无线地下磁感应通信系统研究与实现

孙彦景,徐 胜,施文娟,2,吴天琦,王晓琳,牛洪海

(1.中国矿业大学信息与控制工程学院,江苏 徐州 221116;2.盐城师范学院新能源与电子工程学院,江苏 盐城 224015;3.南京南瑞继保电气有限公司,南京 211102)



无线地下磁感应通信系统研究与实现

孙彦景1*,徐 胜1,施文娟1,2,吴天琦1,王晓琳1,牛洪海3

(1.中国矿业大学信息与控制工程学院,江苏 徐州 221116;2.盐城师范学院新能源与电子工程学院,江苏 盐城 224015;3.南京南瑞继保电气有限公司,南京 211102)

无线磁感应通信通过准静态磁场耦合的方式实现数据传输,可以克服传统电磁波无线通信在地下环境中信道不稳定、天线尺寸大等问题,更适用于无线地下传感器网络。针对无线地下传感网络的应用需求,本文建立了基于收发线圈的磁感应耦合式无线通信模型,分析了发射磁场的分布特点,设计了无线地下磁感应通信系统,搭建了实验测试平台。实验结果表明,该系统在地下环境中可以实现短距离的无线数据传输,通过增大收发线圈的半径和增加匝数可以延长通信距离,改善系统通信性能,为无线地下传感网络的应用提供参考。

无线地下传感器网络;磁感应通信;磁场分析;耦合线圈

无线地下传感器网络是无线传感器网络研究的一个重要分支技术领域,在智慧农业、矿井救援、地质灾害预测、地下管网监测等领域有着广泛的应用需求[1-4]。无线通信技术是无线地下传感器网络发展的关键技术[3]。传统的无线传感网络常采用的通信方式是电磁波无线通信,但是在地下复杂环境中无线信号的传输介质由空气变为了土壤、砂石、水分等复合介质,电磁波无线通信存在路径损耗高、信道不稳定、天线尺寸大等问题,不再适用。因此新型的无线地下通信技术是无线地下传感器网络发展的迫切要求。

为了解决电磁波通信在地下、矿井等复杂环境下复合介质中数据传输出现的问题,研究人员提出无线磁感应MI(Magnetic Induction)通信方法[4-8]。研究表明,在地下环境中无线磁感应通信信道稳定,路径损耗小,天线尺寸小,更适用于无线地下传感器网络[4]。近几年无线磁感应通信技术得到了国内外研究人员的重视,取得了长足的发展。

在理论研究方面,Sun Zhi等学者提出了无线磁感应通信理论,并建立了无线磁感应的基本通信模型和带有中继线圈的波导中继通信模型,分析了信道带宽、通信速率、路径损耗以及误码率等参数[5-6]。Guo HongZhi等为了增强感应磁场达到提高通信距离的目的提出采用超导材料(Metamaterial-Enhanced)构建球形收发天线[7]。在实验研究方面,Tan Xin等在实验室利用软件无线电(USRP)设备搭建了试验测试平台,在模拟的地下环境中成功实现了近距离无线磁感应通信,并验证了增加中继线圈可有效提高传输距离[3]。

无线磁感应通信理论已经非常成熟并且在实验室得到验证,然而目前关于这方面的实际应用非常有限。针对该领域的空白,本文首先建立了基于发送和接收线圈构成的磁感应耦合式无线通信模型,使用有限元软件Ansoft-maxwell分析了发射磁场的分布特点,在此基础上设计了无线地下磁感应通信系统,利用该系统搭建了实验测试平台。在模拟地下环境中对不同半径和匝数的收发线圈进行测试,研究其对通信性能的影响。

1 无线磁感应通信原理

无线磁感应通信依据的基本原理为法拉第电磁感应定律,通过发送线圈和接收线圈之间准静态磁场的耦合实现数据的无线传输。导体线圈是最简单、最直接的磁场信号检测器件[8],由电磁感应定律可知,当穿过导体线圈所限定面积中的磁通发生变化时,该导电回路中会产生感应电动势。

无线磁感应通信模型如图1所示,采用互相耦合的导体线圈构成磁感应信号收发装置,为了加强磁场的耦合系数,收发线圈处于同心位置。假设发送线圈L1中加载正弦电流I1=I0e-jωt(f是系统工作频率,ω=2πf是发射信号角频率),交变电流I1会激发L1周围产生交变磁场,处在交变磁场中的接收线圈L2会感应出具有相同相位特征的电流I2,感应电流I2产生的过程就是磁感应通信的过程[5]。

图1 无线磁感应通信模型

无线磁感应通信研究过程中,可以借鉴耦合谐振式无线电能传输模型[9],将收发线圈用初级线圈和次级线圈等效建模,简化后的等效电路模型如图2所示。其中US和RS分别为发射端等效到发射线圈的感应电动势和内阻;RL为接收端等效到接收线圈的等效负载;L1和R1分别为发射线圈的等效电感和电阻;L2和R2分别为接收线圈的等效电感和电阻;发射线圈和接收线圈相对距离为D,互感为M;C1和C2分别为收发两端的谐振电容。

图2 无线磁感应通信等效电路模型

调整谐振电容使收发两端处在同一谐振频率[10],谐振频率ω为:

(1)

根据基尔霍夫电压定律(KVL)得:

(2)

式中,Zt和Zr是发射和接收回路的阻抗,分别为:

(3)

(4)

则发送和接收线圈中的感应电流I1和I2分别为:

(5)

2 感应磁场仿真分析

无线磁感应通信通过感应磁场传递信息,磁场强度及其分布是影响通信性能的重要因素,本文对感应磁场进行仿真分析。

感应磁场由发送线圈中的电流产生,发送线圈是一个螺旋线圈,在磁场计算过程中可以等效成多个圆形线圈的叠加[11]。图3是发送线圈的磁场计算示意图,根据毕奥—萨法尔定律,首先求出单位电流元Idl在目标位置点P的磁感应强度dB,然后进行环路曲线积分求出其最终的磁感应强度B[12-13]。假设发送线圈中加载正弦电流I=I0e-jωt,那么在Z轴方向上点P处产生的磁感应强度为:

(6)

式中:μ是传输介质的磁导率,N和r分别代表发送线圈的匝数和半径。在不含磁性物质的地下环境中,土壤、砂石、水分等物质的相对磁导率接近于1,地下传输介质的磁导率可以视为一个常数(μ=μ0=4π×10-7H/m),那么感应磁场的强度主要由发送线圈的半径、匝数和通电电流大小决定。根据上述分析利用MATLAB软件对不同电流、不同半径和匝数的发送线圈中轴线上磁场强度进行计算,计算结果如图4所示。

图4 发射线圈中轴线上磁感应强度

图3 发送线圈磁场计算示意图

空间中磁场的分析多采用有限元法,此方法通过仿真可以为研究和设计提供直观的数据、图表和曲线[14]。本文使用有限元软件Ansoft-maxwell对发射线圈周围磁场进行仿真分析。如图5所示,建立发送线圈磁场分析模型,线圈选用铜制材料,线圈通电电流I、半径r和匝数N大小可以调节。线圈周围的求解区域为地下复合传输介质,相对磁导率设为1,相对介电常数设为15,电导率设为0.01 S[15-16]。求解区域设置为半径30 cm、高200 cm的圆柱形区域,由于磁场强度随距离变化较大,故对所得的磁感应强度B取对数log10B,以方便观察。图6、图7分别为4种不同型号的发送线圈整体以及在YOZ平面上的磁场分布情况。

图6 发送线圈磁场空间分布图

图5 发送线圈磁场仿真模型

图7 发送线圈磁场YOZ平面分布图

通过上述MATLAB计算和有限元分析可以看出发送线圈磁场分布的一些特点:发送线圈磁场主要集中在线圈周围,磁场强度随距离增大衰减的较快;线圈磁场的分布在中轴线上具有对称性;线圈匝数、半径相同的情况下通电电流越大感应磁场越强;通电电流、半径相同的情况下匝数越多感应磁场越强;通电电流、匝数相同的情况下半径越大感应磁场越强。

3 无线磁感应通信系统设计

基于无线磁感应通信原理,结合感应磁场的分析本文设计了适用于无线地下传感器网络的无线地下磁感应通信系统。由图8可以看出无线磁感应通信是一个数字通信系统,系统发送端包含了信息采集、信号调制和功率放大,接收端包含了对接收信号的滤波、放大、解调和读取。

图8 无线磁感应通信系统

本系统选用2ASK调制,2ASK调制又称为OOK(On-Off Keying)调制,以100%的能量进行数据传输,调制解调过程如图9所示。发射端通过微处理器内置的UART串口功能完成数据的编码,利用晶体振荡器产生250 kHz的载波信号,串口输出数据和载波信号通过与非门电路实现信号调制;接收端接收信号通过解调芯片的选频电路,将载波信号的有无转换成0/1基带信号实现信号解调。

图9 ASK调制解调示意图

发射电路主要由信号调制电路和功率放大电路组成。感应磁场强度与发送线圈中电流大小成正比,为了获得较大的发送电流,ASK调制信号通过谐振式功率放大电路加载到线圈上。接收电路主要由信号放大电路和滤波解调电路组成。通信距离较远时,接收线圈中耦合得到的信号非常小,本系统选用低噪声三极管组成两级放大电路,实现接收信号的高倍的放大。

4 实验测试

本文利用细沙、土壤、水等物质在实验室构建了近似地下环境的模拟测试环境[3],在模拟环境中对无线磁感应通信系统的通信性能进行测试。根据上述设计制作出无线磁感应通信装置,利用该装置搭建了实验平台,如图10所示。实验中,使用不同型号的收发线圈通过节点A向节点B发送数据,改变通信距离不断重复上述实验,观测不同距离下的通信结果。

图10 实验测试平台

实验测试结果如表1所示,可以看出基于本文研究所设计的无线磁感应通信装置在地下环境中可以通过小尺寸收发线圈实现短距离无线通信。对比一、二和三、四组实验数据可以发现收发线圈半径相同的情况下匝数多的装置通信距离较远,对比一、三和二、四组实验数据可以发现收发线圈匝数相同的情况下半径大的装置通信距离较远,这一结果与理论分析具有一致性。

表1 实验测试结果

注:r是收发线圈半径,N是收发线圈匝数。

5 总结

基于无线磁感应通信原理本文设计出无线地下磁感应通信系统,在地下环境中实现了短距离无线数据传输。通过理论分析和实验测试可以得出以下结论:①无线磁感应通信弥补了电磁波无线通信在地下环境中信道不稳定、天线尺寸大的缺点,更适用于无线地下传感器网络;②以导体线圈为收发天线的无线磁感应通信系统随着传输距离的增加感应磁场强度衰减较快,通信距离有限,更适合短距离无线通信;③在信号发射强度不变的情况下,增大收发线圈的半径和增加匝数可以有效提高通信距离,改善系统的通信性能。

致谢

感谢南京南瑞继保电气有限公司对本研究的资助。

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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

孙彦景(1977-),男,山东滕州人,博士,教授,博士生导师,主要研究领域为矿井无线通信与监控,矿山物联网,无线传感器网络等,yanjingsun_cn@163.com;

徐 胜(1992-),男,江苏徐州人,硕士研究生,主要研究领域为无线磁感应通信和无线地下传感器网络,Xusheng@cumt.edu.cn。

项目来源:国家自然科学基金青年项目(51504214,51504255);国家重点研发计划项目(2016YFC0801403);江苏省重点研发计划项目(BE2015040);国家自然科学基金面上项目(51274202);中国矿业大学重大项目培育专项项目(2014ZDPY16);江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2014028-01);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2013RC11);江苏省科技成果转化项目(子课题)(BA2012068);江苏省自然科学基金面上项目(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