CN102013737A

CN102013737A - 无线充电传感器节点

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Publication number: CN102013737A
Application number: CN2010105038492A
Authority: CN
Inventors: 陈积明; 江发昌; 程鹏; 贺诗波; 孙优贤
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: CN102013737B

Abstract

本发明公开了一种无线充电的传感器节点，该节点主要由PCB天线、射频前端模块、微处理器模块、传感器模块、无线射频模块组成；PCB天线与射频前端模块相连，射频前端模块通过稳压子模块与微处理器模块相连，微处理器模块通过IO端口与传感器模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接；该传感器节点不仅可以进行无线充电，同时可以采集各种传感器数据并且通过无线射频芯片发送出去。

Description

无线充电传感器节点

技术领域

本发明涉及一种综合射频识别无线充电功能和传感器节点获取传感数据功能的无需电池供电的新型无线传感节点。

背景技术

半导体技术、计算机技术的发展使无线传感器网络(Wireless SensorNetwork--WSN)和射频识别(Radio Frequency IDendification--RFID)得至了很大的研究和应用。传感器网络主要由传感器节点组成，通过对传感器节点的合理布置来完成对某一特定传感参数的监测。传感器节点大致由传感器、微处理器、无线射频模块三部分组成，其中传感器把采集到的传感信号传送给微处理器处理，处理完后通过无线射频模块把数据发送给另外的节点或者上位机。射频识别技术主要由两部分组成——读写器和标签。标签本身不携带电池，而是通过接收转换读写器发射的甚高频电磁波信号来供电，从而摆脱了电池的束缚，与此同时，标签只携带了自身的ID信息，并且标签与读写器之间的通信距离很短。

发明内容

为了克服现有传感器节点需要电池供电和无源电子标签携带信息简单且通信距离短的不足，本发明提供了一种无线充电传感器节点。该传感器节点不仅可以进行无线充电，同时可以采集各种传感器数据并且通过无线射频芯片发送出去。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种无线充电的传感器节点，该节点主要由PCB天线、射频前端模块、微处理器模块、传感器模块、无线射频模块组成；PCB天线与射频前端模块相连，射频前端模块通过稳压子模块与微处理器模块相连，微处理器模块通过IO端口与传感器模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接。

本发明通过印制板天线接收、转换读写器发射的925MHz左右的射频信号，由检波管和电容组成的倍压整流电路把微弱信号放大，然后存储在大容量低漏电流的储能电容Cmax中，Cmax的端电压为Vout。Vout通过低功耗的稳压芯片U1输出稳定电压Vreg，整个节点都由Vreg供电。微控制器U0利用通用IO口与传感器模块相连，同时微处理器的IO口给传感器模块提供电源，微控制器U0通过SPI接口与无线射频模块连接。

本节点采用的微控制器芯片可以选择TI公司的MSP430F2274，其第2、3引脚接32KHz外部低速晶振，第38、39引脚接供电电压Vreg，第6、7、8引脚作为ADC模拟输入通道连接电压传感器、光强传感器、温度传感器的模拟量输出，第9、10、11、12引脚是微控制器的SPI接口，连接无线射频芯片U7，第15、16、17引脚连接电压传感器、光强传感器、温度传感器的电源引脚，第20、21、22引脚分别连接发光二极管LED3、LED2、LED1，第30、31引脚连接无线射频芯片U7。

所述的无线射频芯片可以采用TI公司的CC2500，其第12、13引脚通过巴伦平衡非平衡转换器及阻抗匹配电路与2.4GHz的贴片天线E2相连，第1、2、3、6、7、20引脚与微处理器U0连接，第8、10引脚与26.0MHz的晶振连接，第4、9、11、14、15、18引脚通过场效应管Q5与微处理器U0相连。

本发明具有的有益效果是：

1)、微处理器采用超低功耗的MSP430F2274，它的供电电压可以低至1.8V，并且提供了多种低功耗模式，有效地降低了整个节点对能量的消耗。

2)、印制板天线和检波管组成的倍压整流电路将甚高频段的电磁波信号转换成电能并存储起来，从而完成了能量转换与传输，摆脱了传统节点对于电池的依赖。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明的射频前端模块电路原理图；

图3是本发明的微处理器模块电路原理图；

图4是本发明的传感器模块电路原理图；

图5是本发明的无线射频模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，描述了该新型节点的整体结构组成。它主要由PCB天线、射频前端模块、微处理器模块、传感器模块、无线射频模块组成。PCB天线与射频前端模块相连，射频前端模块收集能量并通过稳压子模块连接到微处理器模块，微处理器模块通过IO端口与传感器模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接。

PCB天线收集到的射频能量通过射频前端模块的整流转换后被储存在储能电容Cmax中，在稳压子模块的作用下，射频前端模块最后输出稳定的电压Vreg，Vreg为整个传感器节点提供能量。微处理器模块中的微控制器可以选用TI公司的MSP430F2274，负责整个节点的控制工作，同是也要进行各种数据的处理，是整个节点的核心。传感器模块完成特定传感器参数的采集，并输入至微控制器进行处理。无线射频模块的射频芯片可以选用TI公司的2.4GHz的无线收发器CC2500，通过无线的方式接收或者发送数据。

如图2所示，是射频前端模块的电路连接。射频前端模块主要由天线Antenna、可变电容CV、电感L1、检波管D1～D7、电容C1～C14、二极管D8、储能电容Cmax、稳压二极管ED、稳压芯片U1、电容C15组成，其中检波管D1～D7可以选用Agilent公司的零偏置肖特基检波管HSMS-285，稳压芯片U1可以选用ON Semiconductor公司的稳压器NCP583SQ18。可变电容CV的一端与天线Antenna、电感L1的一端连接，可变电容CV的另一端与地连接，电感L1的另一端与电容C1、C3、C5、C7、C9、C11、C13的一端连接，检波管D1的1脚与地连接，检波管D1的2脚与检波管D2的1脚、电容C2的一端连接，检波管D2的2脚与检波管D3的1脚、电容C4的一端连接，检波管D3的2脚与检波管D4的1脚、电容C6的一端连接，检波管D4的2脚与检波管D5的1脚、电容C8的一端连接，检波管D5的2脚与检波管D6的1脚、电容C10的一端连接，检波管D6的2脚与检波管D7的1脚、电容C12的一端连接，检波管D7的2脚与电容C14的一端、二极管D8的正端连接，电容C2、C4、C6、C8、C10、C12、C14的另一端与地连接，二极管D8的负端与储能电容Cmax的一端、稳压二极管ED的负端、稳压芯片U1的1脚和4脚连接，储能电容Cmax的另一端与地连接，稳压二极管ED的正端与地连接，稳压芯片U1的3脚与电容C15的一端连接，电容C15的另一端与地连接，稳压芯片U1的2脚与地连接。在射频前端模块中，稳压芯片U1的3脚输出稳定电压Vreg，储能电容Cmax的端电压为Vout。

如图3所示，描述了微处理器模块的电路连接情况。微处理器模块主要由微控制器U0、电阻R0、晶振Y1、发光二极管LED1～LED3、电阻R1～R3、场效应管Q1～Q3、电压检测器U2、电平转换芯片U3、接插件P1、接插件P2组成，其中微处理器U0可以选用TI公司的MSP430F2274芯片。微控制器U0的第1、4、13脚连接到地，U0的第2、3脚连接到32KHz的辅助时钟晶振Y1，U0的第5脚与电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与Vreg相连，微控制器U0的第6脚连接到图4中电压传感器U6的2脚、电容C20的一端，U0的第7脚连接到图4中光传感器U5的第6脚、电容C19的一端，U0的第8脚连接到图4中温度传感器U4的第3脚、电容C16的一端，微处理器U0的第9脚与图5中射频芯片U7的CSn端相连，U0的第10脚与图5中射频芯片U7的SI端相连，U0的第11脚与图5中的射频芯片U7的SO/GDO1端相连，微处理器U0的第12引脚与图5中射频芯片U7的SCLK端相连，微处理器U0的第15引脚与图4中电压比较器U6的IN端相连，U0的第16引脚与图4中的光传感器U5的VDD相连，U0的第17引脚与图4中的温度传感器U4的VDD相连，微控制器U0的第20、21、22引脚分别连接场效应管Q3、Q2、Q1的1脚，U0的第29脚与电平转换芯片U3的B端连接，U0的第30脚与图5中射频芯片U7的GDO0/ATEST端相连，U0的第31脚与图5中射频芯片U7的GDO2端相连，U0的第33脚与接插件P2的8脚连接，U0的第37脚与接插件P1的2脚连接，U0的第38、39脚与稳压芯片U1的稳定输出电压Vreg连接。发光二极管LED1、LED2、LED3的正端都与Vout连接，LED1、LED2、LED3的负端分别于电阻R1、R2、R3的一端连接，电阻R1、R2、R3的另一端分别与场效应管Q1、Q2、Q3的3脚连接，场效应管Q1、Q2、Q3的2脚都连接到地。电压检测器U2的NC端和VDD端都连接到Vout，VSS端连接到地，OUT端连接到电平转换芯片U3的A端。电平转换芯片U3的VCCA端与Vout连接，VCCB端与Vreg连接，GND端与OE端连接到地。接插件P1的第1脚与Vreg连接，第3脚与微控制器U0的RST端连接，第4脚连接到地。接插件P2第1脚连接到Vout，第2脚连接到Vreg，第3脚连接到地，第4脚连接到微控制器U0的P1.0端，第5脚生接到微控制器U0的P2.0/A0端，第6脚连接到微控制器U0的P2.1/A1端，第7脚连接到微控制器U0的P2.2/A2端，第8脚连接到微控制器U0的P1.4端。

如图4所示，是传感器模块的电路原理图。传感器模块主要由温度传感器U4、光传感器U5、电压比较器U6、电容C16～C20、电阻R4～R6、场效应管Q4组成。温度传感器U4的GS0、GS1、GND端都连接到地，OUT端与电容C16连接，VDD端与电容C17连接，电容C16的另一端连接到地，电容C17的另一端连接到地。光传感器U5的VDD端与电容C18连接，VOUT端与电容C19连接，GND端连接到地，REXT与电阻R4连接，R4的另一端连接到地，电容C18、C19的另一端连接到地。电压比较器U6的NO端与电阻R5、R6连接，R5的另一端与Vout连接，R6的另一端与场效应管Q4的3脚连接，电压比较器U6的COM端与电容C20连接，电容C20的另一端连接到地，电压比较器U6的GND端与地连接，VCC端与Vout连接，IN端与场效应管Q4的1脚连接，Q4的2脚连接到地。

如图5所示，描述了无线射频模块的电路连接情况。无线射频模块主要由无线收发器U7、26.0MHz的晶振XTAL-H、场效应管Q5、电容C21～C29、电感L2～L4、电阻R7、电阻R8、贴片天线E2组成，其中无线收发器U7可以选用TI公司的2.4GHz的CC2500。无线收发器U7的DVDD、AVDD、DGUARD端与场效应管Q5的2脚连接，DCOUPL端与电容C21连接，电容C21的另一端连接到地，无线收发器U7的XOSC_Q1、XOSC_Q2端与26.0MHz的晶振XTAL-H连接，同时XOSC_Q1也与电容C22连接，XOSC_Q2也与电容C23连接，电容C22、C23的另一端连接到地，无线收发器U7的RF_P端与电容C25的一端相连，C25的另一端与电容C27和电感L3连接，电容C27的另一端连接到地，电感L3的另一端与电容C26、电容C28、电感L4连接，L4的另一端与电容C29、贴片天线E2连接，电容C28、C29的另一端都连接到地，无线收发器U7的RF_N端与电容C24的一端连接，C24的另一端与电容C26、电感L2连接，无线收发器U7的GND端连接到地，无线收发器U7的RBIAS端连接到电阻R8，R8的另一端连接到地。场效应管Q5的3脚连接到电阻R7，R7的另一端连接到Vreg。

上述实施例用米解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种无线充电的传感器节点，其特征在于：该节点主要由PCB天线、射频前端模块、微处理器模块、传感器模块、无线射频模块组成。PCB天线与射频前端模块相连，射频前端模块通过稳压子模块与微处理器模块相连，微处理器模块通过IO端口与传感器模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接。

2.根据权利要求1所述的无线充电的传感器节点，其特征在于：所述的射频前端模块，其LC匹配网络与倍压整流电路相连，倍压整流电路由检波管与电容组成，倍压整流电路的输出与储能电容Cmax连接，储能电容Cmax的端电压Vout经过稳压芯片后稳定输出Vreg，给整个节点提供能量。

3.根据权利要求1所述的无线充电的传感器节点，其特征在于：所述的微处理器模块中的微控制器芯片U0，其第2、3引脚接32KHz外部低速晶振，第38、39引脚接供电电压Vreg，第6、7、8引脚作为ADC模拟输入通道连接电压传感器、光强传感器、温度传感器的模拟量输出，第9、10、11、12引脚是微控制器的SPI接口，连接无线射频芯片U7，第15、16、17引脚连接电压传感器、光强传感器、温度传感器的电源引脚，第20、21、22引脚分别连接发光二极管LED3、LED2、LED1，第30、31引脚连接无线射频芯片U7。

4.根据权利要求1所述的无线充电的传感器节点，其特征在于：所述的无线射频模块中的射频芯片U7，其第12、13引脚通过巴伦平衡非平衡转换器及阻抗匹配电路与2.4GHz的贴片天线E2相连，第1、2、3、6、7、20引脚与微处理器U0连接，第8、10引脚与26.0MHz的晶振连接，第4、9、11、14、15、18引脚通过场效应管Q5与微处理器U0相连。