CN108534826A - 无线通信系统、检测装置及建筑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无线通信系统、检测装置及建筑结构，其中，无线通信系统包括嵌入在建筑结构内的发射模块和接收模块，建筑结构包括钢筋，发射模块包括信号发生器、第一功率放大器、调制与编码器、与钢筋相匹配的第一线圈；接收模块包括第二功率放大器、模数转换器、解调与译码器、与钢筋相匹配的第二线圈；当第一线圈及第二线圈缠绕钢筋设置时，第一线圈与第二线圈通过钢筋耦合，信号发生器发出的信号依次经过第一功率放大器、调制与编码器、第一线圈、钢筋、第二线圈、第二功率放大器及模数转换器输入至解调与译码器。本无线通信系统具有可靠性强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构检测技术领域，特别涉及一种无线通信系统、检测装置及建筑结构。
背景技术
建筑结构的健康检测是一个较新的技术领域。实时地检测桥梁，房屋，道路等建筑结构内部参数变化，能够提前获知建筑结构的健康状态，预防建筑结构发生坍塌等安全事故。
将传感器嵌入在建筑结构内，就可以实时检测建筑结构内部的参数，再结合通信系统，就可以将建筑结构内部的参数发送至外部设备。
现有的通信方案如下：
第一种：发射模块与接收模块无线连接，发射模块发出的信号通过空气传输到接收模块。这种方案的缺陷是：由于发射模块嵌入在建筑结构内部，因此，发射模块发出的信号在传输过程中需要穿过钢筋混凝土，损耗较大，目前无线模块为射频、微波频段，无法穿透障碍物(土壤、混凝土)，建筑内的钢筋结构，会形成法拉第笼效应，进一步阻碍电磁波信号传播。
第二种，发射模块与接收模块无线连接，发射模块发出的信号通过电力线传输到接收模块。这种方案的缺陷是：当建筑结构遭受损伤时，电力线也会受损(比如建筑结构遭遇地震、强烈撞击时，电力线可能会被扯断)，导致接收模块接收信号中断，可靠性差。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种无线通信系统，旨在增强无线通信系统的可靠性。
为实现上述目的，本发明提出一种无线通信系统，包括发射模块和接收模块，所述发射模块及所述接收模块均可嵌入在建筑结构内，所述建筑结构包括钢筋，其中，所述发射模块包括信号发生器、第一功率放大器、调制与编码器、与所述钢筋相匹配的第一线圈，所述第一功率放大器、所述调制与编码器及所述第一线圈依次与所述信号发生器连接；所述接收模块包括第二功率放大器、模数转换器、解调与译码器、与所述钢筋相匹配的第二线圈，所述第二功率放大器、所述模数转换器、所述解调与译码器依次与所述第二线圈连接；当所述第一线圈及所述第二线圈缠绕所述钢筋设置时，所述第一线圈与所述第二线圈通过钢筋耦合，所述信号发生器发出的信号依次经过所述第一功率放大器、所述调制与编码器、所述第一线圈、所述钢筋、所述第二线圈、所述第二功率放大器及所述模数转换器输入至所述解调与译码器。
优选地，所述发射模块还包括第一耦合电容，所述第一耦合电容用于与所述第一线圈产生谐振，以增大所述调制与编码器输出信号所对应波形的幅度。
优选地，所述接收模块还包括第二耦合电容，所述第二耦合电容用于与所述第二线圈产生谐振，以增大所述解调与译码器接收信号所对应波形的幅度。
优选地，还包括传输控制模块，用于控制所述发射模块的信号调制深度，以延长所述发射模块发出信号的传输距离。
优选地，所述传输控制模块包括第三耦合电容、晶体管、控制芯片及与所述钢筋相匹配的第三线圈，所述第三耦合电容、所述晶体管及所述控制芯片依次与所述第三耦合电容连接，所述控制芯片的控制端与所述晶体管的受控端连接。
优选地，所述建筑结构内还嵌入有传感器，所述传感器用于检测建筑结构参数，所述信号发生器发出的信号用于表征所述传感器检测的参数；其中，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器及pH计中的任意一者。
本发明还提出一种检测装置，用于检测建筑结构的健康状态，其中，所述检测装置包括如上所述的无线通信系统。
本发明还提出一种建筑结构，其内嵌入有如上所述的无线通信系统。
优选地，所述建筑结构包括桥梁、楼宇、港口及大坝中的任意一者。
本发明技术方案通过采用第一线圈及第二线圈与钢筋匹配，使得当第一线圈及第二线圈缠绕钢筋设置时，第一线圈与第二线圈通过钢筋耦合，信号发生器发出的信号依次经过第一功率放大器、调制与编码器、第一线圈、钢筋、第二线圈、第二功率放大器及模数转换器输入至调制与译码器，实现了发射模块与接收模块之间的通信。一方面，由于第一线圈与第二线圈通过钢筋耦合，因此，在传输电能的过程中，能够克服因信号经钢筋混凝土衰减而导致接收模块接收信号中断的问题。另一方面，由于信号发生器仅依赖第一线圈、钢筋和第二线圈就可以将信号送达解调与译码器，无需电力线接入，因此，能够克服因电力线受损而导致接收模块接收信号中断的问题。也即，相对于现有的无线通信系统，本技术方案可靠性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明无线通信系统一实施例的电路结构示意图；
图2为本发明无线通信系统另一实施例的电路结构示意图；
图3为本发明无线通信系统又一实施例的电路结构示意图；
图4为本发明发射模块发出信号的频率、传输距离与调制深度之间的对应关系示意图；
图5为本发明无线通信系统一应用场景示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种无线通信系统。
请参阅图1，在一实施例中，无线通信系统包括发射模块100和接收模块200，发射模块100和接收模块200均可嵌入在建筑结构内。其中，建筑结构可以是桥梁、楼宇、港口、大坝等包含有钢筋的建筑物。
较佳地，发射模块100包括信号发生器110、第一功率放大器120、调制与编码器130、与钢筋相匹配的第一线圈140，第一功率放大器120、调制与编码器130及第一线圈140依次与信号发生器110连接。
接收模块200包括第二功率放大器220、数模转换器、解调与译码器240、与钢筋相匹配的第二线圈210，第二功率放大器220、数模转换器、解调与译码器240依次与第二线圈210连接。
具体地，在通信系统启动后，信号发生器110产生基带信号(信源)，该基带信号首先经第一功率放大器120进行功率放大处理，然后经调制与编码器130进行调制或者编码处理，最后经第一线圈140发出。接收模块200通过第二线圈210接收经调制或者编码处理后的通信信号，将该通信信号进行解调或者译码处理后就可以获得信号发生器110产生的基带信号。
即，本无线通信系统能够实现发射模块100与接收模块200200之间的通信功能。
需要指出的是，由于本实施例中，第一线圈140及第二线圈210均与钢筋相匹配，因此，当第一线圈140及第二线圈210缠绕钢筋设置时，第一线圈140与第二线圈210通过钢筋耦合，信号发生器110发出的信号依次经过第一功率放大器120、调制与编码器130、第一线圈140、钢筋、第二线圈210、第二功率放大器220及模数转换器230输入至解调与译码器240。
这样，就能够克服因信号经钢筋混凝土衰减而导致接收模块200接收信号中断的问题。此外，由于信号发生器110仅依赖第一线圈140、钢筋和第二线圈210就可以将信号送达解调与译码器240，无需电力线接入，因此，能够克服因电力线受损而导致接收模块200接收信号中断的问题。
进一步地，请参阅图2，在另一实施例中，发射模块100还包括第一耦合电容150，第一耦合电容150用于与第一线圈140产生谐振，以增大调制与编码器130输出信号所对应波形的幅度。可以理解的是，在此，第一耦合电容150与第一线圈140构成LC谐振放大电路，因此，能够增大调制与编码器130输出信号所对应波形的幅度。
请继续参阅图2，在另一实施例中，接收模块200还包括第二耦合电容250，第二耦合电容250用于与第二线圈210产生谐振，以增大解调与译码器240输入信号所对应波形的幅度。同样的，第二耦合电容250与第二线圈210构成LC谐振放大电路，因此，能够增大解调与译码器240接收信号所对应波形的幅度。
请参阅图3，在又一实施例中，无线通信系统还包括传输控制模块300，用于控制发射模块100的信号调制深度，以延长发射模块100发出信号的传输距离。
较佳地，传输控制模块300包括第三耦合电容320、晶体管330、控制芯片340及与钢筋相匹配的第三线圈310，第三耦合电容320、晶体管330及控制芯片340依次与第三耦合电容320连接，控制芯片340的控制端与晶体管330的受控端连接。
需要说明的是，请参阅图4，在一实验条件下，发射模块100发出信号的频率、传输距离与发射模块100发出信号的调制深度存在对应关系。因此，本传输控制模块300能够延长发射模块100发出信号的传输距离。
具体地，图3所示无线通信系统中，发射模块100发出的信号可以通过两种途径到达接收模块200。第一种就是从发射模块100出发，依赖第一线圈140、钢筋和第二线圈210的耦合，到达接收模块200。第二种就是从发射模块100出发，首先依赖第一线圈140、钢筋和第三线圈310的耦合，到达传输控制模块300。然后经传输控制模块300的控制，改变调制深度。最后从传输控制模块300出发，依赖第三线圈310、钢筋和第二线圈210的耦合，到达接收模块200。
在此，传输控制模块300通过控制昔年340控制晶体管330的导通程度来控制发射模块100发出信号的调制深度。较佳地，为了降低无线通信系统的功耗，控制芯片340优选采用低功耗控制芯片340，比如，Ambiq Micro的Apollo微控制器。
需要说明的是，本实施例中，在相同调制深度条件下，发射模块100发出信号的频率越大，其传输速率也越大，消耗的功率也越大。为了保证发射模块100发出信号低功耗传输的条件下，尽可能加快其传输速率，在一较佳实施例中，发射模块100发出信号的频率在20至1200赫兹之间。
需要说明的是，本技术方案所有实施例中，建筑结构内均还嵌入有传感器(图未示出)，传感器用于检测建筑结构参数，信号发生器110发出的信号用于表征传感器检测的参数。其中，传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器及pH计中的任意一者。
此外，值得一提的是，上述内容中，第一线圈140与钢筋相匹配，包括两者机械参数和电学参数的匹配。比如，第一线圈140的内径尺寸应当与钢筋的外径尺寸相匹配，以使第一线圈140缠绕(或者套设)在钢筋上时不发生形变。或者，第一线圈140的绕制方向、匝数、绕线直径以及绕线材料等参数，应当与钢筋的铁磁材料含量、铁磁材料分布等参数相匹配，以使第一线圈140缠绕(或者套设)在钢筋上通电时，钢筋产生的感应磁场对第一线圈140的通电电流起到增强作用。
同样的，第二线圈210和第三线圈310与钢筋相匹配，包括两者机械参数和电学参数的匹配。
以下，结合图1至图5，说明本无线通信系统的工作原理：
首先，分别将第一线圈140、第二线圈210和第三线圈310套设在钢筋上(等同于分别将发射模块100、接收模块200和传输控制模块300分别套设在钢筋上)，第一线圈140和第二线圈210通过钢筋耦合连接，第一线圈140和第三线圈310通过钢筋耦合连接，第二线圈210和第三线圈310通过钢筋耦合连接；
然后，根据第一线圈140、第二线圈210、第三线圈310、钢筋的电参数，以及建筑结构的设计参数，选择第一线圈140与第二线圈210及第三线圈310之间的距离；
接着，配置控制芯片340内的控制程序，选择合适的调制深度；
紧接着，启动发射模块100中的信号发生器110，信号发生器110发出的信号依次经第一功率放大器120、调制与编码器130、第一耦合电容150、第一线圈140输入至第三线圈310，控制芯片340根据预设的调制深度控制晶体管330的导通程度，以改变晶体管330、第三耦合电容320和第三线圈310的谐振，调整发射模块100发出信号的调制深度；
最后，发射模块100发出的信号从第三线圈310出发，依次经第二线圈210、第二耦合电容250、第二功率放大器220及模数转换器230输入至解调与译码器240，完成一次通信。
本发明还提出一种检测装置，用于检测建筑结构的参数，该检测装置包括无线通信系统。其中，无线通信系统的具体建构参照上述实施例，由于本检测装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。在此，建筑结构的健康状态，可由建筑结构的温度、湿度、pH值、压力等参数表征，此处不做限制。
此外，本发明还提出一种建筑结构，其内嵌入有如上所述的无线通信系统。其中，建筑结构可以是桥梁、楼宇、港口、或者大坝等，此处不做限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种无线通信系统，包括发射模块和接收模块，所述发射模块及所述接收模块均可嵌入在建筑结构内，所述建筑结构包括钢筋，其特征在于：
所述发射模块包括信号发生器、第一功率放大器、调制与编码器、与所述钢筋相匹配的第一线圈，所述第一功率放大器、所述调制与编码器及所述第一线圈依次与所述信号发生器连接；
所述接收模块包括第二功率放大器、模数转换器、解调与译码器、与所述钢筋相匹配的第二线圈，所述第二功率放大器、所述模数转换器、所述解调与译码器依次与所述第二线圈连接；
当所述第一线圈及所述第二线圈缠绕所述钢筋设置时，所述第一线圈与所述第二线圈通过钢筋耦合，所述信号发生器发出的信号依次经过所述第一功率放大器、所述调制与编码器、所述第一线圈、所述钢筋、所述第二线圈、所述第二功率放大器及所述模数转换器输入至所述解调与译码器。
2.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述发射模块还包括第一耦合电容，所述第一耦合电容用于与所述第一线圈产生谐振，以增大所述调制与编码器输出信号所对应波形的幅度。
3.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述接收模块还包括第二耦合电容，所述第二耦合电容用于与所述第二线圈产生谐振，以增大所述解调与译码器接收信号所对应波形的幅度。
4.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，还包括传输控制模块，用于控制所述发射模块的信号调制深度，以延长所述发射模块发出信号的传输距离。
5.如权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，所述传输控制模块包括第三耦合电容、晶体管、控制芯片及与所述钢筋相匹配的第三线圈，所述第三耦合电容、所述晶体管及所述控制芯片依次与所述第三耦合电容连接，所述控制芯片的控制端与所述晶体管的受控端连接。
6.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述建筑结构内还嵌入有传感器，所述传感器用于检测建筑结构参数，所述信号发生器发出的信号用于表征所述传感器检测的参数；其中，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器及pH计中的任意一者。
7.一种检测装置，用于检测建筑结构的健康状态，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的无线通信系统。
8.一种建筑结构，其特征在于，其内嵌入有如权利要求1-6任意一项所述的无线通信系统。
9.如权利要求8所述的建筑结构，其特征在于，所述建筑结构包括桥梁、楼宇、港口及大坝中的任意一者。
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