CN107834674A - 一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统和应用方法，基于包含传感器、微处理器、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关的传感节点装置设计，构建系统化应用架构，以及实际高效工作应用方法，实际应用中，主要应用于地下环境，当传感节点装置埋置在地下时，充电装置通过磁感应耦合谐振的方式对传感节点装置进行无线充电，有效解决了地下传感器节点的供电问题，延长了无线传感器网络的生命周期。

Description

一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统和应用方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统和应用方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术以及分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，在军事、环境、设备状态监测等领域具有广泛的应用前景。

无线传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，电源在整个无线传感器网络系统设计中具有极其重要的意义。目前最常见、也是最容易实现的无线传感器网络节点供电方式主要是电池供电。普通电池的寿命有限，一般电池的寿命决定了传感器节点的使用寿命，要想延长传感器节点的使用周期需要定期更换电池，这样不仅工作量大，成本高，浪费也严重，而且对于地下、矿井、油田等恶劣环境中的大面积无线传感器网络来说电池的更换比较困难。除了通过电池给无线传感器节点供电以外还出现了一种新型供电方式，即从节点周围环境中捕获能量，并将其转化为无线传感器节点所需要的电能。现有研究表明，可以将周围环境中存在的太阳能、风能、振动能量以及电磁能等转换为电能应用于无线传感器网络。但是这些供能方式只适用于某些特定场景，而且所能提供的能量有限。因此，无线传感器网络节点供电是亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用全新结构设计，能够高效解决地下埋设传感节点供电问题的无线充电磁感应式传感节点装置。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种无线充电磁感应式传感节点装置，包括充电装置和传感节点装置，其中，传感节点装置设置在地表以下预设深度的位置，用于实现指定类型数据的采集；传感节点装置包括传感器、微处理器、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关；其中，传感器用于实现指定类型数据的采集，微处理器分别与传感器、充电管理电路、充电电源、信号发送电路的输入端、信号接收电路的输出端相连接，微处理器针对充电电源实现指定类型电源数据的监测；信号发送电路的输出端、信号接收电路的输入端通过切换开关、择一与第一线圈接入点相连接；整流滤波电路的输出端与稳压电路的输入端相连接，稳压电路的输出端与充电管理电路的输入端相连接，充电管理电路的输出端与充电电源的输入端相连接，整流滤波电路的输入端作为第二线圈接入点；第一线圈接入点、第二线圈接入点通过数控开关、择一与耦合线圈相连接，并且第一线圈接入点上对应耦合线圈的两端，分别并联谐振电容；耦合线圈呈水平状态设置在地表以下预设深度的位置；充电装置包括相互连接的充电设备和发射线圈，充电装置中发射线圈的结构与传感节点装置中耦合线圈的结构相同；充电装置活动设置于为传感节点装置进行充电，其中，充电装置中发射线圈水平位于地表，且发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应。

作为本发明的一种优选技术方案：所述传感节点装置中还包括信号调理电路，所述传感器经过信号调理电路与微处理器相连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述传感节点装置中还包括与所述微处理器相连接的时钟芯片。

作为本发明的一种优选技术方案：所述传感节点装置中还包括与所述微处理器相连接的存储器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述信号发送电路由其输入端至其输出端方向，依次包括信号调制模块、功率放大模块和阻抗匹配模块；所述信号接收电路由其输入端至其输出端方向，依次包括接收滤波模块、信号放大模块、信号解调模块。

并且本发明还要解决的技术问题是基于上述无线充电磁感应式传感节点装置，提供一种能够实现高效无线通信功能的无线充电磁感应式传感节点装置的系统。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种无线充电磁感应式传感节点装置的系统，包括至少两个传感节点装置，各个传感节点装置分别设置于地表以下相同预设深度的位置，且相邻传感节点装置中耦合线圈之间的间距为预设距离。

与之相应，本发明还要解决的技术问题是基于上述无线充电磁感应式传感节点装置的系统，提供一种能够实现高效无线充电功能与无线通信功能的无线充电磁感应式传感节点装置系统的应用方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种无线充电磁感应式传感节点装置系统的应用方法，包括分别为所述各个传感节点装置进行充电方法，包括如下步骤：

步骤A1. 将所述充电装置设置于地表、对应于待充电传感节点装置的位置，且充电装置中发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应；

步骤A2. 控制所述数控开关，连通第二线圈接入点与耦合圈圈之间的通路；

步骤A3. 控制充电装置中充电设备工作为发射线圈供电，发射线圈通电产生交变磁场；

步骤A4. 基于发射线圈所产生的交变磁场，待充电传感节点装置中的耦合线圈上产生交变电流，该交变电流依次经整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路，为充电电源进行充电，即实现为待充电传感节点装置进行充电。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括相邻传感节点装置之间的数据传递方法，包括数据发送方法和数据接收方法，其中，数据发送方法包括如下步骤：

步骤B1. 控制所述数控开关，连通第一线圈接入点与耦合圈圈之间的通路，并控制切换开关，连通信号发送电路输出端与第一线圈接入点之间的通路；

步骤B2. 所述微处理器针对待发送数据，经信号发送电路，以正弦波形式信号发送至耦合线圈；

步骤B3. 耦合线圈根据所接收正弦波形式信号，产生相对应的交变磁场信号向外进行发送，实现数据发送；

数据接收方法包括如下步骤：

步骤C1. 与执行数据发送的传感节点装置相邻的传感节点装置，作为接收传感节点装置，针对接收传感节点装置，控制数控开关，连通第一线圈接入点与耦合圈圈之间的通路，并控制切换开关，连通信号接收电路输入端与第一线圈接入点之间的通路；

步骤C2. 基于执行数据发送的传感节点装置中耦合线圈所产生的交变磁场信号，接收传感节点装置中的耦合线圈上产生相对应的电信号；

步骤C3. 接收传感节点装置中的微处理器，经信号接收电路接收来自耦合线圈上所产生的电信号，实现数据接收。

本发明所述一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统和应用方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计无线充电磁感应式传感节点装置及系统和应用方法，采用磁感应耦合谐振的方式对地下无线传感器节点进行无线充电，不仅可以实现数米的无线充电距离，而且可以穿过多种非金属的障碍物，并在一定的距离内传输较大功率，有效解决了地下环境监测、煤矿、油田安全监测等特殊环境下传感器节点的供电问题，延长了无线传感器网络节点的生存期，从而延长了整个无线传感器网络的生命周期；无线传感器节点收发信息采用磁感应无线通信方式代替电磁波通信方式，收发电路与充电电路共用一个耦合线圈作为天线，解决了传统低频电磁波通信天线尺寸大的缺点，便于安装，更适用于地下等复杂环境；选用可充电的锂电池给节点供电，锂电池体积小、容量大、充放电性能好，使用寿命长、绿色环保，针对锂电池充放电的特点特别设计了电池管理电路，并通过微处理器（MCU）实时监测电池状态，可有效防止电池过充、过放、温度过高，电流过大等危险情况的发生，保障节点的工作安全。

附图说明

图1是本发明所设计无线充电磁感应式传感节点装置的功能示意图；

图2是本发明所设计无线充电磁感应式传感节点装置中信号收发功能示意图；

图3是本发明所设计无线充电磁感应式传感节点装置中无线充电功能示意图；

图4是本发明所设计无线充电磁感应式传感节点装置中无线充电的具体电路示意图；

图5是本发明所涉及的磁感应耦合谐振原理示意图；

图6是本发明所设计无线充电磁感应式传感节点装置的无线充电应用示意图；

图7是本发明所设计无线充电磁感应式传感节点装置系统中节点间信号传递应用示意图。

具体实施方式

无线供电技术一直是人类研究的热门话题，主要是以非接触的方式对供电设备进行电能传输。无线充电的研究早在1840年电磁感应定律被发现之后就以开始，但是，传统的无线充电技术存在传输距离过近、无法穿过障碍物等问题，因此未得到广泛应用。近两年，磁感应耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线能量传输技术迅速发展起来，并在无线能量传输领域引起巨大的反响。该技术不仅可以使无线能量传输数米，而且可以穿过多种非金属的障碍物，并在一定的距离内传输较大功率。作为一种新型的无线充电方式，磁感应耦合谐振式无线充电有着广阔的应用领域，同时也为无线传感器网络节点供能开辟了新途径。

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明设计了一种无线充电磁感应式传感节点装置，实际应用中，具体包括充电装置和传感节点装置，其中，传感节点装置设置在地表以下预设深度的位置，用于实现指定类型数据的采集；传感节点装置包括传感器、信号调理电路、微处理器、时钟芯片、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、存储器、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关，实际应用中，针对充电电源，设计采用锂离子电池，针对存储器，设计采用Flash存储器；其中，传感器用于实现指定类型数据的采集，微处理器分别与信号调理电路、时钟芯片、充电管理电路、充电电源、存储器、信号发送电路的输入端、信号接收电路的输出端相连接，传感器经过信号调理电路与微处理器相连接，微处理器针对充电电源实现指定类型电源数据的监测；如图2所示，信号发送电路的输出端、信号接收电路的输入端通过切换开关、择一与第一线圈接入点相连接，其中，信号发送电路由其输入端至其输出端方向，依次包括信号调制模块、功率放大模块和阻抗匹配模块；信号接收电路由其输入端至其输出端方向，依次包括接收滤波模块、信号放大模块、信号解调模块；如图3所示，整流滤波电路的输出端与稳压电路的输入端相连接，稳压电路的输出端与充电管理电路的输入端相连接，充电管理电路的输出端与充电电源的输入端相连接，整流滤波电路的输入端作为第二线圈接入点；第一线圈接入点、第二线圈接入点通过数控开关、择一与耦合线圈相连接，并且第一线圈接入点上对应耦合线圈的两端，分别并联谐振电容C1、C2，这里联谐振电容C1、C2的应用，能够针对无线充电磁感应式传感节点装置执行信号收发过程，有效提高信息收发效率；耦合线圈呈水平状态设置在地表以下预设深度的位置；充电装置包括相互连接的充电设备和发射线圈，充电装置中发射线圈的结构与传感节点装置中耦合线圈的结构相同；充电装置活动设置于为传感节点装置进行充电，其中，充电装置中发射线圈水平位于地表，且发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应，并且基于上述具体所设计的无线充电磁感应式传感节点装置，本发明进一步设计了无线充电磁感应式传感节点装置系统，包括至少两个传感节点装置，各个传感节点装置分别设置于地表以下相同预设深度的位置，且相邻传感节点装置中耦合线圈之间的间距为预设距离。

实际应用中，如图2所示，传感节点装置以微处理器芯片（MCU）为核心，传感器采集的信息通过信号调理电路接入微处理器，微处理器串口连接信号收发送电路，发送信息时，串口输出信号通过信号调制、功率放大和阻抗匹配之后以正弦波的形式接入耦合线圈，信号通过交变的磁场发送出去，接收信息时，处在交变磁场中的耦合线圈感应磁场能量将其转换为电信号，信号经过滤波、放大和解调电路后通过串口输入微处理器，读取信息。

并且基于图3所示无线充电磁感应式传感节点装置中的无线充电功能示意图，本发明进一步如图4所示，设计了具体无线充电功能电路示意图，则基于图3、图4所示，所述充电电路由依次连接的耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路，充电管理电路和锂离子电池组成；传感节点装置充电时，充电装置通过发射线圈将电能转化为磁能，以交变磁场的方式发射出来，传感节点装置通过耦合线圈感应磁场能量并转化为交流电信号，交流电经全桥整流滤波输出直流电，直流电经过DC/DC稳压电路输出稳定的5V电压，然后接入充电管理电路对锂离子电池进行充电，这里选用恒流/恒压锂电池线性充电管理芯TP4057设计充电管理电路，TP4057包含两个状态指示端，充电状态指示端CHRG和充电完成指示端STDBY，充电时CHRG端输出低电平，表示充电正在进行，当电池电压低于2.9V，用小电流对电池进行预充电，当电池电压超过2.9V时，采用恒流模式对电池充电，充电电流由PROG管脚和GND之间的电阻R确定，当电池电压接近4.2V电压时，充电电流逐渐减小，进入恒压充电模式，当充电电流减小到充电结束阈值时（结束阈值是恒流充电电流的10%），充电周期结束，CHRG端输出高阻态，STDBY端输出低电位。充放电的过程中，微处理器通过CHRG和STDBY端检测充电状态，并实时监测电池电压、电流、温度等参数，防止电池充放电过程中可能出现的过充，过放、温度过高，电流过大等危险情况的发生。

如图5所示本发明所涉及的磁感应耦合谐振原理示意图，磁感应耦合谐振技术要求发送端与接收端配置相同谐振频率的耦合线圈，收发两端保持合适距离，发送端线圈L2中加载与谐振频率相同频率交变电流后，其周围将会产生交变的磁场，接收线圈L2会产生谐振，感应出耦合的交变电流，能量以感应磁场的形式从发送端传输到接收端，实现能量或信息的无线传输。如图，L1、L2分别为收发线圈自感，C1、C2为谐振电容，C1与L1构成发射端并联谐振回路，C2与L2构成接收端并联谐振回路，Z1、Z2分别为发射回路与接收回路的等效阻抗，RL为负载的等效电阻，两耦合线圈间距为d，通过互感M建立联系。

如图6所示本发明设计无线充电磁感应式传感节点装置的无线充电应用示意图，当本发明所设计的无线传感器节点工作在地下环境时，充电装置利用发射线圈可以通过磁感应耦合谐振的方式，直接给埋设在地下的节点进行无线充电，调整发射功率和线圈之间的耦合角度，无线充电距离可达数米，从而解决地下节点的二次供能问题，实际应用中，具体包括如下步骤：

步骤A1. 将所述充电装置设置于地表、对应于待充电传感节点装置的位置，且充电装置中发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应。

步骤A2. 控制所述数控开关，连通第二线圈接入点与耦合圈圈之间的通路。

步骤A3. 控制充电装置中充电设备工作为发射线圈供电，发射线圈通电产生交变磁场。

步骤A4. 基于发射线圈所产生的交变磁场，待充电传感节点装置中的耦合线圈上产生交变电流，该交变电流依次经整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路，为充电电源进行充电，即实现为待充电传感节点装置进行充电。

如图7所示本发明设计无线充电磁感应式传感节点装置系统中节点间信号传递应用示意图，当本发明所设计的无线传感器节点埋置在地下或矿井围岩等结构体中时，节点之间利用耦合线圈通过磁感应无线通信方式收发信息，调整发射功率和线圈之间的耦合角度，使用较小的线圈可以实现数十米的通信距离，从而构建无线传感器网络，具体相邻传感节点装置之间的数据传递方法，包括数据发送方法和数据接收方法，其中，数据发送方法包括如下步骤：

步骤B1. 控制所述数控开关，连通第一线圈接入点与耦合圈圈之间的通路，并控制切换开关，连通信号发送电路输出端与第一线圈接入点之间的通路。

步骤B2. 所述微处理器针对待发送数据，经信号发送电路，以正弦波形式信号发送至耦合线圈。

步骤B3. 耦合线圈根据所接收正弦波形式信号，产生相对应的交变磁场信号向外进行发送，实现数据发送。

数据接收方法包括如下步骤：

步骤C1. 与执行数据发送的传感节点装置相邻的传感节点装置，作为接收传感节点装置，针对接收传感节点装置，控制数控开关，连通第一线圈接入点与耦合圈圈之间的通路，并控制切换开关，连通信号接收电路输入端与第一线圈接入点之间的通路。

步骤C2. 基于执行数据发送的传感节点装置中耦合线圈所产生的交变磁场信号，接收传感节点装置中的耦合线圈上产生相对应的电信号。

步骤C3. 接收传感节点装置中的微处理器，经信号接收电路接收来自耦合线圈上所产生的电信号，实现数据接收。

上述技术方案所设计无线充电磁感应式传感节点装置及系统和应用方法，采用磁感应耦合谐振的方式对地下无线传感器节点进行无线充电，不仅可以实现数米的无线充电距离，而且可以穿过多种非金属的障碍物，并在一定的距离内传输较大功率，有效解决了地下环境监测、煤矿、油田安全监测等特殊环境下传感器节点的供电问题，延长了无线传感器网络节点的生存期，从而延长了整个无线传感器网络的生命周期；无线传感器节点收发信息采用磁感应无线通信方式代替电磁波通信方式，收发电路与充电电路共用一个耦合线圈作为天线，解决了传统低频电磁波通信天线尺寸大的缺点，便于安装，更适用于地下等复杂环境；选用可充电的锂电池给节点供电，锂电池体积小、容量大、充放电性能好，使用寿命长、绿色环保，针对锂电池充放电的特点特别设计了电池管理电路，并通过微处理器（MCU）实时监测电池状态，可有效防止电池过充、过放、温度过高，电流过大等危险情况的发生，保障节点的工作安全。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。

Claims (8)

1.一种无线充电磁感应式传感节点装置，其特征在于：包括充电装置和传感节点装置，其中，传感节点装置设置在地表以下预设深度的位置，用于实现指定类型数据的采集；传感节点装置包括传感器、微处理器、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关；其中，传感器用于实现指定类型数据的采集，微处理器分别与传感器、充电管理电路、充电电源、信号发送电路的输入端、信号接收电路的输出端相连接，微处理器针对充电电源实现指定类型电源数据的监测；信号发送电路的输出端、信号接收电路的输入端通过切换开关、择一与第一线圈接入点相连接；整流滤波电路的输出端与稳压电路的输入端相连接，稳压电路的输出端与充电管理电路的输入端相连接，充电管理电路的输出端与充电电源的输入端相连接，整流滤波电路的输入端作为第二线圈接入点；第一线圈接入点、第二线圈接入点通过数控开关、择一与耦合线圈相连接，并且第一线圈接入点上对应耦合线圈的两端，分别并联谐振电容；耦合线圈呈水平状态设置在地表以下预设深度的位置；充电装置包括相互连接的充电设备和发射线圈，充电装置中发射线圈的结构与传感节点装置中耦合线圈的结构相同；充电装置活动设置于为传感节点装置进行充电，其中，充电装置中发射线圈水平位于地表，且发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应。

2.根据权利要求1所述一种无线充电磁感应式传感节点装置，其特征在于：所述传感节点装置中还包括信号调理电路，所述传感器经过信号调理电路与微处理器相连接。

3.根据权利要求1所述一种无线充电磁感应式传感节点装置，其特征在于：所述传感节点装置中还包括与所述微处理器相连接的时钟芯片。

4.根据权利要求1所述一种无线充电磁感应式传感节点装置，其特征在于：所述传感节点装置中还包括与所述微处理器相连接的存储器。

5.根据权利要求1所述一种无线充电磁感应式传感节点装置，其特征在于：所述信号发送电路由其输入端至其输出端方向，依次包括信号调制模块、功率放大模块和阻抗匹配模块；所述信号接收电路由其输入端至其输出端方向，依次包括接收滤波模块、信号放大模块、信号解调模块。

6.一种基于权利要求1所述一种无线充电磁感应式传感节点装置的系统，其特征在于：包括至少两个传感节点装置，各个传感节点装置分别设置于地表以下相同预设深度的位置，且相邻传感节点装置中耦合线圈之间的间距为预设距离。

7.一种基于权利要求6所述一种无线充电磁感应式传感节点装置系统的应用方法，其特征在于，包括分别为所述各个传感节点装置进行充电方法，包括如下步骤：

步骤A1. 将所述充电装置设置于地表、对应于待充电传感节点装置的位置，且充电装置中发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应；

步骤A2. 控制所述数控开关，连通第二线圈接入点与耦合圈圈之间的通路；

步骤A3. 控制充电装置中充电设备工作为发射线圈供电，发射线圈通电产生交变磁场；

步骤A4. 基于发射线圈所产生的交变磁场，待充电传感节点装置中的耦合线圈上产生交变电流，该交变电流依次经整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路，为充电电源进行充电，即实现为待充电传感节点装置进行充电。

8.一种基于权利要求7所述一种无线充电磁感应式传感节点装置系统的应用方法，其特征在于，还包括相邻传感节点装置之间的数据传递方法，包括数据发送方法和数据接收方法，其中，数据发送方法包括如下步骤：

步骤B1. 控制所述数控开关，连通第一线圈接入点与耦合圈圈之间的通路，并控制切换开关，连通信号发送电路输出端与第一线圈接入点之间的通路；

步骤B2. 所述微处理器针对待发送数据，经信号发送电路，以正弦波形式信号发送至耦合线圈；

步骤B3. 耦合线圈根据所接收正弦波形式信号，产生相对应的交变磁场信号向外进行发送，实现数据发送；

数据接收方法包括如下步骤：

步骤C1. 与执行数据发送的传感节点装置相邻的传感节点装置，作为接收传感节点装置，针对接收传感节点装置，控制数控开关，连通第一线圈接入点与耦合圈圈之间的通路，并控制切换开关，连通信号接收电路输入端与第一线圈接入点之间的通路；

步骤C2. 基于执行数据发送的传感节点装置中耦合线圈所产生的交变磁场信号，接收传感节点装置中的耦合线圈上产生相对应的电信号；

步骤C3. 接收传感节点装置中的微处理器，经信号接收电路接收来自耦合线圈上所产生的电信号，实现数据接收。