CN1556508A - 管道声波数字通讯技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道声波数字通讯技术。本发明的目的在于在不增加额外的工程量的同时，获得更大的信息传输量以及更加安全、稳定的数据传输。本发明的系统包括设置在用户端的信息采集分站(3)，收集处理来自各个所述信息采集分站(3)信息的信息收集处理主站(4)，以及联结各个所述信息采集分站(3)与所述信息收集处理主站(4)之间作为信息传输信道的流体介质输送管线(5)，其中以管线的管壁作为信息传输介质。本发明特别适用于各种输送管道所输送的流体介质的用量的集中计量。

Description

管道声波数字通讯技术

技术领域

本发明涉及一种管道声波数字通讯技术。具体地说，本发明提出了一种关于通过利用传输各种流体介质的管道来进行信息通讯的系统和方法。

背景技术

在现代生产和生活中，许多通过管道输送的流体介质需要进行计量，并缴纳与计量量相关的使用费用。众所周知，人工抄表方式进行统计和收费即打扰了用户的家庭生活，又使得销售供给流体介质的公司必需聘用大量的抄表工人来进行逐户逐表的查抄和收费，这对于销售供给流体介质的公司来说显然是不经济的。

为解决上述问题，各种计量仪表的远程自动计量和收费管理系统被相继开发出来。此类技术是通过将设置在用户方的计量仪表所显示的数值信息采用某中远程通讯方式传输到一个信息收集处理中心，并在该信息收集处理中心对所收集的信息进行集中的采集和整理。在工业领域的仪表自动读数方面，自动抄表系统(AMR)已有十几年的历史，后来又应用到了公寓住宅的自动抄表中。其中信息通讯主要是通过电话线或光缆通讯系统，如日本富士电气公司将用于煤气、水表等仪表上的光耦合适配器安装在终端网络控制器与仪表之间，并通过电话线连接中心自动抄表设备，以及中国专利文献CN1274905A所公开的一种分布式数据采集与远程传输集中管理自动化网络系统和中国专利文献CN1423240A所公开的计量仪表图形显示数字化网络远程传输技术方案；电力线载波，如Hunt公司研制的抄表器通过电力线载波进行信息传送；此外还有微波或无线电传送等途径来实现自动抄表系统的信息通讯。近年来随着计算机网络技术的不断发展，采用网络进行数据传输的方案也已经被提出来了。然而，上述现有技术的一个显著的缺陷在于，要么需要在各个分户的检测计量设备与通讯网络之间设置专门的连接线路，这样对于已经在用的房屋管线来说存在凿墙开洞的问题，其工程量之大可想而知。要么需要设置一定功率的无线电或微波收发设备，这一方面受到无线电管制的限制，另一方面无线电或微波收发信号往往会受到建筑物的阻挡和干扰而影响信息传输的效果。

在美国专利文献US6492898B1中公开了一种利用管线本身进行信息通讯的技术方案，其是将检测计量设备得到的计量值转换为电信号，并通过金属管线将该电信号传送到信息收集处理中心，由信息收集处理中心对该电信号进行处理来实现集中抄表。但是，该技术方案中必须对管线进行绝缘处理，避免管线与大地接触而导致信号失真或者信号传输失败。这不仅增加了管线的铺设成本，对于在用管线的改造来说也是不可能的。

在现有技术中还有一种在管线中利用超声波进行信息通讯的通讯方式。如日本专利文献JP10-208179A所公开的自动计量系统、计量表和数据收集装置，其中采用超声波通讯技术，以管道中的水作为传输介质将各个用户端的水表计量值传送到信息收集处理中心的数据收集装置中。但是以流体作为信息传输媒介，其信息容量较小，不适于住户较多的社区或城市使用。此外，一旦发生停水，则信息传输就不能进行了。

声波通讯是一项古老的通讯方式，自从电/声能转换技术解决以后，声波通讯技术被广泛地应用到船舶声纳通讯系统中。通常，声波通讯技术多应用于开阔界面的环境中。而在管道中应用则应克服以下的问题：首先，在管道环境下，由传声介质的物理条件所造成的多方位共振特别强烈，由传输途径所构成的回声也特别强烈，这种共振和回声，在某些频段则会由于波形重合而使得声波振幅增强，可用以抵抗传输的信道衰减，但在其它频段则会产生波形相互牵制，而造成信号紊乱、难以解析还原。其次，在管道使用过程中，用户端随时会产生噪声，这些噪声会在信息传输的过程中对信号产生不良的影响。此外，不同的管道结构因其物理性质不同而有着不同的频响特性。而管道内流体介质压力随着时间改变以及管壁老化对物理特性的影响，也会导致管道的可用通频带发生漂移。如果没有一种随时检测管道频响特性和随时改变收发频率以适应新情况的自动机制，就不可能实现具有实际价值的管道声波数字通讯。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种管道声波数字通讯系统，该技术利用输送流体介质管道的管壁作为信息传输媒介，以便在不增加额外的工程量的同时，获得更大的信息传输量。

本发明的进一步的目的在于提出一种能够随时适应管道物理特性变化的管道声波数字通讯系统。

本发明的再一个目的在于提出一种信息传输更加安全、稳定的管道声波数字通讯系统。

为实现上述发明目的，本发明的管道声波数字通讯系统包括设置在用户端的信息采集分站，收集处理来自各个所述信息采集分站信息的信息收集处理主站，以及联结各个所述信息采集分站与所述信息收集处理主站之间作为信息传输信道的流体介质输送管线；其中

所述信息采集分站包括安装在用户管线上的用户计量表，与所述用户计量表信号连接的处理器，以及安装在所述用户管线上并与所述处理器信号连接的分电声/声电换能器；

信息收集处理主站包括安装在所述主输送管线上的主电声/声电换能器，以及与所述主电声/声电换能器信号连接的中心处理机；

所述主电声/声电换能器及各个所述分电声/声电换能器用于接收所述流体介质输送管线管壁的声信号并将该声音转换为电信号以及将电信号转换为适于所述管壁传输的声信号，并将该声信号偶合到所述管壁上。

所述信息采集分站中的所述分电声/声电换能器与用户使用的管道设备之间设置阻声器。

所述信息收集处理主站中的所述主电声/声电换能器与所述管线系统中的输送动力机械之间设置阻声器。

所述分电声/声电换能器以及所述主电声/声电换能器均由一个电声/声电转换主体和一个用来与所述输送管线连接的连接桥构成。

所述处理器包括接收来自所述分电声/声电换能器的电信号并进行解码的解码模块、识别来自所述解码模块信号的识别接收信号模块、根据来自所述识别接收信号模块的指令信号进行数据提取的数据采集单板机、发送所述数据采集单板机的数据信号的回发数字信号模块以及将所述回发数字信号模块发送的数据信号进行编码并发送给所述分电声/声电换能器的编码模块。

所述中心处理机包括接收来自所述主电声/声电换能器的电信号并进行解码的解码模块、接收来自所述解码模块信号的接收数字信号模块、根据来自所述接收数字信号模块的指令信号进行数据处理的数据处理主机、发送所述数据处理主机的数据信号的发送数字信号模块以及将所述发送数字信号模块发送的数字信号进行编码并发送给所述主电声/声电换能器的编码模块。

所述解码模块由数字信号处理(DSP)硬件以及快速傅氏变换算法(FFT)数字滤波和解调模块构成。

所述编码模块由数字信号处理(DSP)硬件以及快速傅氏变换算法(FFT)自适应选频和调制模块构成。

本发明还提出了一种管道声波数字通讯方法，包括

-设置在用户端的各个信息采集分站中的用户计量表用常规方式随时收集用户的计量数据；

-同时各个所述信息采集分站的处理器处于等待信息收集处理主站的远程指令的状态；

-所述信息收集处理主站中的中心处理机以适于输送管线的管壁声波传输的频率为基频，附以调制信号定时依次向各个所述信息采集分站发送提取计量数据的远程指令；

-所述远程指令经所述信息收集处理主站中的主电声/声电换能器转换为声信号，并将该声信号耦合到所述输送管线的管壁而传向各个所述信息采集分站；

-所述信息采集分站中与所述流体介质输送管线的管壁偶合的所述分电声/声电换能器接收所述管壁的声信号并将该声信号转换为指令电信号；

-所述信息采集分站的所述处理器接收所述电信号，并经过对所述信号进行识别，确认是否为本信息采集分站指令信号；

-经确认，相应的所述信息采集分站的所述处理器根据对应的指令信号提取所述用户计量表中的计量数据，并将该计量数据的信号传递回到所述分电声/声电换能器；

-所述分电声/声电换能器将所述该计量数据的电信号转换为声信号，并将该声信号耦合到所述输送管线的管壁传回所述信息收集处理主站；

-所述信息收集处理主站中与所述流体介质输送管线的管壁偶合的所述主电声/声电换能器接收所述管壁的声信号并将该声信号转换为待处理电信号。

在本发明的管道声波数字通讯方法中还包括对由声信号转换成的电信号进行数字滤波和解调解码还原成数字信号以及对即将发送的数字信号进行自适应选频和调制编码成电信号的步骤。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，由于声波通讯的载体是输送管线的管壁，其硬质的特性使得其中的声速远大于管线中流体介质中的声速，由此使得本发明的系统具有更大的信息传输容量；由于本发明在信息的收发过程中应用了声波自动扫频与自适应换频通讯技术，使本发明的通讯过程不受管道内流体介质压力的改变以及管壁老化等对物理特性的影响，保证本发明的系统在使用过程中始终保持良好的信息传输状态；本发明采用电子滤波系统和管线阻声器相配合，大大减小了用户端因使用等原因产生的各种杂乱噪音对信息传输的影响。此外，本发明的管道声波数字通讯技术在应用过程中，不需要进行大量的施工改造，因而推广成本低，易于广泛推广。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的管道声波数字通讯系统的基本构架示意图；

图2是本发明的电声/声电换能器的结构示意图；

图3是本发明的电声/声电换能器的另一种实施方式的结构示意图；

图4是本发明的阻声器的一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明的管道声波数字通讯系统的信息传输方法流程图。

其中的附图标记表示为：1-主输送管线、2-用户管线、3-信息采集分站、4-信息收集处理主站、5-流体介质输送管线、6-用户计量表、7-处理器、8-分电声/声电换能器、9-主电声/声电换能器、10-电声/声电转换主体、11-连接桥、12-元件、13-弹簧、14-惯性振子、15-用户使用的管道设备、16-阻声器、17-胶皮管、20-中心处理机。

具体实施方式

参见图1，在本实施例中，附图标记1表示主输送管线，附图标记2表示用户管线。其中管道声波数字通讯系统包括设置在用户端的信息采集分站3，收集处理来自各个所述信息采集分站3信息的信息收集处理主站4，以及联结各个所述信息采集分站3与所述信息收集处理主站4之间作为信息传输信道的流体介质输送管线5。所述信息采集分站3包括安装在用户管线2上的用户计量表6，与所述用户计量表6信号连接的处理器7，以及安装在所述用户管线2上并与所述处理器7信号连接的分电声/声电换能器8。信息收集处理主站4包括安装在所述主输送管线1上的主电声/声电换能器9，以及与所述主电声/声电换能器9信号连接的中心处理机20。所述主电声/声电换能器9及各个所述分电声/声电换能器8用于接收所述流体介质输送管线5管壁的声信号并将该声音转换为电信号以及将电信号转换为适于所述管壁传输的声信号，并将该声信号偶合到所述管壁上。所述分电声/声电换能器8以及所述主电声/声电换能器9的结构均由一个电声/声电转换主体10和一个用来与所述输送管线5连接的连接桥11构成。在现有技术中，电声/声电转换主体10有多种工作原理和结构形式。在本实施例中，为说明方便选择其中一种予以说明。参见图2，本实施例中采用的所述电声/声电转换主体10包括一个能把电能量转换为声振动的弹性金属盘元件12，该元件12间接地固定在一个弹簧13上，一个机械地连接到所述换能器上的惯性振子14，采用加压手段将所述惯性振子14与换能器，以及上述弹簧13机械地连接在一起，所述电声/声电转换主体10的振荡频率是可以借助上述的加压手段控制弹簧13的形变来加以调节。所述连接桥11的作用是将所述电声/声电转换主体10与所述输送管线5连接与紧固，保证所述电声/声电转换主体10与所述输送管线5之间的良好的声耦合接触。如图2所示，包括一个与管道的接触面为圆弧面的管夹组件和所述管夹上与所述电声/声电转换主体10连接的固定结构。当然，所述连接桥11还可以有如图3所示的形式，在该形式中所述连接桥11与所述管线的接触部位呈具有内螺纹的管口状，在使用中，该接触部位与输送管线5上的一个端口紧密连接。再参见图1，所述信息采集分站3中的所述分电声/声电换能器8与用户使用的管道设备15之间设置阻声器16。同样，所述信息收集处理主站4中的所述主电声/声电换能器9与所述管线系统中的输送动力机械之间也设置阻声器16。在本实施例中，如图4所示，所述阻声器16包括一段具有与所述输送管线5相当的高强度耐腐蚀的具有褶皱纹的胶皮管17，以及固定在所述胶皮管17两端用于与所述输送管线5连接的连接头。所述处理器7包括接收来自所述分电声/声电换能器8的电信号并进行解码的解码模块、识别来自所述解码模块信号的识别接收信号模块、根据来自所述识别接收信号模块的指令信号进行数据提取的数据采集单板机、发送所述数据采集单板机的数据信号的回发数字信号模块以及将所述回发数字信号模块发送的数据信号进行编码并发送给所述分电声/声电换能器8的编码模块。所述中心处理机20包括接收来自所述主电声/声电换能器9的电信号并进行解码的解码模块、接收来自所述解码模块信号的接收数字信号模块、根据来自所述接收数字信号模块的指令信号进行数据处理的数据处理主机、发送所述数据处理主机的数据信号的发送数字信号模块以及将所述发送数字信号模块发送的数字信号进行编码并发送给所述主电声/声电换能器9的编码模块。所述解码模块由数字信号处理(DSP)硬件以及快速傅氏变换算法(FFT)数字滤波和解调模块构成。所述编码模块由数字信号处理(DSP)硬件以及快速傅氏变换算法(FFT)自适应选频和调制模块构成。

现在参见图5，在使用中，本发明的所述管线声波数字通讯系统中，设置在用户端的各个信息采集分站3中的用户计量表6用常规方式随时收集用户的计量数据；同时各个所述信息采集分站3的处理器7处于等待信息收集处理主站4的远程指令的状态。

当所述信息收集处理主站4中的中心处理机20以适于输送管线5的管壁声波传输的频率为基频，附以调制信号定时依次向各个所述信息采集分站3发送提取计量数据的远程指令后。首先所述远程指令经所述信息收集处理主站4中的所述编码模块将发送的数字信号进行自适应选频和调制编码成为电信号；该电信号由所述主电声/声电换能器9转换为声信号，并将该声信号耦合到所述输送管线5的管壁上而传向各个所述信息采集分站3。然后，所述信息采集分站3中与所述流体介质输送管线5的管壁偶合的所述分电声/声电换能器8接收所述管壁中传来的声信号并将该声信号转换为指令电信号。此后，所述信息采集分站3的所述处理器7接收所述电信号，并经过其中的解码模块对所述电信号进行数字滤波和解调，经识别确认是否为本信息采集分站3指令信号。经确认，相应的所述信息采集分站3的所述处理器7根据对应的指令信号提取本地所述用户计量表6中的计量数据，并将该计量数据的信号经所述回发数字信号模传递回到所述编码模块，在此所述数字信号进行自适应选频和调制编码，成为电信号。并将该电信号输出到所述分电声/声电换能器8；然后，所述分电声/声电换能器8将所述该计量数据的电信号转换为声信号，并将该声信号耦合到所述输送管线5的管壁传回所述信息收集处理主站4；进而，所述信息收集处理主站4中与所述流体介质输送管线5的管壁偶合的所述主电声/声电换能器9接收所述管壁的声信号并将该声信号转换为待处理电信号，所述待处理电信号经数字滤波和解调解码为数字信号。该电信号经所述信息收集处理主站4中的所述接收数字信号模块输送到所述数据处理主机进行处理。本发明的管线声波数字通讯系统反复进行上述过程，逐一地提取、传输并处理每一用户的计量表的计量信息，实现集中抄表的目的。在本实施例中，由于信息传输介质是固体，特别是金属材质的管壁，声音在其中的传播速度比流体信息传输介质重要快许多。这样，每一用户的信息提取和传输周期相对短的多，因而在单位时间内可以完成更多用户的抄表工作。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种管道声波数字通讯系统，包括设置在用户端的信息采集分站(3)，收集处理来自各个所述信息采集分站(3)信息的信息收集处理主站(4)，以及联结各个所述信息采集分站(3)与所述信息收集处理主站(4)之间作为信息传输信道的流体介质输送管线(5)；其中

所述信息采集分站(3)包括安装在用户管线(2)上的用户计量表(6)，与所述用户计量表(6)信号连接的处理器(7)，以及安装在所述用户管线(2)上并与所述处理器(7)信号连接的分电声/声电换能器(8)；

信息收集处理主站(4)包括安装在所述主输送管线(1)上的主电声/声电换能器(9)，以及与所述主电声/声电换能器(9)信号连接的中心处理机(20)；

其特征在于：

所述主电声/声电换能器(9)及各个所述分电声/声电换能器(8)用于接收所述流体介质输送管线(5)管壁的声信号并将该声音转换为电信号以及将电信号转换为适于所述管壁传输的声信号，并将该声信号偶合到所述管壁上。

2.根据权利要求1所述的管道声波数字通讯系统，其特征在于所述信息采集分站(3)中的所述分电声/声电换能器(8)与用户使用的管道设备之间设置阻声器(16)。

3.根据权利要求1所述的管道声波数字通讯系统，其特征在于所述信息收集处理主站(4)中的所述主电声/声电换能器(9)与所述管线系统中的输送动力机械之间设置阻声器(16)。

4.根据权利要求1所述的管道声波数字通讯系统，其特征在于所述处理器(7)包括接收来自所述分电声/声电换能器(8)的电信号并进行解码的解码模块、识别来自所述解码模块信号的识别接收信号模块、根据来自所述识别接收信号模块的指令信号进行数据提取的数据采集单板机、发送所述数据采集单板机的数据信号的回发数字信号模块以及将所述回发数字信号模块发送的数据信号进行编码并发送给所述分电声/声电换能器(8)的编码模块。

5.根据权利要求1所述的管道声波数字通讯系统，其特征在于所述中心处理机(20)包括接收来自所述主电声/声电换能器(9)的电信号并进行解码的解码模块、接收来自所述解码模块信号的接收数字信号模块、根据来自所述接收数字信号模块的指令信号进行数据处理的数据处理主机、发送所述数据处理主机的数据信号的发送数字信号模块以及将所述发送数字信号模块发送的数字信号进行编码并发送给所述主电声/声电换能器(9)的编码模块。

6.根据权利要求4或5所述的管道声波数字通讯系统，其特征在于所述解码模块由数字信号处理(DSP)硬件以及快速傅氏变换算法(FFT)数字滤波和解调模块构成。

7.根据权利要求4或5所述的管道声波数字通讯系统，其特征在于所述编码模块由数字信号处理(DSP)硬件以及快速傅氏变换算法(FFT)自适应选频和调制模块构成。

8.根据权利要求4或5所述的管道声波数字通讯系统，其特征在于所述解码模块和所述编码模块集成在同一由数字信号处理(DSP)硬件以及快速傅氏变换算法(FFT)模块构成的模块中，其中所述快速傅氏变换算法(FFT)模块在接受和发送数字信号的过程中分别完成数字滤波和解调与自适应选频和调制工作。

9.一种管道声波数字通讯方法，包括

-设置在用户端的各个信息采集分站(3)中的用户计量表(6)用常规方式随时收集用户的计量数据；

-同时各个所述信息采集分站(3)的处理器(7)处于等待信息收集处理主站(4)的远程指令的状态；

-所述信息收集处理主站(4)中的中心处理机(20)以适于输送管线(5)的管壁声波传输的频率为基频，附以调制信号定时依次向各个所述信息采集分站(3)发送提取计量数据的远程指令；

-所述远程指令经所述信息收集处理主站(4)中的主电声/声电换能器(9)转换为声信号，并将该声信号耦合到所述输送管线(5)的管壁而传向各个所述信息采集分站(3)；

-所述信息采集分站(3)中与所述流体介质输送管线(5)的管壁偶合的所述分电声/声电换能器(8)接收所述管壁的声信号并将该声信号转换为指令电信号；

-所述信息采集分站(3)的所述处理器(7)接收所述电信号，并经过对所述信号进行识别，确认是否为本信息采集分站(3)指令信号；

-经确认，相应的所述信息采集分站(3)的所述处理器(7)根据对应的指令信号提取所述用户计量表(6)中的计量数据，并将该计量数据的信号传递回到所述分电声/声电换能器(8)；

-所述分电声/声电换能器(8)将所述该计量数据的电信号转换为声信号，并将该声信号耦合到所述输送管线(5)的管壁传回所述信息收集处理主站(4)；

-所述信息收集处理主站(4)中与所述流体介质输送管线(5)的管壁偶合的所述主电声/声电换能器(9)接收所述管壁的声信号并将该声信号转换为待处理电信号。

10.根据权利要求9所述的管道声波数字通讯方法，其特征在于还包括对由声信号转换成的电信号进行数字滤波和解调解码还原成数字信号以及对即将发送的数字信号进行自适应选频和调制编码成电信号的步骤。

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