一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，包括超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块，所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器；本实用新型专利技术以超声波为能量传输载体，无需通过任何物理连接就能完成水下物联网节点的能量补给，为水下用电设备长期稳定的工作提供保障，同时适用于易燃易爆、易受电磁干扰等其他特殊场合设备的安全供电。

An energy replenishment system based on ultrasonic for underwater Internet of things nodes

The utility model discloses an energy supply system for underwater Internet nodes based on ultrasonic wave, including an ultrasonic energy transmitting module and an underwater network node receiving module. The ultrasonic energy transmitting module includes a first controller, a first ultrasonic transducer, a driving circuit, a matching circuit, an intelligent cloud platform and a display circuit. The receiving module includes second ultrasonic transducer, rectifier filter circuit, voltage stabilizing circuit, charging circuit and second controller. The utility model takes ultrasonic as the energy transmission carrier, and does not need to complete the energy supply of the underwater network node by any physical connection, and is long for the underwater electric equipment. It provides protection for stable work, and is suitable for the safe power supply of other special occasions such as flammable, explosive and electromagnetic interference.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统
本技术涉及超声学
，特别是一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统。
技术介绍
面对水下环境的特殊性和复杂性，水下物联网技术为人们探索与开发海洋资源提供了新的手段。水下环境的感知、监测和快速反应以及水陆物体之间的互联互通，必然需要大量的水下设备。然而水下物联网的寿命与节点寿命密切相关，大量采用电池供电的水下设备通常难以获得能量补充。利用传统的“打捞—更换—投放”的水下续航模式，会带来电池仓水密性和安全性差等问题。因此，为了提高水下物联网的生存周期，解决电池频繁更换困难等问题，亟需研究水下物联网节点的能量补给技术。无线电能传输技术作为一种新型的电能传输技术，具有强大的环境适应性，能够有效地解决有线充电存在的充电接口裸露、易产生接触火花、灵活性差等诸多问题。目前实现无线能量传输主要有电磁感应、电磁耦合共振、基于微波或光波的远场辐射等方式，而以超声波作为能量传输媒介的研究相对较少。日本有学者论述了通过超声波给低功率移动设备无线充电的方法，国内也有人研究在密封环境下，如何通过超声波定期给电子设备充电。然而这些研究都只局限在空间环境下基于超声波的能量传输技术，在自由空间中超声波传播衰减严重，传输距离较近，相比电磁波无明显优势。现有的无线能量传输技术在水下环境中普遍存在传输距离短、效率低、易产生电磁干扰等问题，传统供能方式易带来维护困难、灵活性和安全性差以及废旧电池污染等问题。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，本技术以超声波为能量传输载体，无需通过任何物理连接就能完成水下物联网节点的能量补给。本技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本技术提出的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，包括超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块，所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器；其中，第一控制器与智能云台、驱动电路、显示电路分别连接，第一超声换能器搭载在智能云台上，驱动电路、匹配电路、第一超声换能器依次顺序连接，第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路依次顺序连接，第二控制器与第二超声换能器、充电电路分别连接；其中，驱动电路作为超声频电发生器，在第一控制器的控制下驱动电路用于将工频电转化成与第一超声换能器谐振频率一致的电，并且通过匹配电路进行阻抗变换后驱动第一超声换能器工作，从而控制第一超声换能器的发射功率；显示电路，用于实时显示能量补给系统的工作状态和工作时间；智能云台在第一控制器的控制下进行方向移动，从而使得搭载在智能云台上的第一超声换能器进行旋转，第一超声换能器对水下物联网节点接收模块中受第二控制器控制的第二超声换能器搜索定位；当第一超声换能器与第二超声换能器同轴心时，第一超声换能器向第二超声换能器持续传送超声能量，第二超声换能器接收到超声波能量，经正压电效应转换为高频电，再经过整流滤波电路整流滤波、稳压电路稳压后供给受第二控制器控制的充电电路使用；充电电路用于对水下物联网节点直流用电设备充电使用。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，第一超声换能器、第二超声换能器均为压电陶瓷超声换能器。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，压电陶瓷超声换能器采用在压电陶瓷晶片的正面和背面附加上四分之一波长复合材料匹配层和背衬，以实现声阻抗的匹配。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，整流滤波电路为单相桥式全波整流电路。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，匹配电路为串联型电感-电容匹配电路。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，显示电路为液晶显示电路。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，稳压电路为DC-DC变换电路。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，充电电路为受第二控制器控制的可编程的锂电池充电管理芯片。作为本技术所述的一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统进一步优化方案，第一控制器、第二控制器均为单片机。本技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：（1）本技术以超声波为能量传输载体，无需通过任何物理连接就能完成水下物联网节点的能量补给，为水下设备长期稳定的工作提供保障，并且能够从根本上解决传统供能方式带来的维护困难、灵活性和安全性差以及废旧电池污染等问题；超声波用于水下无线能量传输相对其他传输方式具有方向性好、穿透能力强、传播距离远、无电磁辐射和能量易于集中等诸多优点；（2）本技术利用超声换能器的电学及声学匹配、智能云台搜索定位及发射端功率可控技术，在降低系统整体能耗的同时能够解决目前无线能量传输技术在水中传输距离近、功率小、效率低等问题；（3）本技术不仅适用于一般水下环境用电设备的能量供给，而且特别适用于其他特殊场合设备的安全供电，比如易燃易爆、易受电磁干扰等环境，亦可作为一种通用型非接触式无线充电装置。附图说明图1是本技术的系统结构框图。图2是本技术的系统工作过程流程图。图3是本技术的智能云台搜索定位流程图。具体实施方式下面结合附图对本技术的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示，一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统主要由超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块两个部分组成。所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器。第一控制器、第二控制器均为超低功耗单片机。所述第一控制器为系统的控制核心，负责智能云台移动的方向控制和发射功率控制；所述第一超声换能器为压电陶瓷超声换能器，利用压电材料的逆压电效应，实现电能-机械能-声能转换，并且采用加四分之一波长复合材料匹配层和背衬的方式，实现声阻抗的匹配；所述驱动电路作为超声频电发生器，将工频电转化成与第一超声换能器谐振频率一致的电，驱动第一超声换能器正常工作；所述匹配电路为串联型电感-电容匹配电路，起到阻抗变换，提高驱动电路输出功率和效率的作用；所述智能云台为搭载第一超声换能器的双轴数控云台，根据第一控制器发送的指令信号，实现换能器姿态调整；所述显示电路为低功耗液晶，用于实时显示系统工作状态、工作时间等关键信息。所述第二超声换能器的各项参数与第一超声换能器相同，以实现能量的强耦合，利用压电材料的正压电效应，实现声能-机械能-电能转换；所述整流滤波电路为单相桥式全波整流电路，将第二超声换能器经正压电效应产生的交流电转换为直流电；所述稳压电路为DC-DC变换电路，将整流滤波输出的信号转换成适宜用电节点所需的稳定的电压信号；所述充电电路为可编程的锂电池充电管理芯片，可根据输入电压源本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，包括超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块，所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器；其中，第一控制器与智能云台、驱动电路、显示电路分别连接，第一超声换能器搭载在智能云台上，驱动电路、匹配电路、第一超声换能器依次顺序连接，第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路依次顺序连接，第二控制器与第二超声换能器、充电电路分别连接；其中，驱动电路作为超声频电发生器，在第一控制器的控制下驱动电路用于将工频电转化成与第一超声换能器谐振频率一致的电，并且通过匹配电路进行阻抗变换后驱动第一超声换能器工作，从而控制第一超声换能器的发射功率；显示电路，用于实时显示能量补给系统的工作状态和工作时间；智能云台在第一控制器的控制下进行方向移动，从而使得搭载在智能云台上的第一超声换能器进行旋转，第一超声换能器对水下物联网节点接收模块中受第二控制器控制的第二超声换能器搜索定位；当第一超声换能器与第二超声换能器同轴心时，第一超声换能器向第二超声换能器持续传送超声能量，第二超声换能器接收到超声波能量，经正压电效应转换为高频电，再经过整流滤波电路整流滤波、稳压电路稳压后供给受第二控制器控制的充电电路使用；充电电路用于对水下物联网节点直流用电设备充电使用。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波的水下物联网节点的能量补给系统，其特征在于，包括超声能量发射模块和水下物联网节点接收模块，所述超声能量发射模块包括第一控制器、第一超声换能器、驱动电路、匹配电路、智能云台和显示电路，所述水下物联网节点接收模块包括第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路和第二控制器；其中，第一控制器与智能云台、驱动电路、显示电路分别连接，第一超声换能器搭载在智能云台上，驱动电路、匹配电路、第一超声换能器依次顺序连接，第二超声换能器、整流滤波电路、稳压电路、充电电路依次顺序连接，第二控制器与第二超声换能器、充电电路分别连接；其中，驱动电路作为超声频电发生器，在第一控制器的控制下驱动电路用于将工频电转化成与第一超声换能器谐振频率一致的电，并且通过匹配电路进行阻抗变换后驱动第一超声换能器工作，从而控制第一超声换能器的发射功率；显示电路，用于实时显示能量补给系统的工作状态和工作时间；智能云台在第一控制器的控制下进行方向移动，从而使得搭载在智能云台上的第一超声换能器进行旋转，第一超声换能器对水下物联网节点接收模块中受第二控制器控制的第二超声换能器搜索定位；当第一超声换能器与第二超声换能器同轴心时，第一超声换能器向第二超声换能器持续传送超声能量，第二超声换能器接收到超声波能量，经正压电效应转换为高频电，再经过整流滤波电路整流...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹自平，周波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32