本实用新型属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于无线电能传输技术的直埋电缆防破坏检测装置。
背景技术：
电力是国民基础，保障电力线路安全运行是重中之重。但是由于目前传统的城区10kv地埋输电线路常年处于多变的地下环境中，埋深比较小，每年电力电缆被施工设备毁坏的时间频繁发生，特别是正在规划改造的城区，施工比较频繁，地下电缆被误挖和遭受重压而断裂的事故更加易发，极易造成大范围城区的用电瘫痪，对企业和商铺带来很大的经济流失，同时政府部门也损失惨重，所以在施工时针对该地区的直埋电缆进行监测是防止直埋电缆被毁坏的重要工作。
目前，现有的地埋电缆的防破坏主要采用直接电线连接传感器的方式进行监测。这种方法在无施工地区比较实用，但是在施工城区，施工设备的挖掘和重压下，连接地下传感设备的电线往往很容易被误挖，从而无法监测地下10kv电缆的安全运行。
技术实现要素：
本实用新型提供一种基于无线电能传输技术的直埋电缆防破坏检测装置，以解决10kv直埋电缆布设于地下，无法测试其受损状态，受到施工或者车辆重压下而毁坏的问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种基于无线电能传输技术的直埋电缆防破坏检测装置，包括地下防水壳体，所述地下防水壳体内设有地下传感器、控制系统、地下电源、地下信号发射器、地下接收线圈，所述地下接收线圈、地下电源、控制系统依次连接，所述控制系统分别与地下传感器和地下信号发射器连接；所述检测装置还包括依次连接的地面信号接收器、地面信号处理器、地面电源、地面发射线圈；所述地面发射线圈与地下接收线圈通过磁耦合连接，所述地下信号发射器与地面信号接收器通信连接。
作为上述技术方案的进一步描述：所述地下信号发射器与地下传感器连接。
作为上述技术方案的进一步描述：所述地面信号处理器包括数据处理单元、lcd显示器和信标检测模块，所述数据处理单元分别与lcd显示器和信标检测模块连接。
作为上述技术方案的进一步描述：所述数据处理单元分别与地面信号接收器和地面电源连接。
作为上述技术方案的进一步描述：所述地下信号发射器包括lora无线通信模块和全向天线部分，所述lora无线通信模块与全向天线部分连接。
作为上述技术方案的进一步描述：所述地下传感器采用不锈钢铠装的接触式传感器。
作为上述技术方案的进一步描述：所述控制系统读取地下传感器数据，并将地下传感器中数据利用数据指针暂存在其内部存储空间对应的位置中；通过信号发射器将已采集到的数据发出，完成后将该数据指针重新指向存储空间位置的起点；当施工单位在进行现场勘测或者工作人员定期巡查时，将手机设备贴近信标检测装置，即可触发该装置运作，检测到的数据将会显示在lcd屏上。
作为上述技术方案的进一步描述：所述无线传能部分，采用磁耦合谐振式无线电能传输，线圈结构选用平面螺旋型。
作为上述技术方案的进一步描述：所述防水壳体的材料选用pvc或者pmma材质。
作为上述技术方案的进一步描述：所述地下传感器采用温度传感器、震动传感器或湿度传感器。
本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型提供的一种基于无线电能传输技术的直埋电缆防破坏检测装置，其设计结构合理、功能有效，实现对地下电缆的受损情况检测。利用无线电能传输给地下传感网络供电，保证了较高的效率，更高的安全度；同时采用lora无线通信方式实现无线数据传输，在较低功耗的前提下，可以方便地布置在地下采集电缆状态信息；除了可以应用在10kv直埋电缆防破坏领域，还适用于其他各种地下管道、线路等的状态检测。本实用新型结构简单、成本低廉、布设方便、使用容易、可靠性高，有望为相关地下环境检测工作提供支持。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种基于无线电能传输技术的直埋电缆防破坏检测装置的原理图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参照图1，本实用新型提供的一种实施例：包括地下防水壳体，所述地下防水壳体内设有地下传感器、控制系统、地下电源、地下信号发射器、地下接收线圈，所述地下接收线圈、地下电源、控制系统依次连接，所述控制系统分别与地下传感器和地下信号发射器连接；所述检测装置还包括依次连接的地面信号接收器、地面信号处理器、地面电源、地面发射线圈；所述地面发射线圈与地下接收线圈通过磁耦合连接，以通过磁耦合谐振传输无线电能，所述地下信号发射器与地面信号接收器通信连接；所述地下信号发射器与地下传感器连接。
在本实施例中，所述地面信号处理器包括数据处理单元(微控制器)、lcd显示器和信标检测模块，所述数据处理单元分别与lcd显示器和信标检测模块连接；所述lcd显示器可以显示由地下传感器检测到的地下电缆状态；所述信标检测模块目的是在施工单位在进行现场勘测或者是工作人员定期巡查时，利用手机靠近信标，就可以触发该装置运作。
在本实施例中，所述数据处理单元分别与地面信号接收器和地面电源连接；所述地下信号发射器包括lora无线通信模块和全向天线部分，所述lora无线通信模块与全向天线部分连接；所述地下传感器采用不锈钢铠装的接触式传感器。
在本实施例中，所述控制系统读取地下传感器数据，并将地下传感器中数据利用数据指针暂存在其内部存储空间对应的位置中；通过信号发射器将已采集到的数据发出，完成后将该数据指针重新指向存储空间位置的起点；当施工单位在进行现场勘测或者工作人员定期巡查时，将手机设备贴近信标检测装置，即可触发该装置运作，检测到的数据将会显示在lcd屏上。
在本实施例中，所述无线传能部分，采用磁耦合谐振式无线电能传输，线圈结构选用平面螺旋型。
如图1所示，控制系统和微控制器(数据处理单元)是该装置的核心控制处理部分，控制系统可依照预先设定的时序读取传感器数据，并将地下传感器数据利用数据指针暂存在其内部存储空间对应的位置中。当地下传感器数据存满该存储位置之后，通过lora无线通信模块将已采集到的数据发出，完成后将该数据指针重新指向存储空间位置的起点。节点上各功能的唤醒和休眠主要由微控制器实现，当信标检测到手机之后，微控制器控制无线电能传输部分给地下传感网络提供电能，使地下传感网络开始工作。在设计中尽可能采用集成度高、稳定性好、运行功耗较低及支持低功耗休眠的控制器型号。
装置供电部分采用无线电能传输技术给地下传感网络供电的工作方式。系统的工作电压是3.3v，在地下电源模块中采用聚合物锂电池存储电量，该电池的型号是751728，标称电压为3.7v，低压差稳压器将其所提供的3.7v电压转换成3.3v系统工作电压。低压差稳压器应选择封装小，所需外围元件少及输出稳定的型号。此外采用无线电能传输部分用以给地下节点提供稳定可靠、安全高效的电能供给。其由无线电能传输线圈、功率放大器及其外电路组成。无线电能传输模块在设计中应尽可能选取传输更为高效且稳定的线圈结构，尺寸不宜过大同时也要保证足够的传输功率。在安装无线电能传输部分的装置时，应测试传输功率是否和仿真结构大致吻合，若差距过大，应及时检查线圈位置是否对准，及时调整线圈位置，保证传输的效率。
lora数据传输部分用以为节点提供穿透力较强、结构简单的无线传输功能。其由lora无线通信模块及其外电路组成。lora无线通信模块在设计中应尽可能选取方便与微控制器通过串行接口等较为简单接口进行连接的型号。如lora无线通信模块还可使用ascii码进行控制，则能够进一步提高设计节点的紧凑性和可靠性。lora无线通信模块的外围电路中的天线对其传输特性也有重大影响。由于节点布设在土壤中后其可能由于土壤活动等发生位置变化，所以需要采用全向天线部分弥补这一问题。考虑到节点的体积与成本，推荐使用陶瓷天线或者pcb天线，以便使用接收设备获取各个节点发出的数据。需要注意的是，由于lora无线通信模块发出的信号受土壤吸收影响会造成较大衰减，所以在同一区域内的多个节点同时发送数据产生冲突的情况远小于在地面布置，此时传输采用双发发送模式(即传输数据时发送两次)，这样基本上可保障不会出现数据丢失。若节点布设较多，且埋深较浅，可考虑多发发送模式。
地下传感器的选用类型根据需要检测的数据，可以采用温度传感器、震动传感器、湿度传感器等等。同时在地下恶劣的环境中工作，需采用不锈钢铠装的接触式传感器型号。为了降低传感节点的功耗，传感器的供电方式还需使用寄生生供电方式。此外该接触式传感器与节点控制系统的通信接口还尽可能简单，并能为其提供较为精确，具有较高分辨率的检测结果。
防水壳体的材料可选用pvc或者pmma材质，防水壳体的形状呈球形以便较好承压。在防水壳体表面开孔以便传感器与外界土壤接触。传感器外露的尺寸在5mm以下为宜。在防水壳体有缝隙的地方，使用防水密封胶进行密封，保证地下装置的防水性。pcb水平放置于球形壳体中心水平直径方向并固定。
在本实施例中，控制系统和微控制器均采用意法半导体公司生产的stm8l101单片机，该单片机为20引脚8位cmos闪存单片机。在实施中，stm8l101单片机均采用tssop20封装，以便实现封装的小型化。工作中stm8l101单片机采用1.65-3.6v供电，使用低压差稳压器后将电池的输出电压转换为了3.3v接入单片机的8引脚vdd。该单片机的4引脚是复位端，用于发送数据之后复位归零。其余的引脚除去pb0和pb4，均为单片机的i/o口，用于给传感器供电、接受传感器数据、传输数据到lora信号发射端等功能。低压差稳压器选用rt9193低压差稳压器，输出电压在1.5v-5.0v可调。
lora无线通信模块选用semtech公司的loratm调制技术的无线芯片hkw52-4s，该模块具有超远距离扩频通讯，高抗干扰性和最大限度的减小电流功耗。该模块体积较小(16.8*16.6mm)，便于布设在面积较小的pcb上。stm8l101单片机通过串行通信方式向其发送ascii码指令进行控制和实现传输功能。该模块也使用3.3v供电，输出功率最大为 20dbm的433m信号输出功率。当无需让该模块进行数据发送时，需要令该模块休眠，以便节约能耗，延长电池和该节点的工作寿命。stm8l101单片机通过向hkw52-4s发出ascii码格式的syssleep指令使其进入休眠状态，hkw52-4s休眠时的电流仅仅为0.2μa。传输天线采用rainsunan1603-433m全向贴片天线。
为了满足对地下传感网络进行分布式、低成本、远距离的高效校测，本实用新型拟结合在土壤中有较好传输特性的lora无线通信技术，实现低成本、低功耗、结构简单、布设便捷、使用容易的无线传感节点，为地下电缆防破坏、地下管道的安全监测等相关领域提供切实可行的检测手段。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种基于无线电能传输技术的直埋电缆防破坏检测装置，其特征在于，包括地下防水壳体，所述地下防水壳体内设有地下传感器、控制系统、地下电源、地下信号发射器、地下接收线圈，所述地下接收线圈、地下电源、控制系统依次连接，所述控制系统分别与地下传感器和地下信号发射器连接；所述检测装置还包括依次连接的地面信号接收器、地面信号处理器、地面电源、地面发射线圈；所述地面发射线圈与地下接收线圈通过磁耦合连接，所述地下信号发射器与地面信号接收器通信连接。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述地下信号发射器与地下传感器连接。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述地面信号处理器包括数据处理单元、lcd显示器和信标检测模块，所述数据处理单元分别与lcd显示器和信标检测模块连接。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述数据处理单元分别与地面信号接收器和地面电源连接。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述地下信号发射器包括lora无线通信模块和全向天线部分，所述lora无线通信模块与全向天线部分连接。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述地下传感器采用不锈钢铠装的接触式传感器。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述防水壳体的材料选用pvc或者pmma材质。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述地下传感器采用温度传感器、震动传感器或湿度传感器。
技术总结