CN105958670A - 为无线传感节点供电的射频能量采集装置及无线传感节点的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种为无线传感节点供电的射频能量采集装置，包括依次相连的接收天线、匹配电路、RF‑DC转换电路和能量存储单元，还包括DC‑DC稳压电路、稳压基准源和电压监控单元，所述DC‑DC稳压电路的CAP端连接所述RF‑DC转换电路的输出端，DC‑DC稳压电路的输出端连接无线传感节点，所述稳压基准源和所述电压监控单元均跨接在所述DC‑DC稳压电路的CAP端和输入端之间。还提供了与上述射频能量采集装置相适应的无线传感节点的分布式工作方法。本发明可实现空间一定距离内射频信号源发出的射频能量收集，收集的能量满足无线传感器连续工作要求。
Description
技术领域
本发明涉及利用射频能量供电技术领域，具体涉及一种为无线传感节点供电的射频能量采集装置及无线传感节点的工作方法。
背景技术
无线传感器网络节点供电及管理技术是无线传感器网络关键技术之一，目前无线传感器主要使用一次电池、太阳能、风能、温差或采用电磁感应供电，一次电池存在电池寿命及更换的问题，太阳能、风能、温差及电磁感应供电存在供电电源持续性问题，易受环境影响，无法为无线传感器提供稳定、可靠的电源，不能保证无线传感器长期、稳定、可靠的工作。
空间中设备所发射的无线电讯号虽然微弱，经能量转换生成的电力只有几伏，但足以为无线传感节点实现供电。虽然理论上可行，但现实中遇到的问题也很突出，射频产生的电能微弱，无法保证传感节点正常工作，只能依靠其他电源持续供电，射频供电无法发挥其应有的作用。
发明内容
为了解决射频产生的电能能量低、无法为传感节点提供有效供电的问题，本发明一方面提供一种射频能量采集装置，可输出持续稳定的直流电压。
为无线传感节点供电的射频能量采集装置，其包括依次相连的接收天线、匹配电路、RF-DC转换电路和能量存储单元，还包括DC-DC稳压电路、稳压基准源和电压监控单元，所述DC-DC稳压电路的CAP端连接所述RF-DC转换电路的输出端，DC-DC稳压电路的输出端连接无线传感节点，所述稳压基准源和所述电压监控单元均跨接在所述DC-DC稳压电路的CAP端和输入端之间。RF-DC转换电路对采集的射频信号整流，变换成直流信号；DC-DC稳压电路实现整流后直流信号的稳压及升压处理，实现稳定电压输出；稳压基准源的作用是当能量存储单元充电电压超过设定值时对外输出电压，当能量存储单元放电电压低于阈值时关闭电压输出，实现稳定的持续供电。
所述RF-DC转换电路为PCC110芯片。
所述稳压基准源的额定值为1.2V，可输出3.3V电压。
所述能量存储单元为超级电容。
所述接收天线为PCB天线，采集915MHz射频信号。
本发明可实现空间一定距离内射频信号源发出的射频能量收集，收集的能量满足无线传感器连续工作要求。
另一方面，本发明还提供了基于上述射频能量采集装置的无线传感节点的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、上电后，所述无线传感节点进入休眠，休眠时长为a1；
步骤2、微处理器对无线通信模块进行初始化；
步骤3、所述无线传感节点再次休眠，休眠时长为a2；
步骤4、微处理器进行传感器数据采集并转换成数字信号；
步骤5、所述无线传感节点休眠，时长为a3；
步骤6、微处理器将传感器数据通过无线通信模块发送到数据处理中心；
步骤7、重复步骤3～步骤6。
所述a1、a2、a3均为30秒。
所述传感器为温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、压力传感器、流量传感器中的一种。
本发明无线传感节点采用分布式工作方式，实现峰值功耗分散处理，以保证射频能量收集及存储单元可以向无线传感单元持续供应工作电压信号。
附图说明
图1为实施例利用射频能量采集装置供电的无线传感节点结构图；
图2为图1实施例中DC-DC稳压电路的引脚图；
图3为另一实施例无线传感节点工作流程图；
图4为图3实施例的工作时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，采用射频供电的无线传感系统由射频能量采集装置和无线传感节点组成，射频能量采集装置用于采集射频信号并将其转换为稳定的电压，为无线传感节点供电。
射频能量采集装置包括接收天线、匹配电路、RF-DC转换电路、电压监控单元、能量存储单元以及稳压电路和1.2V稳压基准源。接收天线采用PCB天线，可采集915MHz射频信号；匹配电路实现所采集的射频信号的匹配；RF-DC转换电路实现采集的射频信号整流，变换成直流信号，为了实现高效率的能量转换，本实施例采用工作电压极低(0.4V)芯片，如PCC110模块，实现RF-DC转换；DC-DC稳压电路实现整流后直流信号稳压及升压处理，保证3.3V稳定电压输出，其引脚如图2所示；采用50mF的超级电容作为能量存储单元，存储经RF-DC变换后的电荷；1.2V的稳压基准源，当电容充电电压超过1.25V时对外输出3.3V电压，当电容放电电压低于1.1V时关闭3.3V电压输出，此时所有收集到的电荷全部存储到电容中，持续供电电流可达100uA以上，最大输出电流可达50mA(持续工作10ms)。
由DC-DC稳压电路输出的电压被提供给无线传感节点的各个单元，包括微处理器、传感器和无线通信模块。
在一些实施方式中，根据所采集射频频率与最终输出电压的不同选择不同额定值的稳压基准源。
本实施例可实现距离1米的3W 915MHz射频信号源发出的射频能量收集，收集的能量满足无线传感器连续工作要求，温度传感器测温精度约为1℃，采用433MHz无线射频信号发送采集数据，传输距离可达50米。
实施例2
利用射频能量采集装置供电的无线传感节点采用分布式工作方式，以此达到充分利用电能，使无线传感节点持续工作的目的。如图3所示，无线传感节点启动后立即进入休眠状态，休眠a1秒后对无线通信模块初始化，以保证射频能量收集及存储单元存储的电能足够支持完成无线通信模块的配置；初始化无线通信模块结束后，无线传感节点再次进入休眠模式；休眠a2秒后启动温度数据采集，采集完成并转换为数字信号后又休眠a3秒；休眠完成后启动无线通信模块，将数据发送至远端的数据处理中心；发送完成后休眠a2秒；休眠结束又进行温度数据采集，此后系统进入数据采集-数据发送循环。
无线传感节点的工作时序如图4，启动时间约为几十us，工作电流低于1mA；无线通信模块的配置时间约为1ms，工作电流约为2mA；温度数据采集时间约为2ms，工作电流约为5mA；数据发送时间约为20ms，工作电流约为25mA。一个完整的工作周期的平均工作电流约为8.5uA，加上无线传感节点的休眠功耗，系统总平均工作电流约为100uA，最大峰值功耗约为0.4mW，低于射频能量收集及存储单元最大输出峰值功率0.5mW，无线传感器单元可以保证连续供电。
在另一些实施方式中，本实施例还可以通过其他传感器测量其他数据，如二氧化碳含量、湿度、流量、压力等。
无线传感节点的休眠时间根据需要设置，在本实施例中a1、a2、a3均为30秒。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (8)
1.一种为无线传感节点供电的射频能量采集装置，包括依次相连的接收天线、匹配电路、RF-DC转换电路和能量存储单元，其特征在于：还包括DC-DC稳压电路、稳压基准源和电压监控单元，所述DC-DC稳压电路的CAP端连接所述RF-DC转换电路的输出端，DC-DC稳压电路的输出端连接无线传感节点，所述稳压基准源和所述电压监控单元均跨接在所述DC-DC稳压电路的CAP端和输入端之间。
2.根据权利要求1所述的射频能量采集装置，其特征在于：所述RF-DC转换电路为PCC110芯片。
3.根据权利要求1所述的射频能量采集装置，其特征在于：所述稳压基准源的额定值为1.2V。
4.根据权利要求1所述的射频能量采集装置，其特征在于：所述能量存储单元为超级电容。
5.根据权利要求1所述的射频能量采集装置，其特征在于：所述接收天线为PCB天线。
6.利用权利要求1所述的射频能量采集装置供电的无线传感节点的工作方法，所述无线传感节点包括微处理器、传感器和无线通信模块，所述射频能量采集装置为所述微处理器、所述传感器和所述无线通信模块提供电压，其特征在于：
步骤1、上电后，所述无线传感节点进入休眠，休眠时长为a1；
步骤2、微处理器对无线通信模块进行初始化；
步骤3、所述无线传感节点再次休眠，休眠时长为a2；
步骤4、微处理器进行传感器数据采集并转换成数字信号；
步骤5、所述无线传感节点休眠，时长为a3；
步骤6、微处理器将传感器数据通过无线通信模块发送到数据处理中心；
步骤7、重复步骤3～步骤6。
7.根据权利要求6所述的无线传感节点的工作方法，其特征在于：所述a1、a2、a3均为30秒。
8.根据权利要求6所述的无线传感节点的工作方法，其特征在于：所述传感器为温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、压力传感器、流量传感器中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |