CN107623389A - 一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统 - Google Patents

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CN107623389A CN201610555145.7A CN201610555145A CN107623389A CN 107623389 A CN107623389 A CN 107623389A CN 201610555145 A CN201610555145 A CN 201610555145A CN 107623389 A CN107623389 A CN 107623389A
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Abstract

本发明提供了一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,包括收发天线模块(1)、射频前端模块(2)、传感器模块(3)、调制解调模块(4)以及微处理器模块(5),所述微处理器模块(5)分别与调制解调模块(4)、传感器模块(3)以及射频前端模块(2)电连接;传感器模块(3)与射频前端模块(2)电连接;射频前端模块(2)与收发天线模块(1)电连接;收发天线模块(1)与调制解调模块(4)电连接。本发明的传感器节点能够将射频能量转化成直流电能为节点供电,摆脱了传感器节点对电池的依赖。

Description

一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域,具体涉及一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统。
背景技术
在信息化的社会,任何一项科学技术的发展和应用都离不开传感器和信号探测技术的支持。现今社会对传感器技术的小型化、智能化、多功能化和网络化要求促使了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)技术的诞生。
无线传感器网络是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统,被誉为继个人电脑、计算机网络及无线通信之后,IT技术的“第四次产业革命”。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式处理技术等,通过各类集成化的微型传感器的协作进行实时监控、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络,以多跳中继方式将所感知信息传送至用户终端,从而真正实现“无处不在的计算”的理理念。
无线传感器网络主要由传感器节点组成,传感器节点相当于一个微型的嵌入式设备,它具有信号感知、计算存储、无线通信等功能。传感器节点被部署在需要进行监测的区域,这种部署通常是通过飞行器散播、人工埋置等方式完成的。节点通过自组织形式构成网络,并通过多跳路由方式将监测的数据传输至管理中心。用户可以通过访问管理中心的服务器来浏览、查询、搜索相关监控数据。
传感器节点作为一种低功耗的嵌入式设备,在不同应用中硬件结构主要包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和能量供应单元。
数据采集单元由传感器与模数转换器组成,负责监测区域内信息采集和数据转换;数据处理单元负责整个传感器节点的操作,实现数据的存储、融合以及转发,处理器单元一般选用低功耗的嵌入式处理器,如ATMEL公司的ATmega128芯片;数据传输单元负责与其它传感器节点之间的无线通信,这些无线通信芯片一般是低功耗短距离的射频芯片;能量供应单元负责为传感器节点提供运行所需的能量,主要包括电池和电源控制模块。
无线传感器网络应用广泛,主要包括军事侦察、环境监测、医疗健康监测、建筑物监测以及城市管理等领域。传感器网络中节点数量众多,一般采用3-5V的电池供电,电池存储能量的多少决定了整个节点的寿命,因此,节点能量成为了无线传感器网络中需要优先考虑的一个问题。
能量问题是节点设计过程中最大的挑战。节点的体积通常会要求设计得小巧,使得电池体积不能过大。一般而言,电池的能量密度不高,所以节点电池携带的能量十分有限。无线传感器网络布置的节点数量通常很多,而且这些节点多被布置在户外环境中,如果电池能量耗尽,更换电池的工作量十分巨大,大大增加无线传感器监测系统的运行成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术在低功耗的无线传感器网络中,由于传感器节点一般采用电池供电,而有限的电池能量限制了传感器节点的使用寿命,从而影响整个传感器网络的生存周期,并且即便为延长网络寿命而更换电池也会导致工作量巨大,大大提高了整个网络维护的费用的问题,提供一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其传感器节点能够将射频能量转化成直流电能为节点供电,摆脱传感器节点对电池的依赖。
为此,本发明提供了一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,包括收发天线模块、射频前端模块、传感器模块、调制解调模块以及微处理器模块,所述微处理器模块分别与调制解调模块、传感器模块以及射频前端模块电连接;传感器模块与射频前端模块电连接;射频前端模块与收发天线模块电连接;收发天线模块与调制解调模块电连接。
上述微处理器模块包括微处理器,以及分别与微处理器电连接的LED模块、电压检测模块以及外扩的EEPROM芯片;所述微处理器选用TI公司的MSP430系列微控制器。
上述微处理器具体选用型号为MSP43OF2132;所述LED模块包括三个发光二极管,每个发光二极管对应电连接一个场效应管,微处理器的通用IO口与场效应管的栅极连接;电压检测模块包括电压检测芯片和一个电平转换芯片,其中电压检测芯片选用超低功耗的S-1000系列芯片,电平转换芯片其型号为NLSV1T244,所述电压检测芯片的输出与电平转换芯片NLSV1T244电连接;所述EEPROM芯片选用Microchip公司的24AA08系列的I2C串行EEPROM,所述EEPROM芯片与微处理器通过I2C接口连接。
上述收发天线模块包括收发天线和LC匹配网络;其中收发天线为半波偶极子天线,其天线长度为13-17cm;LC匹配网络包括电感L1和可变电容CV,所述可变电容CV一端接地,另一端连接射频前端模块;电感L1的一端连接收发天线,另一端连接可变电容CV的非接地端。
上述收发天线的具体长度为15cm。
上述射频前端模块采用7阶的倍压整流电路,整流元件选用AgilentTechnologies公司的HSMS-285x系列肖特基电压检测二极管芯片;所述倍压整流电路的输入端电连接收发天线模,倍压整流电路的输出端电连接有稳压芯片U1,稳压芯片U1选用ONsemiconductor公司的NCP583系列稳压芯片。
上述传感器模块包括温度传感器、光照传感器以及加速度传感器;所述传感器模块通过微处理器模块的IO管脚的输出电压供电驱动;传感器模块的各传感器的输出信号连接至微处理器模块的AD输入引脚;所述温度传感器的型号为LM9402,生产公司为NationalSemiconductor公司;光照传感器的型号为ISL29102,生产公司为Intersil公司;加速度传感器的型号为ADXL330,生产公司为Analog Devices公司。
本发明的有益效果:本发明克服了现有技术在低功耗的无线传感器网络中,由于传感器节点一般采用电池供电,而有限的电池能量限制了传感器节点的使用寿命,从而影响整个传感器网络的生存周期,并且即便为延长网络寿命而更换电池也会导致工作量巨大,大大提高了整个网络维护的费用的问题,提供的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其传感器节点能够将射频能量转化成直流电能为节点供电,摆脱了传感器节点对电池的依赖。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图;
图2是收发天线模块电路图;
图3是射频前端模块原理图;
图4 是传感器模块电路结构图;
图5 是调制解调模块电路结构图;
图6 是微处理器模块电路结构图。
附图标记说明:1、收发天线模块;2、射频前端模块;3、传感器模块;4、调制解调模块;5、微处理器模块。
具体实施方式
在低功耗的无线传感器网络中,由于传感器节点一般采用电池供电,而有限的电池能量限制了传感器节点的使用寿命,从而影响整个传感器网络的生存周期。为了摆脱传感器节点对电池的依赖,本发明提供了一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其无线充电传感器节点能够将射频能量转化成直流电能为节点供电,该无线充电传感器节点是一种无源装置,它能将环境中的电磁波转变成电能给传感器节点供电。本发明的无线充电传感器节点主要包括天线模块、射频前端模块、微处理器模块、传感器模块、调制解调模块五个部分,其中天线模块和射频前端模块主要实现射频能量的收集和存储,微处理器模块控制传感器节点的数据处理以及通信协议的实现,传感器模块感知传感器节点的传感器数据,调制解调模块实现传感器节点的通信过程。
实施例1:
如图1所示,本发明提供了一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,包括收发天线模块1、射频前端模块2、传感器模块3、调制解调模块4以及微处理器模块5,所述微处理器模块5分别与调制解调模块4、传感器模块3以及射频前端模块2电连接;传感器模块3与射频前端模块2电连接;射频前端模块2与收发天线模块1电连接;收发天线模块1与调制解调模块4电连接。
其中收发天线模块负责电磁波的接收和数据的反向散射;射频前端模块负责将电磁波的能量转换成直流电能并存储,它是整个无线充电传感器节点的能量供应部分;调制解调模块完成对阅读器命令的解码和对标签信息的编码,它是数字信号和模拟信号之间的中间环节;微处理器模块控制整个无线充电传感器节点,它主要负责采样传感器数据、与阅读器通信以及调度整个节点的能量使用;传感器模块选择超低功耗的传感器作为节点传感信息的来源,通过采样传感器来实现对环境情况的监测。
本实施例能够克服低功耗的无线传感器网络中,由于传感器节点一般采用电池供电,而有限的电池能量限制了传感器节点的使用寿命,从而影响整个传感器网络的生存周期,并且即便为延长网络寿命而更换电池也会导致工作量巨大,大大提高了整个网络维护的费用的问题,提供的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其传感器节点能够将射频能量转化成直流电能为节点供电,摆脱了传感器节点对电池的依赖。
实施例2:
在实施例1的基础上,所述微处理器模块5包括微处理器,以及分别与微处理器电连接的LED模块、电压检测模块以及外扩的EEPROM芯片;所述微处理器选用TI公司的MSP430系列微控制器。所述微处理器具体选用型号为MSP43OF2132;所述LED模块包括三个发光二极管,每个发光二极管对应电连接一个场效应管,微处理器的通用IO口与场效应管的栅极连接;电压检测模块包括电压检测芯片和一个电平转换芯片,其中电压检测芯片选用超低功耗的S-1000系列芯片,电平转换芯片其型号为NLSV1T244,所述电压检测芯片的输出与电平转换芯片NLSV1T244电连接;所述EEPROM芯片选用Microchip公司的24AA08系列的I2C串行EEPROM,所述EEPROM芯片与微处理器通过I2C接口连接。
所述收发天线模块1包括收发天线和LC匹配网络;其中收发天线为半波偶极子天线,其天线长度为13-17cm,该收发天线的具体长度为15cm。LC匹配网络包括电感L1和可变电容CV,所述可变电容CV一端接地,另一端连接射频前端模块2;电感L1的一端连接收发天线,另一端连接可变电容CV的非接地端。
所述射频前端模块2采用7阶的倍压整流电路,整流元件选用Agilent Technologies公司的HSMS-285x系列肖特基电压检测二极管芯片;所述倍压整流电路的输入端电连接收发天线模块1,倍压整流电路的输出端电连接有稳压芯片U1,稳压芯片U1选用ONsemiconductor公司的NCP583系列稳压芯片。
所述传感器模块3包括温度传感器、光照传感器以及加速度传感器;所述传感器模块3通过微处理器模块的IO管脚的输出电压供电驱动;传感器模块3的各传感器的输出信号连接至微处理器模块的AD输入引脚;所述温度传感器的型号为LM9402,生产公司为National Semiconductor公司;光照传感器的型号为ISL29102,生产公司为Intersil公司;加速度传感器的型号为ADXL330,生产公司为Analog Devices公司。
以下详细介绍本发明的具体组成结构:
本发明的无线充电传感器节点主要包括收发天线模块、射频前端模块、调制解调模块、微处理器模块、传感器模块五个部分。首先介绍节点功能模块的总体框架,然后分别介绍每个模块的具体功能及实现电路。
无线充电传感器节点由收发天线模块、射频前端模块、调制解调模块、微处理器模块、传感器模块组成,它的总体框架如图1所示。
收发天线模块主要包括天线、LC匹配网络。天线类型需要根据具体的应用场景进行选择,贴片天线和PCB天线都可以完成收发功能。节点的天线尺寸与它所处的工作频率相关,可以通过弯转、折叠的方式缩小尺寸。天线的结构形状、材质等影响它的输出阻抗,对于设计好的天线,它的输出阻抗保持一定。
射频前端模块的输入阻抗在PCB设计好也就固定不变,因而要想实现天线与射频前端模块的阻抗匹配,需要引入LC匹配网络来实现两者之间阻抗的微调,从而实现较好的天线接收效果。LC匹配网络非常简单,它只由一个电感和一个电容组成,电容容值可手动调节,通过缓慢调节电容寻找一个合适的阻抗值来缩小天线跟射频前端模块之间阻抗的差值。
射频前端模块包括倍压整流电路、储能电容、稳压电路三个部分。倍压整流电路选取了甚高频段的肖特基二极管和陶瓷电容,并且将多个二极管跟电容级联。来自天线的高频的微弱交流电压经过二极管的单向导通性,将能量存储在陶瓷电容,通过逐级累加的方式实现电压的抬升。倍压整流电路通过多次放大,将微弱的电路转换成可供利用的直流电压存储在储能电容中。储能电容可选择陶瓷电容或超级电容,但考虑到创门电容特性的不同,需要根据具体的应用合理选择。
储能电容两端的输出电压存在很大的波动,不能直接输出给传感器节点供电。本发明的传感器节点在储能电容之后加入稳压芯片,从而保证无线充电节点输出电压的稳定。
微处理器模块是整个无线充电传感器节点的控制中心,它主要包括MSP430系列的微控制器、LED标识灯、EEPROM存储芯片以及储能电容输出电压的监测电路。MSP430系列微控制器是一种超低功耗的处理芯片,它的供电电压可以低至1.8v,它拥有多种可供选择的低功耗模式。LED灯被MSP430微控制器控制,可以通过闪烁LED的方式来调试节点的软硬件。MSP430微控制器内部自带存储单元,但容量有限,为了整个节点的可扩展性,在微处理器模块中加入了EEPROM芯片,增加了充电节点的存储空间。无线充电传感器节点的能量都存储在电容中,储能电容输出电压的大小直接关系到整个节点的剩余能量。储能电容输出电压的监控电路使得微控制器能够实时掌握储能电容的剩余能量情况,从而更加高效的利用所剩能量。
传感器模块主要由温度传感器、加速度传感器、光照传感器组成。这些传感器感知周围特定的传感信息,将这些信息以模拟电压的方式传入MSP430微控制器的采样端口。无线充电传感器节点是超低功耗的嵌入式平台,因而在选择传感器时需要首先考虑传感器的功耗,保证在电容供电的情况下能够正常工作。
调制解调模块主要包括调制、解调两部分。无线充电传感器节点的数字信号借助反向散射调制成高频信号,之后被阅读器识别。阅读器发往充电节点的指令信号则是通过解调电路解码,然后被节点识别。该解调电路通过电压比较器来分别阅读器指令中的0、1信号,从而将高频载波上的命令信息解码。
1、收发天线模块
无线充电传感器节点上的收发天线主要完成两个方面的工作:接收电磁波能量以及实现节点与阅读器之间的通信,该模块的原理图如图2。阅读器发射的电磁波的频率在920MHz左右,节点天线要完成对该频率段电磁波的接收必须要求节点天线的尺寸跟电磁波的波长大致相当。半波偶极子天线要求天线的尺寸为待接收的电磁波波长的一半,即天线的长度为15cm左右。半波偶极子天线的结构简单,它由两根四分之一波长的振子组成,大大方便了天线的设计。天线的输入阻抗、增益、方向性等参数都会影响天线的接收效果,因而天线的设计将会是整个硬件设计中比较重要的一环。在天线模块中,还存在由电感Ll和可变电容CV组成的LC匹配网络。电感的阻抗特征表现为感抗,电容表现为容抗,两者并联的阻抗输出可以帮助调节天线和射频前端之间的阻抗匹配。
2、射频前端模块
射频前端模块主要用来收集电磁波能量,它通过整流电路将交流电压转换成直流电压,然后将能量存储在电容中,为整个节点提供能量。射频前端模块的电路原理图如图3。该模块采用7阶的倍压整流电路,整流元件选用Agilent Technologies公司的HSMS-285x系列肖特基电压检测二极管芯片。HSMS-285x系列二极管芯片具有很高的灵敏度,在915MHz频率下能够检测到低至50mV/uW的电压值,主要应用在输入功率小于-20dBm频率在1.5GHz的RFID无源标签中。该系列芯片中包含的二极管的个数从一个到四个不等,在本发明的无线充电传感器节点中,选用具有两个肖特基二极管的HSMS-285c检测芯片。每个肖特基二极管都会与一个10pF的陶瓷电容连接,陶瓷电容的目的是利用二极管的单向导通性存储微弱的交变电压。后一级电容的电压值是在前一级电容电压的基础上累加的,最后一个陶瓷电容的输出电压大致是第一个陶瓷电容电压值的14倍。微弱信号在经过14倍的升压整流后存储在储能电容Cstore中。
储能电容在这里选择10uF的0805封装的陶瓷电容,电容两端的电压能够在无线充电节点靠近阅读器的瞬间充满电压至5.6V。储能电容是能量的缓冲场所,节点需要在电容存储一定电量后才会响应阅读器的通信请求。储能电容大小的选择需要根据特定的应用场景来确定,如果电容的容量很小则节点能够存储的电量无法满足节点采样传感器或者与阅读器通信的需求,而如果电容选择过大,则充满电容又需要更长的时间,降低了节点响应阅读器命令的时间。另外,能量在长时间的积累过程中,它的漏电也一直在进行,并且越高的电压值将对应更快的漏电流,因而过大的储能电容将会减低节点对能量的利用效率。原理图中与储能电容Cstore并联的是一个瞬态电压抑制器,它可以容忍12V的反向电压,为储能电容和后面的稳压芯片提供保护。
图3中的U1是一个稳压芯片,储能电容的电压经过Ul后被稳定到vreg=l.8V,输出的稳定电压可以直接给节点的供电。稳压芯片我们选择ON Semiconductor公司的NCP583系列稳压芯片,该系列稳压芯片属于低压差线性稳压器,在150mA电流输出时压差只有250mv。该芯片的输出电压精度很高,正常情况下输出电压只存在2%的误差。另外,该稳压器芯片是一款具有使能引脚的超低功耗的芯片,当使能引脚无效时,稳压器处于关闭状态,这时它的电流损耗仅为1.0uA。具有宽泛的输出电压范围也是NCP583系列的一大特色,可以根据不同的应用选择合适的输出电压,整个系列的输出电压范围从1.5V到3.3v。考虑到低功耗的其它芯片一般采用1.8v供电,所以本无线充电传感器节点上的稳压器选择l.8V直流输出的NCP583SQ18稳压器共有四个引脚,分别是电压输入、电压输出、使能端和地,这里电压输入和使能端一起连接到储能电容的输出端储能电容输出电压,稳压器一直处于使能状态,输出稳定的电压值Vreg。
3、微处理器模块
微处理器模块控制整个无线充电传感器节点,它主要负责采样传感器数据、与阅读器通信以及调度整个节点的能量,该模块的电路原理如图6。
微处理器选用TI公司的MSP430微控制器,它是1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器。MSP430微控制器分为了不同的系列,如MSP430F14x、MSP430F21x、MSPF43044x等,在本发明中我们选用MSP430F2132作为微控制器,它具有8KB的Flash和512B的RAM,它的供电电压范围从1.8v到3.6v,并且在休眠状态下电流消耗仅为0.7uA。该微处理器具有10位的模数转换ADC、定时器/比较器等功能模块,同时也具备UART、I2C、SPI等通信接口。除了丰富的硬件资源,MSP430F2132的工作状态也很多,它拥有一种主动状态(AM)以及五种低功耗状态(LPM0-LPM4)。微处理器在低功耗状态会有选择性的关闭一些时钟信号,从而降低微处理器的能量损耗。微控制器芯片内部自带了一个基准频率在1.0MHz左右的DCO晶振,同时在芯片的外部也添加了一个32.7KHz的无源晶振,该晶振的频率较低,主要是在微处理器处于低功耗模式下使用。
LED模块有三个发光二极管,每个发光二极管对应一个场效应管,微处理器的通用IO口与场效应管的栅极连接。微处理器对通用IO的操作可以控制场效应管的通断,从而控制发光二极管。LED模块上的三个发光二极管方便了用户调试无线充电传感器节点的软硬件。
储能电容的电压检测模块包括一个电压检测芯片和一个电平转化芯片。电压检测器选用超低功耗的S-1000系类芯片,它对输入电压的检测灵敏度极高,并且具有可供选择的N沟通开漏输出或者CMOS输出。S-1000系列中的每一款芯片都有一个固定的可供比较的基准电压,电压范围从0.95v到5.5v。本模块中选用的电压检测器的比较电压为2.0V,储能电容输出电压在跟基准电压2.0v比较后输出。电压检测器的输出连接至电平转换芯片NLSV1T244,该芯片负责将储能电容输出电压的高电平转换成微控制器能够接收和识别的电压水平。电压监测模块的输出为微处理器提供了外部中断,方便节点在低功耗模式下响应外部事件。
在微处理器模块中,还引入了外扩的EEPROM芯片。这里选用Microchip公司的24AA08系列的I2C串行EEPROM,它具有8K的存储空间,供电电压最低可以至1.8V,很适合低功耗的应用场合。EEPROM存储器在断电后还可以保持数据,最长的保持时间长达200年。EEPROM存储器与微控制器通过I2C接口连接,为了保证数据读写的稳定,在I2C的SDA和SCL线上加入了10K的上拉电阻。
MSP430系列的单片机通过JTAG接口下载程序,普通的JTAG都由四线或者五线组成,它们分别是测试数据输入(TDI)、测试数据输出(TDO)、测试时钟(TCK)、测试模式选择(TMS)以及可选的测试复位(TRST)。为了简化传统的JTAG接口,TI公司提出了两线制的程序下载接口Spy-Bi-Wire JTAG,它包含双向的数据线、时钟信号线。在该微处理器模块中,为了尽量缩小JTAG接口占用的空间,选择了两线制的Spy-Bi-Wire JTAG,并且它的接插件选用间距1.27mm的单排排母。微处理器模块中的另外一个接插件是单排的排针,它与无线充电传感器节点上的时钟信号、测试信号、储能电容输出电压等连接,这些充电节点内部的信号被扩展出来,为硬件调试提供了极大的方便。
4、传感器模块
传感器模块是一个可以扩展的模块,根据具体的应用选择合适的传感器,该模块的电路原理如图4。
无线充电传感器节点的传感器模块包括三种不同类型的传感器:温度传感器、光照传感器、加速度传感器。这些传感器都是都是低工作电压低功耗的,它们并不是Vreg直接供电,而是通过微控制器的IO管脚的输出电压来驱动的。传感器工作时会产生一定量的模拟信号输出,这些模拟信号经过简单滤波后传输至微控制器的AD输入引脚。
温度传感器选用National Semiconductor公司的LM94021,该芯片在一50℃到+150℃范围内都具有很好的精度,并且它的工作电流仅为9uA。光照传感器选用Intersil公司的ISL29102,该芯片可以监测0.3lux到10000lux的光照信号,它主要应用在智能手机和GPS设备中。加速度传感器选用Analog Devices公司的ADXL330,该芯片具有三维的加速度值输出,可以测量每个方向上的正负3g的加速度变化。加速度传感器可以监测无线充传感器的动作变化,设计不同的应用。
这三种传感器的外围电路都非常简单,主要包括输入信号电路和输出信号电路两部分。来自微控制器MSP430的电压会先借助0.luF的陶瓷电容进行滤波,当高频信号被滤掉后再给传感器供电,保证了传感器对环境参数测量的准确性。传感器的信号输出是模拟信号,在每路传感器信号的输出口都设置了0.luF的电容进行滤波,滤波后的信号经AD端口被微处理器采样。
5、调制解调模块
调制解调模块主要负责无线充电传感器节点与阅读器之间的通信,其电路原理如图5。阅读器的指令在到达节点后需要节点解调,节点通过NCS2200比较器来判断加载在载波上的0、1信号,当然比较器的输出电平还不在微控制器能够识别的范围内,需要通过后面的电平转换芯片来转化。微控制器通过控制场效应管来开关解调模块,使得节点对阅读器指令的接收具有选择性。
调制功能是通过节点天线的反向散射来实现的。阅读器发射的射频信号传输到节点的天线时会产生反射,反射信号的强度跟天线的阻抗值相关。微控制器通过三极管来调节天线的阻抗,三极管的通断分别对应了0、1。如此一来,控制器在响应阅读器时可以根据要传送的数据来控制三极管的通断。天线阻抗的变化是充电节点需要向阅读器传输的数据的一连串序列,因而电磁波通过天线的反射后,阅读器也将接收到一连串的电磁波序列,对应充电节点向阅读器发送的一串数据。
本发明的无线充电传感器节点的能量是通过空间电磁波进行传输的,节点对于电磁波能量的接收转换决定了节点能够获取能量的多少。在节点中,节点天线对电磁波的吸收和反射跟节点天线与射频前端网络的阻抗匹配相关。本发明通过在天线和射频前端之间引入一个电感电容匹配网络(LC匹配网络)来合理调整天线与射频前端间的阻抗匹配。射频前端收集到的能量是微弱的脉冲电压,这些能量并不能够直接利用,它需要经过射频前端的整流处理后才能够变成可供利用的直流电压。能量有效性的另一个方面还体现在能量的存储上。在可充电传感器节点上,所有的能量都通过电容存储,然而不同材质的电容漏电流差别很大,需要选择漏电流小的电容来存储能量。另外,电容容量的大小也会影响无线充电节点对阅读器通信的响应速度,从而影响节点对于能量的有效管理。
无线通信是无线充电传感器网络的基础,选择何种无线通信方式对于无线充电传感器网络的可靠性及可应用性至关重要。传统的射频识别系统中,无线通信是通过电子标签的反向散射来反馈标签标识信息的。这种无线通信的方式需要消耗的能量很少,并且它的调制解调电路比较简单,但是与阅读器之间的通信距离非常有限。相对而言,在传统的无线传感器网络中,无线通信是借助射频芯片在ZigBee等低功耗的网络协议下完成的。这种通信方式需要节点为射频芯片提供充足的能量供应,而这些射频芯片的功耗通常比节点的可充电的功率还高,因而付出的代价是阅读器需要在可充电节点前停留更长的时间。通过射频芯片实现的无线通信方式可以实现与较远距离的其它节点交换数据,从而实现信息的快速交流。
无线充电传感器节点需要根据具体的应用场景选择合适的传感器类型和储能电容的容量。设计节点硬件的时候需要考虑节点可能扩充电节点是无线充电传感器网络应用的基础,它的硬件设计将放在首要位置。在设计该节点硬件时,首先需要根据无线充电传感器网络的特点确定设计指标,提出设计方案,然后进行芯片的选型、节点的PCB设计,最后完成硬件平台的功能测试。无线充电传感器网络中的节点采用电容存储能量,充电节点经常处于移动状态,并且节点在与阅读器进行能量传输和信J自、交换时存在距离上的限制,根据这些特点本发明的无线充电传感器节点将围绕下面四个技术指标来进行。
能量是无线充电传感器节点工作的基础。在无线充电传感器网络中,能量在通过电磁波传输的过程会存在一定程度的浪费,为了保证充电节点收集的能量能够支撑节点工作,同时增加阅读器与充电节点之间的能量传输距离,节点的功耗控制显得尤为重要。在无线充电传感器网络中,要求节点的功率消耗非常低,至少保证节点无线充电的最大功率不小于节点工作时的消耗功率。在功耗控制方面,选用超低功耗的芯片是一种最便捷也最有效的方法,而给节点引入休眠状态并且设计硬件中断电路来唤醒节点也可以节省能量。充电节点以超低的功率损耗保证在与阅读器通信时快速响应,在阅读器远离节点后尽量延长无线充电传感器网络的生存周期。
微型的可充电传感器节点可以方便整个无线充电传感器网络展的功能,并且为这些待扩展的功能定义统一、丰富的外部接口,能够方便连接各类传感器和储能电容。在需要添加新的功能模块时可以在现有节点上直接添加,而不需要开发新的节点。而且不同的应用场合对节点的能耗、采样频率、响应时间和数据处理能力都有不同要求,所以要求节点可以按照功能拆分成多个组件,组件之间可以通过标准接口自由组合。这样,在不同的应用场合下,选择不同的组件自由配置就可以满足系统的要求,不必为每个应用都开发一套新的硬件系统,这也有助于控制成本,缩短开发周期。
综上,本发明克服了现有技术在低功耗的无线传感器网络中,由于传感器节点一般采用电池供电,而有限的电池能量限制了传感器节点的使用寿命,从而影响整个传感器网络的生存周期,并且即便为延长网络寿命而更换电池也会导致工作量巨大,大大提高了整个网络维护的费用的问题,提供的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其传感器节点能够将射频能量转化成直流电能为节点供电,摆脱了传感器节点对电池的依赖。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段,这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明,并不构成对本发明的保护范围的限制,凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其特征在于:包括收发天线模块(1)、射频前端模块(2)、传感器模块(3)、调制解调模块(4)以及微处理器模块(5),所述微处理器模块(5)分别与调制解调模块(4)、传感器模块(3)以及射频前端模块(2)电连接;传感器模块(3)与射频前端模块(2)电连接;射频前端模块(2)与收发天线模块(1)电连接;收发天线模块(1)与调制解调模块(4)电连接。
2.如权利要求1所述的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其特征在于:所述微处理器模块(5)包括微处理器,以及分别与微处理器电连接的LED模块、电压检测模块以及外扩的EEPROM芯片;所述微处理器选用TI公司的MSP430系列微控制器。
3.如权利要求2所述的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其特征在于:所述微处理器具体选用型号为MSP43OF2132;所述LED模块包括三个发光二极管,每个发光二极管对应电连接一个场效应管,微处理器的通用IO口与场效应管的栅极连接;电压检测模块包括电压检测芯片和一个电平转换芯片,其中电压检测芯片选用超低功耗的S-1000系列芯片,电平转换芯片其型号为NLSV1T244,所述电压检测芯片的输出与电平转换芯片NLSV1T244电连接;所述EEPROM芯片选用Microchip公司的24AA08系列的I2C串行EEPROM,所述EEPROM芯片与微处理器通过I2C接口连接。
4.如权利要求1所述的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其特征在于:所述收发天线模块(1)包括收发天线和LC匹配网络;其中收发天线为半波偶极子天线,其天线长度为13-17cm;LC匹配网络包括电感L1和可变电容CV,所述可变电容CV一端接地,另一端连接射频前端模块(2);电感L1的一端连接收发天线,另一端连接可变电容CV的非接地端。
5.如权利要求4所述的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其特征在于:所述收发天线的具体长度为15cm。
6.如权利要求1所述的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其特征在于:所述射频前端模块(2)采用7阶的倍压整流电路,整流元件选用AgilentTechnologies公司的HSMS-285x系列肖特基电压检测二极管芯片;所述倍压整流电路的输入端电连接收发天线模块(1),倍压整流电路的输出端电连接有稳压芯片U1,稳压芯片U1选用ON semiconductor公司的NCP583系列稳压芯片。
7.如权利要求1所述的基于射频能量收集的无线充电传感器网络节点硬件系统,其特征在于:所述传感器模块(3)包括温度传感器、光照传感器以及加速度传感器;所述传感器模块(3)通过微处理器模块的IO管脚的输出电压供电驱动;传感器模块(3)的各传感器的输出信号连接至微处理器模块的AD输入引脚;所述温度传感器的型号为LM9402,生产公司为National Semiconductor公司;光照传感器的型号为ISL29102,生产公司为Intersil公司;加速度传感器的型号为ADXL330,生产公司为Analog Devices公司。
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