一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，在信號發(fā)送線圈和信號接收線圈之間設(shè)置波導(dǎo)中繼線圈作為中繼節(jié)點；信號發(fā)送線圈、波導(dǎo)中繼線圈以及信號接收線圈埋設(shè)于地下，且纏繞于地下管道上形成磁性波導(dǎo)傳輸通道；用磁感應(yīng)無線通信代替了傳統(tǒng)的電磁波無線通信，在地下環(huán)境中用于管網(wǎng)安全監(jiān)測，提高了信息傳播可靠性；采用磁感應(yīng)波導(dǎo)中繼的方法降低了信息傳播路徑損耗，延長了通信距離，實現(xiàn)300m距離的穩(wěn)定通信；中繼設(shè)備由閉合諧振線圈構(gòu)成，不需要供電和信號處理，可以降低通信系統(tǒng)能耗；通信收發(fā)線圈共用一個磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸信道，可實現(xiàn)半雙工通信，便于信息的雙向傳輸。
【專利說明】
-種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于地下無線通信技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感 應(yīng)波導(dǎo)通信裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道運輸關(guān)系國民經(jīng)濟發(fā)展和公共安全，具有運量大、不受氣候和地面其他因素 限制、可連續(xù)作業(yè)W及成本低等優(yōu)點。近些年，隨著各種管道部署增多、管齡增長，由于環(huán)境 腐蝕、人為破壞等原因，管網(wǎng)設(shè)施老化、變形、破損等問題日益嚴重，威脅到國家公共安全及 人民財產(chǎn)安全。因此，地下管網(wǎng)的日常維護、安全監(jiān)測顯得非常重要。隨著工業(yè)信息化的不 斷發(fā)展，國家對管道安全監(jiān)測技術(shù)的要求也不斷提高，對適用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的無線 通信網(wǎng)絡(luò)提出了日益迫切的需求。
[0003] 近年來，為了滿足地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的要求，提出采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對地下管網(wǎng) 施行無人實時監(jiān)測。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有成本低、低功耗、無需現(xiàn)場維護等優(yōu)點。但是傳統(tǒng)的 無線傳感網(wǎng)絡(luò)多采用電磁波無線通信技術(shù)，在管網(wǎng)所處地下環(huán)境中，電磁波通信路徑損耗 高、信道不穩(wěn)定、通信距離短，無法建立有效的通信網(wǎng)絡(luò)。
[0004] 由于電磁波無線通信技術(shù)在地下環(huán)境中傳輸存在上述問題，人們開始研究磁感應(yīng) 無線通信技術(shù)。磁感應(yīng)(Magnetic Induction)通信通過磁場禪合傳輸信號，不同傳輸媒介 的磁導(dǎo)率基本一致，因此磁感應(yīng)通信在地下環(huán)境中信道穩(wěn)定，不存在多路徑損耗。通過波導(dǎo) 中繼的方法延長了磁感應(yīng)無線通信距離，使之適用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 針對地下管網(wǎng)安全監(jiān)測通信目前存在的問題，本實用新型提供一種用于地下管網(wǎng) 安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、信道穩(wěn)定、功耗低，能夠適應(yīng)地下復(fù)雜多變 的環(huán)境，實現(xiàn)地下管網(wǎng)安全狀態(tài)實時可靠的監(jiān)測。
[0006] 本實用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁 感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，在地下管網(wǎng)所處環(huán)境中通過收發(fā)線圈之間磁感應(yīng)禪合的方式實現(xiàn)信息 的傳遞，包括信號發(fā)射端和接收端;所述發(fā)射端包括按信號傳輸順序依次連接的差分相位 調(diào)制器、功率放大器W及信號發(fā)送線圈；所述接收端包括按信號傳輸順序依次連接的信號 接收線圈、接收濾波器、自動增益控制放大器及差分相位解調(diào)器;在信號發(fā)送線圈和信號接 收線圈之間設(shè)置波導(dǎo)中繼線圈作為中繼節(jié)點；所述信號發(fā)送線圈、波導(dǎo)中繼線圈W及信號 接收線圈埋設(shè)于地下，且纏繞于地下管道上形成磁性波導(dǎo)傳輸通道;該裝置還包括信息采 集傳感器，所述傳感器與信號收、發(fā)線圈連接，用于獲取地下管網(wǎng)的信息。
[0007] 所述信號發(fā)送線圈和信號接收線圈為結(jié)構(gòu)相同的通信線圈，每個通信線圈既能夠 發(fā)送數(shù)據(jù)又能夠接收數(shù)據(jù);所述通信線圈沿管道的長度至少設(shè)置一組，相鄰兩個通信線圈 之間設(shè)置均勻分布的中繼線圈構(gòu)成一個通信單元，共用一個磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸通道，實現(xiàn)半 雙工通信。
[0008] 位于磁性波導(dǎo)傳輸通道兩端的通信線圈分別與設(shè)置在管道內(nèi)的內(nèi)部傳感器連接， 構(gòu)成數(shù)據(jù)節(jié)點，用于獲取管道內(nèi)部信息;位于磁性波導(dǎo)傳輸通道中間的通信線圈與設(shè)置在 管道外的外部傳感器連接，構(gòu)成傳感器節(jié)點，用于獲取管道外部信息。
[0009] 通信線圈由導(dǎo)體線圈和諧振電容構(gòu)成，直接纏繞在管道外部，導(dǎo)體線圈半徑r根據(jù) 管道半徑r/調(diào)整，即線圈應(yīng)數(shù)為5-10應(yīng)，諧振電容值抽線圈實測電感值L和信號頻 率f共同決定，其計算公式呆
[0010] 波導(dǎo)中繼線圈由導(dǎo)體線圈和諧振電容構(gòu)成，中繼線圈是一個無源閉合的回路，均 勻的分布在收、發(fā)線圈之間，中繼線圈相鄰間隔可變。
[00川所述中繼線圈相鄰間隔5m，當(dāng)管道為金屬管時，中繼線圈間隔加大。
[0012] 該裝置通過收發(fā)線圈之間磁感應(yīng)禪合的方式完成信息的傳遞，數(shù)字信號經(jīng)過差分 相位調(diào)制W正弦波的形式加載到發(fā)送線圈上，設(shè)發(fā)送線圈信號為正弦電流I = I〇e^j"t，其 中，1〇是信號幅值，ω是信號角頻率，ω =2時，f是系統(tǒng)工作頻率，該正弦電流激發(fā)第一中繼 節(jié)點產(chǎn)生相同相位特征的正弦電流II，第一中繼節(jié)點再激發(fā)第二中繼線圈產(chǎn)生正弦電流12， 如此下去，運些中繼線圈在地下環(huán)境里形成磁感應(yīng)波導(dǎo)，引導(dǎo)磁信號不斷向下傳遞，直到接 收線圈激發(fā)產(chǎn)生正弦電流In,經(jīng)過差分相位解調(diào)還原出原始信號。
[0013] -種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信方法，將通信收、發(fā)線圈與傳感器 相連，傳感器負責(zé)采集與管道相關(guān)的信息，作為傳輸信號主要來源，為了降低能耗，采取主 從請求應(yīng)答的通信模式，數(shù)據(jù)節(jié)點為主通信節(jié)點，傳感器節(jié)點為從通信節(jié)點，包括W下步 驟：
[0014] 步驟一，數(shù)據(jù)節(jié)點通過磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸通道向傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令；
[0015] 步驟二，傳感器節(jié)點收到請求命令后由休眠模式開啟數(shù)據(jù)檢測模式，傳感器檢測 結(jié)果為數(shù)字信號，通過差分相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)傳輸通道可傳輸?shù)恼也ㄐ盘?，?jīng)過功 率放大器加載到信號發(fā)送線圈上，發(fā)送給數(shù)據(jù)節(jié)點；
[0016] 步驟Ξ，數(shù)據(jù)節(jié)點通過信號接收線圈收到信號后經(jīng)接收濾波器濾除干擾信號，經(jīng) 過自增益控制放大后差分相位解調(diào)還原出原始數(shù)字信號，數(shù)據(jù)節(jié)點將采集信號打包整理后 通過地表無線通信設(shè)備發(fā)送到管網(wǎng)運行監(jiān)測中屯、。
[0017] 有益效果:本實用新型用磁感應(yīng)無線通信代替了傳統(tǒng)的電磁波無線通信，在地下 環(huán)境中用于管網(wǎng)安全監(jiān)測，提高了信息傳播可靠性;采用磁感應(yīng)波導(dǎo)中繼的方法降低了信 息傳播路徑損耗，延長了通信距離，實現(xiàn)300m距離的穩(wěn)定通信;本實用新型設(shè)及的通信裝置 結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可W節(jié)約管道安全監(jiān)測的硬件成本；中繼設(shè)備由閉合諧振線圈構(gòu)成， 不需要供電和信號處理，可W降低通信系統(tǒng)能耗;通信收發(fā)線圈共用一個磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸 信道，可實現(xiàn)半雙工通信，便于信息的雙向傳輸。
【附圖說明】
[0018] 圖1為一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2a為發(fā)送線圈和接收線圈的信號傳輸原理示意圖；
[0020] 圖化為加入波導(dǎo)中繼線圈的通信線圈傳輸原理示意圖；
[0021] 圖3為一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信方法示意圖。
[0022] 1.差分相位調(diào)制器，2.功率放大器，3.信號發(fā)送線圈，4.信號接收線圈，5.接收濾 波器、6.自動增益控制放大器，7.差分相位解調(diào)器，8.中繼線圈，9.管道，10.內(nèi)部傳感器， 11.外部傳感器，12.數(shù)據(jù)節(jié)點，13.傳感器節(jié)點，14.無線通信設(shè)備。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方法作進一步的說明：
[0024] 如圖1所示，用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，包括發(fā)射端：差分相 位調(diào)制器1、功率放大器2W及信號發(fā)送線圈3;接收端:信號接收線圈4、接收濾波器5、自動 增益控制放大器6及差分相位解調(diào)器7。在收、發(fā)線圈之間引入了波導(dǎo)中繼線圈8作為中繼節(jié) 點。所述信號發(fā)送線圈3、波導(dǎo)中繼線圈8W及信號接收線圈4埋設(shè)于地下，且纏繞于地下管 道9上形成磁性波導(dǎo)傳輸通道。
[0025] 如圖2a所示，所述信號發(fā)送線圈3和信號接收線圈4為結(jié)構(gòu)相同的通信線圈，每個 通信線圈既能夠發(fā)送數(shù)據(jù)又能夠接收數(shù)據(jù);所述通信線圈沿管道的長度至少設(shè)置一組，相 鄰兩個通信線圈之間設(shè)置均勻分布的中繼線圈8構(gòu)成一個通信單元，共用一個磁感應(yīng)波導(dǎo) 傳輸通道，實現(xiàn)半雙工通信。
[0026] 通信線圈由導(dǎo)體線圈和諧振電容構(gòu)成，直接纏繞在管道外部，導(dǎo)體線圈半徑r根據(jù) 管道半徑r/調(diào)整，即線圈應(yīng)數(shù)為5-10應(yīng)，諧振電容值抽線圈實測電感值L和信號頻 率f共同決定，其計算公式為
[0027] 如圖2b所示，波導(dǎo)中繼線圈8由導(dǎo)體線圈和諧振電容構(gòu)成，中繼線圈8是一個無源 閉合的回路，均勻的分布在收、發(fā)線圈之間，中繼線圈8相鄰間隔可變。通過增加收、發(fā)線圈 之間的中繼線圈8可W改善通信性能，延長通信距離，但是考慮成本及布置難度，不可能無 限的增加中繼數(shù)量，一般中繼距離取5m，通信距離可W達到300m。由于金屬管道本身具有磁 信號傳導(dǎo)作用，當(dāng)管道9為金屬管時，中繼線圈8間隔加大。
[0028] 如圖3所示，位于磁性波導(dǎo)傳輸通道兩端的通信線圈分別與設(shè)置在管道9內(nèi)的內(nèi)部 傳感器10連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)節(jié)點12,用于獲取管道內(nèi)部信息;位于磁性波導(dǎo)傳輸通道中間的通 信線圈與設(shè)置在管道外的外部傳感器11連接，構(gòu)成傳感器節(jié)點13,用于獲取管道9外部信 息。
[0029] 信號源主要來自信息采集傳感器，傳感器負責(zé)檢測管道內(nèi)、外信息，檢測結(jié)果為數(shù) 字信號，通過差分相位2DPSK調(diào)制的方式加載到載波上，載波選用lOMHz的正弦波信號。本實 用新型所設(shè)及的2DPSK信號調(diào)制、解調(diào)由可編程口陣列FPGA核屯、板及其周圍電路實現(xiàn)。FPGA 器件具有功耗低、速度快，可W解決W往定制電路和可編程器件口電路的缺點。利用FPGA實 現(xiàn)軟件無線電功能，采用二進制差分相位2DPSK調(diào)制的方式對數(shù)字信號調(diào)制，把信號調(diào)制到 lOMHz的頻率范圍。為了提高發(fā)射信號的強度，調(diào)制后的信號經(jīng)過功率放大器2放大后輸入 到信號發(fā)送線圈3。功率放大器2選用甲類功放器件，該放大器一直工作在線性區(qū)域，輸出信 號質(zhì)量好，不會失真。
[0030] 信號在傳輸過程中受到周圍環(huán)境的影響會引入噪聲信號，接收時要通過接收濾波 器5進行濾波處理。并且，接收端在信號解調(diào)之前需要通過自動增益控制放大器6對信號進 行放大處理，然后進行差分相位解調(diào)還原出原始數(shù)字信號。接收濾波器5采用10MHZ的LC并 聯(lián)諧振選頻回路，濾除lOM監(jiān)W外的干擾信號。自動增益控制放大器6采用兩級AD603構(gòu)成的 自動增益控制(AGC)電路，AD603是美國AD公司推出的寬頻帶、低噪聲、低崎變、高增益精度 的壓控VGA忍片，輸出信號幅度可控。
[0031]如圖2a、2b所示，該裝置通過收發(fā)線圈之間磁感應(yīng)禪合的方式完成信息的傳遞，數(shù) 字信號經(jīng)過差分相位調(diào)制W正弦波的形式加載到信號發(fā)送線圈3上，設(shè)發(fā)送線圈信號為正 弦電流I = Ioe-^t，其中，1〇是信號幅值，"是信號角頻率，W二2時，f是系統(tǒng)工作頻率，該正 弦電流激發(fā)第一中繼節(jié)點產(chǎn)生相同相位特征的正弦電流II，第一中繼節(jié)點再激發(fā)第二中繼 線圈產(chǎn)生正弦電流12,如此下去，運些中繼線圈8在地下環(huán)境里形成磁感應(yīng)波導(dǎo)，引導(dǎo)磁信 號不斷向下傳遞，直到信號接收線圈4激發(fā)產(chǎn)生正弦電流In,經(jīng)過差分相位解調(diào)還原出原始 信號。
[00創(chuàng)實施例
[0033] 下面結(jié)合實施例W及圖3對本實用新型作進一說明。利用本實用新型的一種用于 地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通方法，對地下管道進行監(jiān)測，主要包括W下步驟：
[0034] 步驟一，磁性波導(dǎo)傳輸通道兩端的數(shù)據(jù)節(jié)點12與內(nèi)部傳感器10相連，利用內(nèi)部傳 感器10測量管道9內(nèi)部流體的壓力、流速等參數(shù)，通過測量結(jié)果找出管道9發(fā)生泄漏等安全 問題的可疑區(qū)域;如果沒有發(fā)現(xiàn)可疑區(qū)域則重復(fù)步驟一，否則通過磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸通道向 傳感器節(jié)點13發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令；
[0035] 步驟二，傳感器節(jié)點13收到請求命令前處于休眠模式，收到請求命令后立即開啟 數(shù)據(jù)檢測模式，利用外部傳感器11檢測管道9周圍的溫度、濕度等環(huán)境信息，傳感器檢測結(jié) 果為數(shù)字信號，通過差分相位調(diào)制2DPSK轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸通道可傳輸?shù)恼也ㄐ盘枺?經(jīng)過功率放大器加載到發(fā)送線圈上，發(fā)送給磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸通道兩端的數(shù)據(jù)節(jié)點12;
[0036] 步驟Ξ，數(shù)據(jù)節(jié)點12通過信號接收線圈4收到信號后經(jīng)接收濾波器5濾除干擾信 號，經(jīng)過自增益控制放大后差分相位2DPSK解調(diào)還原出原始數(shù)字信號，數(shù)據(jù)節(jié)點12將采集信 號打包整理后通過地表無線通信設(shè)備14發(fā)送到管網(wǎng)運行監(jiān)測中屯、，管網(wǎng)運行監(jiān)測中屯、根據(jù) 檢測結(jié)果判斷管網(wǎng)是否出現(xiàn)安全問題并生成檢測報告，W便維修人員做出及時處理。
【主權(quán)項】
1. 一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其特征在于，在地下管網(wǎng)所處 環(huán)境中通過收發(fā)線圈之間磁感應(yīng)耦合的方式實現(xiàn)信息的傳遞，包括信號發(fā)射端和接收端； 所述發(fā)射端包括按信號傳輸順序依次連接的差分相位調(diào)制器、功率放大器以及信號發(fā)送線 圈;所述接收端包括按信號傳輸順序依次連接的信號接收線圈、接收濾波器、自動增益控制 放大器及差分相位解調(diào)器;在信號發(fā)送線圈和信號接收線圈之間設(shè)置波導(dǎo)中繼線圈作為中 繼節(jié)點;所述信號發(fā)送線圈、波導(dǎo)中繼線圈以及信號接收線圈埋設(shè)于地下，且纏繞于地下管 道上形成磁性波導(dǎo)傳輸通道;該裝置還包括信息采集傳感器，所述傳感器與信號收、發(fā)線圈 連接，用于獲取地下管網(wǎng)的信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其特征 在于，所述信號發(fā)送線圈和信號接收線圈為結(jié)構(gòu)相同的通信線圈，每個通信線圈既能夠發(fā) 送數(shù)據(jù)又能夠接收數(shù)據(jù);所述通信線圈沿管道的長度至少設(shè)置一組，相鄰兩個通信線圈之 間設(shè)置均勻分布的中繼線圈構(gòu)成一個通信單元，共用一個磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸通道，實現(xiàn)半雙 工通信。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其特征 在于，位于磁性波導(dǎo)傳輸通道兩端的通信線圈分別與設(shè)置在管道內(nèi)的內(nèi)部傳感器連接，構(gòu) 成數(shù)據(jù)節(jié)點，用于獲取管道內(nèi)部信息;位于磁性波導(dǎo)傳輸通道中間的通信線圈與設(shè)置在管 道外的外部傳感器連接，構(gòu)成傳感器節(jié)點，用于獲取管道外部信息。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其特征 在于，通信線圈由導(dǎo)體線圈和諧振電容構(gòu)成，直接纏繞在管道外部，導(dǎo)體線圈半徑r根據(jù)管 道半徑V調(diào)整，即，線圈匝數(shù)為5-10匝，諧振電容值C由線圈實測電感值L和信號頻率f 共同決定，其計算公式為5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其特 征在于，波導(dǎo)中繼線圈由導(dǎo)體線圈和諧振電容構(gòu)成，中繼線圈是一個無源閉合的回路，均勻 的分布在收、發(fā)線圈之間，中繼線圈相鄰間隔可變。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其特征 在于，所述中繼線圈相鄰間隔5m，當(dāng)管道為金屬管時，中繼線圈間隔加大。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于地下管網(wǎng)安全監(jiān)測的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信裝置，其特征 在于，該裝置通過收發(fā)線圈之間磁感應(yīng)耦合的方式完成信息的傳遞，數(shù)字信號經(jīng)過差分相 位調(diào)制以正弦波的形式加載到發(fā)送線圈上，設(shè)發(fā)送線圈信號為正弦電流Ι = ΙοΡω?，其中，Ιο 是信號幅值，ω是信號角頻率，ω =23if，f是系統(tǒng)工作頻率，該正弦電流激發(fā)第一中繼節(jié)點 產(chǎn)生相同相位特征的正弦電流I:，第一中繼節(jié)點再激發(fā)第二中繼線圈產(chǎn)生正弦電流1 2,如此 下去，這些中繼線圈在地下環(huán)境里形成磁感應(yīng)波導(dǎo)，引導(dǎo)磁信號不斷向下傳遞，直到接收線 圈激發(fā)產(chǎn)生正弦電流In，經(jīng)過差分相位解調(diào)還原出原始信號。
【文檔編號】G08C17/04GK205670380SQ201620586230
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】孫彥景, 徐勝, 李松, 譚澤富, 施文娟, 王曉琳, 周公博, 徐永剛
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)