一种远距离无线通信中继装置的制作方法

本实用新型涉及通信领域，具体的说是一种远距离无线通信中继装置。

背景技术：

近年来，我国电气化铁路全面普及，而接触网作为核心供电设备，其运行的安全性和稳定性关系着铁路线，接触网的接触线每隔800-2000米就需要使用若干电力线夹续接以保证供电的延续性，专业术语称之为电联接点，对其进行温度监测就变得非常必要。中继装置起到温度数据传输到数据监测中心的桥梁作用，安装位置为回流线，要求体积小重量轻，一旦安装使用就必须依靠自身供电可靠工作数年以上，因此对功耗有着严格的要求，电联结点沿线路呈链状分布比较分散。

目前能够在铁路沿线较易实现的方法是利用移动数据运营商网络将数据传输至监控中心，现阶段常用的是GSM/GPRS(通用分组无线业务，2G网络)技术，但该技术无法从关机状态快速切换至数据传输状态，每次均需要采用拨号方式重新通过基站与运营商的核心网建立连接之后再连接至数据监测中心，这一过程耗时长达60～180秒，连接建立后数据传输时间较短仅几秒钟，大部分能量消耗在了如何与运营商核心网建立数据连接上，期间平均消耗电流约160mA(3.5V工作电压),如果按照900秒进行一次数据传输，平均消耗功率为37～112mW，无法适应低功耗应用场合。

技术实现要素：

为了解决上述问题，提供了一种远距离无线通信中继装置，采用线性扩频技术，使用470～510MHz的ISM免执照频段，能够以较低的发射功率实现较远的通信距离。

本实用新型实施例提供了一种远距离无线通信中继装置，包括供电模块、中央控制单元和扩频通信模块，所述的中央控制单元分别与供电模块和扩频通信模块电连接，所述的扩频通信模块采用LoRa1278无线通信模块。

进一步的，所述的中央处理单元采用TI公司MSP430系列精简指令16位微控制器。

进一步的，所述的供电模块包括主供电模块、辅助供电模块和供电选择电路，所述主供电模块和辅助供电模块分别连接供电选择模块的输入端，所述供电选择模块的输出端连接中央处理单元。

进一步的，所述的供电选择模块采用TI公司的BQ25504芯片作为主控芯片。

进一步的，所述的主供电模块为锂电池。

进一步的，所述的辅助供电模块包括供电端、能量采集电路和能量存储模块，所述供电端的输出端连接能量采集电路的输入端，所述的能量采集电路的输出端连接能量存储模块的输入端，所述能量存储模块的输出端连接供电选择模块的输入端。

进一步的，所述的供电端为太阳能电池板或电流互感线圈。

进一步的，所述的能量采集电路包括稳压电路和滞回比较器，所述稳压电路的输入端连接供电端，所述稳压电路的输出端连接滞回比较器输入端，所述滞回比较器的输出端连接能量存储模块的输入端。

进一步的，所述的能量存储模块采用以下装置中的一种或多种：超级电容、聚合物锂电池、磷酸铁锂电池、多元锂电池、钛酸锂电池。

实用新型内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是实用新型所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本方案采用线性扩频技术，使用470～510MHz的ISM免执照频段，在负信噪比条件下依然能够还原信号，能够以较低的发射功率实现较远的通信距离；使用470～510MHz频段，进行远距离无线通讯时，比运营商工作频段(800/850/900/1800/1900Mhz)的绕障碍能力更好。同时，在实际应用中，本装置通过无线就近接收电联接温度采集装置的温度监测数据，采用级跳方式将所覆盖区段的温度监测数据转发至数据集中装置。

2、本装置采用太阳能与感应电能互补收集能量供电为主、电池供电辅的方案，当所收集到的能量足够中继装置使用时，电池作为后备不介入供电，宝贵的电池能量被保存下来，当所收集的能量不足以提供中继装置使用时，电池介入供电，继续保证中继装置稳定工作，直到收集到足够的能量，电池再次转入后备状态。可有效提高用与该技术领域中继装置的自供电能力，减小电池系统容量及体积，节约成本的同时提高了装置供电可靠性。

附图说明

图1是本实用新型实施例的原理框图；

图2是本实用新型应用原理图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。

如图1所示一种远距离无线通信中继装置，包括供电模块、中央控制单元和扩频通信模块，所述的中央控制单元分别与供电模块和扩频通信模块电连接。

所述的扩频通信模块采用深圳思为无线科技的LoRa1278无线通信模块，其核心为美国升特公司的SX1278高灵敏度扩频通信芯片。该模块峰值发射电流约90mA，发射功率仅100mW，天线增益2.5dBi，在空旷地带以9.6kbps通讯速率通讯距离可达4Km，在铁路沿线可靠通讯距离＞2Km，休眠电流＜2uA。

所述的中央处理单元采用TI公司的MSP430系列精简指令16位微控制器，该微控制器具有业内极佳的功耗比及优异的性能，本例中优选使用MSP430FR5738。

本装置工作电压3.5V，休眠电流5uA，休眠时长500mS，检测时间窗口为2mS，检测电流8mA，因此平均静态功耗约0.032mW，如果每隔900S进行一次数据传输，通信速率9.6kbps，传输1500字节，考虑到数据包重传，通讯时长不高于3S，消耗电流90mA，则平均单个中继装置最大功耗＜1.1mW，如果以供电区间最短800米设置1个，按10Km设置13个计算，则最后一级功耗＜1.1mW×13＝14.3mW。

所述的供电模块包括主供电模块、辅助供电模块和供电选择电路，所述主供电模块和辅助供电模块分别连接供电选择模块的输入端，所述供电选择模块的输出端连接中央处理单元。

所述的主供电模块为锂电池，所述的辅助供电模块包括供电端、能量采集电路和能量存储模块，所述供电端的输出端连接能量采集电路的输入端，所述的能量采集电路的输出端连接能量存储模块的输入端，所述能量存储模块的输出端连接供电选择模块的输入端。

所述的供电选择模块采用TI公司的BQ25504芯片作为主控芯片。能量存储模块的电能接入该芯片，当第14脚VBAT电压3.1V-3.56V时，11脚VBAT_OK输出高电平，此时由能量存储模块的能量为后续电路供电，能量存储模块如果无外部能量补充，输入电压继续下降不足以维持BQ25504芯片维持第14脚VBAT电压时，VBAT电压开始下降，当＜2.39V时，11脚VBAT_OK输出低电平，此时由一次性锂电池为后续电路供电，直到能量存储模块收集到足够能量使BQ25504第14脚VBAT电压电压上升，当VBAT＞3.1V时，BQ25504重新转换至能量存储模块供电，一次性锂电池转为后备状态。

所述的供电端为太阳能电池板或电流互感线圈。

太阳能电池板采用单晶硅或多晶硅材料,使用专用支架固定于接触网回流线之上,室外使用需采用钢化玻璃防护,最大输出电流80mA,经二极管隔离接入能量采集电路。在阴雨天或多云环境下能够采集到2-40mA电流，在晴天环境下可高达80mA的电流。

电流互感线圈安装于接触网回流线之上,接触网回流线穿过取电线圈,耐受一次侧电流＜1800A，二次侧输出电流＜5A，当有电力机车通过时,回流线会产生交变电流,在取电线圈之上也同时感应输出电流,经二极管整流电路转换为直流接入能量采集电路。

所述的能量采集电路包括稳压电路和滞回比较器，所述稳压电路的输入端连接供电端，所述稳压电路的输出端连接滞回比较器输入端，所述滞回比较器的输出端连接能量存储模块的输入端。

所述的能量存储模块可以是超级电容、聚合物锂电池、磷酸铁锂电池、多元锂电池、钛酸锂电池，根据应用的不同场景(环境温度及功耗情况)灵活选择。

超级电容温度范围宽(-40～85℃)，充放电寿命长(50万次以上)，适合对环境温度要求高的免维护场合储能应用。

聚合物锂电池温度范围窄(0～60℃)，充放电寿命较短(800次)，适合对环境温度要求不高，有维护条件的场合应用。

磷酸铁锂电池温度范围(-20～70℃)，充放电寿命(2000次)，适合有一定环境温度要求，有维护条件的场合应用。

多元锂电池温度范围(-30～70℃)，充放电寿命(3000次)，适合对环境温度要求较高、有维护条件的场合应用。

钛酸锂电池温度范围(-40～85℃)，充放电寿命(2万次)，适合对环境温度要求较高的几乎不需维护的场合应用。

整个供电模块的工作原理为：

感应电能经桥式整流、太阳能经二极管防反共同接入由运放组成的双门限电压比较器组成的能量采集电路，当有外部能量输入且能量存储模块所储存的能量未达到额定容量，能量采集电路打开能量输出口的开关为能量存储模块充电，当能量存储模块储存的能量达到额定容量，能量采集电路短路外部能量源停止外部能量继续输入，之后关闭能量输出口的开关。当能量存储模块的能量下降至额定容量的90％，能量采集电路释放外部能量源的短路开关，之后打开能量输出口的开关继续为能量存储模块充电。

多余的能量通过电源选择电路提供给中继装置使用，夜间能量存储模块释放储存的能量通过电源选择电路为通信模块、CPU供电，当电源选择电路检测到能量存储模块能量仅剩5％时切换至一次性锂电池为通信模块、CPU供电，一旦能量存储模块收集到的能量达到额定容量的30％，电源选择电路自动选择能量存储模块为通信模块、CPU供电，并将一次性锂电池转换至后备状态不再释放电能。

在现场应用时，如图2所示，将本装置作为通信装置，按照800-2000米的间隔距离进行设置，接收附近电联接点温度采集装置的温度监测数据并转发给前级中继装置或数据集中装置。

尽管说明书及附图和实施例对本实用新型创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本实用新型创造专利的保护范围当中。