CN111063181A - 一种无线数据传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线数据传输系统,包括传感器单元和数据接收供能单元,传感器单元包括传感器、第一MCU、数据调制模块、充电接收模块和第一线圈;传感器连接第一MCU,第一MCU的分别连接数据调制模块和充电接收模块,数据调制模块和充电接收模块皆连接第一线圈;数据接收供能单元包括第二MCU、数据解调模块、充电发射模块、第二线圈和电源模块,第二MCU连接数据解调模块,数据解调模块连接第二线圈,电源模块通过充电发射模块连接第二线圈。本发明通过磁场耦合实现数据和能量的传输,传感器无需连接线缆和配置电池即可工作和传输数据,安装方便同时节省维护成本,适合无法或不方便接线的场合。

Description

一种无线数据传输系统
技术领域
本发明涉及数据传输领域,具体的涉及一种无线数据传输系统。
背景技术
在传统的数据采集领域中,传感器需要配置电源线和数据线,然而因为传感器摆放的位置不固定,并且很多位置无法接线或者接线麻烦,因此部分厂家产生了配置无线通信模块和电池的传感器装置,但是这种方式需要定期更换电池以维持传感器的电能供应,费时费力。
部分厂家采用了太阳能电池板和无线通信模块的方式避免传感器连线,但是传感器如果安装位置不在室外也需要通过电源线和太阳能电池板连接,还是需要接线,并且这种方式传感器端和数据接收端都需要配置无线接收模块,成本高并且占用体积。
目前无线充电技术在很多领域得到了应用,利用磁耦合传输电能,但是常规的无线充电方式往往专注于基波传输能量,无法稳定的传输数据,因此,有必要设计一种将能够利用磁耦合同步传输电能和传感器数据的传感器数据传输系统。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的是提供一种将电能传输和数据传输结合起来、利用利用磁耦合同步传输电能和传感器数据,传无需配置电池或接线的无线数据传输系统。
本发明采用的技术方案是:
一种无线数据传输系统,包括:传感器单元和数据接收供能单元,所述传感器单元包括传感器、第一MCU、数据调制模块、充电接收模块和第一线圈;所述传感器的输出端连接第一MCU的信号接收端以用于反馈数据,所述第一MCU的信号发送端连接数据调制模块的接收端以用于将数据信号调制为载波信号,所述数据调制模块的发送端连接第一线圈以用于发送载波信号,所述第一MCU的电源端连接充电接收模块的输出端,所述充电接收模块的输入端连接第一线圈;
所述数据接收供能单元包括第二MCU、数据解调模块、充电发射模块、第二线圈和用于供电的电源模块,所述第二MCU的信号接收端连接数据解调模块的输出端,所述数据解调模块的输入端连接第二线圈以用于接收载波信号并解码为数据信号,所述电源模块的输出端分别连接第二MCU和充电发射模块的输入端,所述充电发射模块的输出端连接第二线圈;
所述第一线圈与第二线圈通过磁场耦合实现数据和能量的传输。
进一步的,所述数据调制模块包括第一隔离变压器、逆变电路和振荡器,所述第一隔离变压器的二次侧连接第一线圈,所述第一隔离变压器的一次侧连接调制电路的输出端,所述振荡器与逆变电路的一个输入端相连以用于提供高频载波信号,所述第一MCU的信号输出端与逆变电路的另一个输入端相连以用于提供数据信号。
进一步的,所述逆变电路为MOS管Q31、MOS管Q32、电容C31、电容C2组成的半桥逆变器。
进一步的,所述第一隔离变压器包括一次侧线圈L24、二次侧线圈L23和耦合电容C24,所述二次侧线圈L23的一端通过耦合电容C24连接第一线圈的一端,所述二次侧线圈L23的另一端连接第一线圈的另一端,所述一次侧线圈L24的两端与逆变电路的两个输出端相连,所述一次侧线圈L24与逆变电路之间连接有并联电阻R22和串联电阻R21。
进一步的,所述充电接收模块包括电感L21、电感L22、电容C21、电容C22和整流滤波电路,所述第一线圈的一端通过依次串联的电感L21、电容C21和电感L22连接整流滤波电路的输入侧一端,所述第一线圈的另一端与整流滤波电路输入侧另一端相连,所述电容C22并联在电感L22和电容C21之间,所述整流滤波电路的输出侧连接第一MCU电源端子。
进一步的,所述整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成的整流桥和滤波电容C23,所述整流桥与滤波电容分别与第一MCU的两个电源端子并联。
进一步的,所述数据解调模块包括第二隔离变压器、包络检波器、高增益带通滤波器和比较器,所述第二隔离变压器的一次侧连接第二线圈,所述第二隔离变压器的二次侧连接包络检波器的输入端,所述包络检波器的输出端连接高增益带通滤波器的输入端,所述高增益带通滤波器的输出端连接比较器的输入端,所述比较器的输出端连接第二MCU的信号输入端。
进一步的,所述包络检波器与高增益带通滤波器之间连接有电压跟随器。
进一步的,所述第二隔离变压器包括一次侧线圈L14、二次侧线圈L13、输出电阻R11和耦合电容C13,所述一次侧线圈L14的一端通过耦合电容C13连接第二线圈的一端,所述一次侧线圈L14的另一端连接第二线圈的另一端,所述二次侧线圈L13与输出电阻R11并联,所述输出电阻R11与包络检波器的输入端相连。
进一步的,所述充电发射模块包括电感L11、电感L12、电容C11、电容C12和全桥逆变器,所述第二线圈的一端通过依次串联的电感L12、电容C12和电感L11连接全桥逆变器的输出侧一端,所述第二线圈的另一端与全桥逆变器的输出侧另一端相连,所述电容C11并联在电感L11和电容C12之间,所述全桥逆变器的输入侧连接电源模块。
本发明的有益效果在于:
本技术方案通过数据调制模块将传感器数据信号调制成载波信号,通过数据解调模块将载波信号解调成传感器数据信号完成接收,通过充电发射模块和充电接收模块实现能量的传输,通过传感器单元的第一线圈和数据接收供能单元的第二线圈的磁场耦合实现了数据和能量的同步传输,并且数据传输稳定可靠,无需配置电池,节省维护成本;传感器单元无需连接数据线和电源线,安装方便,适合无法或不方便接线的场合。
附图说明
图1为本发明无线传输系统的原理框图;
图2为本发明中数据调制模块、充电接收模块和第一线圈的电路原理图;
图3为本中数据解调模块、充电发射模块和第二线圈的电路原理图;
图4为本发明中数据调制模块的电路原理图;
图5为本发明中数据解调模块的原理框图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图予以说明。
如图1所示为本发明的一种无线数据传输系统,包括:传感器单元和数据接收供能单元,传感器单元包括传感器、第一MCU、数据调制模块、充电接收模块和第一线圈,本发明对于传感器的类型不做限定,可以根据实际需要选用温度传感器、湿度传感器、光照传感器、图像采集传感器等传感器类型。传感器的信号输出端连接第一MCU的信号接收端,第一MCU的信号发送端连接数据调制模块的接收端,数据调制模块的发送端连接第一线圈,传感器、第一MCU、数据调制模块组成数据发送端,第一MCU将传感器数据输入数据调制模块,将传感器数据加载在载波信号上并通过第一线圈发射出去。第一MCU的电源端连接充电接收模块的输出端,充电接收模块的输入端连接第一线圈;第一MCU、充电接收模块和第一线圈组成电能接收端,第一线圈通过与第二线圈的磁场耦合产生感应交流电,充电接收模块将交流电转经过整流、滤波变为直流电后输入第一MCU供电,第一MCU给传感器和其他附属模块供电。
数据接收供能单元包括第二MCU、数据解调模块、充电发射模块、第二线圈和用于供电的电源模块,第二MCU的信号接收端连接数据解调模块的输出端,数据解调模块的输入端连接第二线圈,第二MCU、数据解调模块和第二线圈组成数据接收端,第二线圈接收的载波信号通过数据解调模块转化为数据信号发送给第二MCU,第二MCU将接收的传感器数据发送给服务器进行存储和处理。电源模块的输出端分别连接第二MCU和充电发射模块的输入端,充电发射模块的输出端连接第二线圈;第电源模块、充电发射模块和第二线圈组成电能发送端,电源模块通过充电发射模块将直流电转变为交流电,经过第二线圈产生感应磁场与第一线圈发生磁耦合,实现数据和能量的传输。
数据调制模块、充电接收模块和第一线圈的连接关系如图3所示,数据调制模块包括第一隔离变压器T2、逆变电路和振荡器,第一隔离变压器包括一次侧线圈L24、二次侧线圈L23和耦合电容C24,二次侧线圈L23的一端通过耦合电容C24连接第一线圈的一端,二次侧线圈L23的另一端连接第一线圈的另一端,一次侧线圈L24的两端与逆变电路的两个输出端相连,一次侧线圈L24与逆变电路之间连接有并联电阻R22和串联电阻R21。如图4所示,本实施例中逆变电路为MOS管Q31、MOS管Q32、电容C31、电容C2组成的半桥逆变器;振荡器输入高频载波信号,第一MCU输入数据信号,逆变电路通过幅移键控法对数据信号进行调制输入调制好的信号Um,信号Um通过第一变压器发送给第一线圈。
充电接收模块包括电感L21、电感L22、电容C21、电容C22和整流滤波电路,第一线圈的一端通过依次串联的电感L21、电容C21和电感L22连接整流滤波电路的输入侧一端,第一线圈的另一端与整流滤波电路输入侧另一端相连,电容C22并联在电感L22和电容C21之间,整流滤波电路的输出侧连接第一MCU电源端子,其中,整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成的整流桥和滤波电容C23,整流桥与滤波电容分别与第一MCU的两个电源端子并联。
其中,电感L21、电感L22、电容C21和电容C22组成的高阶滤波中心频率远低于数据载波频率,可以滤除输入电压中的高次谐波,有效抑制电能功率传输引入的高频噪声,并且电感L21还可以起到阻波器的作用,增加了电能接收回路在数据载波频率处的阻抗,减少了数据信号的衰减。
隔离变压器T1通过电容C24接入电能接收回路,二次侧线圈L24和电容C24组成的LC滤波电路可以抑制低频噪声,并且电容C24既可以耦合高频数据载波,又可以隔离功率载波。电阻R22可以调节信号数据强度和控制数据传输过程中的功耗,电阻R21可以消耗回路中电感、电容的储能来减少信号边沿振荡时间,从而提升了信号传输质量。
如图5所示,数据解调模块包括第二隔离变压器T1、包络检波器、电压跟随器、高增益带通滤波器和比较器,第二隔离变压器的一次侧连接第二线圈,第二隔离变压器的二次侧连接包络检波器的输入端,包络检波器的输出端通过电压跟随器连接高增益带通滤波器的输入端,高增益带通滤波器的输出端连接比较器的输入端,比较器的输出端连接第二MCU的信号输入端,第二隔离变压器T2将信号从线圈上引出输入包络检波器对信号进行放大和检波,然后经过电压跟随器和高增益带通滤波器滤除高频噪声,最后进入由运放构成的比较器将信号解调为数字信号输送到第二MCU,本实施例中包络检波器、电压跟随器、高增益带通滤波器和比较器皆采用市面上现有的元器件,本发明不涉及对包络检波器、电压跟随器、高增益带通滤波器和比较器的改进。
数据解调模块、充电发射模块和第二线圈的连接关系如图2所示,充电发射模块包括电感L11、电感L12、电容C11、电容C12和全桥逆变器,第二线圈的一端通过依次串联的电感L12、电容C12和电感L11连接全桥逆变器的输出侧一端,第二线圈的另一端与全桥逆变器的输出侧另一端相连,电容C11并联在电感L11和电容C12之间,全桥逆变器的输入侧连接电源模块。第二隔离变压器包括一次侧线圈L14、二次侧线圈L13、输出电阻R11和耦合电容C13,一次侧线圈L14的一端通过耦合电容C13连接第二线圈的一端,一次侧线圈L14的另一端连接第二线圈的另一端,二次侧线圈L13与输出电阻R11并联,输出电阻R11与包络检波器的输入端相连。
电感L11、电感L12、电容C11、电容C12组成高阶滤波电路,其中心频率远低于数据载波频率,可以将全桥逆变器输出电压中的高次谐波滤除,抑制输出电压中的高频噪声。电感L11的作用与电感L21相同,也起到阻波器的作用,增加了电能接收回路在数据载波频率处的阻抗,减少了数据信号的衰减。第二隔离变压器T1通过电容C13接入电能发送回路,电容13与电容C24的作用相同,二次侧线圈L14和电容C13组成的LC滤波电路可以抑制低频噪声,并且电容C13既可以耦合高频数据载波,又可以隔离功率载波。
本发明实施例通过数据调制模块将传感器数据信号调制成载波信号,通过数据解调模块将载波信号解调成传感器数据信号完成接收,通过充电发射模块和充电接收模块实现能量的传输,通过传感器单元的第一线圈和数据接收供能单元的第二线圈的磁场耦合实现了数据和能量的同步传输,并且数据传输稳定可靠,无需配置电池,节省维护成本;传感器单元无需连接数据线和电源线,安装方便,适合无法或不方便接线的场合。
整个系统的电路设计简单,通过隔离变压器和高阶滤波电路的设计可以有效避免电能传输和数据传输之间的干扰,信号传输的效率高,稳定性强。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种无线数据传输系统,其特征在于,包括:传感器单元和数据接收供能单元,所述传感器单元包括传感器、第一MCU、数据调制模块、充电接收模块和第一线圈;所述传感器的输出端连接第一MCU的信号接收端以用于反馈数据,所述第一MCU的信号发送端连接数据调制模块的接收端以用于将数据信号调制为载波信号,所述数据调制模块的发送端连接第一线圈以用于发送载波信号,所述第一MCU的电源端连接充电接收模块的输出端,所述充电接收模块的输入端连接第一线圈;
所述数据接收供能单元包括第二MCU、数据解调模块、充电发射模块、第二线圈和用于供电的电源模块,所述第二MCU的信号接收端连接数据解调模块的输出端,所述数据解调模块的输入端连接第二线圈以用于接收载波信号并解码为数据信号,所述电源模块的输出端分别连接第二MCU和充电发射模块的输入端,所述充电发射模块的输出端连接第二线圈;
所述第一线圈与第二线圈通过磁场耦合实现数据和能量的传输。
2.根据权利要求1所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述数据调制模块包括第一隔离变压器、逆变电路和振荡器,所述第一隔离变压器的二次侧连接第一线圈,所述第一隔离变压器的一次侧连接调制电路的输出端,所述振荡器与逆变电路的一个输入端相连以用于提供高频载波信号,所述第一MCU的信号输出端与逆变电路的另一个输入端相连以用于提供数据信号。
3.根据权利要求2所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述逆变电路为MOS管Q31、MOS管Q32、电容C31、电容C2组成的半桥逆变器。
4.根据权利要求2所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述第一隔离变压器包括一次侧线圈L24、二次侧线圈L23和耦合电容C24,所述二次侧线圈L23的一端通过耦合电容C24连接第一线圈的一端,所述二次侧线圈L23的另一端连接第一线圈的另一端,所述一次侧线圈L24的两端与逆变电路的两个输出端相连,所述一次侧线圈L24与逆变电路之间连接有并联电阻R22和串联电阻R21。
5.根据权利要求1所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述充电接收模块包括电感L21、电感L22、电容C21、电容C22和整流滤波电路,所述第一线圈的一端通过依次串联的电感L21、电容C21和电感L22连接整流滤波电路的输入侧一端,所述第一线圈的另一端与整流滤波电路输入侧另一端相连,所述电容C22并联在电感L22和电容C21之间,所述整流滤波电路的输出侧连接第一MCU电源端子。
6.根据权利要求5所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成的整流桥和滤波电容C23,所述整流桥与滤波电容分别与第一MCU的两个电源端子并联。
7.根据权利要求1所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述数据解调模块包括第二隔离变压器、包络检波器、高增益带通滤波器和比较器,所述第二隔离变压器的一次侧连接第二线圈,所述第二隔离变压器的二次侧连接包络检波器的输入端,所述包络检波器的输出端连接高增益带通滤波器的输入端,所述高增益带通滤波器的输出端连接比较器的输入端,所述比较器的输出端连接第二MCU的信号输入端。
8.根据权利要求7所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述包络检波器与高增益带通滤波器之间连接有电压跟随器。
9.根据权利要求7所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述第二隔离变压器包括一次侧线圈L14、二次侧线圈L13、输出电阻R11和耦合电容C13,所述一次侧线圈L14的一端通过耦合电容C13连接第二线圈的一端,所述一次侧线圈L14的另一端连接第二线圈的另一端,所述二次侧线圈L13与输出电阻R11并联,所述输出电阻R11与包络检波器的输入端相连。
10.根据权利要求1所述的无线数据传输系统,其特征在于:所述充电发射模块包括电感L11、电感L12、电容C11、电容C12和全桥逆变器,所述第二线圈的一端通过依次串联的电感L12、电容C12和电感L11连接全桥逆变器的输出侧一端,所述第二线圈的另一端与全桥逆变器的输出侧另一端相连,所述电容C11并联在电感L11和电容C12之间,所述全桥逆变器的输入侧连接电源模块。
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