CN102932025A - 一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统 - Google Patents

Abstract

一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统，包括一个驱动模块，一个发射模块，一个接收模块和一个负载模块：驱动模块包括电源、频率发生器、MCU、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线。发射模块包括发射线圈和调谐电容。接收模块包括接收线圈和调谐电容。负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、MCU和应用电路。驱动模块将能量和信号协同发射到自由空间，经过发射模块和接收模块的无线传输后，被负载模块接收。负载模块还能将信号通过无线传输方式反馈，经过接收模块和发射模块的无线传输后，被驱动模块接收。本发明基于磁共振的无线传输，具有传输效率高、传输距离远、可双向通信、不怕障碍、实现灵活等优点。

Description

一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统

技术领域

本发明涉及能量/信号协同传输技术领域，尤其是涉及种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统。

背景技术

无线技术，包括无线信号传输和无线能量传输，其发展正如火如荼，并且日益深入到我们生活的方方面面，不断影响和改变我们的日常生活。随着云计算和物联网的兴起，计算和环境感知智能设备将遍布世界，我们居住的地球将成为“智慧地球”。为了实现这一设想，需要一系列关键技术，无线能量/信号协同传输就是其中一种关键技术。无线能量/信号协同传输技术将使终端摆脱电源线和信号线的束缚，具有极大的灵活性、广泛的适应性。这项技术将可以应用到智能通讯、智能电网、智能交通、智能家居和健康医疗等领域，实现物流监控、生产制造加工控制、门禁控制、宠物管理、商品防伪、电子档案（生物技术护照）、健康监护、实时位置服务、军事监视与跟踪、环境监测等多种用途。

目前的无线能量传输技术根据传输机制、应用范围和效率可以分为以下几种类别。远场无线能量/信号协同传输：其典型例子就是无源RFID标签系统，无源RFID标签由阅读器为其供电，同时通过对电磁波的后向散射与阅读器进行通信。近场无线能量/信号协同传输：其典型例子就是感应耦合电能传输系统，实现了电能的无线传输和控制信号的无线通信。

基于磁共振的无线能量/信号协同传输是一种中距离无线能量/信号传输的新型技术，具有很多突出优点，因而具有极大的应用前景。其一，传输效率高很高，可以达到70%以上；其二，传输距离相对较远；其三，对负载端的方位没有特殊要求；其四，能够穿越障碍。其五，使用磁场来传输能量和进行通信，不会被周围的电介质影响，因此具有更好的性能。基于磁共振的无线能量/信号协同传输系统特别适合物联网应用，不仅可以传输ID、简单的控制信息，还有望传输功耗相对较高、数据量相对较大、方位多变的各种无源传感器数据，实现信号的双向传输，能够足够快的实时反馈无源传感器信息和控制无源传感器操作，是今后物联网的发展趋势，也是关键技术之一。

发明内容

本发明主要是解决现有基于远场的RFID无线能量/信号协同传输系统能量传输效率过低和基于电磁感应的无线能量/信号协同传输系统传输距离过近等问题；提供了一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统。

本发明的技术方案为一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统，包括一个驱动模块，一个发射模块，一个接收模块和一个负载模块；

驱动模块包括电源、频率发生器、微控制单元、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线；电源的输出端分别连接到频率发生器、微控制单元、调制器、解调器和功率放大器；在能量及信号无线传输流程中，微控制单元根据待传输的数据产生的相应编码信号输入调制器，频率发生器产生的工作频率输入调制器，调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形接入功率放大器，功率放大器的输出连接驱动天线，驱动天线将经过功率放大器放大所得输出信号无线发射；在反馈信号无线传输流程中，发射线圈的反馈输出信号经自由空间传播到驱动天线，驱动天线接收到的数据送至解调器，解调器的输出接入微控制单元，微控制单元解码得到实际反馈的数据；

发射模块包括发射线圈和调谐电容；在能量及信号无线传输流程中，驱动天线的输出信号经自由空间传播到发射线圈；在反馈信号无线传输流程中，接收线圈的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈；发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；

接收模块包括接收线圈和调谐电容；在能量及信号无线传输流程中，发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈；在反馈信号无线传输流程中，负载天线的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈；接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；

负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、微控制单元和应用电路；在能量及信号无线传输流程中，接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载天线；负载天线的输出端分别连接到解调器和整流器；整流器的输出端分别连接到解调器、调制器、微控制单元和应用电路；解调器的输出接入微控制单元，微控制单元产生的相应解码信号接入应用电路；在反馈信号无线传输流程中，应用电路反馈的数据接入微控制单元，微控制单元根据数据产生的相应编码信号输入调制器，调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形连接到负载天线，负载天线将调制波形作为反馈输出信号无线发射。

而且，驱动模块和负载模块中，微控制单元的编码和解码采用差动双相编解码方法。

而且，信驱动模块和负载模块中，调制器和解调器分别采用幅移键控/开关键控ASK/OKK调制及解调方法。

本发明适用于需要同时传输控制数据的无线供电系统。通过同一组驱动、发射、接收和负载天线（或线圈），同时传输能量和信号，既可以对负载端进行无线供电，也可以传输控制数据，对负载端的无线供电进行控制，并且数据通信具有双向通信的特征，负载端能将反馈信息传回驱动端，从而控制驱动端相应改变无线供电模式，也能将负载端的数据（如各种传感数据）无线传回驱动端。这种系统具有传输效率高、传输距离远、可双向通信、不怕障碍、实现灵活等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的系统原理图；

图2是本发明实施例中驱动模块的框图；

图3是本发明实施例中发射模块的框图；

图4是本发明实施例中接收模块的框图； 

图5是本发明实施例中负载模块的框图；

图6是本发明实施例中的系统电路框图。

具体实施方式   

本发明中，能量和信号共用驱动天线、发射线圈、接收线圈和负载天线进行基于磁共振方式的无线传输。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

参见图1、图6，本发明实施例包括一个驱动模块1，一个发射模块2，一个接收模块3和一个负载模块4。

驱动模块包括电源、频率发生器、微控制单元、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线；电源的输出端分别连接到频率发生器、微控制单元、调制器、解调器和功率放大器；在能量及信号无线传输流程中，微控制单元根据待传输的数据（主要包括控制命令数据）产生的相应编码信号输入调制器，频率发生器产生的工作频率输入调制器，调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形接入功率放大器，功率放大器的输出连接驱动天线，驱动天线将经过功率放大器放大所得输出信号（包括能量和编码后数据）无线发射；在反馈信号无线传输流程中，发射线圈的反馈输出信号经自由空间传播到驱动天线，驱动天线接收到的数据送至解调器，解调器的输出接入微控制单元，微控制单元解码得到实际反馈的数据（包括传感数据等）。

参见图2，本发明实施例中的驱动模块1包括电源11、频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15、驱动天线16、解调器17。电源11的输出端分别连接到频率发生器12、微控制单元（MCU）13、调制器14、功率放大器15、解调器17。在具体实施时，电源11采用开关电源，为频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15、解调器17提供合适的直流电源。除接收电源11输入的直流电源之外，频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15、解调器17的相关具体电路连接有：频率发生器12的输出端与调制器14的输入端相连。所述频率发生器12主要完成振荡信号的产生，为能量和信号的传输提供一个发射频率，即本系统的工作频率。具体实施时可采用考比兹振荡电路构成，由电感、电容组成振荡回路，根据传输距离需要产生固定频率的正弦波信号。工作频率一般为10MHz左右，也可以采用其他大小的频率。本发明实施例的工作频率采用10MHz。MCU13的输入端与解调器17相连，输出端与调制器14相连。在具体实施时，MCU13可以采用8051单片机。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中，MCU13可对数据进行差动双相（DBP）编码，从而达到降低误码率、节省功率等效果。差动双相编码为现有技术，解码时采用相应方式即可。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时，MCU13接收解调器17输出的数据，并进行解码处理，从而得到实际传输的数据。调制器14的输入端与频率发生器12和MCU13相连，输出端与功率放大器15连接。在具体实施时，调制器14采用ASK/OKK调制，ASK/OKK调制为现有技术，即可采用幅移键控或开关键控任一方式，解调器17采用相应解调方式。将MCU13输入的编码后数据调制在能量载波上，这样可和能量一起协同无线传输。载波的频率由频率发生器12产生的频率决定，即工作频率。功率放大器15的输入端与调制器14相连，输出端与驱动天线16相连。所述的功率放大模块15可以采用两级功率放大，在提供必须的功率强度下，保证频率精度。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中，所述的驱动天线16的输入端与功率放大器15相连，将经过功率放大器15放大的能量和信号无线发射到自由空间。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时，驱动天线16的输出端连接到解调器17，将从自由空间接收到的数据送至解调器17。

本发明的发射模块包括发射线圈和调谐电容；在能量及信号无线传输流程中，驱动天线的输出信号经自由空间传播到发射线圈；在反馈信号无线传输流程中，接收线圈的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈；发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处。参见图3，本发明实施例中的发射模块2包括发射线圈L21和调谐电容C22。发射线圈L21接收到驱动天线16经自由空间传播的输出信号，在反馈时则接收线圈L31的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈L21。发射线圈L21和调谐电容C22并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处。

本发明的接收模块包括接收线圈和调谐电容；在能量及信号无线传输流程中，发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈；在反馈信号无线传输流程中，负载天线的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈；接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处。参见图4，本发明实施例中的接收模块3包括接收线圈L31和调谐电容C32。发射线圈L21的输出信号经自由空间传播到接收线圈L31；在反馈时则负载天线41的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈L31。接收线圈L31和调谐电容C32并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处。

实施例中，发射线圈L21和接收线圈L31均为圆形线圈，直径为50cm。调谐电容C22、C32均为可变电容，方便将共振频率调为工作频率，本实施例中为10MHz。

本发明的负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、微控制单元和应用电路；在能量及信号无线传输流程中，接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载天线；负载天线的输出端分别连接到解调器和整流器，从而向解调器提供驱动模块发送的编码后数据（主要包括控制命令数据），向整流器提供能量；整流器的输出端分别连接到解调器、调制器、微控制单元和应用电路；解调器的输出接入微控制单元，微控制单元产生的相应解码信号接入应用电路；在反馈信号无线传输流程中，应用电路反馈的数据（传感数据等）接入微控制单元，微控制单元根据数据产生的相应编码信号输入调制器，调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形连接到负载天线，负载天线将调制波形作为反馈输出信号无线发射。

参见图5，本发明实施例中的负载模块4包括负载天线41、整流器42、解调器43、微控制单元（MCU）44、应用电路45和调制器46。在从驱动模块1向负载模块4发射能量和信号的过程中，负载天线41接收到经自由空间传播的接收线圈L31的输出信号，提供给整流器42和解调器43。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时，负载天线41连接到调制器46，将调制器46的输出信号，即调制后的反馈数据发射到自由空间。整流器42的输入端连接到负载天线41，输出端连接到解调器43、MCU44、应用电路45和调制器46。所述的整流器42对负载天线41的输出信号进行高频整流，输出供解调器43、MCU44、应用电路45和调制器46使用的直流信号，可以采用二极管整流。除接收整流器42输入的直流信号之外，解调器43、MCU44、应用电路45和调制器46的相关具体电路连接有：解调器43的输入端连接到负载天线41，输出端连接到MCU44。所述的解调器43采用ASK/OKK解调器，对负载天线41的输出信号进行解调，得到与能量协同无线传输的数据。MCU44的输入端连接到解调器43，输出端连接到应用电路45和调制器46。在具体实施时，MCU44可以采用8051单片机。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中，MCU44接收解调器43输出的数据，并进行解码处理，从而得到实际传输的数据。在负载模块4向驱动模块1反馈传输数据时，MCU44接收应用电路45输入的数据，经过差动双相（DBP）编码后，输出到调制器46。调制器46的输入端连接到MCU44，输出端连接到负载天线41。所述的调制器46采用ASK/OKK调制器，将反馈的数据调制后送给负载天线41，发送到自由空间。应用电路45（如传感器电路、电池状态控制电路、数据采集电路等）的输入端连接到MCU44，由MCU44输出的控制信号控制。应用电路45的数据也可以反馈输出到MCU44。

本发明实施例的工作过程为：在无线传输能量/信号时，电源11为频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15和解调器17提供电力。频率发生器12产生能量无线传输的工作频率。MCU13对需要无线传输的数据进行编码，然后通过调制器14将编码后的信号调制到工作频率的能量载波上，包含能量/信号的正弦波通过功率放大器15放大后，通过驱动天线16发射到自由空间。发射模块2由发射线圈L21和谐振电容C22组成的谐振电路谐振于工作频率。发射线圈L21接收到驱动天线16无线传输的能量/信号，然后同样无线传输到自由空间。接收模块3由接收线圈L31和谐振电容C32组成的谐振电路谐振于工作频率。接收线圈L31接收到发射线圈L21无线传输的能量/信号，然后同样无线传输到自由空间。负载天线41接收到接收模块3无线传输到自由空间的能量/信号，分别送至整流器42和解调器43。整流器42将接收到的无线传输的能量转换为直流，为解调器43、MCU44、应用电路45、调制器46供电。解调器43将无线传输的信号提取出来，输入到MCU44进行解码，解码后的信号供应用电路45使用，比如对应用电路45进行控制。应用电路45可能有些数据需要反馈回驱动模块，如根据应用电路状态调整的控制信号或传感器采集的数据，这些数据反向输入到MCU44，通过MCU44进行编码后输入到调制器46进行调制，然后发送到负载天线41发射到自由空间。数据通过接收模块3和发射模块2的无线传输后，被驱动天线16接收，经过解调器17解调后给MCU13进一步处理，包括解码，并根据解码所得反馈的数据决定是否需要对发射的能量/信号进行调整。需要则调整待输出的数据（例如根据传感器采集的数据改变控制命令数据），继续进行如上能量及信号无线传输流程、反馈信号无线传输流程，支持实时传输调整。

以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统，其特征在于：包括一个驱动模块，一个发射模块，一个接收模块和一个负载模块；

驱动模块包括电源、频率发生器、微控制单元、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线；电源的输出端分别连接到频率发生器、微控制单元、调制器、解调器和功率放大器；在能量及信号无线传输流程中，微控制单元根据待传输的数据产生的相应编码信号输入调制器，频率发生器产生的工作频率输入调制器，调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形接入功率放大器，功率放大器的输出连接驱动天线，驱动天线将经过功率放大器放大所得输出信号无线发射；在反馈信号无线传输流程中，发射线圈的反馈输出信号经自由空间传播到驱动天线，驱动天线接收到的数据送至解调器，解调器的输出接入微控制单元，微控制单元解码得到实际反馈的数据；

发射模块包括发射线圈和调谐电容；在能量及信号无线传输流程中，驱动天线的输出信号经自由空间传播到发射线圈；在反馈信号无线传输流程中，接收线圈的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈；发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；

接收模块包括接收线圈和调谐电容；在能量及信号无线传输流程中，发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈；在反馈信号无线传输流程中，负载天线的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈；接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；

负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、微控制单元和应用电路；在能量及信号无线传输流程中，接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载天线；负载天线的输出端分别连接到解调器和整流器；整流器的输出端分别连接到解调器、调制器、微控制单元和应用电路；解调器的输出接入微控制单元，微控制单元产生的相应解码信号接入应用电路；在反馈信号无线传输流程中，应用电路反馈的数据接入微控制单元，微控制单元根据数据产生的相应编码信号输入调制器，调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形连接到负载天线，负载天线将调制波形作为反馈输出信号无线发射。

2.如权利要求1所述一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输系统，其特征在于：驱动模块和负载模块中，微控制单元的编码和解码采用差动双相编解码方法。

3.如权利要求1或2所述一种基于磁共振的无线能量即信号协同传输系统，其特征在于：信驱动模块和负载模块中，调制器和解调器分别采用幅移键控/开关键控ASK/OKK调制及解调方法。

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