一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置与方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置和方法，在信号发送线圈和信号接收线圈之间设置波导中继线圈作为中继节点；信号发送线圈、波导中继线圈以及信号接收线圈埋设于地下，且缠绕于地下管道上形成磁性波导传输通道；用磁感应无线通信代替了传统的电磁波无线通信，在地下环境中用于管网安全监测，提高了信息传播可靠性；采用磁感应波导中继的方法降低了信息传播路径损耗，延长了通信距离，实现300m距离的稳定通信；中继设备由闭合谐振线圈构成，不需要供电和信号处理，可以降低通信系统能耗；通信收发线圈共用一个磁感应波导传输信道，可实现半双工通信，便于信息的双向传输。
【专利说明】
一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置与方法
技术领域
[0001] 本发明属于地下无线通信技术领域，涉及一种用于地下管网安全监测的磁感应波 导通信装置与方法
【背景技术】
[0002] 管道运输关系国民经济发展和公共安全，具有运量大、不受气候和地面其他因素 限制、可连续作业以及成本低等优点。近些年，随着各种管道部署增多、管龄增长，由于环境 腐蚀、人为破坏等原因，管网设施老化、变形、破损等问题日益严重，威胁到国家公共安全及 人民财产安全。因此，地下管网的日常维护、安全监测显得非常重要。随着工业信息化的不 断发展，国家对管道安全监测技术的要求也不断提高，对适用于地下管网安全监测的无线 通信网络提出了日益迫切的需求。
[0003] 近年来，为了满足地下管网安全监测的要求，提出采用无线传感网络对地下管网 施行无人实时监测。无线传感网络具有成本低、低功耗、无需现场维护等优点。但是传统的 无线传感网络多采用电磁波无线通信技术，在管网所处地下环境中，电磁波通信路径损耗 高、信道不稳定、通信距离短，无法建立有效的通信网络。
[0004] 由于电磁波无线通信技术在地下环境中传输存在上述问题，人们开始研究磁感应 无线通信技术。磁感应(Magnetic Induction)通信通过磁场親合传输信号，不同传输媒介 的磁导率基本一致，因此磁感应通信在地下环境中信道稳定，不存在多路径损耗。通过波导 中继的方法延长了磁感应无线通信距离，使之适用于地下管网安全监测。
【发明内容】
[0005] 针对地下管网安全监测通信目前存在的问题，本发明提供一种用于地下管网安全 监测的磁感应波导通信装置与方法，其结构简单、信道稳定、功耗低，能够适应地下复杂多 变的环境，实现地下管网安全状态实时可靠的监测。
[0006] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是:一种用于地下管网安全监测的磁感应 波导通信装置，在地下管网所处环境中通过收发线圈之间磁感应耦合的方式实现信息的传 递，包括信号发射端和接收端;所述发射端包括按信号传输顺序依次连接的差分相位调制 器、功率放大器以及信号发送线圈；所述接收端包括按信号传输顺序依次连接的信号接收 线圈、接收滤波器、自动增益控制放大器及差分相位解调器;在信号发送线圈和信号接收线 圈之间设置波导中继线圈作为中继节点；所述信号发送线圈、波导中继线圈以及信号接收 线圈埋设于地下，且缠绕于地下管道上形成磁性波导传输通道;该装置还包括信息采集传 感器，所述传感器与信号收、发线圈连接，用于获取地下管网的信息。
[0007] 所述信号发送线圈和信号接收线圈为结构相同的通信线圈，每个通信线圈既能够 发送数据又能够接收数据;所述通信线圈沿管道的长度至少设置一组，相邻两个通信线圈 之间设置均匀分布的中继线圈构成一个通信单元，共用一个磁感应波导传输通道，实现半 双工通信。
[0008] 位于磁性波导传输通道两端的通信线圈分别与设置在管道内的内部传感器连接， 构成数据节点，用于获取管道内部信息;位于磁性波导传输通道中间的通信线圈与设置在 管道外的外部传感器连接，构成传感器节点，用于获取管道外部信息。
[0009] 通信线圈由导体线圈和谐振电容构成，直接缠绕在管道外部，导体线圈半径r根据 管道半径V调整，即，线圈匝数为5-10匝，谐振电容值C由线圈实测电感值L和信号频 率f共同决定，其计算公式为
[0010] 波导中继线圈由导体线圈和谐振电容构成，中继线圈是一个无源闭合的回路，均 匀的分布在收、发线圈之间，中继线圈相邻间隔可变。
[0011] 所述中继线圈相邻间隔5m，当管道为金属管时，中继线圈间隔加大。
[0012] 该装置通过收发线圈之间磁感应耦合的方式完成信息的传递，数字信号经过差分 相位调制以正弦波的形式加载到发送线圈上，设发送线圈信号为正弦电流I = I〇e1wt，其 中，1〇是信号幅值，《是信号角频率，co=2Jif，f是系统工作频率，该正弦电流激发第一中继 节点产生相同相位特征的正弦电流h，第一中继节点再激发第二中继线圈产生正弦电流1 2， 如此下去，这些中继线圈在地下环境里形成磁感应波导，引导磁信号不断向下传递，直到接 收线圈激发产生正弦电流I n，经过差分相位解调还原出原始信号。
[0013] -种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信方法，将通信收、发线圈与传感器 相连，传感器负责采集与管道相关的信息，作为传输信号主要来源，为了降低能耗，采取主 从请求应答的通信模式，数据节点为主通信节点，传感器节点为从通信节点，包括以下步 骤：
[0014] 步骤一，数据节点通过磁感应波导传输通道向传感器节点发送数据请求命令；
[0015] 步骤二，传感器节点收到请求命令后由休眠模式开启数据检测模式，传感器检测 结果为数字信号，通过差分相位调制转换为磁感应传输通道可传输的正弦波信号，经过功 率放大器加载到信号发送线圈上，发送给数据节点；
[0016] 步骤三，数据节点通过信号接收线圈收到信号后经接收滤波器滤除干扰信号，经 过自增益控制放大后差分相位解调还原出原始数字信号，数据节点将采集信号打包整理后 通过地表无线通信设备发送到管网运行监测中心。
[0017] 有益效果:本发明用磁感应无线通信代替了传统的电磁波无线通信，在地下环境 中用于管网安全监测，提高了信息传播可靠性;采用磁感应波导中继的方法降低了信息传 播路径损耗，延长了通信距离，实现300m距离的稳定通信;本发明涉及的通信装置结构简 单，安装方便，可以节约管道安全监测的硬件成本；中继设备由闭合谐振线圈构成，不需要 供电和信号处理，可以降低通信系统能耗;通信收发线圈共用一个磁感应波导传输信道，可 实现半双工通信，便于信息的双向传输。
【附图说明】
[0018] 图1为一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置总体结构示意图；
[0019] 图2a为发送线圈和接收线圈的信号传输原理示意图；
[0020]图2b为加入波导中继线圈的通信线圈传输原理示意图；
[0021]图3为一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信方法示意图。
[0022] 1.差分相位调制器，2.功率放大器，3.信号发送线圈，4.信号接收线圈，5.接收滤 波器、6 .自动增益控制放大器，7 .差分相位解调器，8.中继线圈，9 .管道，10 .内部传感器， 11.外部传感器，12.数据节点，13.传感器节点，14.无线通信设备。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步的说明：
[0024] 如图1所示，用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，包括发射端：差分相 位调制器1、功率放大器2以及信号发送线圈3;接收端:信号接收线圈4、接收滤波器5、自动 增益控制放大器6及差分相位解调器7。在收、发线圈之间引入了波导中继线圈8作为中继节 点。所述信号发送线圈3、波导中继线圈8以及信号接收线圈4埋设于地下，且缠绕于地下管 道9上形成磁性波导传输通道。
[0025] 如图2a所示，所述信号发送线圈3和信号接收线圈4为结构相同的通信线圈，每个 通信线圈既能够发送数据又能够接收数据;所述通信线圈沿管道的长度至少设置一组，相 邻两个通信线圈之间设置均匀分布的中继线圈8构成一个通信单元，共用一个磁感应波导 传输通道，实现半双工通信。
[0026] 通信线圈由导体线圈和谐振电容构成，直接缠绕在管道外部，导体线圈半径r根据 管道半径V调整，即，线圈匝数为5-10匝，谐振电容值C由线圈实测电感值L和信号频 率f共同决定，其计算公式为
[0027] 如图2b所示，波导中继线圈8由导体线圈和谐振电容构成，中继线圈8是一个无源 闭合的回路，均匀的分布在收、发线圈之间，中继线圈8相邻间隔可变。通过增加收、发线圈 之间的中继线圈8可以改善通信性能，延长通信距离，但是考虑成本及布置难度，不可能无 限的增加中继数量，一般中继距离取5m，通信距离可以达到300m。由于金属管道本身具有磁 信号传导作用，当管道9为金属管时，中继线圈8间隔加大。
[0028] 如图3所示，位于磁性波导传输通道两端的通信线圈分别与设置在管道9内的内部 传感器10连接，构成数据节点12,用于获取管道内部信息;位于磁性波导传输通道中间的通 信线圈与设置在管道外的外部传感器11连接，构成传感器节点13,用于获取管道9外部信 息。
[0029] 信号源主要来自信息采集传感器，传感器负责检测管道内、外信息，检测结果为数 字信号，通过差分相位2DPSK调制的方式加载到载波上，载波选用10MHz的正弦波信号。本发 明所涉及的2DPSK信号调制、解调由可编程门阵列FPGA核心板及其周围电路实现。FPGA器件 具有功耗低、速度快，可以解决以往定制电路和可编程器件门电路的缺点。利用FPGA实现软 件无线电功能，采用二进制差分相位2DPSK调制的方式对数字信号调制，把信号调制到 10MHz的频率范围。为了提高发射信号的强度，调制后的信号经过功率放大器2放大后输入 到信号发送线圈3。功率放大器2选用甲类功放器件，该放大器一直工作在线性区域，输出信 号质量好，不会失真。
[0030] 信号在传输过程中受到周围环境的影响会引入噪声信号，接收时要通过接收滤波 器5进行滤波处理。并且，接收端在信号解调之前需要通过自动增益控制放大器6对信号进 行放大处理，然后进行差分相位解调还原出原始数字信号。接收滤波器5采用10MHZ的LC并 联谐振选频回路，滤除10MHZ以外的干扰信号。自动增益控制放大器6采用两级AD603构成的 自动增益控制(AGC)电路，AD603是美国AD公司推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度 的压控VGA芯片，输出信号幅度可控。
[0031]如图2a、2b所示，该装置通过收发线圈之间磁感应耦合的方式完成信息的传递，数 字信号经过差分相位调制以正弦波的形式加载到信号发送线圈3上，设发送线圈信号为正 弦电流1 = 其中，1〇是信号幅值，《是信号角频率，《=23if，f是系统工作频率，该正 弦电流激发第一中继节点产生相同相位特征的正弦电流h，第一中继节点再激发第二中继 线圈产生正弦电流12,如此下去，这些中继线圈8在地下环境里形成磁感应波导，引导磁信 号不断向下传递，直到信号接收线圈4激发产生正弦电流I n，经过差分相位解调还原出原始 信号。
[0032] 实施例
[0033] 下面结合实施例以及图3对本发明作进一说明。利用本发明的一种用于地下管网 安全监测的磁感应波导通方法，对地下管道进行监测，主要包括以下步骤：
[0034] 步骤一，磁性波导传输通道两端的数据节点12与内部传感器10相连，利用内部传 感器10测量管道9内部流体的压力、流速等参数，通过测量结果找出管道9发生泄漏等安全 问题的可疑区域;如果没有发现可疑区域则重复步骤一，否则通过磁感应波导传输通道向 传感器节点13发送数据请求命令；
[0035]步骤二，传感器节点13收到请求命令前处于休眠模式，收到请求命令后立即开启 数据检测模式，利用外部传感器11检测管道9周围的温度、湿度等环境信息，传感器检测结 果为数字信号，通过差分相位调制2DPSK转换为磁感应波导传输通道可传输的正弦波信号， 经过功率放大器加载到发送线圈上，发送给磁感应波导传输通道两端的数据节点12;
[0036]步骤三，数据节点12通过信号接收线圈4收到信号后经接收滤波器5滤除干扰信 号，经过自增益控制放大后差分相位2DPSK解调还原出原始数字信号，数据节点12将采集信 号打包整理后通过地表无线通信设备14发送到管网运行监测中心，管网运行监测中心根据 检测结果判断管网是否出现安全问题并生成检测报告，以便维修人员做出及时处理。
【主权项】
1. 一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征在于，在地下管网所处 环境中通过收发线圈之间磁感应耦合的方式实现信息的传递，包括信号发射端和接收端； 所述发射端包括按信号传输顺序依次连接的差分相位调制器、功率放大器以及信号发送线 圈;所述接收端包括按信号传输顺序依次连接的信号接收线圈、接收滤波器、自动增益控制 放大器及差分相位解调器;在信号发送线圈和信号接收线圈之间设置波导中继线圈作为中 继节点;所述信号发送线圈、波导中继线圈以及信号接收线圈埋设于地下，且缠绕于地下管 道上形成磁性波导传输通道;该装置还包括信息采集传感器，所述传感器与信号收、发线圈 连接，用于获取地下管网的信息。2. 根据权利要求1所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征 在于，所述信号发送线圈和信号接收线圈为结构相同的通信线圈，每个通信线圈既能够发 送数据又能够接收数据;所述通信线圈沿管道的长度至少设置一组，相邻两个通信线圈之 间设置均匀分布的中继线圈构成一个通信单元，共用一个磁感应波导传输通道，实现半双 工通信。3. 根据权利要求2所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征 在于，位于磁性波导传输通道两端的通信线圈分别与设置在管道内的内部传感器连接，构 成数据节点，用于获取管道内部信息;位于磁性波导传输通道中间的通信线圈与设置在管 道外的外部传感器连接，构成传感器节点，用于获取管道外部信息。4. 根据权利要求2所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征 在于，通信线圈由导体线圈和谐振电容构成，直接缠绕在管道外部，导体线圈半径r根据管 道半径V调整，即，线圈匝数为5-10匝，谐振电容值C由线圈实测电感值L和信号频率f 共同决定，5. 根据权利要求1或2所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特 征在于，波导中继线圈由导体线圈和谐振电容构成，中继线圈是一个无源闭合的回路，均匀 的分布在收、发线圈之间，中继线圈相邻间隔可变。6. 根据权利要求1所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征 在于，所述中继线圈相邻间隔5m，当管道为金属管时，中继线圈间隔加大。7. 根据权利要求1所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征 在于，该装置通过收发线圈之间磁感应耦合的方式完成信息的传递，数字信号经过差分相 位调制以正弦波的形式加载到发送线圈上，设发送线圈信号为正弦电流I = Ioe1'其中，Io 是信号幅值，ω是信号角频率，ω =23if，f是系统工作频率，该正弦电流激发第一中继节点 产生相同相位特征的正弦电流I1，第一中继节点再激发第二中继线圈产生正弦电流1 2,如此 下去，这些中继线圈在地下环境里形成磁感应波导，引导磁信号不断向下传递，直到接收线 圈激发产生正弦电流In，经过差分相位解调还原出原始信号。8. -种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信方法，其特征在于，将通信收、发线圈 与传感器相连，传感器负责采集与管道相关的信息，作为传输信号主要来源，为了降低能 耗，采取主从请求应答的通信模式，数据节点为主通信节点，传感器节点为从通信节点，包 括以下步骤： 步骤一，数据节点通过磁感应波导传输通道向传感器节点发送数据请求命令； 步骤二，传感器节点收到请求命令后由休眠模式开启数据检测模式，传感器检测结果 为数字信号，通过差分相位调制转换为磁感应传输通道可传输的正弦波信号，经过功率放 大器加载到信号发送线圈上，发送给数据节点； 步骤三，数据节点通过信号接收线圈收到信号后经接收滤波器滤除干扰信号，经过自 增益控制放大后差分相位解调还原出原始数字信号，数据节点将采集信号打包整理后通过 地表无线通信设备发送到管网运行监测中心。
【文档编号】G08C17/04GK105931449SQ201610414345
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】孙彦景, 徐胜, 李松, 谭泽富, 施文娟, 王晓琳, 周公博, 徐永刚
【申请人】中国矿业大学