英文翻译译文-无线自供电超声波流量传感器系统的研究

无线自供电超声波流量传感器系统的研究摘要本文中，无线自供电超声波流量传感器系统用系统的方法对其进行设计和开发。通过使用小型水力发电机作为商用低功耗微控制器，能量采集电路，和GPRS发射器的电源，传感器能够在水管道网络内检测水流。这个传感器系统的主要特点在于它的电源管理单元，它能够从安装在水管道小型水力发电机给电池充电。它允许传感器在大范围地区内作为遥感通用无线采集设备维持运作，而之前这种情况下电力运行设备始终是一个问题。本文除了描述系统的总体架构，传感器的硬件和软件，还给出了模块在水管道网络的性能报告，强调能源问题以及获得自动维持操作的关键。测试有两个阶段：第一个是在实验室里，在特别严重的情况下来验证管理和解决方案，第二阶段在一个水管道网络中。关于传感器测量所采取的措施证实了硬件和软件提议的解决方案确实获得良好的成效。1.简介随着市区的不断扩大，传统供水管道网络控制操作，其主要是通过人工协调，已不再满足当前供水系统的需要。因此，在城市管网中加强远程数据采集和监控的能力是整个城市的发展具有宏大和深远的意义。为了提高一个城市的供水质量，提高供水系统的运行效率，在城市供水网络中使用基于计算机的监控系统和通信技术是一个不可避免的发展趋势。但是，由于供水管道网络的测试点太多，而且分布广泛距离远，能源监控系统、布线成本等不便因素限制了智能传感器的广泛使用。从周围的空间获得的能量来驱动这些传感器和监控系统是一个正在研究的解决方案1,2。这些工作覆盖了灌溉控制系统，天气和环境监测，温室控制、动物识别和健康监测等领域。但为了有效地达到永久操作，则需要进一步增强能量收集和更加高效的功率调节方式3。解决上述问题，新型自供电无线超声波流量传感器系统已经被设计和用于城市供水管道网络。它由一个能量收集装置（水力发电机），电源管理单元，流量传感器接口，GPRS无线发射器单元MC35I和单片机MSP430F1232组成。自供电的无线超声波流量传感器系统的方框图显示在图1。本文的组织如下：第二部分介绍了电源的设计管理单元和水力发电机的结构。第三部分研究了GPRS通信模块。第四部分研究了单片机和编程模式。第五部分提出了实验和分析。第六节是本文的研究成果。图1自供电无线超声波流量传感器系统的方框图2.能量收集和电源管理当考虑使用数组流量传感器作为总体结构，能源供应系统是一个至关重要的问题。传统但最常用的方法是使用可充电或不可充电电池。然而，这些能量接收器只可以存储有限的能源，它们的更换和维护更是一个严重的瓶颈。一些特殊环境中还存在更换电池成本和不便。在本文中，我们采用了一个安装在水管中特殊结构水力发电机作为低功耗经济微控制器，能量采集电路、流量检测单元和GPRS发射器的电源。A能量获取我们安装了一个特殊的水力发电机结构来获取管道中水的流动能量4。我们很了解，这种方法没有研究过将其用来为城市供水网络探测系统中的电子设备提供电源。传统小型水力发电机利用管道中的水的流动能量发电，作为控制阀门值或自动控制手垫圈或其他设备，或使用干电池作为电力来源产品的电力来源，例如，通过电容器充电或蓄电池的产品。传统小型水力发电机的结构如下。即一个和水管形成连接和通信的流入端口是外壳的终端，流出端口形成在另一端。一个发电机外壳内部安放着定子和转子部分。叶轮整体安装在转子，叶轮可随着流入端口的水流旋转。因此，转子旋转使定子产生感应电压和电流，使叶轮旋转的水由流出端口通过一条一段穿过转子中心部分通道排出。然而，根据如上所述传统的小型水力发电机，由于在水管所有的水应用于叶轮产生是使转子旋转的能量，从定子输出的电压增加水流的量比例，如图2所示，即不仅输出的可能不是恒定值的稳定电压，而且当发电机连接到水管流量或高水压力，由于叶轮旋转在比所需的更高速度，支持内侧的叶轮和旋转轴承可能在很短的时间内损坏。图2电压与流量之比曲线为了解决它的问题，我们选择一个特殊结构的水力发电机，即使水流的数量大或水压力高时，都获得恒定数值的稳定输出电压，如图3所示。图3水力发电机的纵向区域侧视图它由一端有流入端口另一端有流出端的套管，安放在套管内由叶轮带动旋转的转子和通过转子的旋转来发电的定子组成。从流入端口到流出端口到旋转着中心部分的主要通道和一个从流入端口流到出端口从外部绕过定子的旁道为水流提供从端口流入流出端口的通道。在旁路，安排一个由弹簧阻止来自流入端口方向水流的止回阀。因此，当流入套管入口的水流量很小时，水的压力低于弹簧的弹力，所有水流量都用来使叶轮旋转，通过主要通道使转子旋转和发电。另一方面，当套管流入端口的水流量很大时，水压也变得高，水压大于弹簧的压力止回阀内部的旁通被打开，水流通过旁路而不用于叶轮的旋转流出排水口，或换句话说，发电。需要防止大水流量或大于需要的水流量流过叶轮。从第二个喷射孔到叶轮的注射压力很低，它和旁道内的流速成反比，这样从第一个喷气孔的总水流量它的水压更高并与水压成正比，从第二个喷气孔注射压力可能几乎不变。因此，不仅叶轮的转速几乎保持不变，叶轮速度不会高于所需要的速度，类似轴承损坏的部分也可以避免，而且不管流入流入端口的水流量怎么变，定子输出电压几乎不变，这样转子稳定旋转发电，电压也稳定，如图4所示。图4电压与流量之比的曲线B电源管理单元一般而言，水力发电机所发的电是交流电，但真正用于系统设备是直流电。所以，我们必须将交流电转换为直流电来驱动其他单位系统。三种电源用于整个系统：5V，4.2V和3.3V。另一方面，我们采用了超大电容器和蓄电池作为备用电源。电源管理单元模块的线路图如图5显示。图5电源管理单元模块的线路图LM2596系列的监管机构是单片集成电路，适合步骤开关式稳压器这样简单和方便的设计。通过优质负载线和负载调节器它能够驱动3.0A负载。这个设备可以用来输出3.3V，5.0V，12V，15v的固定电压，和一个可调输出模式。输出电压和电阻的关系如下所示：式中Vot是输出电压，VREF是1.23V的参考电压。R2选用大约1千欧的电阻，使用精度为1%的电阻器可获得最佳稳定性。因此TPS7133是一个低功率低压差稳压器。通过用PMOS器件取代正规的PNP型晶体管，可获得压差减少一个数量级和静态电流超过传统的低压差的性能。TPS7133提供5.0V，4.85V和3.3V三种规格的固定电压模式和一个可调模式。输入电压范围是0.3V至11V，输出电流是2A。4.GPRS传输模块GPRS（通用分组无线服务）的数据传输通常是按每兆字节传输所需的流量收取，而通过传统的电路开关以数据通信连接时间，按每分钟收费，实际上无论是否使用独立的容量都是处于闲置状态。探地雷达是一种最优分组交换服务，而不是电路。切换可以在非移动用户的连接时保证一定的服务质量5，6。GPRS无线传输和Web服务技术被用于这个项目。AGPRSDT导航系统DT（数据传输单元）可以实时地利用GPRS无线网络和互联网与数据服务中心交换信息。在我们的项目使用了西门子MC35I。MC35i终端提供高水平GSM/GPRS紧凑的配备所有标准接口的即插即用特性。MC35I由六个单位组成，GSM基带处理器、电源ASIC、射频部分，测量网络，闪存和ZIF界面，如图6所示。图6MC35I模块的线路图BMC35I的通用特性双频GSM900/1800MHzGPSR多点级数8输出功率：海尔集团为EGSM9004（2W）海尔集团1800年EGSM1（1W）供电3.3V4.8VCGPRSDT工作流GPRSDT系统一供电就开始工作。首先读取在Flash中的初始参数。它们包括拨号代码，对串口波特率，数据中心和接口的IP代码。然后，GPRS系统登录GPRS网络和拨号。拨号成功后，GPRS系统可获取一个随机的IP代码（通常为10.x.x.x），它表示DT与主控制中心成功建立了连接。DT系统将从TCP/DP采集现场数据并传输到主控制中心。5.单片机和编程模式正确的选择单片机对设计的成功至关重要。这个单片机要求包括有足够的分辨率来跟踪传感器的变化是的机载援助转换器，能够调节和处理从数据接口接受的数据。足够的板载内存是为了存储两个运行代码以及A/D转换器所采样的数据。最重要的是，单片机需要具备编码的能力，将这些编码后数据通过发射机发送到一个串行口输出。德州仪器MSP430F1232IPW7，8满足需求被选为微控制器。表1显示其所有相关特征表1MSP430F1232IPW的特性单片机通过编程使它作为状态机运行，有两个不同的可重复编程的操作模式9。在每一个操作模式在，单片机有以下操作状态：初始化，收集数据，传输数据，以及待命。第一个操作方式是流量计参数的水平监测，如泄漏阈值。当检测到泄漏，单片机发出紧急脉冲给中央监控。第二操作方式进行数据传输。在这种模式下，微控制器从传感器接口接收数据，给数据排序后由GPRS发射机传送到中央监测站。液位监控模式和数据传输模式的状态流图如图7所示。图7（a）液位监控模式状态流图（b）数据传输模式的状态流图6.实验和分析对这种自供电无线超声波流量传感器进行在实验室条件下基于能量分析的系统测试，已经开发了一个系统原型显示如图8所示。为研究系统的电力需求，我们对其进行能量分析。我们所说的单片机MSP430F1232IPW可能达到的最大功率，也就是说电压和电流的最大时所消耗的功率，。所以我们可以得出结论：另一方面，GPRS发射机MC35i平均电流为300毫安，峰值是2.5A。我们能知道MC35I可能的最大功率，也就是说在电压和电流是最大时所消耗的功率10。所以我们可以得出结论：在一般项目中，供水管网的水压是0.10.6MPa，水流速度是1.03.0m/s，管道的直径是200700毫米。所以我们可以计算出管道网络水流量和动能。式中，R是管道的直径为200毫米，v是水流速为1.5m/s，是水的密度是1000千克/立方米，t是1秒。我们得出水力发电机的效率通常为85%，叶轮的转换效率通常为60%。所以水力发电机的最低功率是所以我们可以得出结论，水力发电机的功率可以满足GPRS和单片机的供电要求，同时，也可以为其他芯片供电。图8自供电无线超声波流量传感器的实验评估7.结论无线传感器最近在研究领域中获得了很大的进展。与传统的传感器相比它廉价且易于安装，从而打开给系统配备先进测量和监视传感器可能性。关键问题是缺乏一个长期持久的电源，然而没有满足这种要求的电缆。所以自供电无线电设备传感器将可能有无限寿命11。在本文中，我们提出了一种自供电无线超声波流量传感器的系统方案，设计了一