CN110401268B - 一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法及系统，涉及射频能量收集技术。本发明是为了解决解决现有的物联网终端节点对环境射频能量采集效能低的问题。本发明的射频能量感知装置对环境射频能量分布及各频段接收信号的功率进行计算，功率高于灵敏度表示该频段可以用于能量收集，反之则不能；当存在可用频段时，射频能量收集装置根据可用频带信息选择合适的天线工作频带；当无可用频带时，射频能量感知装置选择多个固定频点的单音信号进行发送。射频能量收集装置将接收到的射频信号与负载进行共轭匹配；然后经过整流器，把输入射频信号转化为直流电压并供给负载，然后将多余的能量输入能量存储设备进行存储。本发明适用于物联网终端设备的部署。

Description

一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法及系统

技术领域

本发明涉及射频能量收集技术，属于绿色通信技术领域。

背景技术

随着物联网技术的发展和普及，越来越多的物联网模块部署于各式各样的传统产业领域。物联网应用场景的广元化、多样化，决定了物联网终端设备部署环境复杂多样，而绝大部分类似场景都是没有市政电网覆盖的。虽然现阶段各种物联网设备厂商在物联网模块的低功耗方面实现了较大的突破，并且也提出了各种利用风力、太阳能、震动等方式实现从环境中获取能量来支持物联网节点工作的“能量获取”方案。但是诸如地底、楼体、桥梁等混凝土结构内部等这些极端恶劣环境，基于太阳能、风能及类似机械能转换的“能量获取”受到了极大的限制。为此，将环境射频能量进行收集并应用成为一种使用各种应用场景的新能量获取方式。

然而，现实中设备周边电磁空间环境具有很大的不确定性，受无线通信活动的影响，环境射频能量分布时常处于一种动态变化的状态，从而导致最优环境射频能量采集频点随着时间推移而呈现出一种无特定规律的变换。因此，如果只针对固定频点进行射频能量收集，系统的能量收集效率是非常低的。而精准的电磁环境感知对计算资源以及能量需求都相对较大，将这部分功能放入计算能力和功耗预算本就严格受限的终端设备，无疑会造成终端模块原有功能的下降，甚至很多情况下终端模块对环境射频能量的收集量都无法满足电磁环境感知的开销。

发明内容

本发明是为了解决现有的物联网终端节点对环境射频能量采集效能低的问题，现提供一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法及系统。

本发明所述的一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法包括以下步骤：

步骤一、对电磁空间射频能量进行检测，得到各个频带的接收信号功率；

步骤二、根据步骤一获得的各个频带的接收信号功率判断当前电磁空间是否存在可以用于电磁能量收集的频带；

步骤三、若当前电磁空间存在可用于电磁能量收集的频带，则利用该频带信息生成天线状态控制信息，转入步骤四；若当前电磁空间不存在可用于电磁能量收集的频带，则发送特定频点的单音信号；

步骤四、根据步骤三生成的天线状态控制信息控制接收天线的工作频带；

步骤五、接收天线接收电磁空间射频信号；

步骤六、将步骤五接收到的电磁空间射频信号转化成直流电压并供给负载，然后存储剩余的能量。

进一步地，步骤三中的特定频点为上一次可用频带的中心频点。

进一步地，步骤二判断当前电磁空间是否存在可以用于电磁能量收集的频带的具体方法为：将步骤一获得的各个频带的接收信号功率与射频能量接收装置灵敏度进行比较，接收信号功率高于灵敏度表示该频段能够用于能量收集。

进一步地，步骤六首先将步骤五接收到的电磁空间射频信号与负载进行共轭匹配，然后再然后转化成直流电压。

本发明所述的一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集系统包括多个射频能量收集装置和射频能量感知装置；

所述射频能量感知装置包括以下模块：

环境射频能量感知模块，用于对环境射频能量的分布及各频段接收信号的功率进行计算；

灵敏度阈值判决模块，与环境射频能量感知模块连接，用于以射频能量收集装置的灵敏度作为阈值、根据各频段接收信号的功率来判断当前电磁空间是否存在可以用于电磁能量收集的频带；

天线状态控制信息发送模块，与灵敏度阈值判决模块连接，用于在当前电磁空间存在可用于电磁能量收集的频带的情况下，利用该频带信息生成天线状态控制信息，并将天线状态控制信息以射频信号的形式发射出去；

单音信号发送模块，与灵敏度阈值判决模块连接，用于在当前电磁空间不存在可用于电磁能量收集的频带的情况下，向射频能量收集装置发送特定频点的单音信号；

所述射频能量收集装置，用于根据射频能量感知装置发来的天线状态控制信息控制多频段接收天线的工作状态，以及将接收到的射频信号转化为直流电压供给负载、并将剩余能量存储起来。

进一步地，所述射频能量收集装置包括：

多频段接收天线，用于根据天线状态控制信息来接收环境中的射频信号；

天线状态控制模块，与多频段接收天线连接，用于根据多频段接收天线接收到的天线状态控制信息来控制多频段接收天线的工作状态；

阻抗匹配网络，与多频段接收天线连接，用于将多频段接收天线接收到的可用于电磁能量收集的射频信号与负载进行共轭匹配；

倍压整流电路，与阻抗匹配网络连接，用于将经过共轭匹配的射频信号转化为直流电压供给负载，并将剩余能量存储到能量存储模块中。

本发明所述的一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法及系统可以在精准感知环境射频能量分布的情况下调整电磁能量收集装置的工作状态，提高能量收集的效果。在环境射频能量无法进行收集时，可以自身作为能量源发送特定频点的信号，保证了电磁能量收集装置工作的持续性和可靠性，能够良好适应环境射频能量的动态变化。

附图说明

图1是具体实施方式中基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法的流程图；

图2是具体实施方式中基于电磁空间态势感知的射频能量收集系统的原理框图；

图3是具体实施方式中电磁空间态势射频能量感知装置的结构示意图；

图4是具体实施方式中射频能量收集系统的结构示意图；

图5是具体实施方式中桥梁状态监测场景下无线传感器射频能量收集系统的部署方案示意图，其中，射频能量收集装置与无线传感器安装在一起，3表示索塔，4表示拉索，5表示梁体，6表示地面。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法包括以下步骤：

步骤一、对环境射频能量的分布及各频段接收信号的功率进行计算，得到各个频带的接收信号功率；

步骤二、根据步骤一获得的各个频带的接收信号功率判断当前电磁空间是否存在可以用于电磁能量收集的频带，具体方法为：将步骤一获得的各个频带的接收信号功率与射频能量接收装置灵敏度进行比较，接收信号功率高于灵敏度表示该频段能够用于能量收集；

步骤三、若当前电磁空间存在可用于电磁能量收集的频带，则利用该频带信息生成天线状态控制信息，然后转入步骤四；若当前电磁空间不存在可用于电磁能量收集的频带，则发送一个或多个特定频点的单音信号充当能量源，为了降低不必要的信息通信带来的能量损耗，可以选取上一次可用频带的中心频点作为所述特定频点；

步骤四、根据步骤三生成的天线状态控制信息控制接收天线的工作频带；

步骤五、接收天线接收电磁空间射频信号；

步骤六、将步骤五接收到的电磁空间射频信号与负载进行共轭匹配，然后转化成直流电压并供给负载，然后存储剩余的能量。

具体实施方式二：参照图2至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集系统包含一个射频能量感知装置1和多个射频能量收集装置2，如图2所示。

射频能量感知装置1结构如图3所示，可通过市内电网进行供电，对周围电磁能量分布进行感知，得到可用的工作频带；当周围电磁信号能量微弱，不足以提供射频能量收集系统的能量消耗时，射频能量感知装置1充当能量源，发射单音射频信号。原理如下：

环境射频能量感知模块11对环境射频能量的分布及各频段接收信号的功率进行计算；

灵敏度阈值判决模块12将各频段接收信号的功率与射频能量收集装置2的灵敏度进行比较，高于灵敏度表示该频段可以用于能量收集，反之则不能；

当环境中存在可用于能量收集的射频信号时，天线状态控制信息发送模块13将该射频信号的信息作为天线状态控制信息发送给射频能量收集装置2；

当环境中不存在可用于能量收集的射频信号时，单音信号发送模块14选择多个固定频点的单音信号发送给射频能量收集装置2，充当能量源，为了降低不必要的信息通信带来的能量损耗，可以选取频点为上一次可用频带的中心频点。

射频能量收集装置2的结构如图4所示，每个射频能量收集装置2均可以在多个固定频带内工作，射频能量收集装置2通过收集电磁空间能量自给供能并存储多余能量，原理如下：

多频段接收天线21接收空间中不同频段的电磁信号，接收信号中包含天线状态控制信息；

天线状态控制模块22根据多频段接收天线21接收到的天线状态控制信息来控制多频段接收天线21的工作频带；

阻抗匹配网络23将多频段接收天线21接收到的可用于能量收集的射频信号与负载进行共轭匹配，以降低系统功率损失；

倍压整流电路24将经过共轭匹配的射频信号转化为直流电压供给负载，并将剩余能量存储到能量存储模块25中。

本实施方式中，射频能量感知装置1为有源射频能量感知装置，该装置能够优化射频能量收集装置2的收集效果，并保证环境中电磁能量无法收集时仍能可靠工作，使射频能量收集系统对环境射频能量的动态变化有良好的适应能力。

以桥梁无线传感器网络应用场景为例对本实施方式进行介绍，无线传感器用于监测桥梁关键部位的受力情况，保证桥体的稳定性。如图5所示，在桥梁建造过程中，需要将这些传感器埋入桥体，因此建成后，这些传感器需要可靠持续的能量供应。通过收集空间中的电磁能量，进行充电。本系统包含一个射频能量感知装置1及多个射频能量收集装置2。射频能量感知装置1可以和路灯一起安装，通过市内电网进行供电。射频能量感知装置1进行射频能量分布的感知以及对射频能量收集装置2的工作频带进行控制，在环境电磁能量强度较弱无法实现收集时，射频能量感知装置1做出判断并充当能量源发送射频信号，其组成如图2所示，包括射频能量检测模块、射频信号功率强度阈值判决模块、天线状态控制模块以及多音信号发射模块。射频能量收集装置2的组成如图3所示。

本发明的上述方案仅为详细地说明本发明的系统模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对电磁空间射频能量进行检测，得到各个频带的接收信号功率；

步骤二、根据步骤一获得的各个频带的接收信号功率判断当前电磁空间是否存在可以用于电磁能量收集的频带；

步骤三、若当前电磁空间存在可用于电磁能量收集的频带，则利用该频带的信息生成天线状态控制信息，转入步骤四；若当前电磁空间不存在可用于电磁能量收集的频带，则发送特定频点的单音信号；

步骤四、根据步骤三生成的天线状态控制信息控制接收天线的工作频带；

步骤五、接收天线接收电磁空间射频信号；

步骤六、将步骤五接收到的电磁空间射频信号转化成直流电压并供给负载，然后存储剩余的能量；

步骤三中的特定频点为上一次可用频带的中心频点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二判断当前电磁空间是否存在可以用于电磁能量收集的频带的具体方法为：将步骤一获得的各个频带的接收信号功率与射频能量接收装置灵敏度进行比较，接收信号功率高于灵敏度表示该频带能够用于能量收集。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤六首先将步骤五接收到的电磁空间射频信号与负载进行共轭匹配，然后再然后转化成直流电压。

4.一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集系统，包括多个射频能量收集装置，其特征在于，还包括射频能量感知装置；

所述射频能量感知装置包括以下模块：

环境射频能量感知模块，用于对环境射频能量的分布及各频段接收信号的功率进行计算；

灵敏度阈值判决模块，与环境射频能量感知模块连接，用于以射频能量收集装置的灵敏度作为阈值、根据各频段接收信号的功率来判断当前电磁空间是否存在可以用于电磁能量收集的频带；

天线状态控制信息发送模块，与灵敏度阈值判决模块连接，用于在当前电磁空间存在可用于电磁能量收集的频带的情况下，利用该频带的信息生成天线状态控制信息，并将天线状态控制信息以射频信号的形式发射出去；

单音信号发送模块，与灵敏度阈值判决模块连接，用于在当前电磁空间不存在可用于电磁能量收集的频带的情况下，向射频能量收集装置发送特定频点的单音信号，特定频点为上一次可用频带的中心频点；

所述射频能量收集装置，用于根据射频能量感知装置发来的天线状态控制信息控制多频段接收天线的工作状态，以及将接收到的射频信号转化为直流电压供给负载、并将剩余能量存储起来。

5.根据权利要求4所述的一种基于电磁空间态势感知的射频能量收集系统，其特征在于，所述射频能量收集装置包括：

多频段接收天线，用于根据天线状态控制信息来接收环境中的射频信号；

天线状态控制模块，与多频段接收天线连接，用于根据多频段接收天线接收到的天线状态控制信息来控制多频段接收天线的工作状态；

阻抗匹配网络，与多频段接收天线连接，用于将多频段接收天线接收到的可用于电磁能量收集的射频信号与负载进行共轭匹配；

倍压整流电路，与阻抗匹配网络连接，用于将经过共轭匹配的射频信号转化为直流电压供给负载，并将剩余能量存储到能量存储模块中。

Images