一种基于地下管道的弹性导波无线通信系统及方法
阅读说明：本技术 一种基于地下管道的弹性导波无线通信系统及方法 (Elastic guided wave wireless communication system and method based on underground pipeline ) 是由 宦惠庭 黄丽萍 詹劲松 彭翠玲 刘丽娴 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及管道无线通信领域,特别是一种基于地下管道的弹性导波无线通信系统及方法,其特征是：至少包括地上通信单元(2)、地下通信单元(1)；所述地下通信单元(1)包括第一控制单元(3)、环形换能器(4)、管道(5)、条形换能器(6)、无线信号发送单位(7)、传感器组(31)、第一控制单元微控制器(32)；所述地上通信单元(2)包括：无线信号发送单位(7)、天线(8)、第二控制单元(9)。它以便能对多节用螺旋接头连接或者无缝焊接起来的地下管道进行通信,最终建立全无线地上地下管道通信网络,解决易燃易爆资源的管道传输中的检测和通信。(The invention relates to the field of pipeline wireless communication, in particular to an elastic guided wave wireless communication system and method based on an underground pipeline, which is characterized in that: the system at least comprises an above-ground communication unit (2) and an underground communication unit (1); the underground communication unit (1) comprises a first control unit (3), an annular transducer (4), a pipeline (5), a strip-shaped transducer (6), a wireless signal sending unit (7), a sensor group (31) and a first control unit microcontroller (32); the above-ground communication unit (2) comprises: a wireless signal transmission unit (7), an antenna (8), and a second control unit (9). The method can conveniently communicate multiple sections of underground pipelines connected by spiral joints or welded seamlessly, finally establish a full-wireless underground pipeline communication network, and solve the detection and communication in the pipeline transmission of flammable and explosive resources.)
技术领域
本发明涉及管道无线通信领域，特别是一种基于地下管道的弹性导波无线通信系统及方法，适用于带有多个管道接口或无缝焊接的长距离地下管道信号通过管道内壁弹性导波的传输实现管道通信。
背景技术
在解决各地区资源分配不均的情况下，以管道输送方法为主。随着数字化时代的到来，管道工作过程中需要将管道内部的工况数据实时的传递给监控中心，方便下一步工作人员的操作。从当前的情况来看，管道信号传输多采用有线或无线通信方式为主，将管道内部的工况数据实时的发送给管道监控中心端。无线通信和有线通信都是通过电磁波传输信号，但对于天然气、液化气等一些易燃易爆油气资源的传输，不能使用电磁场传输信号，会产生电场打火现象，容易造成火灾。 所以在一些天然气、液化气环境下，不使用电磁场传输信号。
因此，对于基于地下管道的弹性导波无线通信系统的改进可以从三个方面进行：（1）基于地下管道的弹性导波无线通信系统的通信信道是管道。相对于其他通信系统在地下需要搭建网络环境，管道作为通信信道对网络环境要求不高，信号传输更加稳定、可靠。（2）管道内壁的弹性导波作为地下传输信号。首先，相对于地下无线4G、wifi及其他微波信号在管道传输过程中信号衰减很强，而管道内壁弹性导波作为地下管道传输信号在管道中传播速度快、衰减小、可进行远距离传输，有利于通信。其次，管道内壁弹性导波作为地下管道传输信号，管道周围不会出现电磁场，避免了电磁打火这一现象产生。弹性导波作为传输信号解决了液化气，天然气环境限制的问题，具备设备成本降低等优点，成为当前的研究热点。（3）管道另一端接收到的管道内壁弹性导波通过天线发送，在监控端的液晶屏接收信号，实时观看管道工作情况等，实现地上地下全无线通信。
针对地下管道通信过程中管道内壁弹性波发送和接收，可以根据压电晶体的谐振来震荡的，即压电效应。如果在压电陶瓷材料周围施加一个电场，压电陶瓷材料本身会产生细小的形变，这是将电能转化成机械能的过程，这个过程可以用于管道内壁弹性导波信号的发送。压电陶瓷对压力比较的敏感，对压电陶瓷材料外界施加一个力在其表面，压陶瓷材料表面会产生电荷，这是将机械能转化成电能的过程，这个过程可以用于管道内壁弹性导波信号的接收。然后通过对接收来的管道内壁弹性导波信号分析处理，可达到地下管道无线信号传输的目的。
目前，多节地下管道无线通信系统这一研究技术还只是局限在理论方面的探讨，缺少系统设计方面的研究，另外在超声换能器与介质的之间的耦合也没有得到更好的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于地下管道的弹性导波无线通信系统及方法，以便能对多节用螺旋接头连接或者无缝焊接起来的地下管道进行通信，最终建立全无线地上地下管道通信网络，解决易燃易爆资源的管道传输中的检测和通信。
本发明的目的是这样实现的，一种基于地下管道的弹性导波无线通信系统，其特征是：至少包括地上通信单元(2)、地下通信单元(1)；
所述地下通信单元(1)包括第一控制单元(3)、环形换能器(4)、管道(5)、条形换能器(6)、无线信号发送单位(7)、传感器组(31)、第一控制单元微控制器(32)；
所述地上通信单元(2)包括：无线信号发送单位(7)、天线(8)、第二控制单元(9)；
所述第一控制单元微控制器(32)通过获取传感器组(31)采集需传输的管道信息，通过控制环形换能器(4)向管道(5)的内壁发送弹性导波，将第一控制单元微控制器(32)的电信号信息转换成高频管道径向振动机械波，以弹性波的形式在管道(5)上传输；
在管道(5)的另一端的条形换能器(6)阵列，作为接收管道内壁弹性导波的声电换能器，声电换能器产生的电信号被无线信号发送单位(7)和天线(8)无线发送给第二控制单元(9)读取；第二控制单元(9)的信号处理电路以及解调环节，最后将地下管道环境信息与内部信息通过地上通信单元(1)的外部天线实现无线通信，由第二控制单元微控制器(91)将信息显示在液晶屏显示单元(92)上，实现全无线地上地下管道网络通信；
环形换能器(4)作为发送管道内壁弹性导波的声电换能器，将第一控制单元(3)的电信号信息转换成高频管道径向振动机械波，以弹性波的形式在管道(5)上传输；条形换能器(6)阵列作为接收管道(5)内壁弹性导波的声电换能器，由声电换能器和无线信号发送模块接收管道内壁弹性导波并转换为电信号；通过第二控制单元(9)的信号处理电路以及解调环节，最后将地下管道环境信息与内部信息显示在液晶屏上，实现全无线地上地下管道网络通信。
所述的地上通信单元(2)至少包括：天线（8）、第二单元电源模块（911）、第二单元带通滤波器（912）、第二单元功率放大器（913）、ADC转换电路（915）、信号解调（914）、第二控制单元微控制器（916）和显示单元（92）；第二单元电源模块（911）供给第二单元带通滤波器（912）、第二单元功率放大器（913）、信号解调（914）、ADC转换电路（915）、第二控制单元微控制器（916）和显示单元（92）所需要的电压，天线（8）将接收的无线信息经第二单元带通滤波器（912）滤波，然后经第二单元功率放大器（913）将信号放大，在由信号解调（914）解调，解调后由ADC转换电路（915）转换成数字信号，数字信号经第二控制单元微控制器（916）进行处理，最后显示单元（92）显示地下管道所处环境温湿度以及管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强等管道内部信息。
所述的第一控制单元（3）至少包括传感器组（31）、第一控制单元微控制器（32）、第一单元电源模块（321）、信号放大电路（322）、信号滤波电路（323）、非线性校正电路（324）、信号转换电路（325）、第一信号处理单元（326）、带通滤波器（327）、功率放大器电路（328）；传感器组（31）、第一控制单元微控制器（32）、第一单元电源模块（321）、信号放大电路（322）、信号滤波电路（323）、非线性校正电路（324）、信号转换电路（325）、第一信号处理单元（326）、带通滤波器（327）、功率放大器电路（328）依次电连接；传感器组（31）采集到的信息依次经过电连接的信号放大电路（322）、信号滤波电路（323）、非线性校正电路（324）、信号转换电路（325）到第一信号处理单元（326），由第一信号处理单元（326）进行信号解调将传感器组（31）的各种被测量物理量转换成打包的电信号，在由功率放大器电路（328）和带通滤波器（327）转换成一定频率，一定幅值的电信号驱动环形换能器（4）工作。
所述的无线信号发送模块至少包括无线信号发送电源模块（72）、无线发送信号处理器（71）、信号调制单元（73）和功率输出电路（74），管道弹性导波传输的频率一般为低频信号，所以需要无线发送信号处理器（71）将信号经信号调制单元（73）调制成适合地上无线通信的频率，最后由功率输出电路（74）驱动天线（8）进行无线发送。
带通滤波器设计成适合管道弹性波传输的频带，滤掉其他频带内的杂波，带通滤波器包括：带通滤波器（327）和第二单元带通滤波器（912）。
所述的适合在适合管道弹性波传输的电信号是转换成管道径向振动机械波其频带是20KHz-50KHz的低频信号。
所述的功率放大器电路（328）用于放大声电换能器转换工作所需的功率，其功率为从管道一端传送信息到管道另一端由环形换能器（4）作为发送管道内壁弹性导波的声电换能器，条形换能器（6）阵列，作为接收管道内壁弹性导波的声电换能器的需的功率。
一种基于地下管道的弹性导波无线通信方法，其特征是：第一步：由传感器组获取管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强的管道模电信息；
第二步：由第一控制单元对第一步的信号进行滤波、放大和数字处理；
第三步：对上述管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强按分类进行打包；
第四步：对打包信号进行功率放大，驱动环形换能器，激励发送声电换能器产生管道内壁弹性导波；
第五步：由条形换能器接收声电换能器接收来自发送端发送的管道内壁弹性导波；
第六步：通过地上通信单元2无线发送到地上处理器；
第七步：地上处理器对接收的信息进行解包处理，在终端显示器，
对管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强按分类进行打包，是按字节顺序排列的数据，内部流体速度、流体液面、管道内部压强各占多少节字，包括校验位。
本发明的优点是：
本发明提供了针对多节用螺旋接头连接或者无缝焊接起来的地下管道，通过有限元建模分析得到该管道内壁弹性导波传输的最佳频率范围，将模拟或数字信号经由信号调理与处理电路加载至换能器。发送并接收该频率范围内的管道内壁弹性导波，将接收到的管道内壁弹性导波通过滤波，放大等一系列的信号调理实现管道地下无线通信。无线信号发送模块对压电信号进行调制等处理后，无线信号发送模块完成自由空间无线信号传输，第二控制单元微控制器将自由空间无线信号接收并进行信号处理以及解调处理后将管道信息发送到液晶屏显示，最终建立全无线地上地下管道通信网络本发明中地下管道并不是基于电磁波的无线或有线通信，而是通过管道内壁弹性导波实现无线通信，对于易燃易爆资源的管道传输行业来说，该系统有重要的实际意义，是非常有价值的研究。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明基于地下管道弹性导波无线通信系统图；
图2是本发明第一控制单元原理图
图3是本发明第二控制单元原理图；
图4是本发明无线信号发送模块原理图；
图5是本发明信号回路流程图。
图中，1、地下通信单元；2、地上通信单元；3、第一控制单元；4、环形换能器；5、管道；6、条形换能器；7、无线信号发送单位；8、天线；9、第二控制单元；31、传感器组；32、第一控制单元微控制器；71、无线发送信号处理器；72、无线信号发送电源模块；73、信号调制单元；74、功率输出电路； 321、第一单元电源模块；322、信号放大电路；323、信号滤波电路；324、非线性校正电路；325、信号转换电路；326、第一信号处理单元； 327、带通滤波器；328、功率放大器电路；91、第二控制单元微控制器；92、显示单元；911、第二单元电源模块；912、第二单元带通滤波器；913、第二单元功率放大器；914、信号解调；915、ADC转换电路；916、第二控制单元微控制器。
具体实施方式
如图1所示，一种基于地下管道的弹性导波无线通信系统，其特征是：至少包括地上通信单元2、地下通信单元1；
所述地下通信单元1包括第一控制单元3、环形换能器4、管道5、条形换能器6、无线信号发送单位7、传感器组31、第一控制单元微控制器32；
所述地上通信单元2包括：无线信号发送单位7、天线8、第二控制单元9；
所述第一控制单元微控制器32通过获取传感器组31采集需传输的管道信息，通过控制环形换能器4向管道5的内壁发送弹性导波，将第一控制单元微控制器32的电信号信息转换成高频管道径向振动机械波，以弹性波的形式在管道5上传输；
在管道5的另一端的条形换能器6阵列，作为接收管道内壁弹性导波的声电换能器，声电换能器产生的电信号被无线信号发送单位7和天线8无线发送给第二控制单元9读取；第二控制单元9的信号处理电路以及解调环节，最后将地下管道环境信息与内部信息通过地下通信单元1的外部天线实现无线通信，由第二控制单元微控制器91将信息显示在液晶屏显示单元92上，实现全无线地上地下管道网络通信；
环形换能器4作为发送管道内壁弹性导波的声电换能器，将第一控制单元3的电信号信息转换成高频管道径向振动机械波，以弹性波的形式在管道5上传输；条形换能器6阵列作为接收管道5内壁弹性导波的声电换能器，由声电换能器和无线信号发送模块接收管道内壁弹性导波并转换为电信号；通过第二控制单元9的信号处理电路以及解调环节，最后将地下管道环境信息与内部信息显示在液晶屏上，实现全无线地上地下管道网络通信。
如图2所示，给出第一控制单元3原理图，第一控制单元3至少包括传感器组31、第一控制单元微控制器32、第一单元电源模块321、信号放大电路322、信号滤波电路323、非线性校正电路324、信号转换电路325、第一信号处理单元326、带通滤波器327、功率放大器电路328；传感器组31、第一控制单元微控制器32、第一单元电源模块321、信号放大电路322、信号滤波电路323、非线性校正电路324、信号转换电路325、第一信号处理单元326、带通滤波器327、功率放大器电路328依次电连接；传感器组31采集到的信息依次经过电连接的信号放大电路322、信号滤波电路323、非线性校正电路324、信号转换电路325到第一信号处理单元326，由第一信号处理单元326进行信号解调将传感器组31的各种被测量物理量转换成打包的电信号，在由功率放大器电路328和带通滤波器327转换成一定频率，一定幅值的电信号驱动环形换能器4工作。功率放大器电路328用于放大声电换能器转换工作所需的功率，其功率为从管道一端传送信息到管道另一端由环形换能器4作为发送管道内壁弹性导波的声电换能器，条形换能器6阵列，作为接收管道内壁弹性导波的声电换能器的需的功率。
如图3所示，给出地上通信单元2的电原理图，地上通信单元2至少包括：天线8、第二单元电源模块911、第二单元带通滤波器912、第二单元功率放大器913、ADC转换电路915、信号解调914、第二控制单元微控制器916和显示单元92；第二单元电源模块911供给第二单元带通滤波器912、第二单元功率放大器913、信号解调914、ADC转换电路915、第二控制单元微控制器916和显示单元92所需要的电压，天线8将接收的无线信息经第二单元带通滤波器912滤波，然后经第二单元功率放大器913将信号放大，在由信号解调914解调，解调后由ADC转换电路915转换成数字信号，数字信号经第二控制单元微控制器916进行处理，最后显示单元92显示地下管道所处环境温湿度以及管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强等管道内部信息。
带通滤波器去除杂波，有效的抑制了噪声干扰。功率放大器进行放大适合管道传输的频带信号，ADC转换芯片将数字信号传给处理芯片进行解调解码等操作并传给显示单位，最后所有的数据在液晶屏上进行显示。
如图4所示，给出无线信号发送模块原理图，无线信号发送模块至少包括无线信号发送电源模块72、无线发送信号处理器71、信号调制单元73和功率输出电路74，管道弹性导波传输的频率一般为低频信号，所以需要无线发送信号处理器71将信号经信号调制单元73调制成适合地上无线通信的频率，最后由功率输出电路74驱动天线8进行无线发送。
如图5所示，给出信号回路流程图：
一种基于地下管道的弹性导波无线通信方法，其特征是：至少包括如下方法：
第一步：由传感器组获取管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强等一些数据量较小的管道模电信息；
第二步：由第一控制单元对第一步的信号进行滤波、放大和数字处理；
第三步：对上述管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强按分类进行打包；打包，是按字节顺序排列的数据，内部流体速度、流体液面、管道内部压强各占多少节字，包括校验位。
第四步：对打包信号进行功率放大，驱动环形换能器，激励发送声电换能器产生管道内壁弹性导波；
第五步：由条形换能器接收声电换能器接收来自发送端发送的管道内壁弹性导波；
第六步：通过地上通信单元2无线发送到地上处理器；
第七步：地上处理器对接收的信息进行解包处理，在终端显示器进行显示。
本发明中适合在管道上传输的电信号是转换成管道径向振动机械波其频带是20KHz-50KHz的低频信号。
对管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强按分类进行打包，是按字节顺序排列的数据，内部流体速度、流体液面、管道内部压强各占多少节字，包括校验位。
本发明中，无线传输的信息主要是地下管道所处环境温湿度以及管道内部流体速度、流体液面、管道内部压强等一些数据量较小的管道信息，通过这些信息可以判断管道的工作状况，传输的管道信息地下管道所处环境温湿度信息、管道内部流体速度信息、流体液面信息、管道内部压强信息；传输的管道信息或将信号放大、信号滤波、非线性校正处理，对传感器输出的信号经过信号转换环节转换成所需要的电流或者电压形式，带通滤波器设计成适合管道弹性波传输的频带，滤掉其他频带内的杂波；功率放大器放大到声电换能器的转换工作所需的功率，其功率为从管道一端传送信息到管道另一端由环形换能器4作为发送管道内壁弹性导波的声电换能器，条形换能器6阵列，作为接收管道内壁弹性导波的声电换能器的需的功率，第一控制单元微控制器激励发送声电换能器产生管道内壁弹性导波，接收声电换能器接收来自发送端发送的管道内壁弹性导波。无线信号发送模块与接收声电换能器连接，接收其转换的电信号并将其调制成一定频率的信号，该信号通过天线传输给第二控制单元微控制器。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
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