CN113381519B - 一种低功耗室内自主能量获取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线能量获取及电磁能量收集领域，具体而言，涉及一种低功耗室内自主能量获取系统。本发明包括能量转换模块、升压模块、储能模块、系统检测模块，能量转换模块接收外界的WLAN电磁信号进行整流与滤波后得到微弱的直流信号，升压模块将微弱的直流信号升压，储能模块存储系统接收到的能量，系统检测模块实时监测能量储存的过程。本发明结构流程清晰，由于优化了输入灵敏度和Boost升压电路，系统具有更高的能量效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线环境能量获取及电磁能量收集领域，具体而言，涉及一种低功耗室内自主能量获取系统。
背景技术
据知名机构IoT Analytics公布的一项数据显示，截止到2020年上半年，全球物联网设备数量达到了11.7亿，随着科学技术的发展以及人们对物联网设备的庞大需求，预计至2025年，全球联网设备数量将达31亿台，物联网市场将达1.9万亿美元，物联网设备的入网数量将呈现爆发式增长。由于室内物联网设备安装后不常移动，电池的维护和更换成为一个棘手的问题，这对设备功耗提出了严格的要求。
当前微型电子设备通常依靠氢镍电池、聚合物锂电池等传统化学电池供能，其微型集成化发展受到限制，此外化学电池还存在易爆危险、污染环境及定期更换等缺陷。同时，面对如此庞大的物联网连接设备，若每个物联网设备都使用电池供电，大量的废弃电池会给环境带来巨大的污染。如何改变物联网设备的能量获取方式，同时兼顾可靠性高与低成本，成了近几年物联网技术的研究重点之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种低功耗室内自主能量获取系统。本发明电路可在WLAN电磁信号丰富的室内自主获取环境中的WLAN电磁能量，给物联网设备自身的储能元件充电，且功耗低，安全性高，可以作为物联网设备的主要能量来源。
本发明的技术方案是：一种低功耗室内自主能量获取系统，包括能量转换模块、升压模块、储能模块，能量转换模块包括匹配网络、整流电路、低通滤波，匹配网络使负载阻抗与波源阻抗相匹配；整流电路采用三阶倍压整流电路，将匹配网络捕获的信号整流，使其由交流信号变成含一定交流成分的直流信号；整流后的信号通过低通滤波器，低通滤波器包括电感L和电容器C，电感L和电容器C串联而成，储能模块用于将从升压模块输出的能量储存，其特征在于：升压模块包括输入储能中转和升压转换，输入储能中转包括输入储能电容器，储能电容器一端连接在电感L和电容器C之间，储能电容器另一端接地，升压转换包括升压转换器控制电路和Boost升压电路，升压控制电路会根据输入输出信号的情况，产生两路控制信号，动态控制Boost升压电路，使得输出信号被稳定在一个固定的数值；Boost升压电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、升压电感L和升压电容器，升压电感L和晶体管Q2的发射极和集电极串联，晶体管Q1、晶体管Q2的基极分别于控制1、控制2信号连接，晶体管Q1的发射极和集电极连接一端连接在升压电感L上，另一端接地，升压电容器连接在晶体管Q2集电极上；当晶体管Q1导通且晶体管Q2关断时，输入信号给升压电感L储能，当晶体管Q2导通且晶体管Q1关断时，输入信号和升压电感L一起给负载提供能量。
根据如上所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：匹配网络采用单枝节结构，其宽为2.6mm，长为17.78mm，匹配网络电路工作在2.45GHz频率上。
根据如上所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：电感L的取值为68nH，电容器C的取值为100nF。
根据如上所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：储能电容器的取值为大于等于100uF。
根据如上所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：升压转换器控制电路检测输入微弱信号，对电路进行欠压和过压保护，检测输出直流信号的电压，限制输出电压使得储能元件不过度充电，同时检测温度，输出温度数据。
根据如上所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：储能模块采用超级法拉电容器或化学电池。
根据如上所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：还包括物联网设备，物联网设备采用单片机控制系统，负责检测模块的信号采集和处理，将电压数据和温度数据经过单片机内部ADC的采集和内部算法的计算，得出整个系统的实时温度和储能模块剩余能量，并将其显示在人机交互屏幕上。
根据如上所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：物联网设备还包括电子墨水屏。
本发明的技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益结果：第一本方案选择2.45GHz频率的WLAN电磁信号，当环境中存在WLAN电磁信号时，能自主获取能量，使得本系统适用范围更广。第二本方案采用了自主升压和储能电路结构，相对于大部分方案的实时供电无储能方案，更具有实用性。第三本方案能量转换模块中采用倍压整流电路，提升了功率输入范围，最低输入灵敏度可达-9.1dBm，小于国家工信部对2.4GHz无线设备发射功率20dBm的限制，可满足持续储能的需求。第四本方案升压模块采用优化的Boost升压电路结构和升压转换器，相对于2010年的IEEE Journal of Solid-State Circuits论文，在20uW输入功率条件下，转换效率由74％提升至85％，在100uW输入功率条件下，转换效率由79％提升至86％。
附图说明
图1为本发明的架构图。
图2为本发明实施的能量转换模块示意图。
图3为本发明实施的能量转换模块中倍压整流电路示意图。
图4为本发明实施的升压模块示意图。
图5为本发明实施的储能模块示意图。
图6为本发明实施的物联网设备示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更清楚，以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种低功耗室内自主能量获取系统，如图1所示，包括能量转换模块1、升压模块2、储能模块3、物联网设备4。能量转换模块1，接收外界的WLAN电磁信号进行整流与滤波后得到微弱的直流信号，升压模块将微弱的直流信号升压，储能模块储存系统接收到的能量，给物联网设备供电，物联网设备4能实时监测能量储存的过程。本方案选择2.45GHz频率的WLAN电磁信号，采用了自主升压和储能电路结构，使该系统适用范围更广和更具有实用性。
具体地，如图2，能量转换模块1的主要功能是将接收到的WLAN电磁信号转化为微弱的直流信号，整个能量转换模块包括匹配网络、整流电路、低通滤波。匹配网络可以使负载阻抗与波源阻抗相匹配，其为一个没有功率损耗的无源无耗网络。匹配网络采用单枝节结构，其宽为2.6mm，长为17.78mm，最终实现接收天线与后端电路的匹配，使电路工作在2.45GHz频率上，能减少信号失真和能量反射，达到最大功率传输。可将WLAN电磁信号看成类正弦波信号，整流电路可将此信号整流，使其由交流信号变成含一定交流成分的直流信号，此处将交流转换为直流的过程实现了能量转换。WLAN电磁信号较为微弱，需采用三阶倍压整流电路。图3为三阶倍压整流电路示意图，每阶倍压能将前级输入信号幅值提升两倍，所以输出的直流电压约为输入信号有效值的六倍，使其在输入信号很微弱时，输出信号也能满足后级需要，提高了输入灵敏度范围，其中所有电容器取值为100nF。整流后的信号通过电感L和电容器C组成的低通滤波器，电感L和电容器C串联而成，频率为零的直流信号被通过，其余的高次谐波成分被滤除，使得能量转换模块输出的信号为稳定的直流信号，其中L的取值为68nH，C的取值为100nF。
具体地，如图4，升压模块的主要功能是将微弱的直流信号升压，包括输入储能中转和升压转换。输入的微弱直流信号受环境中WLAN电磁信号的影响，较为不稳定，通过输入储能中转中的储能电容器后，能保持在一个相对稳定的范围，此储能电容器容值需要大于后级升压转换的最低输入需求100uF。升压转换主要包括升压转换器控制电路和Boost升压电路，升压转换器控制电路检测输入微弱信号，对电路进行欠压和过压保护，检测输出直流信号的电压，限制输出电压使得储能元件不过度充电，同时检测温度，输出温度数据。升压控制电路会根据输入输出信号的情况，产生两路控制信号，动态控制Boost升压电路，使得输出信号被稳定在一个固定的数值。Boost升压电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、升压电感L和升压电容器，升压电感L和晶体管Q2的发射极和集电极串联，晶体管Q1、晶体管Q2的基极分别于控制1、控制2信号连接，晶体管Q1的发射极和集电极连接一端连接在升压电感L上，另一端接地，升压电容器连接在晶体管Q2集电极上。当晶体管Q1导通且晶体管Q2关断时，输入信号给升压电感L储能，当晶体管Q2导通且晶体管Q1关断时，输入信号和升压电感L一起给负载提供能量，此时输出的电压即为升压后电压，达到了升压效果。
具体地，如图5，储能模块3能够储存系统接收到的能量，给物联网设备供电，输出电压数据。储能元件采用超级法拉电容器或化学电池，可以做到当输入功率大于物联网设备所需功率时储存能量，反之给物联网设备供电。
具体地，如图6，本系统的物联网设备采用单片机控制系统，负责检测模块的信号采集和处理，上一级电路传送的电压数据和温度数据经过单片机内部ADC的采集和内部算法的计算，得出整个系统的实时温度和储能模块剩余能量，并将其显示在人机交互屏幕上。可设定温度阈值，当系统温度超过此温度阈值时，发出报警提示。此设备采用电子墨水屏，其显示单元为墨水微囊，屏幕刷新显示时功耗极低，屏幕保持显示时不消耗能量，设置刷新间隔为3秒，同时，物联网设备通过蓝牙网络与云端服务器通信，采用BLE5.0 Mesh技术，收发数据时功耗极低，设置收发间隔为5秒，其余时间休眠，满足了系统低功耗的需求。
可以理解的是，此处描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不用于限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种低功耗室内自主能量获取系统，包括能量转换模块、升压模块、储能模块，能量转换模块包括匹配网络、整流电路、低通滤波，匹配网络使负载阻抗与波源阻抗相匹配；整流电路采用三阶倍压整流电路，将匹配网络捕获的信号整流，使其由交流信号变成含一定交流成分的直流信号；整流后的信号通过低通滤波器，低通滤波器包括电感L和电容器C，电感L和电容器C串联而成，储能模块用于将从升压模块输出的能量储存，其特征在于：升压模块包括输入储能中转和升压转换，输入储能中转包括输入储能电容器，储能电容器一端连接在电感L和电容器C之间，储能电容器另一端接地，升压转换包括升压转换器控制电路和Boost升压电路，升压控制电路会根据输入输出信号的情况，产生两路控制信号，动态控制Boost升压电路，使得输出信号被稳定在一个固定的数值；Boost升压电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、升压电感L和升压电容器，升压电感L和晶体管Q2的发射极和集电极串联，晶体管Q1、晶体管Q2的基极分别于控制1、控制2信号连接，晶体管Q1的发射极和集电极连接一端连接在升压电感L上，另一端接地，升压电容器连接在晶体管Q2集电极上；当晶体管Q1导通且晶体管Q2关断时，输入信号给升压电感L储能，当晶体管Q2导通且晶体管Q1关断时，输入信号和升压电感L一起给负载提供能量。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：匹配网络采用单枝节结构，其宽为2.6mm，长为17.78mm，匹配网络电路工作在2.45GHz频率上。
3.根据权利要求1至2所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：电感L的取值为68nH，电容器C的取值为100nF。
4.根据权利要求1至2所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：储能电容器的取值为大于等于100uF。
5.根据权利要求1至2所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：升压转换器控制电路检测输入微弱信号，对电路进行欠压和过压保护，检测输出直流信号的电压，限制输出电压使得储能元件不过度充电，同时检测温度，输出温度数据。
6.根据权利要求1至2所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：储能模块采用超级法拉电容器或化学电池。
7.根据权利要求1至2所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：还包括物联网设备，物联网设备采用单片机控制系统，负责检测模块的信号采集和处理，将电压数据和温度数据经过单片机内部ADC的采集和内部算法的计算，得出整个系统的实时温度和储能模块剩余能量，并将其显示在人机交互屏幕上。
8.根据权利要求7所述的一种低功耗室内自主能量获取系统，其特征在于：物联网设备还包括电子墨水屏。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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