CN111465056B - 一种基于携能通信技术的环境感知系统 - Google Patents

一种基于携能通信技术的环境感知系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于携能通信技术的环境感知系统，该系统包括环境感知模块、通信模块及能量收集模块，能量收集模块包括依次连接的天线单元、匹配电路、整流电路、滤波单元、能量管理电路，以及与能量管理电路连接的能量储存单元，能量管理电路向通信模块供电。本发明利用能量收集模块从环境中获取射频能量，并转化为对通信模块供电的直流电压，从而解决了传统的环境监测系统维护难、布网难的问题，进而可以有效实现远距离能量传输，设备也相对简化，且更加安全、方便，具有十分广阔的应用前景。

Description

一种基于携能通信技术的环境感知系统
技术领域
本发明属于物联网通信技术领域，具体涉及一种基于携能通信技术的环境感知系统。
背景技术
携能通信技术(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)改变了无线通信网络的能量收集方式，它允许终端从周围环境获取能量。常见的无线能量传输方式有电磁感应技术、磁耦合谐振技术以及电磁辐射技术。其中，电磁辐射技术从周围的电磁源中收集能量是一种高效的解决方案。
常用的携能通信技术可以按照能量和数据的并行传输方式分为时分传输、频分传输以及功分传输三大类。时分传输将连续的时间分成无数个时隙，在相邻时隙中分别传输能量和数据；频分传输则是在同一时间点在不同频点上分别传输能量和数据；功分传输是通过微波功率分配器件将大功率调制信号分为两部分，一部分用于数据解调，另一部分用于能量收集。由于时分传输会降低能量收集效率及数据波特率，功分传输会增加干扰进而影响传输误码率，频分传输的方式是一种较为折中高效的携能通信方式。
传统的环境监测系统常采用有线供电或内置电池的传感器模块配合MCU实现环境数据采集。有线供电的方案存在布线难以及难以大面积放置大量节点的缺陷；而内置电池的方案存在更换电池难度大、成本高、寿命短、难维护以及废弃电池存在环境污染风险的弊端。
发明内容
针对现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种基于携能通信技术的环境感知系统，采用射频整流技术为环境监测网络中的传感器节点供电，可以实现远距离能量传输，设备也相对简化，且更加安全、方便，具有十分广阔的应用前景。
本发明的技术方案是：
一种基于携能通信技术的环境感知系统，包括：
环境感知模块，用于利用多种传感器采集环境参数数据；
通信模块，用于与所述环境感知模块进行数据通信，接收所述环境感知模块采集的环境参数数据，将环境参数数据打包后发送给基站；
及能量收集模块，用于将射频能量通过倍压整流技术转化为直流电压，并通过能量管理输出对通信模块供电的直流电压。
进一步地，所述能量收集模块包括依次连接的天线单元、匹配电路、整流电路、滤波单元、能量管理电路，以及与所述能量管理电路连接的能量储存单元，所述能量管理电路还与所述通信模块连接。
进一步地，所述整流电路包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极接地，其负极分别与所述第二二极管的正极及第一电容连接，所述第一电容的另一端连接输入电压端，所述第二二极管的负极与第二电容连接，并连接输出电压端，所述第二电容的另一端接地。
进一步地，所述能量管理电路用于对直流电压进行升压处理，并对所述能量储存单元进行充电，当所述能量储存单元中存储电量达到设定阈值后对直流电压进行稳压处理，并输出至所述通信模块，其包括升压充电单元和毫微功率降压转换单元。
进一步地，所述能量管理电路采用最大功率点跟踪采样网络，通过设置电压采样点的电平控制最大功率跟踪点的采样和保持开路电压。
进一步地，所述通信模块采用ESB底层通信协议，其通信流程具体包括：
主发射器启动流程，将有效负载写入发送FIFO队列，发送数据包至主接收器；
主接收器接收数据包，触发接收数据包成功事件，发送应答包至主发射器；
主发射器接收应答包，触发发送数据包成功时间，并触发接收应答包成功事件。
进一步地，所述通信流程还包括：
若主发射器在初始传输数据包后未收到应答包，则按照设置的允许尝试的重传次数和每次尝试之间的延迟重新传输数据包，其中每次尝试之间的延迟具体为每次尝试开始传输之间的持续时间；
若从主接收器发送到主发射器的应答包丢失，但主接收器成功接收了初始数据包和后续重发的数据包，则主接收器丢弃重复的数据包，并向主发射器回复应答包。
进一步地，所述通信模块的底层通信协议对多条数据链路通过配置信道和管道将节点上的每个逻辑地址映射到一个在传输或接收数据包时使用的广播地址，所述广播地址由2到4字节长的基地址以及1字节前缀地址组成，并使用0和1的交替序列作为数据包的起始序列。
进一步地，所述主发射器发送到主接收器的数据包以数据包报头中的两位数据包ID字段以及循环冗余检查字段作为唯一标识。
进一步地，所述通信模块发送数据包后关闭所有外设，仅开启RTC定时器并进入深度休眠，在预定时间后RTC外设再次唤醒通信模块进行下一次数据采集与上传。
本发明的有益效果是：
本发明利用能量收集模块从环境中获取射频能量，并转化为对通信模块供电的直流电压，从而解决了传统的环境监测系统维护难、布网难的问题，进而可以有效实现远距离能量传输，设备也相对简化，且更加安全、方便，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明基于携能通信技术的环境感知系统结构框图；
图2是本发明实施例中天线单元方向图，其中图(a)为H平面图，图(b)为E平面图；
图3是本发明实施例中匹配电路示意图；
图4是本发明实施例中整流电路示意图；
图5是本发明实施例中肖特基二极管等效电路示意图；
图6是本发明实施例中通信模块底层通信协议通信流程图；
图7是本发明实施例中通信模块底层通信协议通信失败重传流程图；
图8是本发明实施例中广播地址格式示意图；
图9是本发明实施例中数据包格式示意图；
图10是本发明实施例中整流器仿真电路示意图；
图11是本发明实施例中整流器仿真结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于携能通信技术的环境感知系统，包括：
环境感知模块，用于利用多种传感器采集环境参数数据；
通信模块，用于与所述环境感知模块进行数据通信，接收所述环境感知模块采集的环境参数数据，将环境参数数据打包后发送给基站；
及能量收集模块，用于将射频能量通过倍压整流技术转化为直流电压，并通过能量管理输出对通信模块供电的直流电压。
在本发明的一个可选实施例中，能量收集模块包括依次连接的天线单元、匹配电路、整流电路、滤波单元、能量管理电路，以及与能量管理电路连接的能量储存单元，能量管理电路还与通信模块连接。
下面分别对能量收集模块中的组成部分作进一步详细说明。
本发明中天线单元采用线极化全向陶瓷天线，其天线方向如图2所示，并在使用时设置天线距离PCB敷铜2mm以上，从而解决巴伦电路的匹配问题以及天线附近的净空问题。
天线单元采用低温共烧的方式将多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结，根据设计需要印在每一层陶瓷介质层上，从而可以有效缩小天线尺寸，并能达到隐藏天线目的。由于陶瓷本身介电常数较PCB电路板高，所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸。在介电损耗方面，陶瓷介质也比PCB电路板的介电损失小，因此适用于低功率的的模块中使用
本发明中匹配电路采用π型匹配电路，如图3所示，其具有设计简单，成本较低的优点，并且能够解决其它匹配电路存在的带宽较窄、品质因数不可调的问题。
由于射频信号通常是微弱的高频交流信号，为了驱动负载，需要将其转换成负载可用的直流信号，同时需要将微弱的电压升压到负载的工作电压，因此本发明中整流电路采用单阶倍压整流电路，如图4所示，具体包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的正极接地，其负极分别与所述第二二极管的正极及第一电容连接，第一电容的另一端连接输入电压端，第二二极管的负极与第二电容连接，并连接输出电压端，第二电容的另一端接地。
由于收集的电磁辐射能量涉及到的电压很低，而肖特基二极管阈值电压仅为150mV左右，但是整流电流却可达到几百毫安，因此本发明的整流电路采用肖特基二极管进行低功率整流。
为了对本发明的整流电路的工作原理进行详细说明，本发明对肖特基二极管的整流作用进行分析。
肖特基二极管内部结构等效电路如图5所示，二极管的构成部分主要有三部分，结电容Cj和可变电阻Rj均具有非线性特性，而串联电阻Rs虽然也是非线性的，但在偏置电压下，Rs的阻值并不会发生很大的变化，故在分析时将其看作线性电阻。
其中串联电阻Rs和结电容Cj决定了肖特基二极管的整流效率，可变电阻Rj决定了肖特基二极管的截止电压，表示为
Figure BDA0002441328520000061
其中，n为二极管理想因子，T为温度，Is为饱和电流，Ib为偏置电流，当二极管连接负载时，还会产生负载电流Ic＝V0/RL。
肖特基二极管作为射频整流技术的关键，通过肖特基二极管的电流与其两端的电压之间的关系可以用数学模型描述为：
Figure BDA0002441328520000071
其中，Vb为结电容Cj两端电压，Vt为热电压。为分析肖特基二极管的非线性特性，对上式进行多项式级数展开得到：
Figure BDA0002441328520000072
其中，Vb＝Vd-Vq，Vd＝Vo-Vi，Vd为肖特基二极管两端电压，Vq为肖特基二极管阈值电压，对电流函数求导可以得到系数kn的表达式为：
Figure BDA0002441328520000073
在射频整流技术中，肖特基二极管的k2和k4起主导作用，设输入正弦信号x(t)，输出信号y(t)，可以得到
y(t)＝k2x2(t)+k4x4(t)
将简单单频正弦信号方程
Figure BDA0002441328520000074
代入上式得到：
Figure BDA0002441328520000075
由于射频整流技术为了得到纯净的直流分量，因此在肖特基二极管后面加入DC滤波器，滤掉上式中的交流分量可以得到：
Figure BDA0002441328520000076
由上式可以看出肖特基二极管输出电压与二阶系数、四阶系数以及输入正弦信号幅度有关。当二阶分量占主导地位时，肖特基二极管输出直流分量与输入信号功率(幅度的平方)成正比。
当输入相同功率的正弦信号时，本发明的整流电路相较于其它整流电路能够输出更高的直流电压，并且起始工作功率更低，输出直流电压更高。在需用高电压、小电流的应用场景中，可以把较低的交流电压，用耐压较高的整流二极管和电容器，得到一个较高的直流电压。倍压整流是利用二极管的整流和导引作用，将电压分别贮存到各自的电容上，然后把它们按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的直流电压。
本发明的滤波单元采用电解电容滤波实现直流滤波器，使得输出波形更平稳，通过电容串联提高耐压，并联加大容量来使输出的直流更平稳。本发明的滤波单元安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出，使电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交变脉动波纹对通信电路的干扰。
当交流电压Vin的第一个正半周来到时(假设此时电压极性为上正下负)，经过第一电容给第一二极管施加反向偏置使其截止，同时正向偏置使第二二极管导通，电压全部施加在负载上。当交流电压Vin的第一个负半周来到时(此时电压极性为上负下正)，经过第一电容给第一二极管施加正向偏置而导通后给第一电容充电至Vin，同时使第二二极管反向偏置而截止，此时负载两端没有电压。当电压Vin的第二个正半周来到时(与第一个正半周到来时的分析方法一致，电压极性为上正下负)，电压Vin经过第一电容给第一二极管施加反向偏置使其截止，同时给第二二极管正向偏置使其导通，由于第一电容在之前(第一个负半周)时被充电到Vin，此时相当于输入电压Vin与第一电容上的电压串联共同施加在负载上。由此可知，Vout＝2×Vin。
本发明中能量管理电路用于对直流电压进行升压处理，并对能量储存单元进行充电，当所述能量储存单元中存储电量达到设定阈值后对直流电压进行稳压处理，并输出至通信模块，该功能的实现可以采用超低功耗收集电源管理IC作为能量管理芯片，其包括升压充电单元和毫微功率降压转换单元。
能量管理电路采用最大功率点跟踪采样网络，可以用来优化能量收集模块的功率传输。能量管理电路通过设置电压采样点的电平控制最大功率跟踪点的采样和保持开路电压。采样电路由内部采样电路完成，保持电路由采样保持点连接外部电容完成。
本发明的能量管理电路以开路电压的80％作为最大功率点，即电压采样点与VSTOR连接，设置最大功率点跟踪采样的阈值为80％，升压芯片根据设置来调节超级电容的充电电压，以确保VIN_DC的输入电压不会低于外部电容的电压，此时外部电容的电压为超级电容电压的80％。
本发明中能量储存单元采用小容量超级电容，比普通电容更稳定，具有电容量高、功率密度大、放置时间长、温度范围宽等优点，从而解决其它储能元件造成环境污染及不适用于低功率能量收集的场景的问题。
在本发明的一个可选实施例中，通信模块采用微控制器实现直接和自主系统外设通信。
通信模块采用ESB底层通信协议，其通信流程具体包括：
主发射器启动流程，将有效负载写入发送FIFO队列，发送数据包至主接收器；
主接收器接收数据包，触发接收数据包成功事件，发送应答包至主发射器；
主发射器接收应答包，触发发送数据包成功时间，并触发接收应答包成功事件。
如图6所示，在单次通信流程中，数据包的发送事务由主发射器启动，并在从主接收器收到应答包时完成。当启动双向数据链路时，如果主接收器提前将数据包写入其发送缓冲区中，并且该数据包会作为下一次应答包中的有效数据负载发送。
上述通信流程还包括：
若主发射器在初始传输数据包后未收到应答包，则按照设置的允许尝试的重传次数和每次尝试之间的延迟重新传输数据包，其中每次尝试之间的延迟具体为每次尝试开始传输之间的持续时间；如图7所示。
若从主接收器发送到主发射器的应答包丢失，但主接收器成功接收了初始数据包和后续重发的数据包，则主接收器丢弃重复的数据包，从而防止主接收器接收重复的数据包，但即使主接收器会丢弃重复的数据包，其仍向主发射器回复应答包。
主发射器也可以选择传输数据包时不需要从主接收器接收应答包。当主接收器收到不需要应答包的数据包时，不会将应答包发送给主接收器，因此主发射器继续重传该数据包，直到达到允许的最大重传尝试次数。
本发明中通信模块的底层通信协议对多条数据链路通过配置信道和管道，以保证多条数据链路之间互不干扰。将节点上的每个逻辑地址映射到一个在传输或接收数据包时使用的广播地址，如图8所示。广播地址由2到4字节长的基地址以及1字节前缀地址组成，并使用0和1的交替序列作为数据包的起始序列。
为了能够正确接收数据包，基地址最重要的字节不能是0和1的交替序列，即不能是0x55或0xAA。管道0具有独立的基地址0，而管道1到7使用相同的基地址1，8个管道中的每一个都拥有唯一的前缀地址。在广播中，先传输基地址，后传输前缀地址，并且前缀地址不能使用0x00。
通信模块对底层通信协议进一步封装，提供单次发送及周期发送功能。其中，为了降低系统功耗，周期发送的延迟不使用传统的CPU空转实现，而是使用RTC外设配合低频晶振实现通信模块的唤醒功能。此外，为了提高中心设备的带机量，减少数据撞包率，通信时采用跳频在不同信道上进行传输，同时为了避免降低撞包率，同一信道的不同设备应在不同的管道上进行数据传输。
通信模块通过I2C外设与环境感知模块进行通信，将收集到的环境数据进行打包，数据包格式如图9所示。
从主发射器发送到主接收器的任何数据包都是以数据包报头中的两位数据包ID字段以及循环冗余检查字段作为唯一标识。如果新的数据包具有重复的有效数据负载，可以此作为判断依据。
在本发明的一个可选实施例中，环境感知模块集成多种环境感知需要用到的传感器，主要包括气压传感器、环境温度传感器、相对湿度传感器以及气体质量传感器。
本发明的环境感知系统采用模块化设计，硬件设计分为能量收集模块和带有通信功能的环境感知模块两部分，两块PCB板通过板对板(Board to Board，BTB)连接器连接，优势在于在不同的应用场景下仅需更换环境感知模块即可实现，提高开发效率。
下面对本发明的环境感知系统性能进行说明。
为了分析整流器不同输入功率的输出电压和整流效率，使用ADS进行仿真。输入信号中心频率900MHz，输入功率-30dBm～10dBm，负载阻抗1kohm，仿真电路如图10所示。
如图11所示，图(a)为整流效率曲线图，图(b)为输出电压曲线图。从图11可以看出，在输入10dBm时，本系统的射频整流器可以输出近2V的直流电压，整流效率也很可观。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于携能通信技术的环境感知系统，其特征在于，包括：
环境感知模块，用于利用多种传感器采集环境参数数据；
通信模块，用于与所述环境感知模块进行数据通信，接收所述环境感知模块采集的环境参数数据，将环境参数数据打包后发送给基站；
及能量收集模块，用于将射频能量通过倍压整流技术转化为直流电压，并通过能量管理输出对通信模块供电的直流电压；
所述能量收集模块包括依次连接的天线单元、匹配电路、整流电路、滤波单元、能量管理电路，以及与所述能量管理电路连接的能量储存单元，所述滤波单元设置在整流电路两端；所述能量管理电路还与所述通信模块连接；所述能量管理电路用于对直流电压进行升压处理，并对所述能量储存单元进行充电，当所述能量储存单元中存储电量达到设定阈值后对直流电压进行稳压处理，并输出至所述通信模块，其包括升压充电单元和毫微功率降压转换单元；所述能量管理电路采用最大功率点跟踪采样网络，通过设置电压采样点的电平控制最大功率跟踪点的采样和保持开路电压；
所述匹配电路采用π型匹配电路，包括匹配电感以及分别设置在所述匹配电感两端的接地电容；
所述整流电路包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极接地，其负极分别与所述第二二极管的正极及第一电容连接，所述第一电容的另一端连接输入电压端，所述第二二极管的负极与第二电容连接，并连接输出电压端，所述第二电容的另一端接地；
所述通信模块的底层通信协议对多条数据链路通过配置信道和管道将节点上的每个逻辑地址映射到一个在传输或接收数据包时使用的广播地址，所述广播地址由2到4字节长的基地址以及1字节前缀地址组成，并使用0和1的交替序列作为数据包的起始序列；管道0具有独立的基地址0，而管道1到7使用相同的基地址1，8个管道中的每一个都拥有唯一的前缀地址；在广播中，先传输基地址，后传输前缀地址，并且前缀地址不能使用0x00。
2.如权利要求1所述的基于携能通信技术的环境感知系统，其特征在于，所述通信模块采用ESB底层通信协议，其通信流程具体包括：
主发射器启动流程，将有效负载写入发送FIFO队列，发送数据包至主接收器；
主接收器接收数据包，触发接收数据包成功事件，发送应答包至主发射器；
主发射器接收应答包，触发发送数据包成功时间，并触发接收应答包成功事件。
3.如权利要求2所述的基于携能通信技术的环境感知系统，其特征在于，所述通信流程还包括：
若主发射器在初始传输数据包后未收到应答包，则按照设置的允许尝试的重传次数和每次尝试之间的延迟重新传输数据包，其中每次尝试之间的延迟具体为每次尝试开始传输之间的持续时间；
若从主接收器发送到主发射器的应答包丢失，但主接收器成功接收了初始数据包和后续重发的数据包，则主接收器丢弃重复的数据包，并向主发射器回复应答包。
4.如权利要求3所述的基于携能通信技术的环境感知系统，其特征在于，所述主发射器发送到主接收器的数据包以数据包报头中的两位数据包ID字段以及循环冗余检查字段作为唯一标识。
5.如权利要求4所述的基于携能通信技术的环境感知系统，其特征在于，所述通信模块发送数据包后关闭所有外设，仅开启RTC定时器并进入深度休眠，在预定时间后RTC外设再次唤醒通信模块进行下一次数据采集与上传。
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