CN113691890B - 一种基于射频能唤醒的无线传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于射频能唤醒的无线传感系统。本发明涉及无线传感技术领域，所述系统包括多个簇、唤醒源和云端服务器；每个簇中包含多个簇内节点和一个簇头节点，簇内节点采集的信息汇聚到簇头节点，经过数据融合，转发给云端服务器，所述簇内节点和簇头节点由唤醒源唤醒工作。通过MCU控制负载开关，实现了高能耗和低能耗模块的区分管理，在休眠状态下，高能耗的无线通信模块、DTU均被负载开关断电，当需要使用时再通电，通过能量的精细管理使能耗更低，无线传感系统寿命更长。

Description

一种基于射频能唤醒的无线传感系统
技术领域
本发明涉及无线传感技术领域，是一种基于射频能唤醒的无线传感系统。
背景技术
近年来随着微电子、无线通信和低功耗传感器的发展，无线传感网络技术得到了极大的发展。
无线传感网络由大量廉价传感器节点组成，节点是同构的，成本低，体积小，且大部分节点不移动。用来监测节点周围的环境数据，实现周期性采集并通过无线的方式发出。为了节省能量，延长无线传感网络的寿命，采集周期往往很长，这无疑降低了数据采集的实时性。
可以通过一种远程唤醒的方式，当需要无线传感系统采集并上传数据时，将其唤醒。目前远程唤醒一般采用通讯方式，无线传感节点平时处于广播状态，等待唤醒源与其连接，连接后收到唤醒指令，将采集数据发出。由于无线传感节点在广播时功耗较高，需要提出一种新的不依赖通讯的唤醒方式，来降低支持远程唤醒的无线传感节点的功耗，延长其寿命。
发明内容
本发明提供一种基于射频能唤醒的无线传感系统，当射频发射源靠近时，无线传感系统中的所有节点的接收天线吸收射频能量并被唤醒，本发明提供了以下技术方案：
一种基于射频能唤醒的无线传感系统，所述系统包括多个簇、唤醒源和云端服务器；
每个簇中包含多个簇内节点和一个簇头节点，簇内节点采集的信息汇聚到簇头节点，经过数据融合，转发给云端服务器，所述簇内节点和簇头节点由唤醒源唤醒工作。
优选地，所述簇内节点包括接收天线、整流匹配模块、PMIC、MCU、传感器、能量源、负载开关和无线通信模块；
所述接收天线接收唤醒源的射频发射天线发射的射频能量，经整流匹配模块，由PMIC转化升压，得到唤醒信号作为中断唤醒MCU；
所述能量源为传感器、MCU和无线通信模块供能，MCU通过负载开关控制能量源是否为无线通信模块供能；
所述无线通信模块实现与簇头节点通信，将簇内节点采集到的传感器数据通过无线通信模块发送给簇头节点。
优选地，所述簇头节点包括能量源、第一负载开关、第二负载开关、无线通信模块，MCU、DTU、PMIC、整流匹配模块和接收天线；
所述能量源连接到第一负载开关、第二负载开关和MCU，由MCU控制第一负载开关和第二负载开关的通断，为无线通信模块和DTU供能；
所述接收天线接收唤醒源的射频发射天线发射的射频能量，经整流匹配模块，由PMIC转化升压，得到唤醒信号作为中断唤醒MCU；
所述无线通信模块实现与簇内节点通信，接收簇内节点采集的传感器信息；
所述MCU控制第一负载开关和第二负载开关的通断，并通过无线通信模块接收多个簇内节点发来的传感器信息；在接收完毕后，MCU将数据做融合处理，并通过DTU模块上发至云端服务器；
所述DTU支持串口输入，并通过移动网络实现串口数据到云端服务器的透传。
优选地，所述簇内节点在被射频能量唤醒后，先进行传感器信息采集，之后导通负载开关，使无线通信模块得电，并通过无线通信模块将数据发出，之后关断无线通信模块供电，MCU进入休眠，所述传感器在非采集状态下一直处于休眠状态；在唤醒源下次到来之前，MCU和传感器将一直处于休眠状态。
优选地，所述簇头节点被射频能量唤醒后，先导通第一负载开关，使无线通信模块上电工作，用以接收传感器数据，在数据接收完毕后，关断无线通信模块供电，进行数据融合处理，处理完毕后导通第二负载开关，使DTU得电，之后通过DTU将融合后的数据发出，之后关断DTU供电，MCU进入休眠模式，在唤醒源下次到来之前，MCU将一直处于休眠模式。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种基于射频能唤醒的无线传感系统，射频能唤醒依赖外界注入的射频能量，本身无能耗，因此相比传统的广播式的唤醒方案极大的降低了两次唤醒之间的功耗；
通过MCU控制负载开关，实现了高能耗和低能耗模块的区分管理，在休眠状态下，高能耗的无线通信模块、DTU均被负载开关断电，当需要使用时再通电，通过能量的精细管理使能耗更低，无线传感系统寿命更长；
在无线传感系统唤醒后，可实现传感器信息采集，并上传云端，通过加入DTU，方便数据远程维护和管理，并提升了数据传输距离。
附图说明
图1为基于射频能唤醒的无线传感系统的簇内节点的结构框图；
图2为基于射频能唤醒的无线传感系统的簇头节点的结构框图；
图3为射频唤醒源唤醒单个簇的示意图；
图4为基于射频能唤醒的无线传感系统的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图4所示，本发明提供一种基于射频能唤醒的无线传感系统，如图1所示，所述簇内节点包括接收天线、整流匹配模块、PMIC、MCU、传感器、能量源、负载开关和无线通信模块。
所述能量源为传感器、负载开关、MCU供电，MCU可与传感器和无线通信模块通信，并通过负载开关控制能量源为无线通信模块供电。接收天线接整流匹配模块，后经PMIC转化输出作为中断信号连接到MCU。
在簇内节点上电后，MCU和传感器默认处于休眠状态，负载开关默认关断，唤醒源到来之后，接收天线接收射频能量，经整流匹配，并由PMIC转换电压输出中断信号唤醒MCU，之后MCU唤醒传感器并进行数据采集，之后导通负载开关，无线通信模块得电，MCU通过无线通信模块将数据发出，之后关断负载开关，MCU进入休眠模式，传感器在数据采集完毕后自动进入休眠模式。
如图2所示，所述簇头节点包括能量源、第一负载开关、第二负载开关、无线通信模块，MCU、DTU、PMIC、整流匹配模块、接收天线。
能量源为第一负载开关、第二负载开关、MCU供电，MCU可与无线通信模块和DTU通信，并通过第一负载开关和第二负载开关控制能量源为无线通信模块和DTU供电。接收天线接整流匹配模块，后经PMIC转化输出作为中断信号连接到MCU。
在簇头节点上电后，MCU默认处于休眠状态，第一负载开关和第二负载开关默认关断。唤醒源到来之后，接收天线接收射频能量，经整流匹配，并由PMIC转换电压输出中断信号唤醒MCU，之后MCU导通第一负载开关，使无线通信模块得电，并通过无线通信模块接收各簇内节点的采集数据，采集完成后，MCU关断第一负载开关，并进行数据融合处理，数据融合完毕后，导通第二负载开关，使DTU得电，之后通过DTU将数据上传至云端服务器。
如图3所示，1为云端服务器，2为簇头节点，3为簇内节点，4为簇，5为唤醒源。与唤醒源连接的实线为唤醒源的运动轨迹，唤醒源带有发射天线，将簇内节点和簇头节点唤醒，完成数据采集并上传云端后，系统进入休眠状态，等待下次唤醒源的到来。
如图4所示，6为云端服务器，7为簇，8为唤醒源。与唤醒源连接的实线为唤醒源的运动轨迹，唤醒源将移动至每个簇的唤醒范围内，将簇唤醒，实现数据采集之后移动至下一个簇的唤醒区域，依次实现多个簇的唤醒和数据采集。唤醒源通过射频能量发射的开关和发射天线的方向实现簇的唤醒。
对于簇内节点和簇头节点，由于唤醒机制是它们采集唤醒源发射的射频能量唤醒，这种唤醒是被动的，无能耗的，在两次唤醒之间，能量的消耗仅限于MCU的休眠能耗，传感器的休眠能耗，负载开关的关断漏电流。相比于传统的广播式的唤醒方式，极大的降低了无线传感系统在每次唤醒之间的能耗。
以上所述仅是一种基于射频能唤醒的无线传感系统的优选实施方式，一种基于射频能唤醒的无线传感系统的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于射频能唤醒的无线传感系统，其特征是：所述系统包括多个簇、唤醒源和云端服务器；
每个簇中包含多个簇内节点和一个簇头节点，簇内节点采集的信息汇聚到簇头节点，经过数据融合，转发给云端服务器，所述簇内节点和簇头节点由唤醒源唤醒工作；
所述簇内节点包括接收天线、整流匹配模块、PMIC、MCU、传感器、能量源、负载开关和无线通信模块；
所述接收天线接收唤醒源的射频发射天线发射的射频能量，经整流匹配模块，由PMIC转化升压，得到唤醒信号作为中断唤醒MCU；
所述能量源为传感器、MCU和无线通信模块供能，MCU通过负载开关控制能量源是否为无线通信模块供能；
所述无线通信模块实现与簇头节点通信，将簇内节点采集到的传感器数据通过无线通信模块发送给簇头节点；
所述簇头节点包括能量源、第一负载开关、第二负载开关、无线通信模块，MCU、DTU、PMIC、整流匹配模块和接收天线；
所述能量源连接到第一负载开关、第二负载开关和MCU，由MCU控制第一负载开关和第二负载开关的通断，为无线通信模块和DTU供能；
所述接收天线接收唤醒源的射频发射天线发射的射频能量，经整流匹配模块，由PMIC转化升压，得到唤醒信号作为中断唤醒MCU；
所述无线通信模块实现与簇内节点通信，接收簇内节点采集的传感器信息；
所述MCU控制第一负载开关和第二负载开关的通断，并通过无线通信模块接收多个簇内节点发来的传感器信息；在接收完毕后，MCU将数据做融合处理，并通过DTU模块上发至云端服务器；
所述DTU支持串口输入，并通过移动网络实现串口数据到云端服务器的透传。
2.根据权利要求1所述的一种基于射频能唤醒的无线传感系统，其特征是：所述簇内节点在被射频能量唤醒后，先进行传感器信息采集，之后导通负载开关，使无线通信模块得电，并通过无线通信模块将数据发出，之后关断无线通信模块供电，MCU进入休眠，所述传感器在非采集状态下一直处于休眠状态；在唤醒源下次到来之前，MCU和传感器将一直处于休眠状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于射频能唤醒的无线传感系统，其特征是：所述簇头节点被射频能量唤醒后，先导通第一负载开关，使无线通信模块上电工作，用以接收传感器数据，在数据接收完毕后，关断无线通信模块供电，进行数据融合处理，处理完毕后导通第二负载开关，使DTU得电，之后通过DTU将融合后的数据发出，之后关断DTU供电，MCU进入休眠模式，在唤醒源下次到来之前，MCU将一直处于休眠模式。
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