無線地下磁感應通信系統研究與實現

孫彥景,徐 勝,施文娟,2,吳天琦,王曉琳,牛洪海

(1.中國礦業大學信息與控制工程學院,江蘇 徐州 221116;2.鹽城師范學院新能源與電子工程學院,江蘇 鹽城 224015;3.南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102)

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無線地下磁感應通信系統研究與實現

孫彥景1*,徐 勝1,施文娟1,2,吳天琦1,王曉琳1,牛洪海3

(1.中國礦業大學信息與控制工程學院,江蘇 徐州 221116;2.鹽城師范學院新能源與電子工程學院,江蘇 鹽城 224015;3.南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102)

無線磁感應通信通過準靜態磁場耦合的方式實現數據傳輸,可以克服傳統電磁波無線通信在地下環境中信道不穩定、天線尺寸大等問題,更適用于無線地下傳感器網絡。針對無線地下傳感網絡的應用需求,本文建立了基于收發線圈的磁感應耦合式無線通信模型,分析了發射磁場的分布特點,設計了無線地下磁感應通信系統,搭建了實驗測試平臺。實驗結果表明,該系統在地下環境中可以實現短距離的無線數據傳輸,通過增大收發線圈的半徑和增加匝數可以延長通信距離,改善系統通信性能,為無線地下傳感網絡的應用提供參考。

無線地下傳感器網絡;磁感應通信;磁場分析;耦合線圈

無線地下傳感器網絡是無線傳感器網絡研究的一個重要分支技術領域,在智慧農業、礦井救援、地質災害預測、地下管網監測等領域有著廣泛的應用需求[1-4]。無線通信技術是無線地下傳感器網絡發展的關鍵技術[3]。傳統的無線傳感網絡常采用的通信方式是電磁波無線通信,但是在地下復雜環境中無線信號的傳輸介質由空氣變為了土壤、砂石、水分等復合介質,電磁波無線通信存在路徑損耗高、信道不穩定、天線尺寸大等問題,不再適用。因此新型的無線地下通信技術是無線地下傳感器網絡發展的迫切要求。

為了解決電磁波通信在地下、礦井等復雜環境下復合介質中數據傳輸出現的問題,研究人員提出無線磁感應MI(Magnetic Induction)通信方法[4-8]。研究表明,在地下環境中無線磁感應通信信道穩定,路徑損耗小,天線尺寸小,更適用于無線地下傳感器網絡[4]。近幾年無線磁感應通信技術得到了國內外研究人員的重視,取得了長足的發展。

在理論研究方面,Sun Zhi等學者提出了無線磁感應通信理論,并建立了無線磁感應的基本通信模型和帶有中繼線圈的波導中繼通信模型,分析了信道帶寬、通信速率、路徑損耗以及誤碼率等參數[5-6]。Guo HongZhi等為了增強感應磁場達到提高通信距離的目的提出采用超導材料(Metamaterial-Enhanced)構建球形收發天線[7]。在實驗研究方面,Tan Xin等在實驗室利用軟件無線電(USRP)設備搭建了試驗測試平臺,在模擬的地下環境中成功實現了近距離無線磁感應通信,并驗證了增加中繼線圈可有效提高傳輸距離[3]。

無線磁感應通信理論已經非常成熟并且在實驗室得到驗證,然而目前關于這方面的實際應用非常有限。針對該領域的空白,本文首先建立了基于發送和接收線圈構成的磁感應耦合式無線通信模型,使用有限元軟件Ansoft-maxwell分析了發射磁場的分布特點,在此基礎上設計了無線地下磁感應通信系統,利用該系統搭建了實驗測試平臺。在模擬地下環境中對不同半徑和匝數的收發線圈進行測試,研究其對通信性能的影響。

1 無線磁感應通信原理

無線磁感應通信依據的基本原理為法拉第電磁感應定律,通過發送線圈和接收線圈之間準靜態磁場的耦合實現數據的無線傳輸。導體線圈是最簡單、最直接的磁場信號檢測器件[8],由電磁感應定律可知,當穿過導體線圈所限定面積中的磁通發生變化時,該導電回路中會產生感應電動勢。

無線磁感應通信模型如圖1所示,采用互相耦合的導體線圈構成磁感應信號收發裝置,為了加強磁場的耦合系數,收發線圈處于同心位置。假設發送線圈L1中加載正弦電流I1=I0e-jωt(f是系統工作頻率,ω=2πf是發射信號角頻率),交變電流I1會激發L1周圍產生交變磁場,處在交變磁場中的接收線圈L2會感應出具有相同相位特征的電流I2,感應電流I2產生的過程就是磁感應通信的過程[5]。

圖1 無線磁感應通信模型

無線磁感應通信研究過程中,可以借鑒耦合諧振式無線電能傳輸模型[9],將收發線圈用初級線圈和次級線圈等效建模,簡化后的等效電路模型如圖2所示。其中US和RS分別為發射端等效到發射線圈的感應電動勢和內阻;RL為接收端等效到接收線圈的等效負載;L1和R1分別為發射線圈的等效電感和電阻;L2和R2分別為接收線圈的等效電感和電阻;發射線圈和接收線圈相對距離為D,互感為M;C1和C2分別為收發兩端的諧振電容。

圖2 無線磁感應通信等效電路模型

調整諧振電容使收發兩端處在同一諧振頻率[10],諧振頻率ω為:

(1)

根據基爾霍夫電壓定律(KVL)得:

(2)

式中,Zt和Zr是發射和接收回路的阻抗,分別為:

(3)

(4)

則發送和接收線圈中的感應電流I1和I2分別為:

(5)

2 感應磁場仿真分析

無線磁感應通信通過感應磁場傳遞信息,磁場強度及其分布是影響通信性能的重要因素,本文對感應磁場進行仿真分析。

感應磁場由發送線圈中的電流產生,發送線圈是一個螺旋線圈,在磁場計算過程中可以等效成多個圓形線圈的疊加[11]。圖3是發送線圈的磁場計算示意圖,根據畢奧—薩法爾定律,首先求出單位電流元Idl在目標位置點P的磁感應強度dB,然后進行環路曲線積分求出其最終的磁感應強度B[12-13]。假設發送線圈中加載正弦電流I=I0e-jωt,那么在Z軸方向上點P處產生的磁感應強度為:

(6)

式中:μ是傳輸介質的磁導率,N和r分別代表發送線圈的匝數和半徑。在不含磁性物質的地下環境中,土壤、砂石、水分等物質的相對磁導率接近于1,地下傳輸介質的磁導率可以視為一個常數(μ=μ0=4π×10-7H/m),那么感應磁場的強度主要由發送線圈的半徑、匝數和通電電流大小決定。根據上述分析利用MATLAB軟件對不同電流、不同半徑和匝數的發送線圈中軸線上磁場強度進行計算,計算結果如圖4所示。

圖4 發射線圈中軸線上磁感應強度

圖3 發送線圈磁場計算示意圖

空間中磁場的分析多采用有限元法,此方法通過仿真可以為研究和設計提供直觀的數據、圖表和曲線[14]。本文使用有限元軟件Ansoft-maxwell對發射線圈周圍磁場進行仿真分析。如圖5所示,建立發送線圈磁場分析模型,線圈選用銅制材料,線圈通電電流I、半徑r和匝數N大小可以調節。線圈周圍的求解區域為地下復合傳輸介質,相對磁導率設為1,相對介電常數設為15,電導率設為0.01 S[15-16]。求解區域設置為半徑30 cm、高200 cm的圓柱形區域,由于磁場強度隨距離變化較大,故對所得的磁感應強度B取對數log10B,以方便觀察。圖6、圖7分別為4種不同型號的發送線圈整體以及在YOZ平面上的磁場分布情況。

圖6 發送線圈磁場空間分布圖

圖5 發送線圈磁場仿真模型

圖7 發送線圈磁場YOZ平面分布圖

通過上述MATLAB計算和有限元分析可以看出發送線圈磁場分布的一些特點:發送線圈磁場主要集中在線圈周圍,磁場強度隨距離增大衰減的較快;線圈磁場的分布在中軸線上具有對稱性;線圈匝數、半徑相同的情況下通電電流越大感應磁場越強;通電電流、半徑相同的情況下匝數越多感應磁場越強;通電電流、匝數相同的情況下半徑越大感應磁場越強。

3 無線磁感應通信系統設計

基于無線磁感應通信原理,結合感應磁場的分析本文設計了適用于無線地下傳感器網絡的無線地下磁感應通信系統。由圖8可以看出無線磁感應通信是一個數字通信系統,系統發送端包含了信息采集、信號調制和功率放大,接收端包含了對接收信號的濾波、放大、解調和讀取。

圖8 無線磁感應通信系統

本系統選用2ASK調制,2ASK調制又稱為OOK(On-Off Keying)調制,以100%的能量進行數據傳輸,調制解調過程如圖9所示。發射端通過微處理器內置的UART串口功能完成數據的編碼,利用晶體振蕩器產生250 kHz的載波信號,串口輸出數據和載波信號通過與非門電路實現信號調制;接收端接收信號通過解調芯片的選頻電路,將載波信號的有無轉換成0/1基帶信號實現信號解調。

圖9 ASK調制解調示意圖

發射電路主要由信號調制電路和功率放大電路組成。感應磁場強度與發送線圈中電流大小成正比,為了獲得較大的發送電流,ASK調制信號通過諧振式功率放大電路加載到線圈上。接收電路主要由信號放大電路和濾波解調電路組成。通信距離較遠時,接收線圈中耦合得到的信號非常小,本系統選用低噪聲三極管組成兩級放大電路,實現接收信號的高倍的放大。

4 實驗測試

本文利用細沙、土壤、水等物質在實驗室構建了近似地下環境的模擬測試環境[3],在模擬環境中對無線磁感應通信系統的通信性能進行測試。根據上述設計制作出無線磁感應通信裝置,利用該裝置搭建了實驗平臺,如圖10所示。實驗中,使用不同型號的收發線圈通過節點A向節點B發送數據,改變通信距離不斷重復上述實驗,觀測不同距離下的通信結果。

圖10 實驗測試平臺

實驗測試結果如表1所示,可以看出基于本文研究所設計的無線磁感應通信裝置在地下環境中可以通過小尺寸收發線圈實現短距離無線通信。對比一、二和三、四組實驗數據可以發現收發線圈半徑相同的情況下匝數多的裝置通信距離較遠,對比一、三和二、四組實驗數據可以發現收發線圈匝數相同的情況下半徑大的裝置通信距離較遠,這一結果與理論分析具有一致性。

表1 實驗測試結果

注:r是收發線圈半徑,N是收發線圈匝數。

5 總結

基于無線磁感應通信原理本文設計出無線地下磁感應通信系統,在地下環境中實現了短距離無線數據傳輸。通過理論分析和實驗測試可以得出以下結論:①無線磁感應通信彌補了電磁波無線通信在地下環境中信道不穩定、天線尺寸大的缺點,更適用于無線地下傳感器網絡;②以導體線圈為收發天線的無線磁感應通信系統隨著傳輸距離的增加感應磁場強度衰減較快,通信距離有限,更適合短距離無線通信;③在信號發射強度不變的情況下,增大收發線圈的半徑和增加匝數可以有效提高通信距離,改善系統的通信性能。

致謝

感謝南京南瑞繼保電氣有限公司對本研究的資助。

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Analysis and Implementation of Magnetic Induction Wireless Underground Communication System

SUN Yanjing1*,XU Sheng1,SHI Wenjuan1,2,WU Tianqi1, WANG Xiaolin1,NIU Honghai3

(1.School of Information and Control Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu 221116,China;2.School of New Energy and Electronic Engineering,Yancheng Teachers University,Yancheng Jiangsu 224015,China;3.NARI Technology Development Co.,Ltd,Nanjing 211102,China)

Magnetic induction wireless communication(MIWC)is a new technique transmitting data by quasi-static coupled magnetic field. The traditional electromagnetic-wave-based wireless communication in the underground environment encounters many challenges such as complex channel states and the requirement of large antenna size etc. MIWC can be regarded as an alternative means for underground communication,so that it is more suitable for wireless underground sensor networks(WUSNs). Considering the requirement of the WUSNs,a wireless communication model based on magnetic coupling coils is established and the distribution of the magnetic field is analyzed. Furthermore,the magnetic induction wireless underground communication system is designed and the experimental platform is built. Test results prove that the system can realize short distance wireless data transmission in the underground environment and the communication distance can be extended by increasing the radius of coils and the number of turns. The results indicate the feasibility of underground MIWC,thus providing a paradigm for the application of the WUSNs.

wireless underground sensor networks(WUSNs);magnetic induction communication;magnetic field analysis;magnetic coupling coils

孫彥景(1977-),男,山東滕州人,博士,教授,博士生導師,主要研究領域為礦井無線通信與監控,礦山物聯網,無線傳感器網絡等,yanjingsun_cn@163.com;

徐 勝(1992-),男,江蘇徐州人,碩士研究生,主要研究領域為無線磁感應通信和無線地下傳感器網絡,Xusheng@cumt.edu.cn。

項目來源:國家自然科學基金青年項目(51504214,51504255);國家重點研發計劃項目(2016YFC0801403);江蘇省重點研發計劃項目(BE2015040);國家自然科學基金面上項目(51274202);中國礦業大學重大項目培育專項項目(2014ZDPY16);江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2014028-01);中央高校基本科研業務費專項資金項目(2013RC11);江蘇省科技成果轉化項目(子課題)(BA2012068);江蘇省自然科學基金面上項目(BK20130199,BK20131124)

2016-12-09 修改日期:2017-02-20

TN929

A

1004-1699(2017)06-0904-05

C:5120;6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.017