CN105245036A - 一种基于多发射单元的无线电磁波能量采集的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多发射单元的无线电磁波能量采集的方法和装置，包括发射端及接收端，所述接收端包括依次连接的能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池，所述接收端还包括接收端微处理器，所述接收端微处理器分别与能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池相互连接，所述发射端包括多个发射单元及多个发射端微处理器，每个发射单元与其对应的发射端微处理器相互连接。本发明通过天线通信及收发能量，使接收端采集到的能量功率达到最大，能够应用在现有的设备条件下，结构简单。

Description

一种基于多发射单元的无线电磁波能量采集的方法和装置
技术领域
本发明属于物联网领域，具体涉及一种基于多发射单元的无线电磁波能量采集的方法和装置。
背景技术
无线能量采集技术的出现，使得物联网节点的无线供电变为现实。通过无线能量采集技术实现对物联网节点的无线供电，避免了铺设电力线，或者更换电池的麻烦，使得物联网节点布设更加方便，布设密度更大，适用场景更多，工作寿命更长，并大大增加了使用的安全性和便利性。
目前，涉及到无线充电技术主要有电磁感应式、磁场共振式和无线电波式。
电磁感应式采用一对线圈用来传输和接收电流，初级线圈通过一定频率的交流电，通过电磁感应原理在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端，属于近距离的感应耦合，充电距离非常短。
磁场共振式由能量发送装置，和能量接收装置组成，使两个装置在一定的频率上共振，彼此间进行能量交换，但是交换距离和线圈尺寸方面有很高的要求，一旦改变发射和接收节点之间的距离或改变线圈尺寸，接收功率就会急剧下降，应用存在自身的局限性。
无线电磁波式，主要采用射频技术，由微波发射装置和微波接收装置组成，类似无线通信技术，通过天线不仅可以进行信息收发，还可以进行能量收发。无线电磁波式可以实现较远距离的无线充电，但是相比电磁感应式和磁场共振式，由于电磁波的传输损耗，接收节点采集的能量微弱，而在能量接收过程中也存在漏电、接收效率低等因素，应用范围十分有限。
发明内容
为了克服现有无线电磁波式能量采集技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于多发射单元的无线电磁波能量采集的方法和装置，可以在不增加总发射功率的前提下最大限度的增加接收无线能量的功率，实现较远距离的无线能量充电。
本发明采用如下技术方案：
一种基于多发射单元的无线电磁波能量采集装置，包括发射端及接收端，所述接收端包括依次连接的能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池，所述接收端还包括用于给各个发射单元分配通信时隙、接收训练序列并计算各个发射单元权值的接收端微处理器，所述接收端微处理器分别与能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池相互连接，所述发射端包括多个发射单元及多个用于通过接收端反馈的信息调整发射单元初始状态的发射端微处理器，每个发射单元与其对应的发射端微处理器相互连接。
所述发射单元为独立的单天线射频发射装置或多天线射频发射装置中的某个天线发射单元。
所述接收端微处理器及发射端微处理器为单片机或数字信号处理器。
一种无线电磁波能量采集装置的采集方法，包括准备阶段及能量收发阶段，具体为：
准备阶段包括：
S1接收端微处理器给各个发射单元分配通信时隙t1...td；
S2发射单元在通信时隙内，向接收端发射训练序列X1...Xd；
S3接收端微处理器接受训练序列，经过计算处理得到各发射单元到接收端的信道衰落，并根据计算出各个信道的权值ω1...ωd，并反馈给各个发射单元；
S4各个发射单元的微处理器根据反馈的权值信息，调整发射电磁波的初始状态，所述初始状态包括相位和幅度；方法为各个发射单元的微处理器根据发射端反馈的权值信息以计算或者查询查找表的方式得到I路和Q路的幅值，将I路和Q路的幅值通过D/A转换后分别与两路正交载波相乘后再叠加，从而实现调整发射电磁波的相位偏移和幅度等初始状态的目的，所述初始状态包括相位和幅度。
S5各个发射单元以S4计算得到的相位和幅度发射电磁波，此时接收端接收到的能量理论上功率最大。
每隔一段时间，接收端微调各个发射单元发射电磁波的初始状态，在微调过程中接收功率不增加，则判断接收端无线能量的功率已经达到最大。
当发射端和接收端相对位置发生改变，或者距离上一次权值计算时间已超过一定的门限值，或者干扰明显时，重新进入权值计算。
本发明的发射单元和接收端都具有微处理器，接收端的微处理器通过计算并调度各个射频发射端，成为一个整体，进而实现特定时隙内每个发射单元在各自分配时隙内发送训练系列，发射单元的微处理器通过接收端反馈的权值信息以计算或者表格查询的方式调整发射电磁波初始状态，所述初始状态包括功率和相位，使各个射频发射端发射的电磁波到达接收端时，在发射总功率一定的情况下接收端接收的总功率最大，即能量采集效率最佳。
本发明的有益效果：
本发明通过天线通信及收发能量，使接收端采集到的能量功率达到最大，能够应用在现有的设备条件下，结构简单。
附图说明
图1是本发明的装置结构框图；
图2是本发明的方法工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于多发射单元的无线能量采集的方法和装置，其装置部分包括发射端及接收端，发射端通过射频方式发射电磁波，接收端通过天线接收电磁波能量，并储存起来。
所述接收端包括依次连接的能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池，所述接收端还包括微处理器，分别与能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池相互连接，所述发射端包括多个发射单元及多个发射端微处理器，所述发射单元与发射端微处理器为一一对应关系，所述发射单元与发射端微处理器相互连接。
本实施例中发射端包括发射单元1、发射单元2...发射单元d，及与其一一对应的发射端微处理器1、发射端微处理器2...发射端微处理器d。
所述发射单元可以为独立的单天线射频发射装置，也可以为多天线射频发射装置的多个天线发射单元。发射单元为厂家严格按照国家规定的安全发射频段进行生产制造。接收端及发射端微处理器可以为低功耗类的单片机或数字信号处理器(DSP)，如本发明可选用TI公司MSP430系列的微控制器，能够处于低功耗模式下使用，使电磁能充分储存起来。
如图2所示，该装置的具体采集方法如下，包括两个阶段，分别是准备阶段及能量收发阶段；
所述准备阶段具体为：系统首先给各个发射单元分配一个通信时隙，分别为t1...td，类似时分多路复用(TDM)的基本原理，目的是为了使不同发射单元，能够在不同时隙内向接收端传送训练序列X1...Xd，训练序列是收发两端所共知的序列，训练序列的作用是为了得到准确的同步、相位偏移纠正和信道估计，使收发两端同时处于准备状态或能量收发状态。接收端接收训练序列后，通过微处理器进行信道估计并进行计算各个发射单元的相位偏移ω1...ωd等权值信息，通过反向信道反馈给各个发射单元，各个发射单元的微处理器根据发射端反馈的权值信息以计算或者查询查找表的方式得到I路和Q路的幅值，将I路和Q路的幅值通过D/A转换后分别与两路正交载波相乘后再叠加，从而实现调整发射电磁波的相位偏移和幅度等初始状态的目的。
在能量收发阶段，发射单元根据接收端反馈的权值信息，根据上一阶段确定的发射电磁波的相位偏移值和幅度值调整电磁波发射的初始状态即相位和幅度，并进行发射。这时接收端接收到的能量功率可以达到最大。
接收端可以每隔一段时间微调各个发射单元发射电磁波的初始状态，如果都不会使得接收功率增加，则可以判断接收无线能量的功率已经达到了最大。
当发射端和接收端相对位置发生改变，或者距离上一次权值计算时间已超过一定的门限值，或者干扰明显时，重新进入准备阶段进行权值计算，确保接收端接收到的能量功率保持最大。即接收端接收到的能量最多，效果最佳。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多发射单元的无线电磁波能量采集装置，其特征在于，包括发射端及接收端，所述接收端包括依次连接的能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池，所述接收端还包括用于给各个发射单元分配通信时隙、接收训练序列并计算各个发射单元权值的接收端微处理器，所述接收端微处理器分别与能量收发天线、LC匹配电路、倍压整流电路及储能电池相互连接，所述发射端包括多个发射单元及多个用于通过接收端反馈的信息调整发射单元初始状态的发射端微处理器，每个发射单元与其对应的发射端微处理器相互连接。
2.根据权利要求1所述的无线电磁波能量采集装置，其特征在于，所述发射单元为独立的单天线射频发射装置或多天线射频发射装置中的某个天线发射单元。
3.根据权利要求1所述的无线电磁波能量采集装置，其特征在于，所述接收端微处理器及发射端微处理器为单片机或数字信号处理器。
4.应用权利要求1-3任一项所述的无线电磁波能量采集装置的采集方法，其特征在于，包括准备阶段及能量收发阶段，具体为：
准备阶段包括：
S1接收端微处理器给各个发射单元分配通信时隙t1...td；
S2发射单元在通信时隙内，向接收端发射训练序列X1...Xd；
S3接收端微处理器接受训练序列，经过计算处理得到各发射单元到接收端的信道衰落，并根据计算出各个信道的权值ω1...ωd，并反馈给各个发射单元；
S4各个发射单元的微处理器根据反馈的权值信息，调整发射电磁波的初始状态，所述初始状态包括相位和幅度；方法为各个发射单元的微处理器根据发射端反馈的权值信息以计算或者查询查找表的方式得到I路和Q路的幅值，将I路和Q路的幅值通过D/A转换后分别与两路正交载波相乘后再叠加，从而实现调整发射电磁波的相位偏移和幅度等初始状态的目的，所述初始状态包括相位和幅度。
S5各个发射单元以S4计算得到的相位和幅度发射电磁波，此时接收端接收到的能量理论上功率最大。
5.根据权利要求4所述的采集方法，其特征在于，每隔一段时间，接收端微调各个发射单元发射电磁波的初始状态，在微调过程中接收功率不增加，则判断接收端无线能量的功率已经达到最大。
6.根据权利要求1所述的采集方法，其特征在于，当发射端和接收端相对位置发生改变，或者距离上一次权值计算时间已超过一定的门限值，或者干扰明显时，重新进入权值计算。
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