CN103227514B - 电磁共振无线传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁共振无线传感器，其包括模拟量采集模块、微处理器、通讯模块和为整个传感器供电的供电模块，模拟量采集模块与微处理器电连接，微处理器与通讯模块连接；供电模块包括交流电源、能量发射线圈、谐振线圈和整流稳压电路，能量发射线圈的输入端连接交流电源，谐振线圈的输出端通过整流稳压电路连接微处理器的电源输入端。能量发射线圈将交流电源的电能以微波形式发送出去，谐振线圈接收到微波以后通过整流稳压电路转化为电能为传感器供电。本发明适应性好，可以工作于各类较为恶劣的环境。

Description

电磁共振无线传感器

技术领域

本发明涉及一种传感设备，尤其是涉及一种采用无线输电的电磁共振无线传感器。

背景技术

针对目前无线测温技术，大部分的测温产品的电源均采用电池或CT取电模式。电池的使用存在一个使用寿命的问题，使用一段时间以后电池耗尽就需要更换电池，而且电池的漏液和爆炸都会造成安全隐患。而CT取电存在体积大、安装不便的问题，并且在超强磁场中会产生振动和发热，对电力设备产生严重的危害。

中华人民共和国国家知识产权局于2008年11月05日公开了授权公告号为CN201145943Y的专利文献，名称是温差无线红外温度传感器，其设有半导体温差发电装置、保护热电阻、红外发射管和散热装置。半导体温差发电装置由半导体温差模块加热端导热底壳和热端散热铜板组成，在散热铜板上设有散热器，相互之间由聚四氟乙烯绝缘紧固为一体。散热器顶部设有电光转换红外发射管。热保护电阻设置在散热器内部，与半导体温差模块和红外发射管相连接。此方案通过半导体温差发电装置供电，但是供电方式较为单一，在温差不大的环境下难以实现自我供电的目的，适用范围有一定的限制。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的无线传感器使用寿命有限、适应面狭窄等的技术问题，提供一种具有非常长久的使用寿命、可以在小温差、无振动等环境下工作的电磁共振无线传感器。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种电磁共振无线传感器，包括模拟量采集模块、微处理器、通讯模块和为整个传感器供电的供电模块，所述模拟量采集模块与所述微处理器电连接，所述微处理器和所述通讯模块之间连接有第二开关管，所述第二开关管的被控端与微处理器的控制端连接，所述第二开关管的输入端与微处理器的电源输出端连接，所述第二开关管的输出端与通讯模块的电源输入端连接，所述微处理器与通讯模块还通过串行接口连接；所述供电模块包括交流电源、能量发射线圈、谐振线圈和整流稳压电路，所述能量发射线圈的输入端连接交流电源，所述谐振线圈的输出端通过整流稳压电路连接微处理器的电源输入端。

根据电磁感应原理，一定距离内的两个谐振频率相同的线圈，当对其中一个线圈施加谐振能量后，另一个线圈就会与之产生共振，这就是所谓的磁共振，一旦产生磁共振之后，一个线圈的能量就会沿着磁共振通道传输给另一线圈，这样就实现了电能量传输，即电磁共振取电。

能量发射线圈将交流电源的电能以微波形式发送出去，谐振线圈接收到微波以后通过整流稳压电路转化为电能为传感器供电。交流电源与市电连接，只要市电不断电则传感器可以一直工作，而不会像传统的无线传感器一样受电池寿命的影响，也不需要温差、振动等其他外部条件，适应性好，可以工作于各类较为恶劣的环境。

一个能量发射线圈可以对应若干个谐振线圈，即一个发射源的微波被设置在不同位置的谐振线圈所接收，简化系统的复杂度，提高能量的使用率。

微处理器通过串口总线将要发送的数据传递给通讯模块，并通过第二开关管控制通讯模块的工作时间，在不需要发送数据的时候停止通讯模块的供电，节省能源。

作为优选，整流稳压电路包括整流二极管、稳压二极管和滤波电容，所述谐振线圈的输出端正极连接整流二极管的正极，所述整流二极管的负极连接微处理器的电源输入端正极；所述谐振线圈的输出端负极连接微处理器的电源输入端负极；所述稳压二极管的正极连接谐振线圈的输出端负极，所述稳压二极管的负极连接整流二极管的负极，所述滤波电容与稳压二极管并联。

整流二极管将接收到的交流电转化为直流电，稳压二极管防止线路中的电压过高而损坏后续电路。滤波电容滤除电路中的杂波，提高电流质量。

作为优选，整流稳压电路和微处理器之间还串接有升压模块，所述升压模块包括自举升压电路、充电泵和超级电容，所述自举升压电路的输入端连接整流二极管的负极，所述自举升压电路的输出端连接超级电容的正极，所述充电泵的控制端连接自举升压电路的控制端，另一端连接谐振线圈的输出端负极，所述超级电容的负极连接谐振线圈的输出端负极；所述超级电容的正极和负极与微处理器的电源输入端连接。

升压模块将电压升高至微处理器所需的值，使微处理器能够正常工作。

作为优选，升压模块和微处理器之间还串接有管理电路，所述管理电路包括电压检测芯片和第一开关管，所述电压检测芯片与超级电容并联；所述第一开关管的被控端连接电压检测芯片的控制端，所述第一开关管的输入端连接超级电容的正极，第一开关管的输出端连接微处理器的电源输入端正极。

管理电路能在超级电容能量收集未满时，将系统供电电源与后级电路完全切断，使能量收集工作在更高效的状态。

作为优选，所述通讯模块为射频通讯模块。本发明采用无线电数据传输技术，保证传感器与数据接收装置存在物理上的隔离。

作为优选，所述模拟量采集模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。根据需要更换模拟量采集模块可以使传感器满足不同的需求。

本发明带来的实质性效果是，可以实现设备的长期运行，减少了检修带来的不便；无需电池供电；具有高效的能量收集能力，可以工作在小温差、无振动环境下；提高传感器的工作稳定性，彻底消除电源问题带来的局限性；缩小传感器的体积，使得传感器安装时更加方便；拓宽传感器的环境适应性，使其工作于更加恶劣的场所。

附图说明

图1是本发明的一种电路图；

图中：1、交流电源，2、自举升压电路，3、稳压保护电路，4、电压检测芯片，5、微处理器，6、模拟量采集模块，7、通讯模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种电磁共振无线传感器，如图1所示，包括模拟量采集模块6、微处理器5、通讯模块7和为整个传感器供电的供电模块，模拟量采集模块6与微处理器5电连接，微处理器5和通讯模块7之间连接有第二开关管T2，第二开关管T2的被控端与微处理器5的控制端连接，第二开关管T2的输入端与微处理器5的电源输出端连接，第二开关管T2的输出端与通讯模块7的电源输入端连接，微处理器5与通讯模块7还通过串行接口连接；供电模块包括交流电源1、能量发射线圈S1、谐振线圈S2和整流稳压电路，能量发射线圈S1的输入端连接交流电源1，谐振线圈S2的输出端依次通过整流稳压电路、升压模块和管理电路连接微处理器的电源输入端。

整流稳压电路包括整流二极管D1、稳压二极管D2和滤波电容C1，谐振线圈S2的输出端正极连接整流二极管D1的正极；谐振线圈S2的输出端负极连接微处理器5的电源输入端负极；稳压二极管D2的正极连接谐振线圈S2的输出端负极，稳压二极管D2的负极连接整流二极管D1的负极，滤波电容C1与稳压二极管D2并联。

升压模块包括自举升压电路2、充电泵K和超级电容C2，自举升压电路2的输入端连接整流二极管D1的负极，自举升压电路2的输出端连接超级电容C2的正极，充电泵K的控制端连接自举升压电路2的控制端，充电泵K的另一端连接谐振线圈S2的输出端负极，超级电容C2的负极连接谐振线圈S2的输出端负极。升压模块还包括稳压保护电路3，稳压保护电路3与超级电容C2并联，防止升压模块输出电压过高损坏后续电路。

管理电路包括电压检测芯片4和第一开关管T1，电压检测芯片4与超级电容C2并联；第一开关管T1的被控端连接电压检测芯片4的控制端，第一开关管T1的输入端连接超级电容C2的正极，第一开关管T1的输出端连接微处理器5的电源输入端正极。

通讯模块7为射频通讯模块。

模拟量采集模块6包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。

能量发射线圈将交流电源的电能以微波形式发送出去，谐振线圈接收到微波以后通过整流稳压电路转化为电能为传感器供电。交流电源与市电连接，只要市电不断电则传感器可以一直工作，而不会像传统的无线传感器一样受电池寿命的影响，也不需要温差、振动等其他外部条件，适应性好，可以工作于各类较为恶劣的环境。

一个能量发射线圈可以对应若干个谐振线圈，即一个发射源的微波被设置在不同位置的谐振线圈所接收，简化系统的复杂度，提高能量的使用率。

管理电路能在超级电容能量收集未满时，将系统供电电源与后级电路完全切断，使能量收集工作在更高效的状态。

本系统采用国际主流的低功耗芯片设计,并实现能量的软件、硬件协调管理。传感器在通讯中采取国际通行的CRC校验，保证数据的可靠性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了能量发射线圈、谐振线圈、升压模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种电磁共振无线传感器，包括模拟量采集模块、微处理器、通讯模块和为整个传感器供电的供电模块，其特征在于，所述模拟量采集模块与所述微处理器电连接，所述微处理器和所述通讯模块之间连接有第二开关管，所述第二开关管的被控端与微处理器的控制端连接，所述第二开关管的输入端与微处理器的电源输出端连接，所述第二开关管的输出端与通讯模块的电源输入端连接，所述微处理器与通讯模块还通过串行接口连接；所述供电模块包括交流电源、能量发射线圈、谐振线圈和整流稳压电路，所述能量发射线圈的输入端连接交流电源，所述谐振线圈的输出端通过整流稳压电路连接微处理器的电源输入端；一个能量发射线圈对应若干个谐振线圈；微处理器通过串口总线将要发送的数据传递给通讯模块，并通过第二开关管控制通讯模块的工作时间，在不需要发送数据的时候停止通讯模块的供电；所述整流稳压电路包括整流二极管、稳压二极管和滤波电容，所述谐振线圈的输出端正极连接整流二极管的正极，所述整流二极管的负极连接微处理器的电源输入端正极；所述谐振线圈的输出端负极连接微处理器的电源输入端负极；所述稳压二极管的正极连接谐振线圈的输出端负极，所述稳压二极管的负极连接整流二极管的负极，所述滤波电容与稳压二极管并联。

2.根据权利要求1所述的电磁共振无线传感器，其特征在于，所述整流稳压电路和微处理器之间还串接有升压模块，所述升压模块包括自举升压电路、充电泵和超级电容，所述自举升压电路的输入端连接整流二极管的负极，所述自举升压电路的输出端连接超级电容的正极，所述充电泵的控制端连接自举升压电路的控制端，充电泵的另一端连接谐振线圈的输出端负极，所述超级电容的负极连接谐振线圈的输出端负极；所述超级电容的正极和负极与微处理器的电源输入端连接。

3.根据权利要求2所述的电磁共振无线传感器，其特征在于，所述升压模块和微处理器之间还串接有管理电路，所述管理电路包括电压检测芯片和第一开关管，所述电压检测芯片与超级电容并联；所述第一开关管的被控端连接电压检测芯片的控制端，所述第一开关管的输入端连接超级电容的正极，第一开关管的输出端连接微处理器的电源输入端正极。

4.根据权利要求1或2或3所述的电磁共振无线传感器，其特征在于，所述通讯模块为射频通讯模块。

5.根据权利要求1或2或3所述的电磁共振无线传感器，其特征在于，所述模拟量采集模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。

6.根据权利要求4所述的电磁共振无线传感器，其特征在于，所述模拟量采集模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。