CN106059116A - 适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统，属于无线能量传输技术领域。其结构有发射端装置和接收端装置，其特征在于，发射装置包括：射频产生模块(1)、射频发射功率放大模块(2)、发射天线(3)；接收装置包括：接收天线(4)、RF‑DC整流升压模块(5)、能量存储模块(6)和电源管理模块(7)。本发明具有使用方便、接收距离远、能量接收效率高、安全性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种基于无线射频能量收集技术的适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统。
背景技术
自从1831年法拉第发现电磁感应现象以来，电能主要是靠导线来传输，电气设备主要通过插头和插座等电连接器的接触来获得电能。随着微电子技术的飞速发展，尤其是无线传感技术及其应用产业的发展，对无线传感网络节点的供电方式提出了更高的要求。传统的拆换电池和有线方式充电已经不能满足新型的无线传感器网络了。如果用无线充电的方式远距离给无线传感器网络节点充电，就可以省去人为的给无线传感器网络节点更换电池或者有线充电的麻烦，可以延长节点寿命，从而使无线传感器网络高效稳定的工作。
现有的无线充电技术大多采用的是近场无线能量传输技术，即电感耦合。充电器与通电设备之间以电感耦合传输电能，两者之间虽然不用导线连接，但是该方式的能量传输距离仅能达到几厘米左右。如果用电器离充电器距离稍微大些，能量传输效率就明显下降。这种无线充电方式不能满足远距离对无线传感器网络节点充电的需求。因此一种基于电磁波的远场无线能量传输技术已经成为人们的研究热点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服背景技术存在的不足，利用无线射频能量收集技术，提供一种非接触式远距离无线充电系统，以实现对低功耗无线传感器网络节点设备的电池进行充电。
上述的技术问题通过以下技术方案实现：
一种适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统，其结构有发射端装置和接收端装置，其特征在于，发射装置包括：射频产生模块1、射频发射功率放大模块2、发射天线3；接收装置包括：接收天线4、RF-DC整流升压模块5、能量存储模块6和电源管理模块7；
所述的射频产生模块1的结构为：芯片UPC1651的引脚1接+6v电源，引脚3接地端，引脚4通过电容C2接地，引脚4和引脚2之间接电容C1，引脚4还接电容C4的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端接可变电容C3的一端，可变电容C3的另一端接地，电容C4的另一端作为射频产生模块1的输出端，记为端口M1_OUT；
所述的射频发射功率放大模块2的结构为：电容C5的一端作为射频发射功率放大模块2的输入端，记为端口M2_IN，并与端口M1_OUT相连，电容C5的另一端接芯片SBB2089的引脚1，芯片SBB2089的引脚2接地，引脚4接地，电容C6一端接电压+5v，另一端接地，电容C7的一端接电压+5v，另一端接地，电感L2的一端接芯片SBB20889的引脚3，另一端接电感L3的一端和电容C8的一端，电感L3的另一端接电压+5v，电容C8另一端作为射频发射功率放大模块2的输出端，记为端口M2_OUT，并与发射天线3的馈电点相连；
所述的发射天线3和所述的接收天线4的结构相同，均为平面对数周期天线，天线整体由6节振子组成，顶面振子与底面振子交叉排列，馈电点左侧振子与右侧振子呈中心对称结构，中间是介质层为FR-4板材，介质层的正面是铜片正面振子，反面是铜片反面振子；
所述的RF-DC整流升压模块5的结构为：电容C9的一端作为RF-DC整流升压模块5的输入端，记为端口M3_IN，并与接收天线的馈电点相连，电容C9的另一端接电感L4的一端、电容C10的一端、电容C11的一端、电容C12的一端、电容C13的一端、电容C14的一端和电容C15的一端，电容C10的另一端接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，二极管D1的阳极接地，二极管D2的阴极接二极管D3的阳极和电容C16的一端，电容C16的另一端接地，电容C11的另一端接二极管D3的阴极和二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接二极管D5的阳极和电容C17的一端，电容C17的另一端接地，电容C12的另一端接二极管D5的阴极和二极管D6的阳极，二极管D6的阴极接二极管D7的阳极和电容C18的一端，电容C18的另一端接地，电容C13的另一端接二极管D7的阴极和二极管D8的阳极，二极管D8的阴极接二极管D9的阳极和电容C19的一端，电容C19的另一端接地，电容C14的另一端接二极管D9的阴极和二极管D10的阳极，二极管D10的阴极接二极管D11的阳极和电容C20的一端，电容C20的另一端接地，电容C15的另一端接二极管D11的阴极和二极管D12的阳极，二极管D12的阴极作为RF-DC整流升压模块5的输出端，记为端口M3_OUT；
所述的能量存储模块6是一个超级电容C构成，超级电容C的正极同时作为能量存储模块6的输入端和输出端的正极，负极同时作为能量存储模块6的输入端和输出端的负极并接地；
所述的电源管理模块7的结构为：电容C21的一端接芯片LM317L的引脚2，并作为电源管理模块7的输入端，记为端口M4_IN，并与超级电容C的输出端正极相连，电容C21的另一端接地端，电阻R1的一端接芯片LM317L的引脚3，并作为电源管理模块7的输出端，记为端口M4_OUT，电阻R1的另一端接芯片LM317L的1引脚，并通过可变电阻R2接地，端口M4_OUT通过电容C22接地，并与负载电池输入端相连。
本发明的一种适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统中，电路的优选参数为，各电阻及滑动变阻器参数分别为：R1：240Ω，R2：5kΩ；各电容参数分别为：C1：4.7uF，C2：1000pF，C3：3～15pF，C4：2.2pF，C5：8200pF，C6：1uF，C7：1200pF，C8：8200pF，C9：2.39pF，C10～C22：0.1uF，所述的超级电容C优选型号为SU2400P-0027V-1RA，各电感参数为，L1由直径0.51mm漆包线在直径4mm圆柱上绕5圈脱胎而成，L2：2.7nH，L3：1200nH，L4：9.22nH；二极管D1～D12均为肖特基微波检波二极管，型号均为HSMS-2862。
本发明的一种适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统中，所述的发射天线3和接收天线4的优选参数为：振子第一级振子为长度125mm，宽度2mm的铜片，第二级振子为长度110mm，宽度2mm的铜片，第三级振子为长度100，宽度2mm的铜片，第四级振子为长度92.5mm，宽度2mm的铜片，第五级振子为长度87.5，宽度2mm的铜片，第六级振子为长度84mm，宽度2mm的铜片，振子间距分别为61.5mm，59.5mm，54.5mm，51.5mm，54mm，介质层为长为255mm，宽为285mm的RF-4板材。
本发明的技术方案有以下有益效果：
1、使用方便，非接触式供电，可以方便的对一些低功耗的无线传感器网络节点设备进行充电。
2、接收距离远，射频能量发射基站覆盖范围可达0.1km到1km，即在该距离范围内的节点设备都可以接收到无线能量进行充电。
3、能量接收效率高，本发明采用的发射天线和接收天线均为定向天线，有很高的增益，从而提高了能量接收效率。
4、安全性高，本发明采用了稳压电路，为负载电池提供稳定的充电电压，减小了接收到的不稳定的电压对电池的伤害。
综上，本发明的一种基于无线射频能量收集技术的适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统可以高效稳定的远距离的为无线传感器网络节点设备进行充电，减少人为更换电池的麻烦并且延长了无线传感器网络的寿命。
附图说明：
图1为本发明的整体工作示意图。
图2为本发明的总体框图。
图3为本发明的射频产生模块结构图。
图4为本发明的射频发射功率放大模块结构图。
图5为本发明的发射天线和接收天线的结构示意图。
图6为本发明的RF-DC整流升压模块结构图。
图7为本发明的电源管理模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的结构及工作原理，本发明中各元器件的优选参数已标于附图中。
实施例1本发明的整体工作原理
参照图1，本发明的基于无线射频能量收集技术的适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统的结构有射频能量发射基站和无线传感器网络节点组成。射频能量发射基站，通过定向发射天线将射频能量发射到节点所在方向，在射频能量发射基站覆盖范围内的低功耗无线传感器网络节点上的接收天线接收到无线射频能量供负载电池充电。
实施例2本发明的总体框架
参照图2，本发明的基于无线射频能量收集技术的适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统的结构为：射频产生模块1、射频发射功率放大模块2、发射天线3，接收天线4、RF-DC整流升压模块5、能量存储模块6和电源管理模块7。其中射频产生模块1负责产生所需的500MHz的射频信号；射频发射功率放大模块2负责把射频产生模块1所产生的射频信号进行功率放大以待发射；发射天线3负责把经过射频发射功率放大模块2所放大功率的射频信号发送到空间中；接收天线4负责接收射频能量发射基站发射出来的无线射频能量，传到下一级电路；RF-DC整流升压模块5负责把接收天线接收到的微弱的射频能量(微小的交流电压)，转换成电压较高的可用的直流电压，能量存储模块6负责存储经过RF-DC整流升压模块5升压的电能，电源管理模块7负责稳定能量存储模块6存储的不稳定的电压以供负载电池充电。
实施例3本发明的射频产生模块1
参照图3，所述的射频产生模块1的结构为：芯片UPC1651的引脚1接+6v电源，引脚3接地端，引脚4通过电容C2接地，引脚4和引脚2之间接电容C1，引脚4还接电容C4的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端接可变电容C3的一端，可变电容C3的另一端接地，电容C4的另一端作为射频产生模块1的输出端，记为端口M1_OUT。调整可变电容使输出频率为500MHz，此模块为整个发射端提供500MHz射频。
实施例4本发明的射频发射功率放大模块2
参照图4，所述的射频发射功率放大模块2的结构为：电容C5的一端作为射频发射功率放大模块2的输入端，记为端口M2_IN，并与端口M1_OUT相连，电容C5的另一端接芯片SBB2089的引脚1，芯片SBB2089的引脚2接地，引脚4接地，电容C6一端接电压+5v，另一端接地，电容C7的一端接电压+5v，另一端接地，电感L2的一端接芯片SBB20889的引脚3，另一端接电感L3的一端和电容C8的一端，电感L3的另一端接电压+5v，电容C8另一端作为射频发射功率放大模块2的输出端，记为端口M2_OUT，并与发射天线3的馈电点相连。该射频发射功率放大模块2把射频产生模块1产生的射频信号进行功率放大，为整个发射端提供大功率的射频发射信号。
实施例5本发明的发射天线3和接收天线4
参照图5，所述的发射天线3和所述的接收天线4的结构相同均为平面对数周期天线，天线整体由6节振子组成，顶面振子与底面振子交叉排列，馈电点左侧振子与右侧振子呈中心对称结构，中间是介质层为FR-4板材，介质层的正面是铜片正面振子，反面是铜片反面振子；发射天线发射射频能量，接收天线接收射频能量。图中各参数具体数值如表1所示。
表1发射天线3和接收天线4的参数列表(单位：mm)
| d1 | 125 | w1 | 2 |
| d2 | 110 | w2 | 2 |
| d3 | 100 | w3 | 2 |
| d4 | 92.5 | w4 | 2 |
| d5 | 87.5 | w5 | 2 |
| d6 | 84 | w6 | 2 |
| we | 3 | g3 | 54.5 |
| g1 | 61.5 | g4 | 51.5 |
| g2 | 59.5 | g5 | 54 |
| w | 255 | l | 285 |
实施例6本发明的RF-DC整流升压模块5
参照图6，所述的RF-DC整流升压模块5的结构为：电容C9的一端作为RF-DC整流升压模块5的输入端，记为端口M3_IN，并与接收天线的馈电点相连，电容C9的另一端接电感L4的一端、电容C10的一端、电容C11的一端、电容C12的一端、电容C13的一端、电容C14的一端和电容C15的一端，电容C9和电感L4共同组成该模块的匹配网络，电容C10的另一端接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，二极管D1的阳极接地，二极管D2的阴极接二极管D3的阳极和电容C16的一端，电容C16的另一端接地，电容C11的另一端接二极管D3的阴极和二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接二极管D5的阳极和电容C17的一端，电容C17的另一端接地，电容C12的另一端接二极管D5的阴极和二极管D6的阳极，二极管D6的阴极接二极管D7的阳极和电容C18的一端，电容C18的另一端接地，电容C13的另一端接二极管D7的阴极和二极管D8的阳极，二极管D8的阴极接二极管D9的阳极和电容C19的一端，电容C19的另一端接地，电容C14的另一端接二极管D9的阴极和二极管D10的阳极，二极管D10的阴极接二极管D11的阳极和电容C20的一端，电容C20的另一端接地，电容C15的另一端接二极管D11的阴极和二极管D12的阳极，二极管D12的阴极作为RF-DC整流升压模块5的输出端，记为端口M3_OUT；此模块把接收电线接收到的微弱的RF能量转换成高电压的DC电压。
实施例7本发明的电源管理模块7
参照图7，所述的电源管理模块7的结构为：电容C21的一端接芯片LM317L的引脚2，并作为电源管理模块7的输入端，记为端口M4_IN，并与超级电容C的输出端正极相连，电容C21的另一端接地端，电阻R1的一端接芯片LM317L的引脚3，并作为电源管理模块7的输出端，记为端口M4_OUT，电阻R1的另一端接芯片LM317L的1引脚，并通过可变电阻R2接地，端口M4_OUT通过电容C22接地，并与负载电池输入端相连。该模块将能量存储模块6输出的不稳定的直流电压，稳定成稳定的直流电压以供负载电池充电。
Claims (3)
1.一种适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统，其结构有发射端装置和接收端装置，其特征在于，发射装置包括：射频产生模块(1)、射频发射功率放大模块(2)、发射天线(3)；接收装置包括：接收天线(4)、RF-DC整流升压模块(5)、能量存储模块(6)和电源管理模块(7)；
所述的射频产生模块(1)的结构为：芯片UPC1651的引脚1接+6v电源，引脚3接地端，引脚4通过电容C2接地，引脚4和引脚2之间接电容C1，引脚4还接电容C4的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端接可变电容C3的一端，可变电容C3的另一端接地，电容C4的另一端作为射频产生模块(1)的输出端，记为端口M1_OUT；
所述的射频发射功率放大模块(2)的结构为：电容C5的一端作为射频发射功率放大模块(2)的输入端，记为端口M2_IN，并与端口M1_OUT相连，电容C5的另一端接芯片SBB2089的引脚1，芯片SBB2089的引脚2接地，引脚4接地，电容C6一端接电压+5v，另一端接地，电容C7的一端接电压+5v，另一端接地，电感L2的一端接芯片SBB20889的引脚3，另一端接电感L3的一端和电容C8的一端，电感L3的另一端接电压+5v，电容C8另一端作为射频发射功率放大模块(2)的输出端，记为端口M2_OUT，并与发射天线(3)的馈电点相连；
所述的发射天线(3)和所述的接收天线(4)的结构相同，均为平面对数周期天线，天线整体由6节振子组成，顶面振子与底面振子交叉排列，馈电点左侧振子与右侧振子呈中心对称结构，中间是介质层为FR-4板材，介质层的正面是铜片正面振子，反面是铜片反面振子；
所述的RF-DC整流升压模块(5)的结构为：电容C9的一端作为RF-DC整流升压模块(5)的输入端，记为端口M3_IN，并与接收天线的馈电点相连，电容C9的另一端接电感L4的一端、电容C10的一端、电容C11的一端、电容C12的一端、电容C13的一端、电容C14的一端和电容C15的一端，电容C10的另一端接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，二极管D1的阳极接地，二极管D2的阴极接二极管D3的阳极和电容C16的一端，电容C16的另一端接地，电容C11的另一端接二极管D3的阴极和二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接二极管D5的阳极和电容C17的一端，电容C17的另一端接地，电容C12的另一端接二极管D5的阴极和二极管D6的阳极，二极管D6的阴极接二极管D7的阳极和电容C18的一端，电容C18的另一端接地，电容C13的另一端接二极管D7的阴极和二极管D8的阳极，二极管D8的阴极接二极管D9的阳极和电容C19的一端，电容C19的另一端接地，电容C14的另一端接二极管D9的阴极和二极管D10的阳极，二极管D10的阴极接二极管D11的阳极和电容C20的一端，电容C20的另一端接地，电容C15的另一端接二极管D11的阴极和二极管D12的阳极，二极管D12的阴极作为RF-DC整流升压模块(5)的输出端，记为端口M3_OUT；
所述的能量存储模块(6)是一个超级电容C构成，超级电容C的正极同时作为能量存储模块(6)的输入端和输出端的正极，负极同时作为能量存储模块(6)的输入端和输出端的负极并接地；
所述的电源管理模块(7)的结构为：电容C21的一端接芯片LM317L的引脚2，并作为电源管理模块(7)的输入端，记为端口M4_IN，并与超级电容C的输出端正极相连，电容C21的另一端接地端，电阻R1的一端接芯片LM317L的引脚3，并作为电源管理模块(7)的输出端，记为端口M4_OUT，电阻R1的另一端接芯片LM317L的1引脚，并通过可变电阻R2接地，端口M4_OUT通过电容C22接地，并与负载电池输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统，其特征在于，各电阻及滑动变阻器参数分别为：R1：240Ω，R2：5kΩ；各电容参数分别为：C1：4.7uF，C2：1000pF，C3：3～15pF，C4：2.2pF，C5：8200pF，C6：1uF，C7：1200pF，C8：8200pF，C9：2.39pF，C10～C22：0.1uF，所述的超级电容C优选型号为SU2400P-0027V-1RA，各电感参数为，L1由直径0.51mm漆包线在直径4mm圆柱上绕5圈脱胎而成，L2：2.7nH，L3：1200nH，L4：9.22nH；二极管D1～D12均为肖特基微波检波二极管，型号均为HSMS-2862。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于低功耗无线传感器网络节点设备的无线充电系统，其特征在于，所述的发射天线(3)和接收天线(4)的参数为：振子第一级振子为长度125mm，宽度2mm的铜片，第二级振子为长度110mm，宽度2mm的铜片，第三级振子为长度100，宽度2mm的铜片，第四级振子为长度92.5mm，宽度2mm的铜片，第五级振子为长度87.5，宽度2mm的铜片，第六级振子为长度84mm，宽度2mm的铜片，振子间距分别为61.5mm，59.5mm，54.5mm，51.5mm，54mm，介质层为长为255mm，宽为285mm的RF-4板材。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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