CN107947387B - 一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，包括超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块，所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器；本发明以超声波为能量传输载体，无需通过任何物理连接就能完成水下物联网节点的能量补给，为水下用电设备长期稳定的工作提供保障，同时适用于易燃易爆、易受电磁干扰等其他特殊场合设备的安全供电。
Description
技术领域
本发明涉及超声学技术领域，特别是一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统。
背景技术
面对水下环境的特殊性和复杂性，水下物联网技术为人们探索与开发海洋资源提供了新的手段。水下环境的感知、监测和快速反应以及水陆物体之间的互联互通，必然需要大量的水下设备。然而水下物联网的寿命与节点寿命密切相关，大量采用电池供电的水下设备通常难以获得能量补充。利用传统的“打捞—更换—投放”的水下续航模式，会带来电池仓水密性和安全性差等问题。因此，为了提高水下物联网的生存周期，解决电池频繁更换困难等问题，亟需研究水下物联网节点的能量补给技术。
无线电能传输技术作为一种新型的电能传输技术，具有强大的环境适应性，能够有效地解决有线充电存在的充电接口裸露、易产生接触火花、灵活性差等诸多问题。目前实现无线能量传输主要有电磁感应、电磁耦合共振、基于微波或光波的远场辐射等方式，而以超声波作为能量传输媒介的研究相对较少。日本有学者论述了通过超声波给低功率移动设备无线充电的方法，国内也有人研究在密封环境下，如何通过超声波定期给电子设备充电。然而这些研究都只局限在空间环境下基于超声波的能量传输技术，在自由空间中超声波传播衰减严重，传输距离较近，相比电磁波无明显优势。
现有的无线能量传输技术在水下环境中普遍存在传输距离短、效率低、易产生电磁干扰等问题，传统供能方式易带来维护困难、灵活性和安全性差以及废旧电池污染等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，本发明以超声波为能量传输载体，无需通过任何物理连接就能完成水下物联网节点的能量补给。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，包括超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块，所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器；其中，
第一控制器与智能云台、驱动电路、显示电路分别连接，第一超声换能器搭载在智能云台上，驱动电路、匹配电路、第一超声换能器依次顺序连接，第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路依次顺序连接，第二控制器与第二超声换能器、充电电路分别连接；其中，
驱动电路作为超声频电发生器，在第一控制器的控制下驱动电路用于将工频电转化成与第一超声换能器谐振频率一致的电，并且通过匹配电路进行阻抗变换后驱动第一超声换能器工作，从而控制第一超声换能器的发射功率；显示电路，用于实时显示能量补给系统的工作状态和工作时间；
智能云台在第一控制器的控制下进行方向移动，从而使得搭载在智能云台上的第一超声换能器进行旋转，第一超声换能器对水下物联网节点接收模块中受第二控制器控制的第二超声换能器搜索定位；当第一超声换能器与第二超声换能器同轴心时，第一超声换能器向第二超声换能器持续传送超声能量，第二超声换能器接收到超声波能量，经正压电效应转换为高频电，再经过整流滤波电路整流滤波、稳压电路稳压后供给受第二控制器控制的充电电路使用；充电电路用于对水下物联网节点直流用电设备充电使用。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，第一超声换能器、第二超声换能器均为压电陶瓷超声换能器。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，压电陶瓷超声换能器采用在压电陶瓷晶片的正面和背面附加上四分之一波长复合材料匹配层和背衬，以实现声阻抗的匹配。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，整流滤波电路为单相桥式全波整流电路。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，匹配电路为串联型电感-电容匹配电路。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，显示电路为液晶显示电路。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，稳压电路为DC-DC变换电路。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，充电电路为受第二控制器控制的可编程的锂电池充电管理芯片。
作为本发明所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，第一控制器、第二控制器均为单片机。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明以超声波为能量传输载体，无需通过任何物理连接就能完成水下物联网节点的能量补给，为水下设备长期稳定的工作提供保障，并且能够从根本上解决传统供能方式带来的维护困难、灵活性和安全性差以及废旧电池污染等问题；超声波用于水下无线能量传输相对其他传输方式具有方向性好、穿透能力强、传播距离远、无电磁辐射和能量易于集中等诸多优点；
（2）本发明利用超声换能器的电学及声学匹配、智能云台搜索定位及发射端功率可控技术，在降低系统整体能耗的同时能够解决目前无线能量传输技术在水中传输距离近、功率小、效率低等问题；
（3）本发明不仅适用于一般水下环境用电设备的能量供给，而且特别适用于其他特殊场合设备的安全供电，比如易燃易爆、易受电磁干扰等环境，亦可作为一种通用型非接触式无线充电装置。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明的系统工作过程流程图。
图3是本发明的智能云台搜索定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统主要由超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块两个部分组成。所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器。
第一控制器、第二控制器均为超低功耗单片机。所述第一控制器为系统的控制核心，负责智能云台移动的方向控制和发射功率控制；所述第一超声换能器为压电陶瓷超声换能器，利用压电材料的逆压电效应，实现电能-机械能-声能转换，并且采用加四分之一波长复合材料匹配层和背衬的方式，实现声阻抗的匹配；所述驱动电路作为超声频电发生器，将工频电转化成与第一超声换能器谐振频率一致的电，驱动第一超声换能器正常工作；所述匹配电路为串联型电感-电容匹配电路，起到阻抗变换，提高驱动电路输出功率和效率的作用；所述智能云台为搭载第一超声换能器的双轴数控云台，根据第一控制器发送的指令信号，实现换能器姿态调整；所述显示电路为低功耗液晶，用于实时显示系统工作状态、工作时间等关键信息。
所述第二超声换能器的各项参数与第一超声换能器相同，以实现能量的强耦合，利用压电材料的正压电效应，实现声能-机械能-电能转换；所述整流滤波电路为单相桥式全波整流电路，将第二超声换能器经正压电效应产生的交流电转换为直流电；所述稳压电路为DC-DC变换电路，将整流滤波输出的信号转换成适宜用电节点所需的稳定的电压信号；所述充电电路为可编程的锂电池充电管理芯片，可根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流；所述第二控制器对第二超声换能器收/发工作状态及充电电路的输出电压进行控制，其具有外部中断功能和I/O口推挽输出能力。
超声能量发射模块在低功率模式下通过单片机控制智能云台移动，对水下物联网用电节点设备自动搜索定位。当第一超声换能器与第二超声换能器同轴心时，超声能量发射模块切换到大功率模式向水下物联网节点接收模块持续传送超声能量。接收模块的压电换能器接收到超声波能量，转换为高频电，再经过整流滤波、稳压后供给水下物联网节点直流用电设备使用。
超声换能器是系统实现电能-机械能（超声波）-电能转换的关键装置，在本发明的优选方案中采用具有工作频率宽、功率容量大等特点的谐振频率为28kHz的压电陶瓷超声换能器，并且分别在压电陶瓷晶片的正面和背面附加上四分之一波长复合材料匹配层和背衬，以实现换能器的声学匹配。利用声波的反射和透射理论，设计四分之一波长匹配层时，应遵循以下三个原则：
1、每波长损耗尽可能小；
2、材料的衰减系数和频率尽可能呈线性关系；
3、匹配层特性阻抗尽可能满足
，Zp、Z0 、Z1分别为匹配层、压电陶瓷晶片、负载介质的特性阻抗。
背衬材料的阻抗越大，对换能器所起的阻尼作用越大，背衬材料可选用环氧树脂加钨粉、钨-乙烯塑料、钨粉与可辗延金属的固-固复合材料等。
驱动电路作为超声频电发生器，主要包括整流电路和逆变电路，将工频电转化成与超声换能器谐振频率一致的电，驱动超声换能器正常工作。匹配电路连接于驱动电路和超声换能器之间，起到阻抗变换，提高驱动电路输出功率和效率的作用，可选用变压器匹配电路和电感-电容匹配电路，在本发明的优选方案中采用串联型电感-电容匹配电路。智能云台为搭载第一超声换能器的双轴数控云台，根据第一控制器发送的指令信号，实现换能器姿态调整，确保第一、二超声换能器同轴心。显示电路为低功耗液晶，用于实时显示系统工作状态、工作时间等关键信息。
第二超声换能器利用压电材料的正压电效应，实现声能-机械能-电能转换，各项参数与第一超声换能器相同，以实现能量的强耦合。整流滤波电路为单相桥式全波整流，连接于接收模块的超声换能器和稳压电路之间，将超声换能器转换得到的交流电转换为直流电。稳压电路、充电电路分别采用高效的DC-DC电路芯片和锂电池充电管理芯片，将整流滤波输出的信号转换成稳定的电流、电压信号给高能量密度的锂电池充电使用。第二控制器对第二超声换能器收/发工作状态及充电电路输出电压进行控制，可通过外部中断方式使其CPU退出低功耗模式进入活动状态，并且要求其I/O口具备推挽输出能力。
如图2所示，一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统工作过程为：超声能量发射模块在低功率模式，借助智能云台搭载第一超声换能器在单片机的控制下进行旋转，对需要能量补给的水下物联网用电节点设备搜索定位。当超声能量发射模块的超声换能器与水下物联网节点接收模块的超声换能器同轴心时，超声能量发射模块随即切换到大功率模式下向水下物联网节点接收端持续传送超声能量。接收模块的压电换能器接收到超声波能量，经正压电效应转换为高频电，再经过整流滤波、稳压后即可供给水下物联网节点直流用电设备使用。
如图3所示，所述超声能量发射模块在低功率模式下通过第一控制器控制智能云台移动，对水下物联网节点设备自动搜索定位，以超声能量发射模块为主模块，水下物联网节点接收模块为从模块，工作流程包括如下步骤：
步骤1：主模块上电后为能量发送状态，从模块处于低功耗能量接收状态；
步骤2：主模块控制智能云台旋转1圈发送能量激活从模块，从模块接收能量达到阈值后唤醒单片机；
步骤3：主模块转为能量接收状态，云台继续旋转<=1圈，从模块自激活后延迟0.9圈（减少能量损耗），转为能量发送状态且持续时间为0.5圈；
步骤4：主模块搜索到能量后在能量最强点附近来回摆动，在尽量短的时间内找到中心点，从模块转为低功耗能量接收状态；
步骤5：主模块接收不到从模块发送的能量后即可认为主从模块换能器同轴心，主模块切换到大功率模式持续向从模块传输能量。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，包括超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块，所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器；其中，
第一控制器与智能云台、驱动电路、显示电路分别连接，第一超声换能器搭载在智能云台上，驱动电路、匹配电路、第一超声换能器依次顺序连接，第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路依次顺序连接，第二控制器与第二超声换能器、充电电路分别连接；其中，
驱动电路作为超声频电发生器，在第一控制器的控制下驱动电路用于将工频电转化成与第一超声换能器谐振频率一致的电，并且通过匹配电路进行阻抗变换后驱动第一超声换能器工作，从而控制第一超声换能器的发射功率；显示电路，用于实时显示能量补给系统的工作状态和工作时间；
智能云台在第一控制器的控制下进行方向移动，从而使得搭载在智能云台上的第一超声换能器进行旋转，第一超声换能器对水下物联网节点接收模块中受第二控制器控制的第二超声换能器搜索定位；当第一超声换能器与第二超声换能器同轴心时，第一超声换能器向第二超声换能器持续传送超声能量，第二超声换能器接收到超声波能量，经正压电效应转换为高频电，再经过整流滤波电路整流滤波、稳压电路稳压后供给受第二控制器控制的充电电路使用；充电电路用于对水下物联网节点直流用电设备充电使用；
第一超声换能器、第二超声换能器均为压电陶瓷超声换能器；
整流滤波电路为单相桥式全波整流电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，压电陶瓷超声换能器采用在压电陶瓷晶片的正面和背面附加上四分之一波长复合材料匹配层和背衬，以实现声阻抗的匹配。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，匹配电路为串联型电感-电容匹配电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，显示电路为液晶显示电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，稳压电路为DC-DC变换电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，充电电路为受第二控制器控制的可编程的锂电池充电管理芯片。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，第一控制器、第二控制器均为单片机。
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| CN107947387A (zh) | 2018-04-20 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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