一种带载波通讯的无线供电自运维多功能杆及其运维方法与流程

一种带载波通讯的无线供电自运维多功能杆及其运维方法
1.技术领域
2.本发明涉及多功能杆维护技术领域，具体涉及一种带载波通讯的无线供电自运维多功能杆及其运维方法。


背景技术：

3.竖立在马路边或者野外的多功能杆主要用于照明、固定传感器、固定其他设备，用于监测环境、系统状态等，比如，在多功能杆上固定温湿度传感器、照明灯等。
4.在多功能杆领域，传统的设备都是通过有线接入供电，并且通过有线通讯汇聚到多功能杆的采集控制器上。当多功能杆上的设备需要维护时，需要安排云梯工程车进行高空作业，比较耗时耗力，危险系数也很大。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种带载波通讯的无线供电自运维多功能杆及其维护方法，利用高频无线电波给功能杆上的可拆卸传感器组输送能量和通讯信号，在维护时利用无人机实现可拆卸传感器组的更换为维护，实现功能杆自维护，大大降低了人力维护成本。
6.技术方案：本发明提供了一种带载波通讯的无线供电自运维多功能杆，包括杆体，所述杆体上方间隔设置有若干半圆形漏斗固定件，所述半圆形漏斗固定件上插有可拆卸传感器组，所述半圆形漏斗固定件下方的杆体上还固定有与所述可拆卸传感器组正对的高频无线电波收发模组一，所述高频无线电波收发模组一与所述可拆卸传感器组信号连接，用于为所述可拆卸传感器组通讯和供电；所述高频无线电波收发模组一与设置于杆体内的供电单元和控制器连接，所述供电单元为所述高频无线电波收发模组一和控制器提供电能，所述控制器解析高频无线电波收发模组一接收的高频无线电波信号，将数据传送至中心服务器；所述可拆卸传感器组包括可拆卸组件、传感器、电源管理模块以及高频无线电波收发模组二，所述传感器、电源管理模块以及高频无线电波收发模组二设置于所述可拆卸组件上，且所述可拆卸组件与所述半圆形漏斗固定件连接，所述传感器与所述高频无线电波收发模组二连接，所述高频无线电波收发模组二与所述电源管理模块连接，所述传感器与所述电源管理模块连接；所述高频无线电波收发模组一向所述可拆卸传感器组发送高频无线电波，所述可拆卸传感器组的高频无线电波收发模组二接收所述高频无线电波的信号并对其进行解析转化为串口传感器能够识别的通信数据，同时高频无线电波收发模组二通过电磁效应，将高频无线电波转化为电能存储到电源管理模块中。
7.进一步地，所述半圆形漏斗固定件的非圆形一侧向外侧设置。
8.进一步地，所述可拆卸组件包括垂直固定杆，所述垂直固定杆一侧水平固定有高频无线电波收发模组二，所述垂直固定杆一侧还竖直设置有挡板，所述垂直固定杆上方还固定有勾环；所述可拆卸组件还包括无人机、设置于无人机底部的挂钩，所述勾环与所述挂钩配合连接。
9.进一步地，所述半圆形漏斗固定件上方的漏斗口设置为红色，所述无人机上设置有机器视觉装置，能够定位所述半圆形漏斗。
10.进一步地，所述高频无线电波收发模组一、高频无线电波收发模组二结构相同，均包括mcu、发射极耦合多谐波振荡器、调制解调器以及收发天线，所述mcu与所述发射极耦合多谐波振荡器输入端连接，所述发射极耦合多谐波振荡器输出端与所述调制解调器输入端连接，所述调制解调器输出端与所述收发天线连接。
11.进一步地，所述发射极耦合多谐波振荡器包括电阻rb1、电阻rb2、电阻rc1、电阻rc2、电阻re1、电阻re2，电阻rb1与电阻rb2串联，电阻rc1与电阻re1串联，电阻rc2与电阻re2串联，三者串联后再并联的接地；电阻rb1、电阻rb2、电阻rc1、电阻re1之间连接有晶体三极管一，晶体三极管一的输入端连接于电阻rb1、电阻rb2之间，另外两端连接于电阻rc1、电阻re1之间；电阻rc1、电阻re1、电阻rc2、电阻re2之间连接有晶体三极管二，晶体三极管二输入端连接于电阻rc1与晶体三极管一之间，另外两端连接于电阻rc2与电阻re2之间；晶体三极管一与晶体三极管二的发射极之间连接有耦合电容c1，电阻rc2与晶体三极管二之间连接有耦合电容c2，耦合电容c2另一端作为输出端。
12.进一步地，所述晶体三极管一与晶体三极管二均工作于非饱和状态，所述耦合电容c1、耦合电容c2为30pf，所述电阻rb1、电阻rb2、电阻rc1、电阻rc2、电阻re1、电阻re2为2.5kω，振荡频率为2.11mhz。
13.本发明还公开一种多功能杆运维方法，包括如下步骤：步骤1：控制器在设定的频率下定时采集多功能杆上的传感器数据，通过串口将数据发送给高频无线电波收发模组二，高频无线电波收发模组二将信号通过调制解调器加载到高频载波信号中，并通过收发天线发送出去；步骤2：高频无线电波收发模组一接收到所述高频载波信号经过调制解调器从载波信号中解析出真实信号，然后转化为串口通信数据传输至控制器，所述控制器将所述数据传输至中心服务器；步骤3：高频无线电波收发模组一通过发射极耦合多谐波振荡器产生载波信号，然后通过调制解调器将数字信息加载到高频载波信号中，通过收发天线发送出去；步骤4：所述可拆卸传感器组的高频无线电波收发模组二接收所述高频无线电波的信号并对其进行解析转化为串口传感器能够识别的通信数据，同时高频无线电波收发模组二通过电磁效应，将高频无线电波转化为电能存储到电源管理模块中；步骤5：高频无线电波收发模组一无法接收到返回的信号，或者接收到返回的信号数据异常，控制器锁定多功能杆上的异常传感器的位置，向中心服务器发送维修信号，中心服务器分配无人机抓取可拆卸传感器组前往多功能杆杆体处；步骤6：无人机通过gps确定杆体所在位置，通过其上设置的机器视觉装置识别半圆形漏斗固定件的位置和方向，将异常的可拆卸传感器组件钩走，再插入新的可拆卸传感
器组；其中插入方式为机器视觉引导，无人机通过摄像机图像处理，分析红色半圆环形漏斗固定件所在位置，锁定目标将新的可拆卸传感器组的垂直固定杆插入半圆形漏斗固定件中；步骤7：控制器对新的可拆卸传感器组进行配置，实现数据正常交互。
14.优选地，控制器对新的可拆卸传感器组进行配置的具体方法为：控制器通过高频无线电波收发模组一的高频电波信号请求所有可拆卸传感器组，当高频无线电波收发模组一接收到新可拆卸传感器组返回信号时，所述控制器对其型号参数进行解析，与异常情况下的可拆卸传感器组型号进行对比，如果型号匹配，将新可拆卸传感器组的id信息重新绑定到设备列表中，替代原来的可拆卸传感器组数据，实现自动维护。
15.有益效果：1、本发明利用高频无线电波收发模组实现无线供电和信息传输，实现了设备的无线接入供电，便于后期运营维护；通过便于拆卸的固定方式，及带载波通讯的无线供电装置，实现设备放置即可使用的优势，通过无人机进行快速更换，提高了工作效率，而且节省人力物力，降低了维护过程中的危险系数。
16.2、本发明设计的半圆形漏斗方便传感器组的插入与拆除，便于无人机进行设备更换，并且在半圆形漏斗上方设置红色，便于无人机的定位识别。在整个拆卸传感器组上设置勾环，便于无人机利用挂钩取下传感器组。本发明设计的半圆形漏斗的非圆形一侧正对传感器组，与可拆卸传感器组的平面贴合，防止可拆卸传感器组晃动。
17.3、本发明设计的高频无线电波收发模组，可以将数字信息加入到高频载波信号中去，进行信息传输，同时高频无线电波收发模组通过电磁效应，将高频无线电波转化为电能存储到超级电容中，可以为传感器进行供电，不用为传感器进行有限供电与信息传输，取代了传统的有线通讯和有线供电，提高了维护的工作效率，节省了人力物力，为多功能杆的飞速发展打下基础。
18.4、本发明设计的发射极耦合多谐波振荡器，实现输出高频振荡信号。集电极-基极耦合多谐振荡电路二种为一体是发射极耦合多谐振荡器，它可以克服振荡器的缺点，两只晶体三极管工作在非饱和状态，提高了三极管的开关速度，从而可以得到更高的振荡频率。耦合电容接在发射极上，能改善输出波形。
附图说明
19.图1为本发明多功能杆结构示意图；图2为本发明半圆形漏斗固定件结构示意图；图3为本发明可拆卸传感器组结构示意图；图4为本发明高频无线电波收发模组结构框图；图5为本发明发射极耦合多谐波振荡器的电路连接图；图6为本发明高频无线电波收发模组的载波信号；图7为本发明高频无线电波收发模组的调频信号；图8为本发明可拆卸传感器组收发消息及供电流程示意图。
20.其中，1-杆体，2-半圆形漏斗固定件，3-可拆卸传感器组，301-垂直固定杆，302-挡板，303-勾环，304-无人机，305-挂钩，306-传感器，4-高频无线电波收发模组一，5-高频无
线电波收发模组二，6-控制器。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
22.本发明公开了一种带载波通讯的无线供电自运维多功能杆，包括杆体1，杆体1上方间隔设置有若干半圆形漏斗固定件2，半圆形漏斗固定件2上插有可拆卸传感器组3，半圆形漏斗固定件2下方的杆体1上还固定有与可拆卸传感器组3正对的高频无线电波收发模组一4，高频无线电波收发模组一4与可拆卸传感器组3信号连接，用于与可拆卸传感器组3通讯和为可拆卸传感器组3供电。
23.高频无线电波收发模组一4与设置于杆体1内的供电单元和控制器6连接，供电单元为高频无线电波收发模组一4和控制器6提供电能，控制器6解析高频无线电波收发模组一4接收的高频无线电波信号，将数据传送至中心服务器。
24.可拆卸传感器组3包括可拆卸组件、传感器306、电源管理模块以及高频无线电波收发模组二5，传感器306、电源管理模块以及高频无线电波收发模组二5设置于可拆卸组件上，且可拆卸组件与半圆形漏斗固定件2连接，传感器306与高频无线电波收发模组二5连接，高频无线电波收发模组二5与电源管理模块连接，传感器306与电源管理模块连接。
25.其中，传感器306为多功能杆上常用的设备，包括不限于路灯、摄像头、气象仪器、测速仪、可充电无人机停机坪等。其中高频无线电波收发模组二5上的收发天线可以根据悬挂的设备选用顶部天线和底部天线的模式，如路灯采用顶部天线的模式，即高频无线电波收发模组二5位于灯的上部；气象仪采用底部天线的模式，即高频无线电波收发模组二5位于气象仪的底部。参见附图3，附图3中左侧的图表示的是高频无线电波收发模组二5位于上方，传感器306位于下方，右侧的图表示的是高频无线电波收发模组二5位于下方，传感器306位于上方。
26.参见附图1，本发明实施例中的杆体1高度大于5米，其中1米左右为控制箱，控制箱内设置控制器6和供电单元，2米左右为高频无线电波收发模组一4，3米以上为半圆漏斗固定件2。
27.控制器6用于给高频无线电波收发模组一4提供能量和信号，也能解析高频无线电波收发模组一4接收的信号，将数据通过有线网或2g/4g/5g传送给中心服务器。
28.高频无线电波收发模组一4位于距离地面2米杆体1处，方向朝上，与其上面的可拆卸传感器组3通讯和供电，由一块或者多块面板组成，同时方向朝上有利于防止对下面的人或物产生辐射，造成不利影响。
29.半圆形漏斗固定件2固定于距离大于地面3米杆体处，用于方便可拆卸传感器组3安装。可拆卸传感器组3插入半圆形漏斗固定件2中即可。其设置为半圆漏斗方便定位可拆卸传感器组3的方向，半圆形漏斗固定件2的非圆形一侧向外侧设置，其中非圆一面为可拆卸传感器组3所在的一侧，与可拆卸传感器组3的平面贴合，防止可拆卸传感器组3晃动。半圆形漏斗固定件2上方的漏斗口为红色，方便无人机304通过机器视觉定位半圆形漏斗固定件2的位置及方向。
30.可拆卸组件包括垂直固定杆301，垂直固定杆301一侧水平固定有高频无线电波收
发模组二5，垂直固定杆301一侧还竖直设置有挡板302，垂直固定杆301上方还固定有勾环303；可拆卸组件还包括无人机304、设置于无人机304底部的挂钩305，勾环303与挂钩305配合连接。
31.半圆形漏斗固定件2上方的漏斗口设置为红色，无人机304上设置有机器视觉装置，能够定位半圆形漏斗固定件2的位置与方向。机器视觉装置比如可以为摄像机，摄像机上连接有图像处理系统，能够定位位置与方向。此非本专利需要保护的重点此处不做赘述。
32.高频无线电波收发模组一4、高频无线电波收发模组二5结构相同，均包括mcu、发射极耦合多谐波振荡器、调制解调器以及收发天线，mcu与发射极耦合多谐波振荡器输入端连接，发射极耦合多谐波振荡器输出端与调制解调器输入端连接，调制解调器输出端与收发天线连接。
33.控制器6自身通过有线/4g/5g与中心服务器通过mqtt保持连接通信，控制器6在设定的频率下定时采集多功能杆上的传感器数据，控制箱内部有一块arm主板，通过串口将数据发送给高频无线电波收发模组一4的mcu，高频无线电波收发模组一4的mcu再将信号通过调制解调器加载到高频载波信号中，并通过收发天线发送出去。
34.发射极耦合多谐波振荡器参见附图5，主要包括电阻rb1、电阻rb2、电阻rc1、电阻rc2、电阻re1、电阻re2，电阻rb1与电阻rb2串联，电阻rc1与电阻re1串联，电阻rc2与电阻re2串联，三者串联后再并联的接地。
35.电阻rb1、电阻rb2、电阻rc1、电阻re1之间连接有晶体三极管一，晶体三极管一的输入端连接于电阻rb1、电阻rb2之间，另外两端连接于电阻rc1、电阻re1之间。
36.电阻rc1、电阻re1、电阻rc2、电阻re2之间连接有晶体三极管二，晶体三极管二输入端连接于电阻rc1与晶体三极管一之间，另外两端连接于电阻rc2与电阻re2之间。
37.晶体三极管一与晶体三极管二的发射极之间连接有耦合电容c1，电阻rc2与晶体三极管二之间连接有耦合电容c2，耦合电容c2另一端作为输出端。两只晶体三极管工作在非饱和状态，提高了三极管的开关速度，从而可以得到更高的振荡频率。耦合电容接在发射极上，能改善输出波形。
38.晶体三极管一与晶体三极管二均工作于非饱和状态，耦合电容c1、耦合电容c2为30pf，电阻rb1、电阻rb2、电阻rc1、电阻rc2、电阻re1、电阻re2为2.5kω，振荡频率为2.11mhz。根据香农定理可以满足信号为9.6k或者0.11m带宽，首先通过发射极耦合多谐波振荡器产生载波信号，然后通过调制解调器将数字信息加载到高频载波信号中，通过收发天线发送出去。本发明中的收发天线为信号线、金属天线、防护罩等装置构成，为市面上常见的收发天线。发送侧收发天线将调频信号发送出去，接收侧的收发天线会收到同样波形的信号，经过接收侧的调制解调器从载波信号中解析出真实信号，然后通过rs485芯片转化为串口传感器能够识别的通信数据。同时接收侧的收发天线通过电磁效应，将高频无线电波信号转化为电能存储到电源管理模块中，电源管理模块内置有超级电容，电能存储在超级电容中为传感器306供电。
39.本发明对于上述的多功能杆，其运维方法，包括如下步骤：步骤1：控制器6在设定的频率下定时采集多功能杆上的传感器数据，传感器306通过串口将数据发送给高频无线电波收发模组二5，高频无线电波收发模组二5将信号通过调制解调器加载到高频载波信号中，并通过高频无线电波收发模组二5的收发天线发送出去。
40.步骤2：高频无线电波收发模组一4接收到高频载波信号后经过调制解调器从载波信号中解析出真实信号，然后转化为串口通信数据传输至控制器6，控制器将数据传输至中心服务器。
41.步骤3：高频无线电波收发模组一4通过发射极耦合多谐波振荡器产生载波信号，然后通过调制解调器将数字信息加载到高频载波信号中，通过收发天线发送出去。
42.步骤4：可拆卸传感器组3的高频无线电波收发模组二5接收高频无线电波的信号并对其进行解析转化为串口传感器能够识别的通信数据，同时高频无线电波收发模组二5通过电磁效应，将高频无线电波转化为电能存储到电源管理模块中。
43.步骤5：当高频无线电波收发模组一4无法接收到返回的信号，或者接收到返回的信号数据异常，控制器6锁定多功能杆上的异常传感器306的位置，向中心服务器发送维修信号，中心服务器分配无人机304抓取可拆卸传感器组3前往多功能杆杆体1处。
44.步骤6：无人机304通过gps确定杆体1所在位置，通过其上设置的机器视觉装置（摄像机）识别半圆形漏斗固定件2的位置和方向，将异常的可拆卸传感器组件3钩走，再插入新的可拆卸传感器组3；其中插入方式为机器视觉引导，无人机通过摄像机图像处理，分析红色半圆形漏斗固定件2所在位置，锁定目标将新的可拆卸传感器组3的垂直固定杆301插入半圆形漏斗固定件2中。
45.步骤7：控制器6对新的可拆卸传感器组3进行配置，实现数据正常交互。其中，控制器6对新的可拆卸传感器组3进行配置的具体方法为：控制器6通过高频无线电波收发模组一4的高频电波信号请求所有可拆卸传感器组3，当高频无线电波收发模组一4接收到新可拆卸传感器组3返回信号时，控制器6对其型号参数进行解析，与异常情况下的可拆卸传感器组3型号进行对比，如果型号匹配，将新可拆卸传感器组3的id信息重新绑定到设备列表中，替代原来的可拆卸传感器组3数据，实现自动维护。
46.上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。