CN108983851A - 一种无线能量传输的wifi温湿度监控系统 - Google Patents

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路崇
梁羽开
张全琪
何逸飞
廖普辉
谭洪舟
区俊辉
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Abstract

本发明公开了一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，包括：无线能量传输组件、能量存储管理器件、WIFI协议组件、温湿度传感器和主控MCU模块，所述系统可以摆脱传统电力传输方式的束缚，解除纷乱电源线带来的困扰，实现在特殊场合都可通过无线电能的方式运行WIFI温湿度监控系统，同时减少电能传输过程中的安全问题。

Description

一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统
技术领域
本发明属于电子系统领域，具体涉及一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统。
背景技术
如今越来越多的电子产品为人们的工作生活带来了极大的便捷，但传统的电力传输方式大多是通过导线或插座将电力传输到终端产品，由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井和水中等。人们希望能摆脱传统电力传输方式的束缚，解除纷乱电源线带来的困扰。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输，又称为无接触式电能传输，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。实现无线电能传输将使人类应用电能更加宽广、更加灵活。在WIFI温湿度监控系统更是如此，有些特殊场合无法直接通过导线给WIFI温湿度监控系统供电，因此迫切需要一种被动且无源的温湿度数据上行系统，摆脱导线的束缚，把WIFI温湿度监控系统应用到更广泛的领域。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，摆脱导线的束缚，实现在特殊场合WIFI温湿度监控系统都可运行。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，包括：无线能量传输组件接收端、能量存储管理器件、WIFI协议组件、温湿度传感器和主控MCU模块，其特征在于：无线能量传输组件的接收端把能量存储到能量存储管理器件中，通过把能量存储管理器件的当前储存能量值Enow与主控MCU模块的工作能量值EMCU、温湿度传感器的工作能量值ET和WIFI协议组件的工作能量值EWIFI进行比较，开启相应的部件，从而进行温湿度数据的传输，有降低能耗的作用。无线能量传输的WIFI温湿度监控系统可以摆脱传统电力传输方式的束缚，解除纷乱电源线带来的困扰，实现在特殊场合都可通过无线电能的方式运行WIFI温湿度监控系统，同时减少电能传输过程中的安全问题。
进一步，所述能量存储管理器件的当前储存能量值Enow不小于第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件开启主控MCU模块、温湿度传感器和WIFI协议组件，所述主控MCU模块把由温湿度传感器检测到的温湿度数据通过WIFI协议组件进行传输；所述第一开启阈值Eth1为主控MCU模块的工作能量值EMCU、温湿度传感器的工作能量值ET和WIFI协议组件的工作能量值EWIFI之和。
优选地，所述能量存储管理器件开启主控MCU模块、温湿度传感器和WIFI协议组件，包括以下条件：所述能量存储管理器件的当前输出电压值Vsup均不小于主控MCU模块的最低工作电压值VMCU、温湿度传感器的最低工作电压值VT和WIFI协议组件的最低工作电压值VWIFI。
优选地，所述WIFI协议组件开启发送数据后，进入休眠模式，降低能耗。
进一步，所述能量存储管理器件的当前储存能量值Enow大于或等于第二开启阈值Eth2，但小于第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件开启主控MCU模块和温湿度传感器，所述主控MCU模块把由温湿度传感器检测到的温湿度数据进行储存；所述第一开启阈值Eth1为主控MCU模块的工作能量值EMCU、温湿度传感器的工作能量值ET和WIFI协议组件的工作能量值EWIFI之和；所述第二开启阈值Eth2为主控MCU模块的工作能量值EMCU和温湿度传感器的工作能量值ET之和。
进一步，所述能量存储管理器件的当前储存能量值Enow不小于所述第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件开启WIFI协议组件，所述主控MCU模块把储存的温湿度数据通过WIFI协议组件进行传输。
优选地，所述能量存储管理器件开启主控MCU模块和温湿度传感器，包括以下条件：所述能量存储管理器件的当前输出电压值Vsup均不小于主控MCU模块的最低工作电压值VMCU和温湿度传感器的最低工作电压值VT。
优选地，所述能量存储管理器件开启WIFI协议组件，包括以下条件：所述能量存储管理器件的当前输出电压值Vsup不小于WIFI协议组件的最低工作电压值VWIFI。
进一步，所述无线能量传输的WIFI温湿度监控系统还包括储存器，主控MCU模块把由温湿度传感器检测到的温湿度数据存储于所述储存器中。
进一步，所述能量存储管理器件的当前储存能量值Enow小于所述第一开启阈值Eth1时，或者能量存储管理器件的当前输出电压值Vsup低于主控MCU模块的最低工作电压值VMCU、温湿度传感器的最低工作电压值VT和WIFI协议组件的最低工作电压值VWIFI之中任意一个时，主控MCU模块、温湿度传感器和WIFI协议组件自动断电，停止对温湿度数据的传输。
进一步，所述能量存储管理器件包括用于存储能量的超级电容，具有充电速度快、循环使用寿命长、功率密度高的优点。
本发明的有益效果是：
一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，通过把能量存储管理器件的当前储存能量值Enow与主控MCU模块的工作能量值EMCU、温湿度传感器的工作能量值ET和WIFI协议组件的工作能量值EWIFI进行比较，开启相应的部件，从而进行温湿度数据的传输，这种工作方式有降低能耗的作用，实现节能的效果。所述系统还可以摆脱传统电力传输方式的束缚，解除纷乱电源线带来的困扰，实现在特殊场合都可通过无线电能的方式运行WIFI温湿度监控系统，减少电能传输过程中的安全问题。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
图1是无线能量传输的WIFI温湿度监控系统的整体结构示意图；
图2是能量存储管理器件充电能耗曲线图；
图3是温湿度传感器能耗曲线图；
图4是主控MCU模块能耗曲线图；
图5是WIFI模块能耗曲线图；
图6是能量存储管理器件充放电曲线图；
图7是能量存储管理器件充放电能量值曲线图；
图8是能量存储管理器件充电曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的基于无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，包括：无线能量传输组件接收端2、能量存储管理器件3、温湿度传感器4、主控MCU模块5和WIFI协议组件6。
本系统的能量是由外置的无线能量发射组件1通过无线能量传输技术将能量传输给无线能量接收组件2的接收端；无线能量接收组件2接收能量后，能量存储管理器件3将能量进行存储和管理；能量存储管理器件3为主控MCU模块5，温湿度传感器4和WIFI协议组件6提供足够的能量；主控MCU模块5获取能量后控制温湿度传感器4监控当前环境温湿度，把检测到的温湿度数据存储于储存器中，并控制WIFI协议组件6通过局域网或者广域网进行温湿度数据的传输。
无线能量发射组件1将电能转换为电磁场能，通过天线向远处的无线能量接收组件2传输。其中使用的技术是射频能量传输技术，即发送端将电能转换为电磁场能，接收端则将接收到的RF信号转换为电能的能力。由于射频能量传输不受线圈的限制，因此射频能量传输可视为远场能量传输，适用于大面积分布的大量设备供电，能量不受限无线网络。
无线能量接收组件2通过天线把能量存储到能量存储管理器件3中。其中，能量存储管理器件3包括用于存储能量的超级电容，具有充电速度快、循环使用寿命长、功率密度高等优点。参照图8所示，能量存储管理器件3开始时充电速度快，但充电速度随着电压越来越接近于其额定电压而变得减慢，且法拉越大的超级电容，存储能量越大，充电时间越长。
温湿度传感器4主要职责是对当前环境进行温湿度监控，获取当前环境温湿度数据。由于本系统是能量受限系统，因此温湿度传感器4的额定工作电压低于无线能量接收组件2所提供的最高电压，并且温湿度传感器4的功耗应该较低。由于温湿度传感器4能量受限，因此温湿度传感器4一般使用较为简单的接口(支持但不限于串行/并行/SPI/I2C)与MCU进行通信。
主控MCU模块5职责是控制温湿度传感器4读取当前环境温湿度数据和控制WIFI协议组件6将获取的温湿度数据进行发送。主控MCU模块5是自带能量管理单元PMU组件，且同时控制温湿度传感器4和WIFI协议组件6，所以其使用嵌入式软件进行编程，转换为特定的二进制目标代码，并烧录到主控MCU模块5中来达到同时控制温湿度传感器4和WIFI协议组件6的目的。
WIFI协议组件6主要职责是将温湿度数据通过TCP传输协议把数据发送到目的端。其中WIFI协议组件6是兼容IEEE802.11b/g/n，且WIFI协议传输的频率是2.4GHz或5GHz。由于本系统是能量受限系统，所以WIFI协议组件6采用低功耗技术对WIFI芯片和模块进行控制，尽量降低其功耗。
本发明所述的基于无线能量传输的WIFI温湿度监控系统适用于持续稳定的电磁场中，以下列举两个实施例。
实施例一：当能量存储管理器件3的当前储存能量值Enow不小于第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件3开启主控MCU模块5、温湿度传感器4和WIFI协议组件6。开启后主控MCU模块5控制温湿度传感器4读取当前环境温湿度数据，并把温湿度数据返回给主控MCU模块5，主控MCU模块5控制WIFI协议组件6把温湿度数据传输出去。所述第一开启阈值Eth1为主控MCU模块5的工作能量值EMCU、温湿度传感器4的工作能量值ET和WIFI协议组件6的工作能量值EWIFI之和。
此时无线能量传输的WIFI温湿度监控系统要正常工作必须同时满足以下四个条件公式：
Vsup(t)≥VT…………………………………………………………………………(2)
Vsup(t)≥VMCU………………………………………………………………………(3)
Vsup(t)≥VWIFI………………………………………………………………………(4)
其中公式(1)中的Δt＝t4-t3，Δt为系统进行数据传输的时间段，为能量存储管理器件3的当前储存能量值Enow，PT(t)Δt为时间段Δt内温湿度传感器4消耗的能量值，PMCU(t)Δt为时间段Δt内主控MCU模块5消耗的能量值，为时间段Δt内WIFI协议组件6消耗的能量值。
根据以上公式可知：能量存储管理器件3的当前储存能量值Enow不小于第一开启阈值Eth1，同时能量存储管理器件3的当前输出电压值Vsup均不小于主控MCU模块5的最低工作电压值VMCU、温湿度传感器4的最低工作电压值VT和WIFI协议组件6的最低工作电压值VWIFI。
如图2所示是能量存储管理器件3充电能耗曲线图，可知能量存储管理器件3开始时充电速度快，充电速度随着当前电压值Vsup越来越接近于能量存储管理器件3额定电压而减慢，最终能量存储管理器件3充电完成时当前电压Vsup为其额定电压，且能量存储管理器件3存储能量能力越大，充电时间越长。
如图3所示是温湿度传感器4能耗曲线图，温湿度传感器4每一个时间段平均能耗相同，也即平均功率相同，其正常工作的能耗值为ET＝PT(t)Δt。
如图4所示是主控MCU模块5能耗曲线，主控MCU模块5每一个时间段平均能耗相同，也即平均功率相同，其正常工作的能耗值为EMCU＝PMCU(t)Δt。
如图5所示是WIFI协议组件6能耗曲线，WIFI协议组件6工作时，RF自校准需要大电流，因此能耗相对较大，待发送数据后，WIFI协议组件6一般会进入休眠模式。
如图6和图7分别为能量存储管理器件3充放电曲线图和能量存储管理器件3充放电能量值曲线图，能量存储管理器件3开始时充电速度快，充电速度随着电压值越来越接近于能量存储管理器件额定电压Vsup而减慢；当储存能量值Enow满足公式(1)时且Vsup同时满足公式(2)、(3)、(4)时，能量存储管理器件3开始放电，WIFI温湿度监控系统正常工作，待能量存储管理器件3输出电压不满足本系统最低工作电压Vth或者能量存储管理器件3输出能量值不满足本系统最低工作能量值Eth1时，WIFI温湿度监控系统停止工作。
其中WIFI协议组件6最低工作电压比主控MCU模块5和温湿度传感器4最低工作电压高，因此此时Vth为WIFI协议组件6最低工作电压；TV-th为当能量存储管理器件3输出电压不满足本系统最低工作电压Vth对应的时间点；TE-th为能量存储管理器件3输出能量值不满足本系统最低工作能量值Eth对应的时间点。从图6可知TE-th≥TV-th，因此WIFI温湿度监控系统无法正常工作是因为能量存储管理器件3输出电压不满足本系统最低工作电压Vth。
实施例二：由于主控MCU模块5和温湿度传感器4所需能耗比WIFI协议组件6低，所以方案二分两个阶段。
阶段一：当述能量存储管理器件3的当前储存能量值Enow大于或等于第二开启阈值Eth2，但小于第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件3开启主控MCU模块5和温湿度传感器4，主控MCU模块5控制温湿度传感器4读取当前环境温湿度数据并把温湿度数据存储到主控MCU模块5的ROM中。所述第一开启阈值Eth1为主控MCU模块5的工作能量值EMCU、温湿度传感器4的工作能量值ET和WIFI协议组
件6的工作能量值EWIFI之和；所述第二开启阈值Eth2为主控MCU模块5的工作能量值EMCU和温湿度传感器4的工作能量值ET之和。
此时无线能量传输的WIFI温湿度监控系统要满足以下四个条件公式：
P(t)-PT(t)-PMCU(t)>0…………………………………………………………(5)
Vsup(t)≥VT…………………………………………………………………………(7)
Vsup(t)≥VMCU………………………………………………………………………(8)
其中为t1到t2的时间段内储存的能量值。
根据以上公式知：能量存储管理器件3存储能量速率P(t)大于主控MCU模块5的能耗速率PMCU(t)与温湿度传感器4的能耗速率PT(t)之和，且能量存储管理器件3的当前输出电压值Vsup均不小于主控MCU模块5的最低工作电压值VMCU和温湿度传感器4的最低工作电压值VT。
阶段二：当所述能量存储管理器件3的当前储存能量值Enow不小于所述第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件3开启WIFI协议组件6，WIFI协议组件6把主控MCU模块5的ROM存储的多个温湿度数据传输出去。
此时无线能量传输的WIFI温湿度监控系统正常工作需要满足以下两个条件公式：
Vsup(t)≥VWIFI………………………………………………(10)
其中公式(9)中的Δt＝t4-t3，Δt为系统进行数据传输的时间段，为能量存储管理器件3的当前储存能量值Enow，PT(t)Δt为时间段Δt内温湿度传感器4消耗的能量值，PMCU(t)Δt为时间段Δt内主控MCU模块5消耗的能量值，为时间段Δt内WIFI协议组件6消耗的能量值。
根据以上公式知：所述能量存储管理器件3的当前输出电压值Vsup不小于WIFI协议组件6的最低工作电压值VWIFI。
对于以上两个实施例，如果述能量存储管理器件3的当前储存能量值Enow小于所述第一开启阈值Eth1时，或者能量存储管理器件3的当前输出电压值Vsup低于主控MCU模块5的最低工作电压值VMCU、温湿度传感器4的最低工作电压值VT和WIFI协议组件6的最低工作电压值VWIFI之中任意一个时，主控MCU模块5、温湿度传感器4和WIFI协议组件6自动断电，停止对温湿度数据的传输。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，包括：无线能量接收组件(2)、能量存储管理器件(3)、温湿度传感器(4)、主控MCU模块(5)和WIFI协议组件(6)，其特征在于：无线能量接收组件(2)的接收端把能量存储到能量存储管理器件(3)中，通过把能量存储管理器件(3)的当前储存能量值Enow与主控MCU模块(5)的工作能量值EMCU、温湿度传感器(4)的工作能量值ET和WIFI协议组件(6)的工作能量值EWIFI进行比较，开启相应的部件，从而进行温湿度数据的传输。
2.根据权利要求1所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)的当前储存能量值Enow不小于第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件(3)开启主控MCU模块(5)、温湿度传感器(4)和WIFI协议组件(6)，所述主控MCU模块(5)把由温湿度传感器检测到的温湿度数据通过WIFI协议组件(6)进行传输；所述第一开启阈值Eth1为主控MCU模块(5)的工作能量值EMCU、温湿度传感器(4)的工作能量值ET和WIFI协议组件(6)的工作能量值EWIFI之和。
3.根据权利要求2所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)开启主控MCU模块(5)、温湿度传感器(4)和WIFI协议组件(6)，包括以下条件：所述能量存储管理器件(3)的当前输出电压值Vsup均不小于主控MCU模块(5)的最低工作电压值VMCU、温湿度传感器(4)的最低工作电压值VT和WIFI协议组件(6)的最低工作电压值VWIFI。
4.根据权利要求1所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)的当前储存能量值Enow大于或等于第二开启阈值Eth2，但小于第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件(3)开启主控MCU模块(5)和温湿度传感器(4)，所述主控MCU模块(5)把由温湿度传感器(4)检测到的温湿度数据进行储存；所述第一开启阈值Eth1为主控MCU模块(5)的工作能量值EMCU、温湿度传感器(4)的工作能量值ET和WIFI协议组件(6)的工作能量值EWIFI之和；所述第二开启阈值Eth2为主控MCU模块(5)的工作能量值EMCU和温湿度传感器(4)的工作能量值ET之和。
5.根据权利要求4所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)的当前储存能量值Enow不小于所述第一开启阈值Eth1时，所述能量存储管理器件(3)开启WIFI协议组件(6)，所述主控MCU模块(5)把储存的温湿度数据通过WIFI协议组件(6)进行传输。
6.根据权利要求4所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)开启主控MCU模块(5)和温湿度传感器(4)，包括以下条件：所述能量存储管理器件(3)的当前输出电压值Vsup均不小于主控MCU模块(5)的最低工作电压值VMCU和温湿度传感器(4)的最低工作电压值VT。
7.根据权利要求5所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)开启WIFI协议组件(6)，包括以下条件：所述能量存储管理器件(3)的当前输出电压值Vsup不小于WIFI协议组件(6)的最低工作电压值VWIFI。
8.根据权利要求4所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：还包括储存器，所述主控MCU模块(5)把由温湿度传感器(4)检测到的温湿度数据存储于所述储存器中。
9.根据权利要求2或4所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)的当前储存能量值Enow小于所述第一开启阈值Eth1时，或者能量存储管理器件(3)的当前输出电压值Vsup低于主控MCU模块(5)的最低工作电压值VMCU、温湿度传感器(4)的最低工作电压值VT和WIFI协议组件(6)的最低工作电压值VWIFI之中任意一个时，主控MCU模块(5)、温湿度传感器(4)和WIFI协议组件(6)自动断电，停止对温湿度数据的传输。
10.根据权利要求1所述的一种无线能量传输的WIFI温湿度监控系统，其特征在于：所述能量存储管理器件(3)包括用于存储能量的超级电容。
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