CN109714082A - 一种基于射频能量感知的双模传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于射频能量感知的双模传感器，包括依次相连的天线、匹配电路、DC/DC转换电路、开关电容、控制电路、微处理器和探测器；所述探测器分别与所述DC/DC转换电路、微处理器电连接，所述微处理器与控制电路电连接；所述开关电容的输入端分别与所述DC/DC转换电路的输出端、所述微处理器的输出端电连接，所述开关电容的输出端与所述控制电路的输入端电连接；通过微处理器对开关电容进行控制调节，从而对开关电容进行充放电，实现能量的储存和传递，并结合感知到的射频能量，调整双模传感器的工作模式，无需额外的储能装置，有效提高能量使用效率，扩大信号交互的区域，具有较好的通信性能。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于射频能量感知的双模传感器。
背景技术
传统的RF-powered传感器，往往是被动工作模式。首先，信息接收者发送连续电磁波，然后传感器收集电磁能量然后回传信息到信息接收者。而在主动工作模式中，传感器通常配置电池、超级电容等能量存储设备，定期主动地发送信号给信息接收节点。传统的RF-powered传感器往往是工作在单一模式上，然而在实际应用中，往往需要根据接收能量感知切换工作模式，从而解决传感器应用场景少，通信效率低的问题。
发明内容
本发明提供一种基于射频能量感知的双模传感器，可被动或主动的获取信息，同时提升了传感器的通信性能。
本发明提供的一种基于射频能量感知的双模传感器，包括依次相连的天线、匹配电路、DC/DC转换电路，还包括开关电容、控制电路、微处理器和探测器；所述探测器分别与所述DC/DC转换电路、微处理器电连接，所述微处理器与控制电路电连接；所述开关电容的输入端分别与所述DC/DC转换电路的输出端、所述微处理器的输出端电连接，所述开关电容的输出端与所述控制电路的输入端电连接；所述开关电容包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1的一端接地、另一端分别与第一开关K1、第三开关K3电连接；所述第二电容C2的一端接地、另一端分别与第二开关K2、第四开关K4电连接；所述第一开关K1与所述DC/DC转换电路电连接，所述第二开关K2与微处理器电连接，所述第三开关K3、第四开关K4分别与控制电路电连接；
双模传感器的工作流程为：
步骤S1、开关电容中的第一开关K1、第三开关K3闭合，第二开关K2、第四开关K4断开，双模传感器响应数据请求指令进行数据回传；
步骤S2、探测器实时记录并判断DC/DC转换电路的输出电压值Vout是否超过第一阈值V1_th，若否，跳转到步骤S14，若是，执行以下步骤；
步骤S3、微处理器发送断开第一开关K1，闭合第二开关K2的控制指令给所述控制电路，所述控制电路响应并执行所述控制指令并断开第一开关K1，闭合第二开关K2；
步骤S4、探测器实时记录并判断DC/DC转换电路的输出电压值Vout是否低于第二阈值V2_th，若否，跳转到步骤S2，若是，执行以下步骤；
步骤S5、微处理器记录并计算第二电容C2的能量值WCE；
步骤S6、判断第二电容C2的能量值WCE是否大于第三阈值V3_th，若否，跳转到步骤S9，若是，执行以下步骤；
步骤S7、微处理器调整为主动模式，并发送闭合第一开关K1，断开第二开关K2的控制指令给所述控制电路，所述控制电路响应并执行所述控制指令从而闭合第一开关K1，断开第二开关K2；
步骤S8、双模传感器发送数据，设置定时器，并调整为休眠状态，跳转到步骤S1；
步骤S9、判断双模传感器当前状态是否为主动模式，若否，跳转到步骤S12，若是，执行以下步骤；
步骤S10、判断第二电容C2的能量值WCE是否大于第四阈值V4_th，若是，跳转到步骤S8，若否，执行以下步骤；
步骤S11、双模传感器调整为被动模式；
步骤S12、双模传感器响应数据请求指令进行数据回传；
步骤S13、微处理器发送闭合第一开关K1，断开第二开关K2的控制指令给所述控制电路，所述控制电路响应并执行所述控制指令从而闭合第一开关K1，断开第二开关K2，并跳转到步骤S15；
步骤S14、判断定时器是否超时，若否，跳转到步骤S5，若是，执行以下步骤；
步骤S15、微处理器断电，跳转到步骤S1。
进一步，所述第二电容C2的能量值WCE的计算公式如下：
其中，C2为第二电容C2的电容值，V2为第二电容C2当前的电压值，Vmin为第二电容C2的初始电压值，所述初始电压值为步骤S5中控制电路响应并执行控制指令时的电压值。
进一步，所述第一阈值V1_th的取值为MCU的工作电压。
进一步，所述第二阈值V2_th的取值为匹配电路的最小输出电压。
进一步，所述第一电容C1的电容值为0.47uF，所述第二电容C2的电容值为1mF。
进一步，所述第三阈值V3_th的计算方式为：
V3_th＝N*T*W
其中，N为双模传感器进行数据回传的次数，T为双模传感器进行数据回传的周期，W为双模传感器进行一次数据回传所消耗的能量。
进一步，所述第四阈值为双模传感器进行一次数据回传所消耗的能量，即V4_th＝W。
本发明的有益效果是：本发明公开一种基于射频能量感知的双模传感器，包括依次相连的天线、匹配电路、DC/DC转换电路、开关电容、控制电路、微处理器和探测器；所述探测器分别与所述DC/DC转换电路、微处理器电连接，所述微处理器与控制电路电连接；所述开关电容的输入端分别与所述DC/DC转换电路的输出端、所述微处理器的输出端电连接，所述开关电容的输出端与所述控制电路的输入端电连接；首先，传感器根据单次接收射频能量切换主动、被动模式，无需额外的设置，满足读写器被动、主动获取信息的需求；其次由于主动模式情况下，传感器处于休眠状态，相比较关闭状态，需要更少地能量进行唤醒，提升了传感器的被动通信性能。
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是本发明实施例一种基于射频能量感知的双模传感器的工作流程示意图；
图2是本发明实施例一种基于射频能量感知的双模传感器的电路方框图；
图3是本发明实施例一种基于射频能量感知的双模传感器的开关电容电路图。
具体实施方式
参考图1～3，本发明提供的一种基于射频能量感知的双模传感器，包括依次相连的天线1、匹配电路2、DC/DC转换电路3，还包括开关电容4、控制电路5、微处理器6和探测器7；所述探测器7分别与所述DC/DC转换电路3、微处理器6电连接，所述微处理器6与控制电路5电连接；所述开关电容4的输入端分别与所述DC/DC转换电路3的输出端、所述微处理器6的输出端电连接，所述开关电容4的输出端与所述控制电路5的输入端电连接；所述开关电容4包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1的一端接地、另一端分别与第一开关K1、第三开关K3电连接；所述第二电容C2的一端接地、另一端分别与第二开关K2、第四开关K4电连接；所述第一开关K1与所述DC/DC转换电路3电连接，所述第二开关K2与所述微处理器6电连接，所述第三开关K3、第四开关K4分别与所述控制电路5电连接；
所述双模传感器的工作流程为：
步骤S1、开关电容4中的第一开关K1、第三开关K3闭合，第二开关K2、第四开关K4断开，作为双模传感器的初始状态，双模传感器响应数据请求指令进行数据回传；
此时，当DC/DC转换电路3从匹配电路2中接收能量时，对第一电容C1进行充电；
步骤S2、探测器7实时记录并判断DC/DC转换电路3的输出电压值Vout是否超过第一阈值V1_th，若否，跳转到步骤S14，若是，执行以下步骤；
步骤S3、通过第一电容C1给微处理器6供电，从而激活微处理器6，微处理器6发送断开第一开关K1，闭合第二开关K2的控制指令给所述控制电路5，所述控制电路5响应并执行所述控制指令并断开第一开关K1，闭合第二开关K2；
此时，微处理器6处于休眠状态；
步骤S4、探测器7实时记录并判断DC/DC转换电路3的输出电压值Vout，当输出电压值Vout低于第二阈值V2_th时，执行以下步骤；
步骤S5、微处理器6记录并计算第二电容C2的能量值WCE，所述第二电容C2的能量值WCE的计算公式如下：
其中，C2为第二电容C2的电容值，V2为第二电容C2当前的电压值，Vmin为第二电容C2的初始电压值，所述初始电压值为步骤S3中控制电路5响应并执行控制指令时的电压值；
步骤S6、判断第二电容C2的能量值WCE是否大于第三阈值V3_th，若否，跳转到步骤S9，若是，执行以下步骤；
步骤S7、微处理器6调整为主动模式并发送闭合第一开关K1、断开第二开关K2的控制指令给所述控制电路5，所述控制电路5响应并执行所述控制指令并闭合第一开关K1、断开第二开关K2；
步骤S8、双模传感器发送数据，设置定时器，并调整为休眠状态，跳转到步骤S1；
步骤S9、判断双模传感器当前状态是否为主动模式，若否，跳转到步骤S12，若是，执行以下步骤；
步骤S10、判断第二电容C2的能量值WCE是否大于第四阈值W，若是，跳转到步骤S8，若否，执行以下步骤；
步骤S11、双模传感器调整为被动模式；
步骤S12、双模传感器响应数据请求指令进行数据回传；
步骤S13、微处理器6发送闭合第一开关K1，断开第二开关K2的控制指令给所述控制电路5，所述控制电路5响应并执行所述控制指令从而闭合第一开关K1，断开第二开关K2，并跳转到步骤S15；
步骤S14、判断定时器7是否超时，若否，跳转到步骤S5，若是，执行以下步骤；
步骤S15、微处理器6断电，跳转到步骤S1。
本实施例的双模传感器中，天线1感应电流，并将所述感应电流传导给匹配电路2，DC/DC转换电路3将匹配电路2的感应电流进行整流，当所述匹配电路2的输出电压为0.4v-2.3v时，所述DC/DC转换电路3的电压输出恒定为2.1v，并向开关电容4中存储能量，接收到的能量能够维持定期发送数据；当匹配电路2的输出电压低于0.4v时，则DC/DC转换电路3的输出电压下降为0，探测器7检测到开关电容4电压下降，表示射频能量源停止了能量发送。
进一步，所述第一阈值V1_th的取值为DC/DC转换电路3的恒定电压输出2.1v，本实施例中V1_th＝2.1V。
进一步，所述第二阈值V2_th的取值为匹配电路2的最小输出电压，本实施例中V2_th＝0.4V。
进一步，所述第三阈值V3_th的值通过以下方式计算得出：
V3_th＝N*T*W
其中，N为双模传感器进行数据回传的次数，T为双模传感器进行数据回传的周期，W为双模传感器进行一次数据回传所消耗的能量，所述工作包含传感、计算和通信；
本实施例中，设N＝1000，T＝0.01，W＝10mJ，则V3_th＝0.1J。
进一步，所述第一电容C1的电容值为0.47uF，所述第二电容C2的电容值为1mF，第一电容C1的电容值C1的取值由双模传感器进行一次数据回传所消耗的能量W决定，第二电容C2的电容值C2的取值受双模传感器进行数据回传的次数N，双模传感器进行数据回传的周期T，双模传感器进行一次数据回传所消耗的能量W决定。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于射频能量感知的双模传感器，包括依次相连的天线、匹配电路、DC/DC转换电路，其特征在于，还包括开关电容、控制电路、微处理器和探测器；所述探测器分别与所述DC/DC转换电路、微处理器电连接，所述微处理器与控制电路电连接；所述开关电容的输入端分别与所述DC/DC转换电路的输出端、所述微处理器的输出端电连接，所述开关电容的输出端与所述控制电路的输入端电连接；所述开关电容包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1的一端接地、另一端分别与第一开关K1、第三开关K3电连接；所述第二电容C2的一端接地、另一端分别与第二开关K2、第四开关K4电连接；所述第一开关K1与所述DC/DC转换电路电连接，所述第二开关K2与微处理器电连接，所述第三开关K3、第四开关K4分别与控制电路电连接；
双模传感器的工作流程为：
步骤S1、开关电容中的第一开关K1、第三开关K3闭合，第二开关K2、第四开关K4断开，双模传感器响应数据请求指令进行数据回传；
步骤S2、探测器实时记录并判断DC/DC转换电路的输出电压值Vout是否超过第一阈值V1_th，若否，跳转到步骤S14，若是，执行以下步骤；
步骤S3、微处理器发送断开第一开关K1，闭合第二开关K2的控制指令给所述控制电路，所述控制电路响应并执行所述控制指令并断开第一开关K1，闭合第二开关K2；
步骤S4、探测器实时记录并判断DC/DC转换电路的输出电压值Vout是否低于第二阈值V2_th，若否，跳转到步骤S2，若是，执行以下步骤；
步骤S5、微处理器记录并计算第二电容C2的能量值WCE；
步骤S6、判断第二电容C2的能量值WCE是否大于第三阈值V3_th，若否，跳转到步骤S9，若是，执行以下步骤；
步骤S7、微处理器调整为主动模式，并发送闭合第一开关K1，断开第二开关K2的控制指令给所述控制电路，所述控制电路响应并执行所述控制指令从而闭合第一开关K1，断开第二开关K2；
步骤S8、双模传感器发送数据，设置定时器，并调整为休眠状态，跳转到步骤S1；
步骤S9、判断双模传感器当前状态是否为主动模式，若否，跳转到步骤S12，若是，执行以下步骤；
步骤S10、判断第二电容C2的能量值WCE是否大于第四阈值V4_th，若是，跳转到步骤S8，若否，执行以下步骤；
步骤S11、双模传感器调整为被动模式；
步骤S12、双模传感器响应数据请求指令进行数据回传；
步骤S13、微处理器发送闭合第一开关K1，断开第二开关K2的控制指令给所述控制电路，所述控制电路响应并执行所述控制指令从而闭合第一开关K1，断开第二开关K2，并跳转到步骤S15；
步骤S14、判断定时器是否超时，若否，跳转到步骤S5，若是，执行以下步骤；
步骤S15、微处理器断电，跳转到步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种基于射频能量感知的双模传感器，其特征在于，所述第二电容C2的能量值WCE的计算公式如下：
其中，C2为第二电容C2的电容值，V2为第二电容C2当前的电压值，Vmin为第二电容C2的初始电压值，所述初始电压值为步骤S5中控制电路响应并执行控制指令时的电压值。
3.根据权利要求1所述的一种基于射频能量感知的双模传感器，其特征在于，所述第一阈值V1_th的取值为MCU的工作电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于射频能量感知的双模传感器，其特征在于，所述第二阈值V2_th的取值为匹配电路的最小输出电压。
5.根据权利要求1所述的一种基于射频能量感知的双模传感器，其特征在于，所述第一电容C1的电容值为0.47uF，所述第二电容C2的电容值为1mF。
6.根据权利要求1所述的一种基于射频能量感知的双模传感器，其特征在于，所述第三阈值V3_th的计算方式为：
V3_th＝N*T*W
其中，N为双模传感器进行数据回传的次数，T为双模传感器进行数据回传的周期，W为双模传感器进行一次数据回传所消耗的能量。
7.根据权利要求6所述的一种基于射频能量感知的双模传感器，其特征在于，
所述第四阈值为双模传感器进行一次数据回传所消耗的能量，即V4_th＝W。
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