基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置，其技术特点是：包括通过通讯电缆连接在一起的压电换能装置和控制装置；所述压电换能装置由密封壳体及其内部的压电陶瓷圆管构成，用于吸收主动声呐信号的机械能并转化为电能，将控制装置输出的发射声信号进行发送；所述控制装置由密封壳体及其内部的控制电路构成，该控制电路包括能源收集模块、可充能电源模块、译码器下行链路模块、稳压器模块、同步开关阻尼模块及MCU，实现水下低功耗通讯整体控制功能。本实用新型专利技术设计合理，实现了水下低功耗通信功能，克服现有水下传感器成本高、能耗大、不可持续以及难以大规模投放的问题。放的问题。放的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置


[0001]本技术属于水声通信
，尤其是一种基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置。

技术介绍

[0002]由于水下环境各种因素的限制，通常只能采用声波方式进行通讯，因此水下的物联网搭建需要依靠声波通讯来搭建，完全不同于陆上的物联网。与传统的点对点水下通讯系统不同，水下物联网系统通常由成百上千个传感器节点组成。
[0003]水下无线传感器网络被认为是水下物联网系统中最有前景的网络系统，在水下无线传感器网络中，传感器是带有声学调制解调器的节点，分布在浅水或深水中。每个传感器节点具有感知(不同的传感器可以感知不同的环境信息，如水质、压力、温度、金属、化学和生物元素等)、中继和转发数据等功能。水下数据传输到水面上的基本组件，称为信号中继站。信号中继站可以是浮标、船舶或水下无人潜航器等。当数据通过声学通道到达接收器时，接收器将通过无线电通道将数据转发至远程监控中心。监测中心位于海岸，负责集、分析和处理来自水域的信息。
[0004]水下传感器的能源问题是设计过程中需要要考虑的问题，对于较短使用寿命的电子设备，电池是一种合理的解决方案，许多便携式电子设备，如录音设备和其他监测设备，都装有化学电池。现有能提供水下定位功能的浮标、潜标等水下定位系统都通常要求其节点重复发送声音信标(远程接收器使用该信标进行三角测量)。这种重复的传输会很快耗尽传感器的电池电量，因此需要频繁地更换昂贵的电池，或采用有缆工作模式。上述两种方法的成本都太高且不可持续。

技术实现思路
r/>[0005]本技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置，解决了现有的水下通讯传感器能耗较大、无法长期工作以及成本较高的问题。
[0006]本技术解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0007]一种基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置，包括通过通讯电缆连接在一起的压电换能装置和控制装置；
[0008]所述压电换能装置由密封壳体及其内部的压电陶瓷圆管构成，用于吸收主动声呐信号的机械能并转化为电能，将控制装置输出的发射声信号进行发送；
[0009]所述控制装置由密封壳体及其内部的控制电路构成，该控制电路包括能源收集模块、可充能电源模块、译码器下行链路模块、稳压器模块、同步开关阻尼模块及MCU，所述能源收集模块与译码器下行链路模块、可充能电源模块、稳压器模块相连接，所述可充能电源模块与稳压器模块相连接为控制装置供电，所述MCU与译码器下行链路模块、同步开关阻尼模块相连接实现整体控制功能。
[0010]进一步，所述压电环能装置的密封壳体采用ABS塑料制成并使用聚氨酯材料灌胶进行水密封装。
[0011]进一步，所述能源转换收集模块包括阻抗匹配网络、整流电路和超级电容，所述阻抗匹配网络包括电阻R11、电阻R12、电感L11、电感L12、电容C11和电容C12,所述整流电路包括电容C21、电容C22、二极管D11、二极管D12、二极管D21、二极管D22、电容C21、电容C22和电容C3，具体连接关系为：所述电感L11、电感L12一端分别连接压电换能装置正负极上，该电感L11另一端连接电容C11、电容C21、电阻R11，该电感L12另一端连接电容C12、电容C22、电阻R12，该电容C11另一端、电阻R11另一端、电容C12另一端、电阻R12另一端相连接并接地，该电容C21另一端与二极管D11负极、二极管D21正极相连接，该电容C22另一端与二极管D12的负极、二极管D22的正极相连6接，该二极管D11的正极、二极管D12的正极与电容C3一端相连接并接地，该二极管D21的负极、二极管D22的负极、电容C3另一端共同连接二极管D3正极，该二极管D3的负极连接译码器下行链路模块，该二极管D3与二极管D4串联后连接超级电容C0、可充能电源模块及稳压器模块，该超级电容C0的另一端接地。
[0012]进一步，所述可充能电源模块由可充能电池与开关P2连接构成，当外部传感器处于未反射状态时，开关P2关闭，利用压电换能装置在环境中收集到的能量对可充能电池进行充能；当外部传感器处于反射状态时，开关P2打开，通过可充能电池为控制装置供电。
[0013]进一步，所述译码器下行链路模块由结合电平转换器的施密特触发器LS和下拉电阻R2连接构成；所述施密特触发器与能源转换收集模块相连接，将能源转换收集模块转换的PWM信号整形转成理想方波并传输至MCU；所述下拉式电阻用于缩短稳压器电容的放电时间，提高信噪比。
[0014]进一步，所述稳压器模块用于产生稳定的电压，驱动电平转换器和MCU，该稳压器模块输入端连接能源转换收集模块的超级电容和可充能电源模块的可充能电池，输出端连接译码器下行链路模块和MCU。
[0015]进一步，所述同步开关阻尼模块与MCU及能源转换收集模块相连接，该同步开关阻尼模块包括两个MOSFET管，两个MOSFET管分别与阻尼匹配网络共同连接压电环能装置的正负极，所述MOSFET管通过MCU控制开关闭合来控制反射声压幅值大小变化，达到编译信号和通讯传递信息的目的。
[0016]进一步，所述MCU采用MSP430系列的低功耗数据处理器芯片。
[0017]本技术的优点和积极效果是：
[0018]1、本技术将压电换能装置作为水下通讯的主体，吸收水下潜航器发出的主动声呐信号的机械能，将机械能转化为电信号并由控制装置进行解码，最后将解码信号进行声信号反射，其通过压电效应的半主动吸声技术和声反射技术结合在一起，实现了水下低功耗通信功能，克服现有水下传感器成本高、能耗大、不可持续以及难以大规模投放的问题。
[0019]2、本技术通过反射方式传输信号，相比现有的水下通讯调制调解器降低了至少50万倍的功率；配备可充电电池大大增加系统的稳定性以及持续工作的能力，可以广泛投放并长期工作于海底，形成构成水下无线传感器网络，结合浮标或AUV等潜航器构成水下物联网，可以满足长期定位或监视的需要。
[0020]3、本技术设计合理，成本可控制在1200元左右，在实现量产之后成本还可以
拥有优化降低的空间。
附图说明
[0021]图1是本技术的整体结构示意图；
[0022]图2为本技术的压电换能装置的结构示意图；
[0023]图3为本技术的控制装置的电路图；
[0024]图4为本技术的RLC阻抗匹配网络原理示意图；
[0025]图5为本实施例采用阻抗匹配网络电路图(谐振频率为15.4KHz)；
[0026]图6为本实施例采用阻抗匹配网络电路图(谐振频率为14.8KHz)；
[0027]图7为本技术的工作原理图；
[0028]图8为本技术的通讯方式与传统通讯节点通讯方式的对比示意图。
具体实施方式
[0029]以下结合附图对本技术实施例做进一步详述。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置，其特征在于：包括通过通讯电缆连接在一起的压电换能装置和控制装置；所述压电换能装置由密封壳体及其内部的压电陶瓷圆管构成，用于吸收主动声呐信号的机械能并转化为电能，将控制装置输出的发射声信号进行发送；所述控制装置由密封壳体及其内部的控制电路构成，该控制电路包括能源转换收集模块、可充能电源模块、译码器下行链路模块、稳压器模块、同步开关阻尼模块及MCU，所述能源转换收集模块与译码器下行链路模块、可充能电源模块、稳压器模块相连接，所述可充能电源模块与稳压器模块相连接为控制装置供电，所述MCU与译码器下行链路模块、同步开关阻尼模块相连接实现整体控制功能。2.根据权利要求1所述的基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置，其特征在于：所述压电换能装置的密封壳体采用ABS塑料制成并使用聚氨酯材料灌胶进行水密封装。3.根据权利要求1所述的基于半主动吸声技术的水下低功耗通讯节点装置，其特征在于：所述能源转换收集模块包括阻抗匹配网络、整流电路和超级电容，所述阻抗匹配网络包括电阻R11、电阻R12、电感L11、电感L12、电容C11和电容C12,所述整流电路包括电容C21、电容C22、二极管D11、二极管D12、二极管D21、二极管D22、电容C21、电容C22和电容C3，具体连接关系为：所述电感L11、电感L12一端分别连接压电换能装置正负极上，该电感L11另一端连接电容C11、电容C21、电阻R11，该电感L12另一端连接电容C12、电容C22、电阻R12，该电容C11另一端、电阻R11另一端、电容C12另一端、电阻R12另一端相连接并接地，该电容C21另一端与二极管D11负极、二极管D21正极相连接，该电容C22另一端与二极管D12的负极、二极管D22的正极相连6接，该二极管D11的正极、二极管D12的正极与电容C3一端相连接并接地，该二极管D2...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐俊，王韬，
申请(专利权)人：苏州静声泰科技有限公司，
类型：新型
国别省市：