CN105186719B - 基于射频能量采集的无线结构健康监测节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于射频能量采集的无线结构健康监测节点，该节点包括能量天线模块、能量转换模块、传感器模块以及微处理器模块。能量天线模块由Patch天线构成；能量转换模块由RF‑DC能量转换模块、能量存储模块和稳压模块组成；传感器模块包括温度传感器模块和应力度传感器模块；微处理器模块包括微处理器控制模块和ZigBee无线通信模块。本发明提出的基于射频能量收集的无线结构健康监测节点可以自主收集环境中的射频能量，并将射频能量转换为直流电压从而为整个节点持续供电，还可以向汇聚节点持续稳定地发送温度以及应力传感器信息。

Description

基于射频能量采集的无线结构健康监测节点

技术领域

本发明涉及无线可充电传感器网络技术和结构健康监测技术，尤其涉及一种基于射频能量收集的能够监测结构健康的无线传感器节点。

背景技术

随着无线传感器网络技术(WSN)的快速发展，如今WSN被广泛应用在国防军事，环境监测，工业控制，结构健康监测等领域中。在结构健康监测实际应用环境中，传感器节点常常被部署在结构内部，所以在传统的结构健康监测技术当中，传感器节点寿命往往取决于节点电池所携带的能量。

而如果将环境能量收集技术应用于传感器节点的供能中，使其自发地从其所在的空间环境中获取外界能量，并且所收集到的能量能够满足整个系统的能耗需求，这样就能够从根本上解决节点持续供能的难题。目前比较成熟的环境能量收集技术有：太阳能、振动能、风能收集等。

但以上的环境能量收集技术存在一定的缺陷，例如，太阳光虽然分布广泛，但受自然条件影响严重，而且不能直接照射至结构内部。

振动能量主要存在于工业环境中，可以通过压电、电磁、静电场等原理转换成电能，但是其应用面非常小。

风能收集同太阳能一样，是一种非常清洁的能量来源，而风能是不稳定的、不可预测的，同样无法进入结构内部。

而环境中的电磁波无处不在，相比于其它环境能量，电磁能收集不受地域、天气等自然因素的影响，而很容易穿透结构。

发明内容

为了克服现有结构健康监测技术当中传感器节点的生命周期问题，提供一种基于射频能量采集的无线结构健康监测节点。该节点采用电磁辐射的射频能量收集方式，可以自主收集环境中的射频能量，并将射频能量转换为直流电压从而为整个节点持续供电，还可以向汇聚节点持续稳定地发送结构内部温度及应力度传感器信息。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于射频能量采集的无线结构健康监测节点，该节点包括能量天线模块、能量转换模块、传感器模块以及微处理器模块。能量天线模块由Patch天线构成；能量转换模块由RF-DC能量转换模块、能量存储模块和稳压模块组成；传感器模块包括温度传感器模块和应力度传感器模块；微处理器模块包括微处理器控制模块以及ZigBee无线通信模块。能量天线模块接收空间环境中的电磁波，并与RF-DC能量转换模块相连，能量存储模块分别与RF-DC能量转换模块和稳压模块相连，稳压模块分别与微处理器模块以及传感器模块相连，温度、应力度两个传感器模块以及ZigBee通信模块分别与微处理器控制模块相连。

进一步地，所述Patch天线采用中心频率为915MHz指向性天线，RF-DC能量转换模块主要由能量转换芯片U1、探针J2组成，能量存储模块主要由超级电容C1、C2和开关S1组成，稳压模块主要由低压差稳压芯片U2、电容C3和C4、电阻R6、发光二极管D1组成，温度传感器模块由温度传感器芯片U5以及电容C21、C20组成，应力度传感器模块主要由应变片U4，运算放大器U6，电阻R5、R7～R11，电容C22～C24组成；其中Patch天线与PCB板上的SMA底座连接，Patch天线信号输出引脚连接至能量转换芯片U1的信号输入引脚，置地引脚直接与PCB板的地线连接；超级电容C2的1脚与2脚分别与拨动开关S1的1号脚连接，超级电容C1的正引脚与拨动开关S1的3脚连接，能量转换芯片U1的能量存储引脚与拨动开关S1的2脚连接，能量转换芯片U1的置地引脚分别与地相连，能量转换芯片U1的输出引脚与探针J2连接；低压差稳压芯片U2的信号输入引脚分别与探针J2、电容C3正极连接，稳压芯片U2的信号输入引脚与使能引脚连接，稳压芯片U2的置地引脚连接至地，稳压芯片U2的信号输出引脚与电容C4相连，电容C4与拨动开关S2的1脚连接，拨动开关S2的2号引脚与排座P1的1脚连接，电阻R6的两端分别与排座P1的2脚和发光二极管D1正极相连；超级电容C1的负引脚、超级电容C2的3脚与4脚、电容C3的负极、电容C4另一端和发光二极管D1负极均接地；

温度传感器芯片U5的第一置地引脚和模拟输出引脚分别与电容C21两端连接，温度传感器芯片U5的模拟输出引脚与微处理器U3的第7通道模拟输入引脚连接，温度传感器芯片U5的供电引脚和第二置地引脚分别与电容C20两端连接，温度传感器芯片U5的供电引脚与S1的2脚连接；第一置地引脚和第二置地引脚均接地；应变片U4的2脚与地连接，1脚分别与R5、R7和仪表放大器U6的信号正输入引脚连接，R5的另一端与可调电阻R8中间端连接，R9一端与可调电阻R8连接，R9另一端与仪表放大器U6的信号负输入引脚连接，R10与仪表放大器U6的信号负输入引脚连接，R7、R8、R10的另一端都与S1的2脚连接，R11的两端分别与仪表放大器U6的参考电阻引脚连接，C22与仪表放大器U6的供电引脚连接，仪表放大器U6的信号输出引脚与微处理器U3的第6通道模拟输入引脚连接，同时与C23和C24的一端连接，仪表放大器U6的负电源引脚、参考电压引脚以及电容C22～C24的另一端与地连接；

所述微处理器模块由微控制器与通信模块集成芯片U3、贴片晶振Y1～Y2、电容C5～C19、电阻R3～R4、电感L1～L3、SMA天线底座J3、排座P2组成；微处理器置地引脚与地相连，时钟信号引脚、信号使能引脚分别与排座P2的6、5脚连接，第7通道模拟输入引脚与温度传感器芯片U5的模拟输出引脚连接，第6通道模拟输入引脚与仪表放大器U6的信号输出引脚连接，复位引脚分别与排座P2的7脚、电容C18以及电阻R4连接，模拟电源引脚分别与钽电容C7正端、电容C6、磁珠L1连接，电容C6、钽电容C7、电容C18的另一端都与地连接，第一高频晶振引脚与晶振Y1的1脚和电容C8连接，第一高频晶振引脚与晶振Y1的2脚和电容C9连接，电容C8、C9的另一端都与地连接，RF信号负引脚与电容C11连接，RF信号正引脚与电容C10连接，电容C10的另一端分别与电感L3、电容C12连接，电容C11的另一端分别与电容C13、电感L2连接，电容C12、电感L2的另一端同时与电容C14连接，电容C14的另一端与SMA天线底座J3连接，偏置电阻引脚与电阻R3连接，电容C13、电感L3、电阻R3的另一端与地连接，第一低频晶振引脚同时与晶振Y2的1脚和电容C15连接，第二低频晶振引脚同时与晶振Y2的2脚和电容C16连接，电容C15、电容C16的另一端都与地连接，时钟调试引脚、数据调试引脚分别与排座P2的3、4脚连接，SPI总线主输入引脚、SPI总线主输出引脚分别与排座P2的9、8脚连接，数字电源引脚同时与电容C17和拨动开关S2的2脚连接，电阻R4、电感L1、C19的另一端都与拨动开关S2的2脚连接，P2的1脚与SMA底座J3的接地脚与地连接，数字电源退耦引脚与电容C5连接，电容C5、电容C19的另一端与地连接。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明采用了环境能量收集技术，使传感器节点能够在结构内部主动收集可用能量，并将之转换为电能给自身供电，能够不断获取环境中的可用能量，大大延长了节点的生命周期。

2)本发明采用了基于电磁辐射的射频能量收集方式，电磁作为载体的能量发生及收集的系统可以控制收集的能量，并且不受空间环境的限制，在实际使用中其收集装置安置难度也较低。电磁辐射的辐射范围更广，且电磁辐射是无处不在的，地球磁场、太阳光、移动通信基站、Wi-Fi等都会发射强度不同的电磁辐射。

3)超低功耗的微处理器、无线通信协议、稳压芯片、温湿度传感器的引入使无线可充电传感器网络节点能够感知更加微弱的射频能量。

4)在结构内部对应力度及温度的监测可以更加准确直观的反应出结构的健康状况。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明的能量天线模块及能量转换模块的电路原理图；

图3是本发明的传感器模块的电路原理图；

图4是本发明的微处理器模块电路原理图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，描述了基于射频能量收集的无线结构健康监测节点的整体结构。该节点包括能量天线模块、能量转换模块、传感器模块以及微处理器模块。能量天线采用中心频率为915MHz的Patch天线，能量天线模块接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块包括RF-DC能量转换模块、能量存储模块、稳压模块三个部分，进行阻抗匹配后与能量天线模块连接，将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中；传感器模块通过温度传感器和应力传感器感知并收集结构健康信息；微处理器模块是整个节点的核心，包括微处理器控制模块和ZigBee无线通信模块。能量天线模块接收空间环境中的电磁波，并与RF-DC能量转换模块相连，能量存储模块分别与RF-DC能量转换模块和稳压模块相连，稳压模块分别与微处理器模块以及传感器模块相连，温度、应力度两个传感器模块以及ZigBee通信模块分别与微处理器控制模块相连。

如图2所示，是该传感器节点的供能部分的电路原理图，包括了能量收集天线、能量转换模块和能量存储模块。能量收集天线与能量转换模块进行阻抗匹配后连接，其负载阻抗50欧姆，能量接收方向为定向水平122°、垂直68°，线性增益6.1dBi。RF-DC能量转换模块主要由芯片U1和探针J2组成，其中U1采用的是美国Powercast公司的P2110B能量转换芯片，能量存储模块主要由AVX Bestcap系列超级电容C1、C2组成，稳压模块主要由安森美半导体公司的新型低压差线性稳压芯片NCP698SQ30T1G、电容C3和C4、电阻R6、贴片发光二极管D1组成；其中Patch天线与PCB板上的SMA底座连接，Patch天线信号输出引脚(1号引脚)连接至能量转换芯片U1的信号输入引脚(3号引脚)，置地引脚(2～5号引脚)直接与PCB板的地线连接；超级电容C2的1脚与2脚分别与拨动开关S1的1号脚连接，超级电容C1的正引脚与拨动开关S1的3脚连接，能量转换芯片U1的能量存储引脚(8号引脚)与拨动开关S1的2脚连接，能量转换芯片U1的置地引脚(2、4、11号引脚)分别与地相连，能量转换芯片U1的输出引脚(12号引脚)与探针J2连接；低压差稳压芯片U2的信号输入引脚(2号引脚)分别与探针J2、电容C3正极连接，稳压芯片U2的信号输入引脚(2号引脚)与使能引脚(4号引脚)连接，稳压芯片U2的置地引脚(1号引脚)连接至地，稳压芯片U2的信号输出引脚(3号引脚)与电容C4相连，电容C4与拨动开关S2的1脚连接，拨动开关S2的2号引脚与排座P1的1脚连接，电阻R6的两端分别与排座P1的2脚和发光二极管D1正极相连；超级电容C1的负引脚、超级电容C2的3脚与4脚、电容C3的负极、电容C4另一端和发光二极管D1负极均接地。

如图3所示，描述了传感器模块电路原理图的连接情况。温度传感器模块由美信半导体公司新推出的高精度低功耗温度传感器MAX6613以及电容C21、C20组成，应力度传感器模块主要由应变片U4，运算放大器U6，电阻R5、R7～R11，电容C22～C24组成，其中U4采用KFG系列混凝土应变片，U6采用TI公司推出的低功耗高精度通用仪表放大器INA128。温度传感器芯片U5的第一置地引脚(2号引脚)和模拟输出引脚(3号引脚)分别与电容C21两端连接，温度传感器芯片U5的模拟输出引脚(3号引脚)与微处理器U3的第7通道模拟输入引脚(12号引脚)连接，温度传感器芯片U5的供电引脚(4号引脚)和第二置地引脚(5号引脚)分别与电容C20两端连接，温度传感器芯片U5的供电引脚(4号引脚)与S1的2脚连接；第一置地引脚(2号引脚)和第二置地引脚(5号引脚)均接地；应变片U4的2脚与地连接，1脚分别与R5、R7和仪表放大器U6的信号正输入引脚(3号引脚)连接，R5的另一端与可调电阻R8中间端连接，R9一端与可调电阻R8连接，R9另一端与仪表放大器U6的信号负输入引脚(2号引脚)连接，R10与仪表放大器U6的信号负输入引脚(2号引脚)连接，R7、R8、R10的另一端都与S1的2脚连接，R11的两端分别与仪表放大器U6的参考电阻引脚(1、8号引脚)连接，C22与仪表放大器U6的供电引脚(7号引脚)连接，仪表放大器U6的信号输出引脚(6号引脚)与微处理器U3的第6通道模拟输入引脚(13号引脚)连接，同时与C23和C24的一端连接，仪表放大器U6的负电源引脚(4号引脚)、参考电压引脚(5号引脚)以及电容C22～C24的另一端与地连接。

如图4所示，描述了微处理器模块的电路原理图。微处理器模块由微控制器与通信模块集成芯片U3、贴片晶振Y1～Y2、电容C5～C19、电阻R3～R4、电感L1～L3、SMA天线底座J3、排座P2组成，其中U3采用的是TI公司推出的CC2530芯片。微处理器置地引脚(1～4号引脚)与地相连，时钟信号引脚(5号引脚)、信号使能引脚(6号引脚)分别与排座P2的6、5脚连接，第7通道模拟输入引脚(12号引脚)与温度传感器芯片U5的模拟输出引脚(3号引脚)连接，第6通道模拟输入引脚(13号引脚)与仪表放大器U6的信号输出引脚(6号引脚)连接，复位引脚(20号引脚)分别与排座P2的7脚、电容C18以及电阻R4连接，模拟电源引脚(21、24、27～29、31号引脚)分别与钽电容C7正端、电容C6、磁珠L1连接，电容C6、钽电容C7、电容C18的另一端都与地连接，第一高频晶振引脚(22号引脚)与晶振Y1的1脚和电容C8连接，第一高频晶振引脚(23号引脚)与晶振Y1的2脚和电容C9连接，电容C8、C9的另一端都与地连接，RF信号负引脚(25号引脚)与电容C11连接，RF信号正引脚(26号引脚)与电容C10连接，电容C10的另一端分别与电感L3、电容C12连接，电容C11的另一端分别与电容C13、电感L2连接，电容C12、电感L2的另一端同时与电容C14连接，电容C14的另一端与SMA天线底座J3连接，偏置电阻引脚(30号引脚)与电阻R3连接，电容C13、电感L3、电阻R3的另一端与地连接，第一低频晶振引脚(33号引脚)同时与晶振Y2的1脚和电容C15连接，第二低频晶振引脚(32号引脚)同时与晶振Y2的2脚和电容C16连接，电容C15、电容C16的另一端都与地连接，时钟调试引脚(34号引脚)、数据调试引脚(35号引脚)分别与排座P2的3、4脚连接，SPI总线主输入引脚(37号引脚)、SPI总线主输出引脚(38号引脚)分别与排座P2的9、8脚连接，数字电源引脚(10号引脚、39号引脚)同时与电容C17和拨动开关S2的2脚连接，电阻R4、电感L1、C19的另一端都与拨动开关S2的2脚连接，P2的1脚与SMA底座J3的接地脚与地连接，数字电源退耦引脚(40号引脚)与电容C5连接，电容C5、电容C19的另一端与地连接。

Claims (1)

1.一种基于射频能量采集的无线结构健康监测节点，其特征在于，该节点包括能量天线模块、能量转换模块、传感器模块以及微处理器模块；能量天线模块由Patch天线构成；能量转换模块由RF-DC能量转换模块、能量存储模块和稳压模块组成；传感器模块包括温度传感器模块和应力度传感器模块；微处理器模块包括微处理器控制模块以及ZigBee无线通信模块；能量天线模块接收空间环境中的电磁波，并与RF-DC能量转换模块相连，能量存储模块分别与RF-DC能量转换模块和稳压模块相连，稳压模块分别与微处理器模块以及传感器模块相连，温度、应力度两个传感器模块以及ZigBee通信模块分别与微处理器控制模块相连；所述Patch天线采用中心频率为915MHz指向性天线，RF-DC能量转换模块主要由能量转换芯片U1、探针J2组成，能量存储模块主要由超级电容C1、C2和开关S1组成，稳压模块主要由低压差稳压芯片U2、电容C3和C4、电阻R6、发光二极管D1组成，温度传感器模块由温度传感器芯片U5以及电容C21、C20组成，应力度传感器模块主要由应变片U4，运算放大器U6，电阻R5、R7~R11，电容C22~C24组成；其中Patch天线与PCB板上的SMA底座连接，Patch天线信号输出引脚连接至能量转换芯片U1的信号输入引脚，置地引脚直接与PCB板的地线连接；超级电容C2的第一正极引脚与中心选择引脚分别与拨动开关S1的第一开关选择引脚连接，超级电容C1的正引脚与拨动开关S1的第二开关选择引脚连接，能量转换芯片U1的能量存储引脚与拨动开关S1的中心选择引脚连接，能量转换芯片U1的置地引脚分别与地相连，能量转换芯片U1的输出引脚与探针J2连接；低压差稳压芯片U2的信号输入引脚分别与探针J2、电容C3正极连接，稳压芯片U2的信号输入引脚与使能引脚连接，稳压芯片U2的置地引脚连接至地，稳压芯片U2的信号输出引脚与电容C4相连，电容C4与拨动开关S2的开关选择引脚连接，拨动开关S2的中心选择引脚与排座P1的第一跳帽连接引脚连接，电阻R6的两端分别与排座P1的第二跳帽连接引脚和发光二极管D1正极相连；超级电容C1的负引脚、超级电容C2的第一置地引脚与第二置地引脚、电容C3的负极、电容C4另一端和发光二极管D1负极均接地；

温度传感器芯片U5的第一置地引脚和模拟输出引脚分别与电容C21两端连接，温度传感器芯片U5的模拟输出引脚与微处理器U3的第7通道模拟输入引脚连接，温度传感器芯片U5的供电引脚和第二置地引脚分别与电容C20两端连接，温度传感器芯片U5的供电引脚与S1的中心选择引脚连接；第一置地引脚和第二置地引脚均接地；应变片U4的第一信号产生引脚与地连接，第二信号产生引脚分别与R5、R7和仪表放大器U6的信号正输入引脚连接，R5的另一端与可调电阻R8中间端连接，R9一端与可调电阻R8连接，R9另一端与仪表放大器U6的信号负输入引脚连接，R10与仪表放大器U6的信号负输入引脚连接，R7、R8、R10的另一端都与S1的中心选择引脚连接，R11的两端分别与仪表放大器U6的参考电阻引脚连接，C22与仪表放大器U6的供电引脚连接，仪表放大器U6的信号输出引脚与微处理器U3的第6通道模拟输入引脚连接，同时与C23和C24的一端连接，仪表放大器U6的负电源引脚、参考电压引脚以及电容C22~C24的另一端与地连接；

所述微处理器模块由微处理器U3、贴片晶振Y1~Y2、电容C5~C19、电阻R3~R4、电感L1~L3、SMA天线底座J3、排座P2组成；微处理器置地引脚与地相连，时钟信号引脚与排座P2的下载器信号引脚连接，信号使能引脚与排座P2的下载器使能引脚连接，第7通道模拟输入引脚与温度传感器芯片U5的模拟输出引脚连接，第6通道模拟输入引脚与仪表放大器U6的信号输出引脚连接，复位引脚分别与排座P2的下载器复位引脚、电容C18以及电阻R4连接，模拟电源引脚分别与钽电容C7正端、电容C6、磁珠L1连接，电容C6、钽电容C7、电容C18的另一端都与地连接，第一高频晶振引脚与晶振Y1的1脚和电容C8连接，第二高频晶振引脚与晶振Y1的2脚和电容C9连接，电容C8、C9的另一端都与地连接，RF信号负引脚与电容C11连接，RF信号正引脚与电容C10连接，电容C10的另一端分别与电感L3、电容C12连接，电容C11的另一端分别与电容C13、电感L2连接，电容C12、电感L2的另一端同时与电容C14连接，电容C14的另一端与SMA天线底座J3连接，偏置电阻引脚与电阻R3连接，电容C13、电感L3、电阻R3的另一端与地连接，第一低频晶振引脚同时与晶振Y2的1脚和电容C15连接，第二低频晶振引脚同时与晶振Y2的2脚和电容C16连接，电容C15、电容C16的另一端都与地连接，时钟调试引脚与排座P2的下载器调试引脚连接，数据调试引脚与排座P2的下载器数据引脚连接，SPI总线主输入引脚与排座P2的下载器输入引脚连接，SPI总线主输出引脚与排座P2的下载器输出引脚连接，数字电源引脚同时与电容C17和拨动开关S2的中心选择引脚连接，电阻R4、电感L1的另一端与拨动开关S2的中心选择引脚连接，电容 C19的一端与拨动开关的S2的中心选择引脚连接，P2的下载器置地引脚与SMA底座J3的接地脚与地连接，数字电源退耦引脚与电容C5连接，电容C5、电容C19的另一端与地连接。