• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    本实用新型公开了一种水下全向磁感应通信电路，包括磁感应线圈和全向磁感应收发电路。磁感应线圈由三路互相正交的磁感应子线圈组成，且成对使用；全向磁感应收发电路设置于防水密封舱内，包括时钟电路、对外接口、低功耗处理器、调制解调电路、多路模拟开关、收发切换开关。低功耗处理器与时钟电路、对外接口、调制解调电路信号连接，多路模拟开关与调制解调电路、收发切换开关信号连接，收发切换开关信号与磁感应线圈信号连接。本实用新型避免了传统磁感应通信必须在方向对准的前提下才能使用的问题，实现了水下中等距离的非定向通信，且以低成本实现了水下中短距离的双向通信；适用于各种水下环境监测领域，具有广泛应用前景。
    公开号:CN214337903U
    申请号:CN202120555179.2U
    申请日:2021-03-18
    公开日:2021-10-01
    发明作者:张美燕；蔡文郁
    申请人:Zhejiang University of Water Resources and Electric Power；
    IPC主号:H04B5-02
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型属于磁感应通信技术领域，具体涉及一种利用三维正交磁感应线圈实现的水下全向磁感应通信电路。
    [n0002] 随着海洋环境保护、海洋资源勘探等需求的不断发展，海洋领域高新技术逐渐深入研究。水下传感数据收集、自然灾难预警、生态环境监测、水下机器人导航等一系列水下信息技术的发展，迫切需要一种能够实现水下全向通信的中短距离通信方法。以应用较为广泛的水下传感器网络为例，在节点分布较为密集的海洋环境监测应用中，水下高效通信技术不仅能提高环境监测效率，而且能在信息传递中大大降低传感器网络的功耗。目前水下通信方式最为主要的是水声通信，水声通信距离较大，但是水声通信具有带宽小、延时大、多径效应明显等缺陷，尤其面临着价格昂贵等问题，因此对于中短距离的水下应用场合并不适合。另一种可行的方法是水下光学通信，主要包括LED光通信和激光通信，水下光学通信的通信带宽较大，但是只能应用在能见度较高的清晰水体环境中，而且必须要有较为精准的角度对准方法。一般场景下的水体清晰度很难满足这种要求，因此水下光学通信的使用范围也非常有限。作为一种新型的水下通信方式，水下三维全向磁感应通信不仅克服了水声通信价格昂贵等问题，而且有效解决了水下光学通信严重依赖对准方向的问题。而常规磁感应的通信质量在通信收发线圈同时垂直于同一中轴线时才能达到最佳，无法实现任何方向下的可靠通信。
    [n0003] 针对上述技术问题，本实用新型利用三维全向磁感应线圈的磁感应强度与其位置和角度的几何关系，提出了一种基于三维正交线圈的水下全向磁感应通信电路，从而保证收发线圈在任何位置都能获得较好的感应磁通量，为获得更佳水下磁感应质量的通信链路提供技术支撑。
    [n0004] 采取的具体技术方案为：
    [n0005] 水下全向磁感应通信电路，包括磁感应线圈和全向磁感应收发电路，所述磁感应线圈由三路互相正交的磁感应子线圈组成，且成对使用；所述全向磁感应收发电路包括时钟电路、对外接口、低功耗处理器、调制解调电路、多路模拟开关、收发切换开关；所述低功耗处理器与时钟电路、对外接口、调制解调电路信号连接，所述调制解调电路与多路模拟开关信号连接，所述多路模拟开关与收发切换开关信号连接，所述收发切换开关信号与磁感应线圈信号连接；所述全向磁感应收发电路设置于防水密封舱内。
    [n0006] 进一步说，所述的磁感应线圈采用直径为10cm的防水漆包线绕制而成，每个线圈绕线数为20匝，通过水密件与全向磁感应收发电路的密封舱体连接。
    [n0007] 进一步说，所述的时钟电路采用PCF8523芯片。
    [n0008] 进一步说，所述的对外接口采用RS-232接口。
    [n0009] 进一步说，所述的低功耗处理器采用STM32L系列低功耗单片机。
    [n0010] 进一步说，所述的多路模拟开关采用能实现三路磁感应线圈工作模式切换的ADG333A芯片。
    [n0011] 进一步说，所述的调制解调电路的调制芯片选用ATA5276，解调芯片选用AS3933，ASK载波频率为125KHz。
    [n0012] 进一步说，所述的收发切换开关采用负责接收和发送状态切换的快速响应继电器。
    [n0013] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
    [n0014] (1)提供了一种采用三个正交感应线圈的方式实现了水下全向通信，避免了传统磁感应通信必须在方向对准的前提下才能使用的问题，实现了水下中等距离的非定向通信。
    [n0015] (2)本实用新型成本低廉，与目前的水下通信方式相比，价格下降了几十倍，以极低的成本实现了水下十米左右距离的双向通信；可以较好地适用于目前各种水下环境监测领域，具有广泛的应用前景。
    [n0016] 图1为本实用新型的应用示意图；
    [n0017] 图2为本实用新型的全向磁感应收发电路功能模块框图；
    [n0018] 图3为本实用新型收发线圈所构成的磁感应谐振原理图。
    [n0019] 下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
    [n0020] 本实用新型的水下全向磁感应通信电路主要由三路互相正交的磁感应线圈和全向磁感应收发电路组成，电路与三路互相正交的磁感应线圈通过接插件信号连接。全向磁感应收发电路包括全向磁感应发射电路和全向磁感应接收电路，放置在防水密封舱内，三维正交发射线圈和三维正交接收线圈由防水漆包线绕制而成，通过水密件与全向磁感应发射电路和全向磁感应接收电路的舱体连接。
    [n0021] 如图1所示，感应线圈a、b、c分别表示磁感应发射线圈垂直于z、y、x轴的子线圈，线圈A、B、C表示磁感应接收线圈垂直于z、y、x轴的子线圈；B1、B2、B3分别表示感应节点的子线圈A、B、C感应出的磁感应强度；R表示感应节点和发射节点之间的距离。
    [n0022] 本实用新型所述的三路互相正交的磁感应发射线圈a、b、c为源信号线圈，依次在三维空间产生两两相互正交的分布磁场，再由相距R的三维正交磁感应接收线圈A、B、C分别感应出不同方向的磁感应强度，最终获得与源信号线圈相同的数据信号。反向亦可行。
    [n0023] 距离R与磁场强度B的关系公式为：
    [n0024]
    [n0025] 其中u0为磁导率，N为匝数，r为感应线圈半径，I为通过感应线圈的电流，R为线圈中心到被测点的距离，i为x、y、z方向上的距离。求解x、y、z方向的磁场强度，通过矢量加法计算，可求得最后的磁场强度大小。
    [n0026] 如图2所示，本实用新型所述的水下全向磁感应通信电路的功能模块主要包括：时钟电路、对外接口、低功耗处理器、调制电路、解调电路、两路多路模拟开关、收发切换开关和磁感应线圈。所述低功耗处理器分别与时钟电路、对外接口、调制电路、解调电路信号连接，调制电路与解调电路分别与两路多路模拟开关信号连接，两路多路模拟开关分别与收发切换开关信号连接，收发切换开关信号与磁感应线圈A、B、C或a、b、c信号连接。
    [n0027] 所述的三路正交的磁感应线圈采用直径为10cm的漆包线绕制而成，每个线圈绕线数为20匝。时钟电路采用PCF8523芯片，为整体系统提供精确的时刻信息；对外接口采用标准的RS-232接口，将通信数据进行输入和输出；低功耗处理器采用STM32L系列低功耗单片机，负责整体系统的运行；两路多路模拟开关采用ADG333A芯片，实现三路磁感应线圈的工作模式切换；调制电路和解调电路负责ASK信号的调制与解调，ASK载波频率为125KHz，调制芯片选用ATA5276，解调芯片选用AS3933。所述的收发切换开关采用快速继电器，主要负责接收和发送状态的切换。供电电路将3.7V锂电池电压降压至3.3V，升压至5V和12V，分别给各个电路模块提供电源。水下收发线圈磁感应谐振原理如图3所示，左边为全向磁感应发射电路，采用串联谐振电路；右边为全向磁感应接收电路，采用并联谐振电路，其中L＝345uH，C＝4.7nF，谐振频率f＝125kHz，线圈直径设置为10cm。
    [n0028] 所述的水下全向磁感应通信电路成对使用，其工作原理如下：发射端水下全向磁感应通信电路从对外接口接收到传感器数据或指令，然后发送到低功耗处理器，低功耗处理器触发调制电路、多路模拟开关和收发切换开关，将数据调制后发送到感应线圈a、b、c。接收端水下全向磁感应通信电路的感应线圈A、B、C感应数据传输到收发切换开关、多路模拟开关和解调电路，解调后的信号输出至低功耗处理器，通过对外接口进行数据输出。反向通信的原理与上述相同，因此可以实现双向半双工通信。
    [n0029] 本实用新型与现有技术相比，本实用新型提供了一种采用三个正交感应线圈的新型水下磁感应通信方法，无方向影响，仅考虑最优情况，即两个线圈大小相同，且完全正对时，则y＝R，此时公式1进行化简，关系如下：
    [n0030]
    [n0031] 则以极低的成本实现了水下10米左右中等距离的双向通信，解决了传统磁感应通信必须依靠方向对准才能通信的难题。能达到的技术指标为：通信速率：1200bps；通信距离：≥10m；全向通信信道：三通道；通信误码率：<1e-5。
    [n0032] 以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
    权利要求:
    Claims (8)
    [0001] 1.水下全向磁感应通信电路，包括磁感应线圈和全向磁感应收发电路，其特征在于：
    所述磁感应线圈由三路互相正交的磁感应子线圈组成，且成对使用；
    所述全向磁感应收发电路包括时钟电路、对外接口、低功耗处理器、调制解调电路、多路模拟开关、收发切换开关；所述低功耗处理器与时钟电路、对外接口、调制解调电路信号连接，所述调制解调电路与多路模拟开关信号连接，所述多路模拟开关与收发切换开关信号连接，所述收发切换开关信号与磁感应线圈信号连接；
    所述全向磁感应收发电路设置于防水密封舱内。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的水下全向磁感应通信电路，其特征在于：所述的磁感应线圈采用直径为10cm的防水漆包线绕制而成，每个线圈绕线数为20匝，通过水密件与全向磁感应收发电路的密封舱体连接。
    [0003] 3.根据权利要求1所述的水下全向磁感应通信电路，其特征在于：所述的时钟电路采用PCF8523芯片。
    [0004] 4.根据权利要求1所述的水下全向磁感应通信电路，其特征在于：所述的对外接口采用RS-232接口。
    [0005] 5.根据权利要求1所述的水下全向磁感应通信电路，其特征在于：所述的低功耗处理器采用STM32L系列低功耗单片机。
    [0006] 6.根据权利要求1所述的水下全向磁感应通信电路，其特征在于：所述的多路模拟开关采用能实现三路磁感应线圈工作模式切换的ADG333A芯片。
    [0007] 7.根据权利要求1所述的水下全向磁感应通信电路，其特征在于：所述的调制解调电路的调制芯片选用ATA5276，解调芯片选用AS3933，ASK载波频率为125KHz。
    [0008] 8.根据权利要求1所述的水下全向磁感应通信电路，其特征在于：所述的收发切换开关采用负责接收和发送状态切换的快速响应继电器。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    ES2545960T3|2015-09-17|MIMO colaborativo de múltiples estaciones base interactivo de baja información procedimiento y aparato de planificación correspondientes
    US10137794B2|2018-11-27|Method and apparatus for a wireless charging system
    CN102468872A|2012-05-23|近场通信系统
    CN105871079B|2019-01-04|一种适用于智能铣削刀具的无线传输系统
    CN104280780A|2015-01-14|核磁共振与瞬变电磁联用仪及工作方法
    WO2018188355A1|2018-10-18|一种地下磁感应无线通信装置与方法
    CN102267542A|2011-12-07|浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置
    CN206339850U|2017-07-18|基于LoRa远距离通信的户外旅游安全保障设备
    CN109728858A|2019-05-07|水下多向激光通信装置
    CN214337903U|2021-10-01|水下全向磁感应通信电路
    CN102088659A|2011-06-08|基于无线传感器网络的水下生命搜救系统
    CN108681338A|2018-10-19|一种水下航行器的遥测遥控系统
    CN109099907A|2018-12-28|一种基于动态磁场分布的近距离无人机精确定位方法与引导系统
    CN208255062U|2018-12-18|一种水下移动式水质监测系统
    Khalil et al.2020|Towards the Internet of underwater things: Recent developments and future challenges
    CN208207222U|2018-12-07|水务遥测定位设备及水务遥测定位系统
    CN205002795U|2016-01-27|一种辅助船舶航行的海洋信息传感网系统
    CN106937348A|2017-07-07|水下无线传感网组网方法及水下无线传感网节点装置
    CN105572628A|2016-05-11|基于低轨道海事卫星通讯的ais搜救示位标设备
    KR101797563B1|2017-11-15|근거리 통신 및 무선 전력 송수신 시스템
    CN108540931A|2018-09-14|一种井下区间分段式视距节点合作定位算法
    CN208351724U|2019-01-08|一种多功能船舶自动识别系统
    CN101982954B|2013-07-24|一种发电厂多载波多电量变送器
    CN208971545U|2019-06-11|一种资产管理网关装置和资产管理系统
    CN207731277U|2018-08-14|基于rfid技术的位置识别系统
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    CN202120555179.2U|CN214337903U|2021-03-18|2021-03-18|水下全向磁感应通信电路|CN202120555179.2U| CN214337903U|2021-03-18|2021-03-18|水下全向磁感应通信电路|
    [返回顶部]