CN101814774A - 一种无源环境参数无线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源环境参数无线监测装置，旨在提供一种工作稳定、使用寿命长、通过无线电传输电能的无源环境参数无线监测装置。本发明包括高频无线式环境参数在线监测装置(1)、RF电能发射和主信号源发射装置(2)，高频无线式环境参数在线监测装置(1)包括RF功率接收器(11)、电源恢复模块(12)、稳压储能模块(13)，RF电能发射和主信号源发射装置(2)与RF功率接收器(11)电磁波感应连接，所述RF功率接收器(11)与所述电源恢复模块(12)电连接，所述电源恢复模块(12)与所述稳压储能模块(13)电连接，所述稳压储能模块(13)向所述高频无线式环境参数在线监测装置(1)输出工作电源。本发明可广泛应用于环境参数无线监测预警领域。

Description

一种无源环境参数无线监测装置

技术领域

本发明涉及一种无源环境参数无线监测装置。

背景技术

随着技术的发展、自动化程度的不断提高，越来越多的设备采用各种环境参数实时监测，以保障运行的可靠性。电力系统配电变压器和配电线路的开关触点、母排或电缆连接处等部位可以通过实时监测其表面发热情况判断预测运行状态，提示故障隐患；大型机电设备可以通过持续监测振动情况，发现事故前兆，通过科学的关键参数在线监测可以预防事故的发生，且成本合理。

上述各种监测装置需安装在不同地点不同部位，组成监测系统时相互间的无线连接是必然需求。随着电子器件日益低功耗和电池技术的发展，内置电池成为可能，但毕竟电池供电使用寿命较短，且体积大因而难以满足使用要求；目前也出现了利用太阳能发电来实现无线供电，但太阳能供电也有体积过大的、成本较高的缺陷，并且因受天气和安装位置的影响而导致太阳能利用的不稳定性，因而局限了太阳能在供电上的使用，不能满足稳定供电的使用要求。

综上所述，现有技术存在寿命短、使用不稳定、局限性大等技术缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工作稳定、使用寿命长、通过无线电传输电能的无源环境参数无线监测装置。

本发明所采用的技术方案是：本发明包括高频无线式环境参数在线监测装置，所述高频无线式环境参数在线监测装置包括传感器检测单元、控制及存储单元、启动信号电路、控制信号电路、解调电路、发射电路及天线，所述一种无源环境参数无线监测装置还包括RF电能发射和主信号源发射装置，所述高频无线式环境参数在线监测装置还包括RF功率接收器、电源恢复模块稳压储能模块，所述RF电能发射和主信号源发射装置与所述RF功率接收器电磁波感应连接，所述RF功率接收器与所述电源恢复模块电连接，所述电源恢复模块与所述稳压储能模块电连接，所述稳压储能模块向所述高频无线式环境参数在线监测装置输出工作电源。

所述RF电能发射和主信号源发射装置包括功率分配器、功率放大器、环形器、混频器、LNA低噪放大器、LF滤波器、VGA可变增益入大器、解调节器、发射单元和转换开关及泄放电阻、发射天线，所述功率分配器与所述功率放大器和混频器电连接，所述混频器、LNA低噪放大器、LF滤波器、VGA可变增益入大器、解调节器依次电连接，所述功率放大器连接所述转换开关的中心端，所述转换开关的另两个端子分别边接所述环形器和所述泄放电阻，所述泄放电阻的另一端接共地，所述环形器还分别连接所述LNA低噪放大器和发射单元，所述发射单元连接所述发射天线。

所述发射单元包括相互串联的电容I C1、线圈I L1、电阻I R1，所述RF功率接收器包括线圈II L2、电阻II R2、电容II C2，所述线圈II L2、电阻II R2串联后与所述电容II C2并联，所述线圈I L1受电后所产生的电磁波感应至所述线圈II L2。

所述电源恢复模块包括采用肖特基势垒二极管和电容组成的多级二极管倍压电路，将交流射频信号电流整流为所述高频无线式环境参数在线监测装置所需的直流工作电压。

所述稳压储能模块包括三只串联的二极管D1、D2、D3、电阻R、电容C、MOS管M组成的开关电路，控制对所述电容的充电状态达到稳定的电压输出。

本发明的有益效果是：由于本发明包括高频无线式环境参数在线监测装置，所述高频无线式环境参数在线监测装置包括传感器检测单元、控制及存储单元、启动信号电路、控制信号电路、解调电路、发射电路及天线，所述无源环境参数无线监测装置还包括RF电能发射和主信号源发射装置，所述高频无线式环境参数在线监测装置还包括RF功率接收器、电源恢复模块稳压储能模块，所述RF电能发射和主信号源发射装置与所述RF功率接收器电磁波感应连接，所述RF功率接收器与所述电源恢复模块电连接，所述电源恢复模块与所述稳压储能模块电连接，所述稳压储能模块向所述高频无线式环境参数在线监测装置输出工作电源。所以本发明是一种通过无线电传输电能的无源环境参数无线监测装置，配上远程计算机可组成多级监测预警系统，它具有在高压、高温环境下实现高绝缘、高隔离的性能，免去拉线、更换电池，方便现场安装应用；适用于多种场合多种环境参数的实时监测，预防事故的发生，保障受监测设备的安全运行，且工作稳定、使用寿命长。本发明所涉及的无源环境参数无线监测装置，无需外引线供电或电池供电，通过高频无线方式取电、采用合理休眠方式节能，具有多种环境参数采集、安装使用方便、实时数据处理、灵活设置参数等特点。本发明适合于多种场合的应用，尤其是需高压电气隔离或不方便布线的场合，可对多种运行环境参数作实时监测，以便于及时发现和消除潜在问题，提高总体经济效益。

附图说明

图1是本发明电路结构框图；

图2是本发明RF电能发射和主信号源发射装置结构框图；

图3是本发明电能无线传输电路示意图；

图4是本发明电源恢复模块电路示意图；

图5是本发明稳压储能模块电路示意图；

图6是本发明解调电路示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明包括高频无线式环境参数在线监测装置1，所述高频无线式环境参数在线监测装置1包括传感器检测单元、控制及存储单元、启动信号电路、控制信号电路、解调电路、发射电路及天线，所述一种无源环境参数无线监测装置还包括RF电能发射和主信号源发射装置2，所述高频无线式环境参数在线监测装置1还包括RF功率接收器11、电源恢复模块12、稳压储能模块13，所述RF电能发射和主信号源发射装置2与所述RF功率接收器11电磁波感应连接，所述RF功率接收器11与所述电源恢复模块12电连接，所述电源恢复模块12与所述稳压储能模块13电连接，所述稳压储能模块13向所述高频无线式环境参数在线监测装置1输出工作电源。

所述RF电能发射和主信号源发射装置2包括功率分配器21、功率放大器22、环形器23、混频器24、LNA低噪放大器25、LF滤波器26、VGA可变增益入大器27、解调节器28、发射单元29和转换开关及泄放电阻、发射天线，所述功率分配器21与所述功率放大器22和混频器24电连接，所述混频器24、LNA低噪放大器25、LF滤波器26、VGA可变增益入大器27、解调节器28依次电连接，所述功率放大器22连接所述转换开关的中心端，所述转换开关的另两个端子分别边际连接所述环形器23和所述泄放电阻，所述泄放电阻的另一端接共地，所述环形器23还分别连接所述LNA低噪放大器25和发射单元29，所述发射单元29连接所述发射天线。

所述发射单元29包括相互串联的电容I C1、线圈I L1、电阻I R1，所述RF功率接收器11包括线圈II L2、电阻II R2、电容II C2，所述线圈II L2、电阻II R2串联后与所述电容II C2并联，所述线圈I L1受电后所产生的电磁波感应至所述线圈II L2。

所述电源恢复模块12包括采用肖特基势垒二极管和电容组成的多级二极管倍压电路，将交流射频信号电流整流为所述高频无线式环境参数在线监测装置1所需的直流工作电压。

所述稳压储能模块13包括三只串联的二极管D1、D2、D3、电阻R、电容C、MOS管M组成的开关电路，控制对所述电容的充电状态达到稳定的电压输出。

本实施例中，综合运用高频无线通信技术、数字化传感技术、无线电能传输，实时自动检测，预警现场各关键参数，有效提高设备运行的可靠性，对可能出现的不安全状况提前预警。和传统的无线监测系统相比，本发明的创新点在于：

一、无需外供电源，并且能适应不方便布线的场合，安全性较传统监测系统要好。彻底解决需拉线、维护及更换电池的问题。

二、采用ASK反向散射技术进行调制发射，进一步大大降低在线监测装置功耗。

1、RF功率发射器和接收器

RF功率发射与普通天线发射并没有太大区别，特点是发射线圈较大，主要发射ASK调制信号。接收天线尺寸较小，采用对偶极子天线。

2、电源恢复模块

采用肖特基势垒二极管和电容组成的二极管倍压电路，将交流的射频信号整流为监测单元所需要的直流电压。

3、储能电路

采用串联的二极管与电阻组成的电压感应器，控制开关管M的栅极电压，当电源恢复电路送来的输入电压达到D1～D3的开启电压总和时，M导通，停止对储能电容C进行充电。

4、监测模块

监测模块由低功耗单片机和传感器共同组成，和传统的监测模块没有什么不同，由传感器测出相应的环境参数，再由单片机按要求顺序读出。

5、调制电路

这里用到一项关键的技术：反向散射技术。通过改变芯片的输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而改变发射信号的信号强度，达到ASK调制目的。一般接收天线信号时天线的的阻抗和芯片的阻抗是匹配的，达到最大的传输效率，而当调制信号时，通过控制MOS管的导通，改变芯片的输入阻抗，从而增大反射系数，达到反向散射信号的目的。

6、解调电路

为解决不同场强下包络检波的正确性，在原有的二极管检波的基础上增加了电流泄放电路。当天线处于较强的发射天线近场时，由于电容两端的电压，使得晶体管导通，泄放一部分的电流，使得电压钳位在某个较固定的值，当接收到受调制的信号时，由于电阻、电容组成的延时电路的作用，晶体管仍然导通，使得信号能迅速地降低，达到解调的目的。

本发明具有如下特点：

1、参数检测模块无需外供电源，无需拉线或更换电池，体积小，方便安装应用，

2、多参数监测：本装置可配合多种传感器(温度、湿度、压力等)，能在线实时自动检测多个环境参数，多个装置配合后台计算机、通讯线路组合成一套完整的实时监测系统；

3、参数过界预警：可根据现场情况设定每个关键点的报警值，当检测到越限时，主动给出报警信号；

4、无线传输：采用无线电能传输，无线信号传送，参数采集发射单元无线传输数据，测量点与接收点无直接联系，电气上完全隔离，安全，且省去接线的麻烦，解决了此类产品的难点——供电问题；

5、免维护：采用先进的微功率无线通信和独特的电能传送方式，软硬件省电设计，无需更换电池；

6、扩展性能好：使用时可根据实际情况随时增加或删减环境参数测量的数量；

本发明可以达到或实现如下功能：

1、无线方式供电：通过无线传输电能方式给分散安装的采集发射单元供电，解决了此类产品的供电问题。

2、测点采集，数据显示：有效在线监测运行设备的环境参数，采集并显示被测关键点的位置及对应参数值。

3、阈值设定，越限报警：可独立设定各被检点的阈值，当检测到的参数超过设定阈值时，由该装置所组成的预警系统将自动发出故障信息报警。

4、数据存储，信息上传：当出现故障信息时，由该装置所组成的预警系统通过短信方式将故障信息上传至预设手机，或通过多种通讯方式将信息上传到远程计算机，同时将信息存储以供查询。

本发明可广泛应用于环境参数在线监测领域。

Claims (5)

1.一种无源环境参数无线监测装置，它包括高频无线式环境参数在线监测装置(1)，所述高频无线式环境参数在线监测装置(1)包括传感器检测单元、控制及存储单元、启动信号电路、控制信号电路、解调电路、发射电路及天线，其特征在于：所述一种无源环境参数无线监测装置还包括RF电能发射和主信号源发射装置(2)，所述高频无线式环境参数在线监测装置(1)还包括RF功率接收器(11)、电源恢复模块(12)、稳压储能模块(13)，所述RF电能发射和主信号源发射装置(2)与所述RF功率接收器(11)电磁波感应连接，所述RF功率接收器(11)与所述电源恢复模块(12)电连接，所述电源恢复模块(12)与所述稳压储能模块(13)电连接，所述稳压储能模块(13)向所述高频无线式环境参数在线监测装置(1)输出工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种无源环境参数无线监测装置，其特征在于：所述RF电能发射和主信号源发射装置(2)包括功率分配器(21)、功率放大器(22)、环形器(23)、混频器(24)、LNA低噪放大器(25)、LF滤波器(26)、VGA可变增益入大器(27)、解调节器(28)、发射单元(29)和转换开关及泄放电阻、发射天线，所述功率分配器(21)与所述功率放大器(22)和混频器(24)电连接，所述混频器(24)、LNA低噪放大器(25)、LF滤波器(26)、VGA可变增益入大器(27)、解调节器(28)依次电连接，所述功率放大器(22)连接所述转换开关的中心端，所述转换开关的另两个端子分别边接所述环形器(23)和所述泄放电阻，所述泄放电阻的另一端接共地，所述环形器(23)还分别连接所述LNA低噪放大器(25)和所述发射单元(29)，所述发射单元(29)连接所述发射天线。

3.根据权利要求2所述的一种无源环境参数无线监测装置，其特征在于：所述发射单元(29)包括相互串联的电容I C1、线圈I L1、电阻I R1，所述RF功率接收器(11)包括线圈II L2、电阻II R2、电容II C2，所述线圈II L2、电阻II R2串联后与所述电容II C2并联，所述线圈I L1受电后所产生的电磁波感应至所述线圈II L2。

4.根据权利要求1或2所述的一种无源环境参数无线监测装置，其特征在于：所述电源恢复模块(12)包括采用肖特基势垒二极管和电容组成的多级二极管倍压电路，将交流射频信号电流整流为所述高频无线式环境参数在线监测装置(1)所需的直流工作电压。

5.根据权利要求1或2所述的一种无源环境参数无线监测装置，其特征在于：所述稳压储能模块(13)包括三只串联的二极管D1、D2、D3、电阻R、电容C、MOS管M组成的开关电路，控制对所述电容的充电状态达到稳定的电压输出。

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