CN213958251U - 一种基于超声波传输技术的无线中继器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于超声波传输技术的无线中继器，属于配电自动化技术领域，包括超声波发送模块和超声波接收模块，超声波发送模块与智能配变终端中的微控制器连接，微控制器通信连接智能电表，将获取的电力数据发送给超声波发送模块，超声波发送模块用于对电力数据进行转换，将声波信号发送至超声波接收模块；超声波接收模块连接有设置在基站处的微处理器，微处理器与后台管理中心连接，用于接收声波信号进行转换，将得到电力数据发送至后台管理中心。本实用新型的无线中继器实现了智能配变终端与后台管理中心之间的数据传输，利用超声波技术能够实现信号的稳定传输，可靠性高，更适用于地下室、农村地区、城乡结合部等地区。

Description

一种基于超声波传输技术的无线中继器

技术领域

本实用新型属于配电自动化技术领域，具体涉及一种基于超声波传输技术的无线中继器。

背景技术

配电物联网是传统工业技术与物联网技术深度融合产生的一种新型电力网络形态，通过配电网设备间的全面互联、互通、互操作，实现配电网的全面感知、数据融合和智能应用，满足配电网精益化管理需求，支撑能源互联网快速发展，是新一代电力系统中的配电网。而随着系统处理数据的爆发性增长以及对数据实时性要求的提高，务必保证通信的稳定性。由于系统存在移动运营商网络部署盲点，因此研究无线公网中继器是保证整个低压配变高效运行的重要环节。

现有技术中，无线公网通信中继器是在低压智能配变方案中配套使用的必需设备，以解决信号盲区终端无法上线的问题，但是，由于无线公网通信频率特点以及网络建设现状，在地下室、农村地区、城乡结合部等地区存在通信信号差的问题，无法保证智能配变终端与主站(后台管理中心)之间稳定的数据传输，造成主站不能顺利实现对用户终端的管理。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于超声波传输技术的无线中继器，用于解决现有由于无线中继器通信信号差导致智能配变终端与后台管理中心之间无法顺利实现通信及管理的问题。

基于上述目的，一种基于超声波传输技术的无线中继器的技术方案如下：

包括超声波发送模块和超声波接收模块，其中，超声波发送模块设置在智能配变终端处，所述超声波发送模块与智能配变终端中的微控制器连接，所述微控制器用于通信连接智能电表，获取智能电表的电力数据，将电力数据发送给超声波发送模块，超声波发送模块用于对电力数据进行电-声信号转换，将声波信号发送至超声波接收模块；

所述超声波接收模块连接有微处理器，所述微处理器设置在信息交换基站处，所述微处理设置用于通信连接后台管理中心，所述超声波接收模块用于接收声波信号，进行声-电信号转换，将得到电力数据发送给微处理器，由微处理器将电力数据发送至后台管理中心。

上述技术方案的有益效果是：

本实用新型的无线中继器采用超声波发送模块和超声波接收模块，实现了智能配变终端与后台管理中心之间的数据传输，利用超声波技术能够实现信号的稳定传输，可靠性高，更适用于地下室、农村地区、城乡结合部等地区。

进一步的，为了实现电力数据的发出，所述的超声波发送模块包括多谐振荡器，所述的微控制器与多谐振荡器控制连接，用于控制多谐振荡器产生脉冲信号，所述多谐振荡器的输出端连接有驱动电路，该驱动电路驱动连接有第一声波传感器。

进一步的，所述多谐振荡器包括定时器U3、光电耦合器U1及充放电电路，光电耦合器U1的输入端连接控制器的微控制端，光电耦合器U1的输出端连接定时器U3的使能端，定时器U3的输出端连接后级的驱动电路；充放电电路包括依次串联的电阻R3、R6和电容C8，电阻R3、R6间的串联点连接定时器U3的Discharge端口，电阻R6和电容C8间的串联点连接定时器U3的Threshold端口和Trigger端口。其效果在于，多谐振荡器是一种利用555定时器构成的自激振荡器，在接通电源后无需加入触发信号，便能产生稳定可靠高速脉冲信号矩形脉冲，电路简单可靠；在进行2ASK调制时仅需微控制器控制555定时器的使能端即可完后调制，极大的简化调制过程。

进一步的，由于多谐振荡器输出的是小功率信号，且小功率信号不足以驱动第一声波传感器工作，需要对小功率信号进行功率放大，因此，为了实现信号的功率放大，以驱动第一声波传感器工作，所述的驱动电路包括推挽电路和电压隔离电路，推挽电路包括电阻R4和三极管Q1、Q2，电阻R4的一端连接定时器U3的输出端，电阻R4的另一端连接三极管Q1、Q2的基极，三极管Q1的集电极连接电源，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q2的集电极接地；

电压隔离电路包括电压隔离器T1，电压隔离器T1的原边电路上串设有电阻R2、原边绕组和开关管Q3，开关管Q3的控制端连接三极管Q1、Q2的发射极；电阻R2的一端连接有电源，电阻R2的另一端分别连接电容C1和电压隔离器T1的原边绕组，电压隔离器T1的副边绕组用于连接所述第一声波传感器。

进一步的，为了实现信号接收，所述的超声波接收模块包括第二声波传感器、前置放大电路、高通滤波电路和包络检波电路，第二声波传感器的输出端连接前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出端连接高通滤波电路，高通滤波电路的输出端经过包络检波电路连接所述微处理器，所述的包络检波电路用于对高通滤波电路输出的信号进行解调，解调成原始电信号。

进一步的，由于第二声波传感器接收的信号为微弱信号，需要对进行放大，为保证信号放大效果，所述的前置放大电路包括两级运放电路，第一级运放电路包括运算放大器U6A，第二级运放电路包括运算放大器U6B，所述运算放大器U6A的输出端连接运算放大器U6B的输入端。

进一步的，在信号放大后，同时也把干扰信号放大了，为滤除其中的干扰信号，即低频噪音，所述的高通滤波电路包括运算放大器U7A、电容C13、电阻R14构成的二阶高通滤波器，电容C13、电阻R14连接运算放大器U7A的同相输入端，运算放大器U7A的反相输入端连接运算放大器U7A的输出端。

进一步的，为了将超声波接收模块接收的信号还原成原始发送的电信号，所述的包络检波电路包括二极管D1、电容C14、电阻R10和R15，二极管D1的阳极连接高通滤波电路的输出端，二极管D1的阴极分别连接电容C14、电阻R10和R15，电阻R10和R15串联，电阻R10的高电位端连接有电源，电阻R15的低电位端连接地；所述二极管D1的阴极还引出端口PB1，用于连接基站的微处理器。

具体的，作为声波信号发射器，第一声波传感器的型号为GU1812A-40T；作为声波信号接收器，第二声波传感器的型号为GU1812A-40R。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的无线中继器的应用总体框图；

图2是本实用新型实施例中的超声波发送模块的电路图；

图3是本实用新型实施例中的多谐振荡器、驱动电路及声波传感器LS1的具体电路图；

图4是本实用新型实施例中的超声波接收模块的电路图；

图5是本实用新型实施例中的声波传感器LS2、前置放大电路、高通滤波电路、包络检波电路的具体电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

本实施例提出一种基于超声波传输技术的无线中继器，该无线中继器包括超声波发送模块和超声波接收模块，其应用的总体框图如图1所示，在智能配变终端1至智能配变终端n处分别设置一个超声波发送模块，分别为T1～Tn，各超声波发送模块的数据接收端通信连接相应的智能电表，用于获取智能电表采集的电力数据；在信息交换基站设置n个超声波接收模块，分别为R1～Rn，各超声波接收模块的数据发送端通信连接后台管理中心，通信方式优选采用无线GPRS通信，用于将从超声波发送模块接收的电力数据，转发给后台管理中心。

本实施例中，超声波发送模块的电路构成如图2所示，包括ARM结构的微控制器、多谐振荡器器、驱动电路和声波传感器器LS1，其中，微控制器的数据接收端通信连接智能电表，通信方式为RS232通信方式，微控制器的控制端通过多谐振荡器连接驱动电路，驱动电路驱动连接声波传感器LS1，微控制器用于输出控制指令，控制驱动电路通断，以控制声波传感器LS1发出声波数据。

该超声波发送模块的多谐振荡器、驱动电路及声波传感器LS1的具体电路构成如图3所示，多谐振荡器包括定时器U3(型号为LM555M/TR)、光电耦合器U1(Optoisolator1)及充放电电路，光电耦合器U1的输入端PA1连接微控制器的控制端，光电耦合器U1的输出端连接定时器U3的使能端Reset(也称复位端)，定时器U3的输出端Output连接后级的驱动电路；充放电电路包括依次串联的电阻R3、R6和电容C8，电阻R3、R6间的串联点连接定时器U3的Discharge端口(放电端口，引脚7)，电阻R6和电容C8间的串联点连接Threshold端口(阈值端口，引脚6)和Trigger端口(触发端口，引脚2)。

驱动电路包括推挽电路和电压隔离电路，推挽电路包括电阻R4和三极管Q1、Q2(Q1型号为2N3904，Q2型号为2N3906)，电阻R4的一端连接定时器U3的输出端，电阻R4的另一端连接三极管Q1、Q2的基极，三极管Q1的集电极连接+5V电源，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q2的集电极接地。电压隔离电路包括电压隔离器T1，电压隔离器T1的原边电路上串设有电阻R2、原边绕组和开关管Q3(优选IGBT)，开关管Q3的控制端连接三极管Q1、Q2的发射极；电阻R2的一端连接有+12V电源，电阻R2的另一端分别连接电容C1和电压隔离器T1的原边绕组，电压隔离器T1的副边绕组用于连接声波传感器LS1。本实施例中，声波传感器LS1的型号为GU1812A-40T，其作用是实现电-声信号转换，将电力数据转换成声波数据。

本实施例中，超声波发送模块的工作原理如下：

智能电表数据通过RS232通讯方式将数据传入微处理器中，微处理器产生40kHz的PWM波和串口数据经过非门缓冲后控制光电耦合器U1的通断。光电耦合器U1的原边接收微控制器发送的控制信号(即40kHz的PWM波)，激发光电耦合器U1的副边导通，此时多谐振荡器的使能端Reset导通，由低电平变为高电平，驱动多谐振荡器工作，多谐振荡器的充放电电路在充电时，通过电阻R3、R6向电容C8充电，该充电电路在放电时，电容C8通过电阻R6向定时器U3的Discharge端口(引脚7)放电；由定时器U3的输出端Output输出脉冲信号(方波信号)，该脉冲信号作为推挽电路的输入信号，经过推挽电路进行功率放大，推挽电路输出信号驱动开关管Q3，使电压隔离电路的原边电路导通，使电压隔离电路输出信号，以驱动声波传感器LS1发送声波信号。

本实施例中，超声波接收模块的电路构成如图4所示，包括依次连接的声波传感器LS2、前置放大电路、高通滤波电路、包络检波电路、微处理器，其中，声波传感器LS2的作用是实现声-电信号转换，将声波数据转换成电力数据；前置放大电路是用于将接收的微弱电信号进行放大，放大到幅值的可控范围之内，由于信号放大后存在许多干扰信号，故在此需要高通滤波器滤掉干扰信号，获得特定频率的调制信号；然后对该调制信号进行调制，还原出二进制数据，微处理器对解调的二进制数据(即电力数据)进行接收，并经过GPRS网传通道发送给后台管理中心。

该超声接收模块的声波传感器LS2、前置放大电路、高通滤波电路、包络检波电路如图5所示，声波传感器LS2的型号为GU1812A-40R，前置放大电路包括两级运放电路，第一级运放电路包括运算放大器U6A，第二级运放电路包括运算放大器U6B，运算放大器U6A、U6B均采用OP37实现。高通滤波电路包括运算放大器U7A(型号为TL082)、电容C13、电阻R14构成的二阶高通滤波器，电容C13、电阻R14连接运算放大器U7A的同相输入端，运算放大器U7A的反相输入端连接运算放大器U7A的输出端。

包络检波电路包括二极管D1、电容C14、电阻R10和R15，二极管D1的阳极连接高通滤波电路的输出端，二极管D1的阴极分别连接电容C14、电阻R10和R15，电阻R10和R15串联，电阻R10的高电位端连接+3.3V电源，电阻R15的低电位端连接地；并且，二极管D1的阴极还引出端口PB1，用于连接基站的微处理器。

本实施例中，在设计超声接收模块时，因为系统频率高，回波信号(即声波传感器LS2的接收信号)弱，需要设计成两级放大电路对信号进行放大；另外，考虑到超声接收模块要适应各种复杂环境，因此需要设计TL082构成高精度高通滤波器，以供回波信号放大后进一步滤波，滤除电路中的低频噪音；包络检波在接收电路中起着极其重要的作用，将电路中的接收信号转换为原始发送的电信号，最终送入后台管理中心进一步处理。

本实用新型的无线中继器的整体工作过程为：超声波发送模块将智能电表的电力数据转化为数字信息，然后编码，暂存，然后将电表的数据信息的二进制码脉冲送至驱动电路，驱动声波传感器LS1发射超声波振动信号，该信号沿着固体、空气等介质传输到信息交换基站附近，被安装在基站的超声波空气接收探头(即声波传感器LS2)接收，信号经过放大后送入微处理器的存储介质进行存储，并经过数据解码处理，得到电表的真实数据，并且在交换基站进行信息简单处理后，直接通过GPRS通讯方式上传至后台管理中心。

本实用新型的无线中继器的具有以下优点：

(1)以超声波的通讯方式的无线中继器，将信息以超声波的传输方式上传至信息交换基站，这与传统无线中继相比的，优势在于本实用新型的中继器适用环境为封闭环境中或者比较偏僻的山区，信号仍然能够稳定的传输。

(2)基于超声波传输技术的无线中继器联系智能配变终端和基站的桥梁，是两者进行数据传输必不可少的中间系统，能够保证数据传输的正确性和实时性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，包括超声波发送模块和超声波接收模块，其中，超声波发送模块设置在智能配变终端处，所述超声波发送模块与智能配变终端中的微控制器连接，所述微控制器用于通信连接智能电表，获取智能电表的电力数据，将电力数据发送给超声波发送模块，超声波发送模块用于对电力数据进行电-声信号转换，将声波信号发送至超声波接收模块；

所述超声波接收模块连接有微处理器，所述微处理器设置在信息交换基站处，所述微处理设置用于通信连接后台管理中心，所述超声波接收模块用于接收声波信号，进行声-电信号转换，将得到电力数据发送给微处理器，由微处理器将电力数据发送至后台管理中心。

2.根据权利要求1所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，所述的超声波发送模块包括多谐振荡器，所述的微控制器与多谐振荡器控制连接，用于控制多谐振荡器产生脉冲信号，所述多谐振荡器的输出端连接有驱动电路，该驱动电路驱动连接有第一声波传感器。

3.根据权利要求2所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，所述多谐振荡器包括定时器U3、光电耦合器U1及充放电电路，光电耦合器U1的输入端连接微控制器的控制端，光电耦合器U1的输出端连接定时器U3的使能端，定时器U3的输出端连接后级的驱动电路；充放电电路包括依次串联的电阻R3、R6和电容C8，电阻R3、R6间的串联点连接定时器U3的放电端口，电阻R6和电容C8间的串联点连接定时器U3的触发端口和阈值端口。

4.根据权利要求2所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，所述的驱动电路包括推挽电路和电压隔离电路，推挽电路包括电阻R4和三极管Q1、Q2，电阻R4的一端连接定时器U3的输出端，电阻R4的另一端连接三极管Q1、Q2的基极，三极管Q1的集电极连接电源，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q2的集电极接地；

电压隔离电路包括电压隔离器T1，电压隔离器T1的原边电路上串设有电阻R2、原边绕组和开关管Q3，开关管Q3的控制端连接三极管Q1、Q2的发射极；电阻R2的一端连接有电源，电阻R2的另一端分别连接电容C1和电压隔离器T1的原边绕组，电压隔离器T1的副边绕组用于连接所述第一声波传感器。

5.根据权利要求1所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，所述的超声波接收模块包括第二声波传感器、前置放大电路、高通滤波电路和包络检波电路，第二声波传感器的输出端连接前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出端连接高通滤波电路，高通滤波电路的输出端经过包络检波电路连接所述微处理器，所述的包络检波电路用于对高通滤波电路输出的信号进行解调，解调成原始电信号。

6.根据权利要求5所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，所述的前置放大电路包括两级运放电路，第一级运放电路包括运算放大器U6A，第二级运放电路包括运算放大器U6B，所述运算放大器U6A的输出端连接运算放大器U6B的输入端。

7.根据权利要求5所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，所述的高通滤波电路包括运算放大器U7A、电容C13、电阻R14构成的二阶高通滤波器，电容C13、电阻R14连接运算放大器U7A的同相输入端，运算放大器U7A的反相输入端连接运算放大器U7A的输出端。

8.根据权利要求5所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，所述的包络检波电路包括二极管D1、电容C14、电阻R10和R15，二极管D1的阳极连接高通滤波电路的输出端，二极管D1的阴极分别连接电容C14、电阻R10和R15，电阻R10和R15串联，电阻R10的高电位端连接有电源，电阻R15的低电位端连接地；所述二极管D1的阴极还引出端口PB1，用于连接基站的微处理器。

9.根据权利要求2-4任一项所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，第一声波传感器的型号为GU1812A-40T。

10.根据权利要求5-8任一项所述的基于超声波传输技术的无线中继器，其特征在于，第二声波传感器的型号为GU1812A-40R。

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