CN107154681A - 一种利用电缆磁场供电的分布式数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用电缆磁场供电的分布式数据采集系统，包括交流电流源、电缆、无线能量采集电路以及数据采集装置；系统发射端采用水下电缆完全防水，而无线能量采集电路和数据采集装置完全密闭封装，可以实现水下工作；发射端信号发射电缆中通过的交变电流产生磁场、在周围的无线能量采集线圈中感应出电流，从而实现一对多的无线电能传输系统；数据采集装置监测环境参数并传给上位机，从而实现对水下等恶劣环境的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输及物联网通信技术领域，具体涉及一种利用电缆磁场供电的分布式数据采集系统。
背景技术
无线通信已经在全世界流行了近一百年，近些年来，无线充电因其便捷性、易分布性已成为世界电子行业发展的热点和趋势。目前无线充电的实现方式主要有感应耦合式、电磁共振、微波等三种，这三种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送,其中感应耦合式应用较为广泛。在感应耦合式中，初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中感应出一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。随着科技水平的不断提高，无线充电近几年来已经有了较为广泛的应用，例如通过无线充电给电子产品快速充电，无线给电动汽车充电等等。
但是目前无线充电所能工作的环境过于局限，传统的无线充电均采用发射、接收线圈来进行无线充电，在水下、雨林间等复杂恶劣的自然环境无法正常工作，信号发射端和接收端一旦进水，整个系统将完全瘫痪。但是事实上，农场、海下等场景中均需要微处理器来实时监测环境数据，设计出一套能够应对极端复杂环境的无线供电设备将为工农业带来极大的帮助。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种利用电缆磁场供电的分布式数据采集系统，利用电缆中的交变电流产生磁场，在周围的无线能量采集线圈中感应出电流，从而实现一对多的无线充电，能够实现对水下等恶劣环境的实时监测。
一种利用电缆磁场供电的分布式数据采集系统，包括：交流电流源、电缆以及多个数据采集单元；其中，所述电缆两端分别与交流电流源的正负输出极相连，所述交流电流源用于向电缆通入高频的交变电流，从而使得电缆周边产生交变磁场；所述数据采集单元包括无线能量采集模块、数据采集模块以及无线通信模块，所述无线能量采集模块利用耦合线圈在交变磁场中感应生成交流电压，并对其进行整流稳压后得到固定幅值的直流电压；所述数据采集模块以该直流电压作为工作电压，利用传感器感应环境参量并生成对应的电压信号，并对该电压信号进行采样及信号处理以计算得到当前的环境参量，进而通过无线通信模块将环境参量传送至上位机。
优选地，所述无线能量采集模块由耦合线圈、整流电路和稳压电路依次连接组成，所述耦合线圈布置于电缆旁，其通过与电容连接实现LC串联谐振以采集获得固定频率的交流电压，所述整流电路用于将该交流电压转换为直流电压，所述稳压电路用于对该直流电压进行稳压处理后得到固定幅值的直流电压；接收端采用LC串联谐振，使其固有频率与发射端的磁场频率一致，从而产生共振，此时电磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。
进一步地，所述耦合线圈采用盘式线圈且其所在平面通过电缆轴线，盘式线圈结构简单，非常适合作为次级绕组，能够安装在小型设备内部，节省空间。
进一步地，所述数据采集模块由微处理器和传感器连接组成，所述传感器用于感应环境参量并生成对应的电压信号，所述微处理器用于对该电压信号进行采样及信号处理并计算出当前的环境参量。
进一步地，所述无线通信模块采用射频、蓝牙、Wifi或Zigbee的通信方式。
进一步地，所述无线能量采集模块、数据采集模块以及无线通信模块一并通过密闭封装实现与外界隔离，可以工作在水下、土壤中等恶劣环境。
本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明系统通过能量发射电缆和能量采集电路实现一对多的无线充电，只需通过一根公用电缆，以增加接收模块的方式实现对多个数据采集装置的同时供电。
(2)本发明系统可以适应水下等极端恶劣环境，发射端采用电缆，能量采集电路和数据采集装置采用密闭封装形式。
(3)本发明系统可以对环境中的各项参数进行实时监控。同时可以将数据传递给上位机，实现远程监测，为生产生活带来的极大的方便。
(4)本发明系统工程安装简单，没有通信布线问题，使用和后期维护便捷。
附图说明
图1为本发明分布式数据采集系统的结构示意图。
图2为本发明中无线能量采集电路的结构示意图。
图3为本发明中数据采集装置的连接结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明利用电缆磁场供电的分布式数据采集系统，包括交流电流源、能量信号发射电缆以及多个数据采集单元；其中：
交流电流源向能量信号发射电缆中通入高频、大电流的能量信号，通过电磁感应，在电缆周边产生交变磁场，发射到空间中。本实施方式中交流电流源采用微处理器对全桥逆变电路开关管的工作状态的控制，实现DC-AC的转换，产生100kHz的方波信号通入电缆。
数据采集单元包括无线能量采集电路、数据采集装置以及无线通信模块，无线能量采集电路、数据采集装置和无线通信模块通过密闭封装实现与外界隔离，可以工作在水下、土壤中等恶劣环境。
无线能量采集电路通过电磁耦合来采集能量，以支持数据采集单元的工作，其包括耦合线圈、整流电路和稳压电路，耦合线圈布置在线缆旁，通过电磁耦合的方式采集能量。使用电感、电容串联谐振来采集固定频率的电信号，采集到的能量通过整流电路、稳压电路后得到稳定的直流电压。
距离是无线电力传输的一大障碍，距离越远损耗越大，接收端能感应到的电能也就越少。然而在通常情况下，当接收端天线的固有频率与发射端的磁场频率一致时，就会产生共振，此时电磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。因此本实施方式的无线能量采集电路通过电感L1、电容C1串联谐振来采集固定频率的交流电压，以提高耦合强度，如图2所示；然后将采集到的交流电压通过整流电路、稳压电路，得到稳定的+5V直流电压，稳压电路采用的是78M05芯片。无线能量采集电路采用密闭封装，可工作在水下等恶劣环境中；耦合线圈采用盘式线圈，这种线圈结构简单，非常适合作为次级绕组，能够安装在小型设备内部，节省空间；同时，要求次级盘式线圈所在平面通过电缆轴线，以提高最高接收功率以及能量传递效率。
如图3所示，数据采集装置包括微处理器和环境温度传感器，温度传感器将环境温度转换为电压信号接入微处理器的ADC，微处理器进行电压采样和计算得到当前环境温度，并通过无线通信模块将测量结果传输至上位机。
本实施方式中微处理器采用TI公司型号为TMS320F28035的芯片，微处理器执行对环境参数的实时监测并上传给上位机；无线通信模块可采用射频通信、蓝牙、Wifi或Zigbee等通信方式。
本实施方式发射端采用水下电缆完全防水，而无线能量采集电路和数据采集装置完全密闭封装，可以实现水下工作；电缆中通过的交变电流产生磁场、在周围的无线能量采集线圈中感应出电流，从而实现一对多的无线充电系统；数据采集装置监测环境参数并传给上位机，从而实现对水下等恶劣环境的实时监测。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用电缆磁场供电的分布式数据采集系统，其特征在于，包括：交流电流源、电缆以及多个数据采集单元；其中，所述电缆两端分别与交流电流源的正负输出极相连，所述交流电流源用于向电缆通入高频的交变电流，从而使得电缆周边产生交变磁场；所述数据采集单元包括无线能量采集模块、数据采集模块以及无线通信模块，所述无线能量采集模块利用耦合线圈在交变磁场中感应生成交流电压，并对其进行整流稳压后得到固定幅值的直流电压；所述数据采集模块以该直流电压作为工作电压，利用传感器感应环境参量并生成对应的电压信号，并对该电压信号进行采样及信号处理以计算得到当前的环境参量，进而通过无线通信模块将环境参量传送至上位机。
2.根据权利要求1所述的分布式数据采集系统，其特征在于：所述无线能量采集模块由耦合线圈、整流电路和稳压电路依次连接组成，所述耦合线圈布置于电缆旁，其通过与电容连接实现LC串联谐振以采集获得固定频率的交流电压，所述整流电路用于将该交流电压转换为直流电压，所述稳压电路用于对该直流电压进行稳压处理后得到固定幅值的直流电压。
3.根据权利要求2所述的分布式数据采集系统，其特征在于：所述耦合线圈采用盘式线圈且其所在平面通过电缆轴线。
4.根据权利要求1所述的分布式数据采集系统，其特征在于：所述数据采集模块由微处理器和传感器连接组成，所述传感器用于感应环境参量并生成对应的电压信号，所述微处理器用于对该电压信号进行采样及信号处理并计算出当前的环境参量。
5.根据权利要求1所述的分布式数据采集系统，其特征在于：所述无线通信模块采用射频、蓝牙、Wifi或Zigbee的通信方式。
6.根据权利要求1所述的分布式数据采集系统，其特征在于：所述无线能量采集模块、数据采集模块以及无线通信模块一并通过密闭封装实现与外界隔离。
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| CN102299571A (zh) * | 2011-05-24 | 2011-12-28 | 重庆大学 | 采集电器供电线磁场能量的装置及供电线状态监测系统 |
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