基于LED光通信的输电线路自供电微风振动监测系统和方法与流程

测量装置的制造及其应用技术基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测系统和方法技术领域1.本发明涉及无线光通信领域，尤其是一种基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测系统和方法。背景技术：2.电网是国民经济和社会发展的重要物质基础，架空传输线作为电网系统中重要的组成部分，由于输电线路运行环境的特殊性值，常常受到周围环境带来的负面影响，如微风振动容易导致导线疲劳断股。现针对微风振动有特别设计的如护线条、防振锤、防振鞭、阻尼线等防振器具，但这些器具经过长期运行后，伴随着其参数改变、特性退化、消振性能减弱，所以要掌握其防振效果以保障输电线路稳定安全，就得依靠现场测振，因而对输电线路设置监测节点进行实时微风振动监测具有非常重要的意义。3.当前输电线路传感器电能主要由传统化学电池供给或通过高压输电线获取，化学电池如锂电池等存在使用寿命短、报废后更换难度大成本高等缺陷。而高压输电线获取电能由于直流输电系统正逐渐取代高压交流输电系统而成为主流，所以输电线取点法将在输电线监测供能领域逐渐失去其用武之地。近来，通过收集环境能实现自取能传感逐渐成为输电线路监测系统供能技术的主要发展趋势。4.对于自取能的供电方式，通常通过收集太阳能等环境能并将其转化为电能从而实现系统能源供应，但太阳能作为环境能之一其能量转化效率太阳光照射的强烈程度息息相关，特别是在全天阳光照射总量较弱的地区，太阳能为输电线路监测节点的供电效果将大打折扣。同样是环境能，人们往往忽略作为输电线路严重危害之一的微风振动所携带的能量，因微风振动发生条件较易，因而其能量供给持续性非常可观，如若能将微风振动能量收集起来并应用于监测节点的自供电，这种技术将具有非常广阔的应用前景。5.由于收集环境能实现自供电的技术对于系统的能量供应总体量远比不过输电线路取能供电技术，而传感节点中对于能量消耗最为剧烈的部分往往是将传感数据发送出去的无线通信部分，因而开发一种与监测节点相配套的低功耗无线通信手段势在必行。6.当前传感监测节点多采用传统的如基于2.4ghz频段的zigbee、蓝牙通信等无线通信技术普遍具有功耗较大、易对其他电子元件造成电磁干扰(emi)等缺点。而随着半导体(led)照明技术的迅猛发展，其作为半导体器件本身具有响应速度快的发光响应特性，因而其在通讯领域的应用引发愈来愈广泛的关注。led技术具备绿色环保、低功耗、调制性能好、响应灵敏度高等优点，因而将其作为构建输电线路健康监测网络的通信手段将具有巨大的优越性。技术实现要素：7.本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测系统和方法，以实现对输电线振动状态的自供能、低功耗、高实时性监测。8.本发明采用的技术方案如下：9.一种基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测系统，包括至少一个微风振动检测节点和信号接收处理中心；所述微风振动检测节点包括微风振动能量收集模块、微风振动传感模块、led光通信调制发射模块；所述信号接收处理中心包括led光通信接收解调模块；10.所述微风振动能量收集模块安装于输电线上，采用摩擦纳米发电机采集能量并转换为电能存储；11.所述微风振动传感模块连接所述微风振动能量收集模块，获取所述摩擦纳米发电机输出的第一电信号；12.所述led光通信调制发射模块连接所述微风振动传感模块，通过调制器将所述第一电信号调制为光信号向空中辐射；13.所述led光通信接收解调模块采集辐射于空中的光信号，并通过光电转换器件转换为第二电信号，通过解调器对所述第二电信号进行解调，得到目标数据。14.进一步的，所述摩擦纳米发电机为接触-分离式发电结构。15.进一步的，所述调制器为mos调试器。16.进一步的，所述微风振动检测节点间隔安装于输电线上，所述信号接收处理中心安装于输电线铁塔上。17.本发明还提供了一种基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测方法，包括：18.采用摩擦纳米发电机将输电线振动的机械能转换为电能存储；19.获取摩擦纳米发电机输出的第一电信号；20.对获取的所述第一电信号进行调制，获得调制信号；21.利用所述调制信号驱动led灯向空中辐射光信号；22.利用光电转换元件采集空中辐射的所述光信号并转换为第二电信号，对所述第二电信号进行解调，得到目标数据。23.进一步的，所述摩擦纳米发电机安装于输电线上。24.进一步的，所述摩擦纳米发电机为接触-分离式发电结构。25.进一步的，所述对获取的所述第一电信号进行调制具体为：利用mos调制器对获取的所述第一电信号进行调制。26.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：27.1、本发明的监测系统及方法，巧妙地将摩擦纳米发电机产生的电信号进行一路三用，同时作为自供能环节的能量来源、代表输电线摆动情况的传感信号，以及led灯光通信的直接调制信号源，实现了系统的自采电，省去了传感器模块，降低监测系统的功耗和体积，实现系统部件的轻量化。28.2、本发明的监测系统及方法，由于采用了电信号直接调制以控制led灯点亮的光强度和频率，节省了对传感信号的编码、解码过程，大幅降低了系统工作负荷，提高了数据采集和传输的效率，提高了监测的实时性。附图说明29.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：30.图1是本发明监测系统的构造图。31.图2是本发明监测系统安装的一个实施例。32.图3是本发明信号传递过程的示意图。33.图中，1为微风振动检测节点，2为信号接收处理中心。具体实施方式34.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。35.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。36.实施例一37.本实施例公开了一种基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测系统，包括微风振动检测节点和信号接收处理中心，检测节点的数量至少为一个。微风振动检测节点包括微风振动能量收集模块、微风振动传感模块、led光通信调制发射模块；信号接收处理中心包括led光通信接收解调模块。38.微风振动能量收集模块采用摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,teng)实现对微风振动能量的采集并转换为电能。微风振动能量收集模块安装于输电线路上，输电线路在微风作用下振动，摩擦纳米发电机在微风振动的作用下，特性不同的发电材料间发生摩擦(如接触-分离式摩擦)，在材料特性的驱使下产生电流，输出第一电信号，将机械能转化为电能。该电能通过能量收集管理电路收集存储，为整个微风振动检测节点供电。39.微风振动具有往复性，对应的，摩擦纳米发电机输出的第一电信号则属于交流电信号，并且该电信号的幅度和变化频率与微风振动的振幅和频率成正相关，包含微风振动的传感信息。微风振动传感模块连接于微风振动能量收集模块，获取发电结构输出的电信号。这样，微风振动能量收集模块和微风这弄懂传感模块可以在一个摩擦纳米发电结构中集成设计，减小体积。40.上述摩擦纳米发电机输出的第一电信号在作为供能电源和传感信号的同时，还可作为发射的信号源，经过简单处理后作为led光通信的调制源直接用于led灯的光强大小以及光信号频率的调制上。led光通信调制发射模块连接微风振动传感模块，通过调制器将上述第一电信号调制为光信号，将表征微风振动传感的幅值和频率信息以光为载体，调制为led光强大小和光变化频率的信号，作为无线光信号向空中辐射，实现光通信环节中的传感信号调制发射。41.led光通信接收解调模块将辐射于空中的光信号接收并通过光电转换器件转换为第二电信号，通过解调器对第二电信号进行解调，还原出检测节点得到的微风振动传感信息(即目标数据)。显然，本技术中的调制器和解调器成匹配关系。42.本设计的系统，巧妙地将原本仅作为摩擦纳米发电结构发电的中间产物-电信号-进行了一路三用，即该电信号作为能量收集管理电路存储电能的输入信号源，以及表征微风振动幅度及频率的传感信号，以及led光通信的直接调制信号源，共同作用下，能够提高对振动监测的实时性。如此，能够将对传感信号采集和光信号调制过程的能耗降到最低，并且最大幅度压缩检测节点的体积。由于检测节点调制思路简单，不需要微处理器件对信号进行复杂的编码调制，相匹配的，在信号接收处理中心对光信号的解调工作负荷能够得到极大的降低。由此，上述设计的系统能够对输电线路受微风影响的健康状态进行超低功耗、轻量化、高实时性、自供能的监测。43.实施例二44.本实施例公开了一种基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测系统，包括微风振动检测节点和信号接收处理中心。如图3所示，微风振动检测节点间隔设计在输电线路上，每间隔一定距离设置一个，信号接收处理中心安装于输电线铁塔上。45.微风振动检测节点包括微风振动能量收集模块、微风振动传感模块、led光通信调制发射模块；信号接收处理中心包括led光通信接收解调模块。46.微风振动能量收集模块用于将输电线振动的机械能转换为电能。本实施例采用了接触-分离式发电结构的摩擦纳米发电机作为能量转换的装置。摩擦纳米发电机连接能量收集管理电路，能量收集管理电路将转换的交流电信号经整流后，变换为直流电存储，进一步对检测节点供电。47.采用摩擦纳米发电机转换的电信号的幅度和频率能够反映出输电线振动的幅度和频率，而本技术的主要目的之一也是为了采集输电线在微风作用下发生振动的幅度和频率，因此，上述作为电源能量来源的电信号同时也可以作为对微风振动情况监测的传感信号。对此，微风振动传感模块连接上述摩擦纳米发电机，获取摩擦纳米发电机输出的电信号。48.在本发明中，检测节点数量庞大，并且也无条件将各检测节点采集的传感信号通过有线传输方式上报，因此，检测节点需要将微风振动传感模块采集的传感信号通过无线方式发射出去。碰巧的是，上述作为传感信号的电信号无需编码即可点亮led灯，在本实施例中，将微风振动传感模块采集的电信号传输给led光通信调制发射模块。led光通信调制发射模块通过mos调制器(或称mos开关调制器)对该电信号进行简单调制后，得到如图3所示的调制信号，该调制信号直接控制led灯的光强大小和光变化频率(点亮-熄灭的变换频率)，led灯将光信号向空中辐射。49.作为光信号接收端的led光通信接收解调模块采集空中辐射的光信号，通过光电转换元件-如光电二极管-将其转换为第二电信号，解调还原出传感信号中包含的微风振动信息。50.实施例三51.本实施例公开了一种基于led光通信的输电线路自供电微风振动监测方法，包括：52.采用摩擦纳米发电机将输电线振动的机械能转换为电能存储；53.获取摩擦纳米发电机输出的第一电信号；54.对获取的所述第一电信号进行调制，获得调制信号；55.利用所述调制信号驱动led灯向空中辐射光信号；56.利用光电转换元件采集空中辐射的光信号并转换为第二电信号，对第二电信号以上述调制过程的逆过程进行解调，得到目标数据。将解调后的目标数据上报。57.上述的摩擦纳米发电机(如接触-分离式、平移接触式等)安装于输电线上，与输电线保持静止，利用微风作用输电线时产生的振动进行发电，摩擦纳米发电机发电过程中输出的第一电信号经能量收集管理电路收集后存储为电能，为相关电子元器件供电，实现系统的自供电。同时，摩擦纳米发电机输出的第一电信号的振幅与频率与输电线摆动的幅度与频率成正相关，能够反映出输电线振动的情况，因此，本实施例将该第一电信号同时作为反映输电线振动状况的传感信号，无需安装多余的传感器来重新监测输电线的振动情况。除此之外，上述的第一电信号为模拟信号，能够直接作用led灯，因此，本实施例还将第一电信号作为驱动led灯的信号源。但考虑到第一电信号为交流电，因此，本实施例采用调制器(如mos调制器)对第一电信号进行了简单调制，如图3所示，将其加上一个基准电压，作为调制信号。以该调制信号作用led灯，控制led灯点亮的光强大小和频率，实现向空中辐射光信号，由此，实现了对传感信号的无线传输。作为信号的接收端，利用光电转换元件(如光敏二极管等)将采集的光信号转换为第二电信号，对第二电信号进行解调，解调过程与上述调制过程相反，即可得到传感信号，随后将传感信号上报到管理机。58.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。









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