CN106961715A - 一种物联网近场无源唤醒装置及方法 - Google Patents

一种物联网近场无源唤醒装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物联网近场无源唤醒装置及方法，包括近场唤醒发射单元和近场唤醒接收单元，近场唤醒接收单元完全为无源电路，无电流消耗。当需要唤醒时，发射单元通过唤醒电路发送单频脉冲编码激励信号，经过匹配电路，通过低频线圈发射；接收单元匹配到谐振点并汇集电磁波能量，通过CW(Cockcroft‑Walton)倍压整流电路后，转换成直流信号脉冲，限幅整形后，脉冲信号通过边沿或电平触发的方式，唤醒MCU(微处理器)，从而用于唤醒物联网节点。本发明发射单元发射的唤醒信号具有特征编码，大大降低错误唤醒的概率，增强装置的抗干扰性，同时，近场唤醒接收单元完全采用无源电路，接收唤醒电路零功耗，本发明在低功耗物联网应用有着广泛的应用。

Description

一种物联网近场无源唤醒装置及方法
技术领域
本发明涉及物联网近场无源唤醒技术领域，特别是一种低功耗物联网唤醒的装置及方法。
背景技术
物联网应用飞速发展，在很多特殊场合，设备需采用电池供电，且分布在不易安装的环境，甚至要求不可拆卸，因此超长待机成为物联网无线设备的重要指标。
传统延长待机时间的唤醒方法大都采取“睡眠、侦听”周期性循环方法，此类方法不可避免需要周期性打开接收单元，平均功耗仍然比较高，无法有效的延长节点的待机时间。
有一类特殊的物联网应用，需要设备潜伏时间很长，可能长达数年；这就不能使用睡眠和侦听循环的唤醒机制；为了最大程度降低物联网节点的功耗，延长节点生命周期，迫切需要一种适用于新型唤醒技术代替原先周期性睡眠唤醒机制，达到按需唤醒的功能，大大延长电池工作寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于手持设备的物联网近场无源唤醒装置。
为了克服上述现有技术中的缺陷本发明采用如下技术方案：
一种物联网近场无源唤醒装置，包括近场唤醒发射单元和近场唤醒接收单元，以及MCU，近场唤醒发射单元与近场唤醒接收单元无线连接，近场唤醒接收单元与MCU连接；其特征在于：
所述近场唤醒发射单元包括唤醒发射电路，与唤醒发射电路连接的供电电路、匹配电路，以及与匹配电路连接的低频线圈；所述近场唤醒接收单元包括阻抗匹配电路，与阻抗匹配电路连接的CW倍压整流电路，以及与CW倍压整流电路连接的滤波整形器。匹配电路采用LC无源匹配电路，用于将发射单频脉冲编码激励信号最大功率传输到低频天线线圈。
进一步地，近场唤醒发射单元还包括供电电池，供电电池与供电电路连接。电池供电电路用于唤醒发射电路供电，电池供电电路中使用超级电容保证其正常工作的脉冲功率，发射单频脉冲编码激励信号。
进一步地，所述唤醒发射电路上设有单频脉冲编码器，单频脉冲编码器与低频线圈连接。
进一步地，所述唤醒发射电路，用于发送特定的唤醒信号即单频脉冲编码激励信号；所述单频脉冲编码激励信号，采用特定的低频段脉冲信号。低频线圈选择与激励信号频率一致的低频线圈，将单频脉冲编码激励信号发射出去；单频脉冲编码激励信号，该信号为自定义已知随机编码组，如32bit的PN码；该特定编码激励信号，减少错误唤醒概率。
进一步地，所述阻抗匹配电路设有发射频率谐振点和电磁波能量汇集器，发射频率谐振点与电磁波能量汇集器连接，电磁波能量汇集器与CW倍压整流电路连接。阻抗匹配电路用于匹配到发射频率谐振点，最大限度接收天线端汇集的微弱电磁波能量，由于近场唤醒接收电路是无源电路，其能量的来源主要是来自天线接收微弱的电磁波能量，阻抗匹配性能的好坏直接影响天线接收端的功率密度
进一步地，阻抗匹配电路与CW倍压整流电路连接，并联LC主电路匹配到发射频率谐振点。
进一步地，所述CW倍压整流电路上设有信号转换电路，信号转换电路与滤波整形器连接。CW倍压整流电路用于谐振点的信号经过倍压整流后，信号倍压并转换成直流信号脉。
进一步地，所述滤波整形器产生满足要求的脉冲信号，并通过边沿或电平触发方式唤醒MCU。用于消除大气中存在的其他频率的干扰信号，同时避免直流信号脉冲电压或电流过大，烧坏MCU引脚，将直流信号脉冲进行稳压、限幅之后产生满足要求的脉冲信号，再将脉冲信号通过边沿或电平触发方式，唤醒MCU,从而唤醒物联网节点。
一种物联网近场无源唤醒方法，其特征在于：
步骤一：当装置需要唤醒时，近场唤醒发射单元发送单频脉冲编码激励信号，经过匹配电路，通过低频线圈发射出去；
步骤二：近场唤醒接收单元匹配到发射频率谐振点并汇集电磁波能量，通过CW倍压整流后，信号倍压并转换成直流信号脉冲；
步骤三：滤波整形器防止直流信号脉冲电压过大，脉冲信号通过边沿或电平触发方式，唤醒MCU，从而用于唤醒物联网节点。
进一步地，为避免直流信号脉冲电压或电流过大，烧坏后级电路，将直流信号脉冲进行稳压、限幅之后产生满足接口电平要求的脉冲信号。
本发明提供的物联网近场无源唤醒装置及方法设计简单科学，解决传统的唤醒机制的局限，降低错误唤醒的概率，减少冗余唤醒功耗，且采用低功耗电路，发射唤醒单元消耗很少的能量；近场唤醒接收单元完全采用无源电路，接收唤醒电路零功耗，保证近场唤醒整体装置的超低功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1是本发明一种物联网近场无源唤醒装置实施例示意图；
图2为近场唤醒发射单元工作示意图；
图3为近场唤醒接收单元工作示意图；
图4为阻抗匹配电路的匹配过程原理示意图；
图5为CW倍压整流电路的五级倍压整流示意图；
附图中：1-近场唤醒发射单元；11-供电电池；12-唤醒发射电路；13-匹配电路；14-低频线圈；2-近场唤醒接收单元；21-阻抗匹配电路；22-CW倍压整流电路；23-滤波整形器；3-MCU。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1至图5所示，一种物联网近场无源唤醒装置，包括近场唤醒发射单元1和近场唤醒接收单元2，以及MCU3，近场唤醒发射单元1与近场唤醒接收单元2无线连接，近场唤醒接收单元2与MCU3连接；近场唤醒发射单元1包括唤醒发射电路12，与唤醒发射电路12连接的供电电路、匹配电路13，以及与匹配电路13连接的低频线圈14；近场唤醒接收单元2包括阻抗匹配电路21，与阻抗匹配电路21连接的CW倍压整流电路22，以及与CW倍压整流电路22连接的滤波整形器23。匹配电路13采用LC无源匹配电路，用于将发射单频脉冲编码激励信号最大功率传输到125kHz低频天线线圈。
近场唤醒发射单元1还包括供电电池11，供电电池11与供电电路连接。电池11供电电路用于唤醒发射电路供电，电池11供电电路中使用超级电容保证其正常工作的脉冲功率，发射单频脉冲编码激励信号。
唤醒发射电路12中设有单频脉冲编码器，单频脉冲编码器与低频线圈14连接。
唤醒发射电路12用于发送特定的唤醒信号即单频脉冲编码激励信号；单频脉冲编码激励信号，采用特定的低频段脉冲信号。低频线圈14选择与激励信号频率一致的低频线圈14，将单频脉冲编码激励信号发射出去；单频脉冲编码激励信号，该信号为自定义已知随机编码组，如32bit的PN码；该特定编码激励信号，减少错误唤醒概率。
阻抗匹配电路21设有发射频率谐振点和电磁波能量汇集器，发射频率谐振点与电磁波能量汇集器连接，电磁波能量汇集器与CW倍压整流电路22连接。阻抗匹配电路21用于匹配到发射频率谐振点，最大限度接收天线端汇集的微弱电磁波能量，由于近场唤醒接收电路12是无源电路，其能量的来源主要是来自天线接收微弱的电磁波能量，阻抗匹配性能的好坏直接影响天线接收端的功率密度。
阻抗匹配电路21与CW倍压整流电路22并联LC主电路匹配到发射频率谐振点。阻抗匹配电路21用于匹配到发射频率谐振点，最大限度接收天线端汇集的微弱电磁波能量，本发明采用LC并联谐振，且选用ESR很低的高质量电容做匹配，降低内部电阻热功率损耗，接收端低频线圈采用小尺寸纯铜线圈，以降低成本和损耗。其中阻抗匹配的过程可使用smith圆图实现。
CW倍压整流电路22上设有信号转换电路，信号转换电路与滤波整形器23连接。CW倍压整流电路22用于谐振点的信号经过倍压整流后，信号倍压并转换成直流信号脉。CW倍压整流电路用于将匹配到发射频率谐振点的信号经过倍压整流后，信号倍压并转换成直流信号脉冲；在CW倍压整流电路中，常用的普通二极管导通电压最低为0.3V左右，并不适用于小信号电路应用。需要选择导通电压很小的二极管，如肖特基二极管HSMS-285C，导通电压只有150mV左右。本装置CW倍压整流电路22中采用五级倍压的方式对信号进行放大。
滤波整形器23通过边沿或电平触发方式唤醒MCU3。滤波整形器23用于消除大气中存在的其他频率的干扰信号，同时避免直流信号脉冲电压或电流过大，烧坏MCU3引脚，将直流信号脉冲进行稳压、限幅之后产生满足要求的脉冲信号，再将脉冲信号通过边沿或电平触发方式，唤醒MCU3,从而唤醒物联网节点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种物联网近场无源唤醒装置，包括近场唤醒发射单元和近场唤醒接收单元，以及MCU，近场唤醒发射单元与近场唤醒接收单元无线连接，近场唤醒接收单元与MCU连接；其特征在于：
所述近场唤醒发射单元包括唤醒发射电路，与唤醒发射电路连接的供电电路、匹配电路，以及与匹配电路连接的低频线圈；所述近场唤醒接收单元包括阻抗匹配电路，与阻抗匹配电路连接的CW倍压整流电路，以及与CW倍压整流电路连接的滤波整形器。
2.根据权利要求1所述的物联网近场无源唤醒装置，其特征在于：
近场唤醒发射单元还包括供电电池，供电电池与供电电路连接。
3.根据权利要求1所述的物联网近场无源唤醒装置，其特征在于：
所述唤醒发射电路上设有单频脉冲编码器，单频脉冲编码器与低频线圈连接。
4.根据权利要求3所述的物联网近场无源唤醒装置，其特征在于：
所述唤醒发射电路用于发送特定的唤醒信号即单频脉冲编码激励信号；所述单频脉冲编码激励信号，采用特定的低频段脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的物联网近场无源唤醒装置，其特征在于：
所述阻抗匹配电路设有发射频率谐振点和电磁波能量汇集器，发射频率谐振点与电磁波能量汇集器连接，电磁波能量汇集器与CW倍压整流电路连接。
6.根据权利要求1所述的物联网近场无源唤醒装置，其特征在于：
所述阻抗匹配电路与CW倍压整流电路连接，并联LC主电路匹配到发射频率谐振点。
7.根据权利要求6所述的物联网近场无源唤醒装置，其特征在于：
所述CW倍压整流电路上设有信号转换电路，信号转换电路与滤波整形器连接。
8.根据权利要求1所述的物联网近场无源唤醒装置，其特征在于：
所述滤波整形器产生满足要求的脉冲信号，并通过边沿或电平触发方式唤醒MCU。
9.一种物联网近场无源唤醒方法，其特征在于：
步骤一：当装置需要唤醒时，近场唤醒发射单元发送单频脉冲编码激励信号，经过匹配电路，通过低频线圈发射出去；
步骤二：近场唤醒接收单元匹配到发射频率谐振点并汇集电磁波能量，通过CW倍压整流后，信号倍压并转换成直流信号脉冲；
步骤三：滤波整形器防止直流信号脉冲电压过大，脉冲信号通过边沿或电平触发方式，唤醒MCU，从而用于唤醒物联网节点。
10.根据权利要求9所述的物联网近场无源唤醒方法，其特征在于：
为避免直流信号脉冲电压或电流过大，烧坏后级电路，将直流信号脉冲进行稳压、限幅之后产生满足接口电平要求的脉冲信号。
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