基于开关谐波的智能管线温控预警系统的通讯方法与流程

1.本发明涉及管线温控及通讯技术领域，特别是基于开关谐波的智能管线温控预警系统的通讯方法。


背景技术：

2.智能管线加热装置的iot模块依赖于已建无线网络，但工业场合复杂多变，其中一部分待加热管线的应用环境存在电磁屏蔽，如全金属外壳的封闭空间，wifi或5g等已建无线网络难以覆盖。传统的解决方案采用有线通讯，以485、can等总线方式进行设备互联，并在可连接互联网终端上完成数据传输。传统有线通讯方案的结构图如图1所示，置于电磁屏蔽区域100的各装备200(伴热带设备)通过485、can等低压有线通讯网络(如通讯模块300)与外部的通讯主站(主站模块400)之间进行数据传输，主站模块400收集数据后经由iot模块500将数据上传至服务器实现物联网功能。这类总线需要额外的通讯线路施工，恶劣的工业环境对以弱电信号为载体的线路通讯提出更高要求，长距离传输、线路传导干扰、抗高低温等因素引发的通讯网络误码、丢包、总线挂起等错误降低了通讯网络的稳定性，严重时将造成整个物联网络故障。
3.本发明提出一种基于开关谐波的高压载波信息通讯技术进行电磁屏蔽区域的设备信号互联。该技术以主动方式在供电线路中注入指定频率的的高次谐波，最后通过信号解码获得对应信息。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于开关谐波的智能管线温控预警系统的通讯方法，以解决上述技术背景中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
6.基于开关谐波的智能管线温控预警系统的通讯方法，包含智能管线温控预警系统，所述智能管线温控预警系统包括至少一个伴热带设备，每个伴热带设备包括一个控制器、一个开关管和一个伴热带，每个控制器均通过控制开关管对与之相对应的伴热带进行供电；
7.该通讯方法包括以下步骤：
8.步骤一、每个伴热带设备的控制器控制开关管信号在f频率的pwm信号和恒电平信号之间转换，并实现电源端的电流fft存在f整数倍的高次谐波和不存在f整数倍的高次谐波的变化；fft表示电流快速傅里叶变换，可以得到电流的频谱图，从而可以判定是否存在f整数倍的高次谐波；
9.步骤二、每个伴热带设备的控制器通过控制开关管(1.2)供电发出的电平信号采用异步时序模式，电平信号被电流谐波分析模块进行数据读取识别后通过iot模块将数据上传至服务器。
10.上述技术方案中，当智能管线温控预警系统包括单个伴热带设备时，所述伴热带
设备的控制器通过控制开关管供电发出的电平信号采用异步时序模式被电流谐波分析模块进行数据读取识别的具体过程为：
11.选取异步时钟tclk为200ms，假定高频控制信号f为m khz；
12.第一个200ms周期，控制器以f频率驱动开关管，电流频率分析模块分析出m khz的高频分量，标定本周期数据为“1”；
13.第二个200ms周期，控制器以恒定电平驱动开关管，电流频率分析模块未分析出指定的m khz高频分量，标定本周期数据为“0”；
14.第三个200ms周期，控制器再次以f频率驱动开关管，电流谐波分析模块标出指定高频分量，并标定本周期数据位“1”；
15.第四个200ms周期，控制器以恒定电平驱动，分析模块未发现指定频率分量，并标定为“0”；最终控制器通过操作开关信号发出的数据“a”被电流谐波分析模块识别。
16.上述技术方案中，当智能管线温控预警系统包括多个伴热带设备时，多个伴热带设备并联供电，各个伴热带设备的开关频率谐波相互叠加，选取异步时钟tclk为200ms，设定伴热带设备为p个，p个伴热带设备的控制频率分别为n1 khz、n2 khz、n3 khz
……
np khz，电源侧电流fft分析结果显示在n1 khz、n2 khz、n3 khz
……
np khz处均存在谐波尖峰；
17.每个伴热带设备的控制器通过控制开关管供电发出的电平信号采用异步时序模式被电流谐波分析模块进行数据读取识别的具体过程为：
18.第一个200ms周期，p个伴热带设备均以指定频率控制开关管，电流谐波分析模块同时检测到n1 khz、n2 khz、n3 khz
……
np khz尖峰电流，标定p个伴热带设备均对应数据“1”；
19.第二个200ms周期，一部分设备以恒电平控制，其余设备以指定频率控制，电流谐波分析模块仅检测到以指定频率控制的尖峰，标定以恒电平控制的设备对应数据“0”，以指定频率控制设备对应数据“1”；
20.第三个200ms和第四个200ms周期设备通过发送对应的控制信号，由电流谐波分析模块标定数据；最终，电流谐波分析模块识别每个伴热带设备发送数据，实现多设备互联。
21.上述技术方案中，每个伴热带设备的有效检测区域为min[f1
…
fn]～2*min[f1
…
fn]。
[0022]
上述技术方案中，所述电流谐波分析模块安装在电磁屏蔽区域外。
[0023]
上述技术方案中，所述电流谐波分析模块包括霍尔电流传感器和微控制器，所述霍尔电流传感器中的两个引脚串进含有至少一个伴热带设备的回路中，用于采集回路电流，所述霍尔电流传感器中的一个引脚接微控制器，用于将回路电流输入微控制器，所述微控制器进行数据处理，将计算得到的温度信息送入iot模块。
[0024]
基于权利上述所述方法的一种智能管线温控预警系统，其特征在于，包括至少一个伴热带设备、电源、电流谐波分析模块、iot模块和服务器；
[0025]
所述的至少一个伴热带设备均与电流谐波分析模块、电源电连接构成串联回路，所述电流谐波分析模块，用于识别每个伴热带设备的控制器通过控制开关管供电发出的电平信号；
[0026]
所述电流谐波分析模块与iot模块电连接，所述iot模块与服务器通讯连接；
[0027]
上述技术方案中，每个伴热带设备包含一个控制器、一个开关管和一个伴热带；每个控制器均通过控制一个开关管对与之相对应的伴热带设备进行供电；
[0028]
每个所述伴热带设备中的开关管和伴热带均与电流谐波分析模块和电源构成串联电路，两个伴热带设备之间并联供电。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030]
和传统方案相比，本发明中伴热带设备的温度信息只需要通过控制开关管在不同时刻的占空比，然后结合电流谐波分析模块，即可将温度信息传输到iot模块。基于开关谐波的通讯方法，无需额外的通讯线路，完全消除了传统方案通讯线路的故障问题，降低了系统复杂度和施工难度；谐波信号的能级高于低压通讯信号，具备更强的抗扰性能，通讯更为可靠。
附图说明
[0031]
图1为传统有线通讯方案的结构图；
[0032]
图2为实施例1中智能管线温控预警系统的结构示意图；
[0033]
图3为实施例1中对电源端的电流进行fft分析的频谱图；
[0034]
图4为实施例1中伴热带设备信号读取的示意图；
[0035]
图5为实施例2中智能管线温控预警系统的结构示意图；
[0036]
图6为实施例2中对电源端的电流进行fft分析的频谱图；
[0037]
图7为实施例2中伴热带设备信号读取的示意图；
[0038]
图中，100、电磁屏蔽区域；200、装备；300、通讯模块；400、主站模块；500、iot模块；1、伴热带设备；1.1、控制器；1.2、开关管；1.3、伴热带；2、电源；3、电流谐波分析模块；3.1、霍尔电流传感器；3.2、微控制器；4、iot模块。
具体实施方式
[0039]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0040]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0041]
参阅图1，现有技术中，伴热带装备的温度信息需要通过485、can等低压有线通讯网络(通讯模块)与外部的通讯主站(主站模块)和iot模块之间进行数据传输，这类总线需要额外的通讯线路施工，恶劣的工业环境对以弱电信号为载体的线路通讯提出更高要求，长距离传输、线路传导干扰、抗高低温等因素引发的通讯网络误码、丢包、总线挂起等错误降低了通讯网络的稳定性，严重时将造成整个物联网络故障；
[0042]
而本发明，伴热带设备的温度信息只需要通过控制开关管在不同时刻的占空比，
然后结合电流谐波分析模块，即可将温度信息传输到iot模块。简化了传输方式，并且提高了传输可靠性。具体在于传统的伴热带设备的温度信息传输方式需要额外的传输线，而本发明不需要。
[0043]
实施例1
[0044]
单个伴热带设备通讯
[0045]
参阅图2，本发明提供了一种智能管线温控预警系统，包括伴热带设备1、电源2、电流谐波分析模块3、iot模块4和服务器(图中未示出)；
[0046]
所述伴热带设备1与电流谐波分析模块3、电源2电连接，所述电流谐波分析模块3，用于采集并识别伴热带设备1的控制器控制开关管1.2供电发出的电平信号；电源2为220v市电；
[0047]
所述电流谐波分析模块3与iot模块4电连接，iot模块4与服务器通讯连接；其中，所述电流谐波分析模块3包括霍尔电流传感器3.1和微控制器3.2，所述霍尔电流传感器3.1中的两个引脚串进含有伴热带设备1的回路中，用于采集回路电流，霍尔电流传感器3.1中的一个引脚接微控制器3.2，用于将回路电流输入微控制器3.2，微控制器3.2进行数据处理，将计算得到的温度信息送入iot模块4。进一步的，微控制器3.2采用stm32f407，霍尔电流传感器3.1采用acs712模块。
[0048]
伴热带设备1包含一个控制器1.1、一个开关管1.2和一个伴热带1.3，控制器1.1是指一个微处理器，可以是stm32f103rct6；开关管1.2的型号为；伴热带1.3的型号为；控制器1.1均通过控制开关管1.2对伴热带1.3进行供电；伴热带设备1中的开关管1.2和伴热带1.3均与电流谐波分析模块3和电源2构成串联电路。
[0049]
基于开关谐波的智能管线温控预警系统的通讯方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤一、智能管线温控预警系统包括一个伴热带设备1，伴热带设备1包括一个控制器1.1、一个开关管1.2和一个伴热带1.3，控制器1.1均通过控制开关管1.2对与之相对应的伴热带1.3进行供电；
[0051]
当控制器以99％占空比、固定频率为f的pwm信号控制开关管供电时，伴热带两端施加的电压基本等于电源电压；此时，对电源端的电流进行fft分析(频谱分析，如图3所示)可以发现，伴热带工作电流中叠加了频率为f，f整数倍的高次谐波。相反，当控制器以恒定电平信号(非高频信号)控制开关管供电时，电源端的电流中将不存在高次谐波。如果将电流fft结果中存在指定高次谐波视为“1”，那么不存在指定高次谐波可被视为“0”，而控制信号在f频率和恒电平之间转换将可以实现“1”和“0”的变化。
[0052]
步骤二、控制器控制开关管信号在f频率和恒电平之间转换，并实现电源端的电流fft存在f整数倍的高次谐波和不存在f整数倍的高次谐波的变化，即控制信号在f频率和恒电平之间转换将可以实现“1”和“0”的变化；
[0053]
步骤三、伴热带设备不需要额外的通讯线路，数据信息直接叠加在其供电线路中，控制器通过操作开关信号发出的数据采用异步时序模式被电源侧安装的电流谐波分析模块进行数据读取识别，识别数据后通过iot模块将数据上传至服务器。
[0054]
由于智能管线温控预警系统中伴热带设的数据量有限，数据通讯采用异步时序模式，在保证fft结果正确的基础上选取异步时钟tclk为200ms。具体如下：
[0055]
假设高频控制信号f为10khz，传递16进制“a”(1010)的过程如图3所示。
[0056]
第一个200ms周期，控制器以f频率驱动开关管，电流频率分析模块分析出10khz的高频分量，标定本周期数据为“1”；
[0057]
第二个200ms周期，控制器以恒定电平驱动开关管，电流频率分析模块未分析出指定的10khz高频分量，标定本周期数据为“0”；
[0058]
第三个200ms周期，控制器再次以f频率驱动开关管，电流谐波分析模块标出指定高频分量，并标定本周期数据位“1”；
[0059]
第四个200ms周期，控制器以恒定电平驱动，分析模块未发现指定频率分量，并标定为“0”；最终控制器通过操作开关信号发出的数据“a”被电流谐波分析模块识别。
[0060]
实施例2
[0061]
两个伴热带设备通讯
[0062]
参阅图5，一种智能管线温控预警系统，包括两个伴热带设备1、一个电源2、一个电流谐波分析模块3、一个iot模块4和一个服务器(图中未示出)；
[0063]
所述的两个伴热带设备1之间并联供电；两个伴热带设备1均分别与电流谐波分析模块3、电源2电连接，构成串联回路，所述电流谐波分析模块3，用于采集并识别每个伴热带设备1的控制器通过控制开关管1.2供电发出的电平信号；
[0064]
所述电流谐波分析模块3与iot模块4电连接，iot模块4与服务器通讯连接；其中，所述电流谐波分析模块3包括霍尔电流传感器3.1和微控制器3.2，所述霍尔电流传感器3.1中的两个引脚串进含有伴热带设备1的回路中，用于采集回路电流，霍尔电流传感器3.1中的一个引脚接微控制器3.2，用于将回路电流输入微控制器3.2，微控制器3.2进行数据处理，将计算得到的温度信息送入iot模块4。进一步的，微控制器3.2采用stm32f407，霍尔电流传感器3.1采用acs712模块。
[0065]
每个伴热带设备1包含一个控制器1.1、一个开关管1.2和一个伴热带1.3；每个控制器1.1均通过控制一个开关管1.2对与之相对应的伴热带1.3进行供电；每个所述伴热带设备1中的开关管1.2和伴热带1.3均与电流谐波分析模块3和电源2构成串联电路。
[0066]
基于开关谐波的智能管线温控预警系统的通讯方法，包括以下步骤：
[0067]
步骤一、智能管线温控预警系统包括两个伴热带设备，每个伴热带设备包括一个控制器、一个开关管和一个伴热带，每个控制器均通过控制开关管对与之相对应的伴热带设备进行供电；当控制器以99％占空比、固定频率为f的pwm信号控制开关管供电时，伴热带两端施加的电压基本等于电源电压；
[0068]
步骤二、控制器控制开关管信号在f频率和恒电平之间转换，并实现电源端的电流fft存在f整数倍的高次谐波和不存在f整数倍的高次谐波的变化；
[0069]
步骤三、伴热带设备不需要额外的通讯线路，数据信息直接叠加在其供电线路中，控制器通过操作开关信号发出的数据采用异步时序模式被电源侧安装的电流谐波分析模块进行数据读取识别，识别数据后通过iot模块将数据上传至服务器。
[0070]
在实施例1中单个伴热带设备通讯的基础上，可以通过频率叠加方式进行多设备的主从通讯。多设备并联供电时，各个伴热带设备的开关频率谐波相互叠加，设定其中一个伴热带设备的控制频率为10khz、另一个伴热带设备的控制频率为11khz，电源侧电流fft分析结果显示在10khz和11khz处均存在谐波尖峰(如图6所示)。因此，通过设定的设备开关频率，并检测指定频率谐波是否存在便能实现多机通讯。
[0071]
参阅图7，图中显示不同设备的信号读取，设定其中一个伴热带设备控制频率为10khz，另一个伴热带设备控制频率为11khz，频率为10khz的伴热带设备(以下称之为设备1)发送数据“a”(1010)，频率为11khz的伴热带设备(以下称之为设备2)发送数据“c”(1100)。
[0072]
第一个200ms周期，设备1和设备2均以指定频率控制开关管，电流谐波分析模块同时检测到10khz和11khz尖峰电流，标定设备1对应数据“1”，设备2对应数据“1”；
[0073]
第二个200ms周期，设备1以恒电平控制，设备2以指定频率控制，电流谐波分析模块仅检测到11khz尖峰，标定设备1对应数据“0”，设备2对应数据“1”；
[0074]
第三个200ms和第四个200ms周期设备通过发送对应的控制信号，由电流谐波分析模块标定数据分别为“10”和“00”；最终，电流谐波分析模块识别设备1(对应10khz)发送数据为“a”,设备2(对应11khz)发送数据为“c”，实现多设备互联。
[0075]
本实施例中，需要注意，2f频率谐波将限制有效的数据检测区域，为防止发生频率交叠，有效的频率检测区域为min[f1
…
fn]-2*min[f1
…
fn]。此外，fft的检测精度限制了设定频率的差值，设备之间控制频率差值过小会导致无法正确获取数据。
[0076]
本发明中，所述电流谐波分析模块3安装在电磁屏蔽区域100外，原因是：电磁屏蔽区域是为了让控制器不干扰其他设备，也不受其他设备的干扰，但是iot需要将信号传输出去，所以要放在电磁屏蔽区域以外。
[0077]
本发明中，电流谐波分析模块3的工作原理：
[0078]
电流谐波分析模块3包括霍尔电流传感器3.1和微控制器3.2(cpu)，霍尔电流传感器3.1串联进回路中，如图2和图5所示，伴热带设备1接通220v电源后开始工作，控制器1.1控制开关管1.2对伴热带1.3进行供电，同时控制器1.1以高频pwm信号和恒定电平信号来控制开关管1.2供电，将温度数据信息以电平信号的方式进行传输，霍尔电流传感器3.1实时检测电路中的电流信号并通过模数转换io口送入微控制器3.2(cpu)，微控制器3.2(cpu)将采集到的模拟量进行adc转换得到一个数字量序列，由提前写入cpu的fft计算代码对转换得到的数字量进行频率计算，得到各个谐波频率和对应的幅值，为了避免频率交叠，测量频率范围为min[f1
…
fn]～2*min[f1
…
fn]，不同的频率对应不同的伴热带设备1，若检测不到某设备对应的频率信号，即可认为该设备在该周期内是恒电平供电，将电平信号转换为温度信息即可得到各个设备该时刻的温度信息，cpu再通过一个串口将温度信息送入iot模块。
[0079]
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。