沈/浮至該水中無線感測器1之原水底深度之工作半徑範圍內，用以支援該水中無線感測器1後續的感測任務。

而對於一種結合之通訊及沈浮功能之通訊沉浮裝置，該裝置可接收一外部訊息以令該水中無線感測器下沉一預定水深，並用於感測一水體(如海水或淡水水體)之至少一環境參數並據以轉換成一環境訊息之一感測裝置，能傳送至該通訊沉浮裝置。其中該通訊沉浮裝置經由一無線感測器網路將該環境訊息傳送至一主控端為本發明之另一實施態樣。

再者，一種結合之感測及通訊功能之通訊沉浮裝置，用以感測一水體之至少一環境參數並據以轉換成一環境訊息。該通訊浮沉裝置接收該環境訊息，以無線傳送至一使用者以及一沉浮裝置，因應該環境訊息，以決定該沉浮裝置在該水體之一預定水深為本發明之又一實施態樣。

以上所述實施例僅係為了方便說明而舉例，並非限制本發明。因此熟悉本技藝之人士在不違背本發明之精神，對於上述實施例進行修改、變化，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1．．．水中無線感測器

11．．．沉浮裝置

111．．．轉換器

112．．．壓力計

113．．．儲水槽

114．．．幫浦

115．．．電磁閥

12．．．感測裝置

13．．．通訊裝置

131．．．通訊晶片

132．．．超音波收發器

14．．．充電裝置

15．．．微控制器

B．．．主控端

第1圖，該圖為本發明之水中無線感測器架構示意圖。

第2圖，該圖為該沉浮裝置內調節水量之構件示意圖。

第3圖，該圖為包含複數個無線感測器節點之一無線感測器網路至於海洋進行水底感測任務之示意圖。

1．．．水中無線感測器

11．．．沉浮裝置

12．．．感測裝置

13．．．通訊裝置

131．．．通訊晶片

132．．．超音波收發器

14．．．充電裝置

15．．．微控制器

Claims (6)

1. 一種無線感測器網路，包括：一主控端；以及複數無線感測器節點，其中每一無線感測器節點為一水中無線感測器，該水中無線感測器包含：一沉浮裝置，因應一預定狀況而使該水中無線感測器下沉至一第一預定水深；一感測裝置，轉換水中多個環境參數為多個環境訊息；一微控制器，連接於該沉浮裝置及該感測裝置，用以接收該等環境訊息，並傳送包含該等環境訊息之一命令訊號至該通訊裝置；一通訊裝置，連接於該微控制器，用以接收該命令訊號，經由該無線感測器網路傳送該命令訊號至該主控端，接收來自該主控端之包含一第二預定水深之一外部訊息，並傳遞該外部訊息至該微控制器，藉此該微控制器進行相應的運算處理而發出一控制訊號至該沉浮裝置，使該水中無線感測器下沉或上浮至該第二預定水深；以及一太陽能電力回復裝置，供應電力給該水中無線感測器，其中：當該等水中無線感測器中之一第一水中無線感測器呈需充電狀態時，該第一水中無線感測器浮出水面或至可透光區，使該第一水中無線感測器中之該太陽能電力回復裝置吸收陽光進行充電，此時該等水中無線感測器中之一第二水中無線感測器移動至該第一水中無線感測器之原水深之工作半徑範圍內，以支援該第一水中無線感測器之後續感測任務。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路，其中該預定狀況依據該無線感測器網路之任務需求而決定。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路，其中該沉浮裝置至少包括一壓力計、一儲水槽及一幫浦。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路，其中該等環境參數為物理參數、特定物質或特定物體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路，其中該通訊裝置至少包含一超音波收發器及一通訊晶片。
6. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路，其中該微控制器為單晶片IC或具運算功能之電子電路。