CN114386539B - 零功耗节点设备、工作方法及零功耗系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种零功耗节点设备、工作方法及零功耗系统,涉及低功耗通讯技术领域。零功耗节点设备包括:能量收集装置、能量管理装置和微处理器;所述能量管理装置包括:电容、电压检测器和稳压器,所述电容、所述电压检测器和所述稳压器并联连接;其中,所述能量收集装置的输出端与所述电容的输入端、与所述电压检测器的输入端、与所述稳压器的输入端相耦合;所述微处理器的输入端与所述电压检测器的输出端、与所述稳压器的输出端相耦合;所述电容的输出端接地。本申请实施例提供了一种无须携带供电电源的零功耗节点设备。
Description
技术领域
本申请涉及低功耗通讯技术领域,特别涉及一种零功耗节点设备、工作方法及零功耗系统。
背景技术
低功耗通讯技术是对设备的功耗具有低功耗要求的通讯技术。低功耗通讯技术可以应对无法提供高功率的应用场景,应用低功耗通讯技术的设备在耗能和续航能力方面具备优势,采用低功耗通讯技术为科技发展的趋势。
应用低功耗通讯技术的设备可以包括电子标签。相关技术中,电子标签可以是有源电子标签或者无源电子标签,有源电子标签指的需要供电电源的电子标签,无源电子标签指的是无需供电电源的电子标签。
如何实现无源电子标签的设计,相关技术中尚未提供较好的解决方案。
发明内容
本申请实施例提供了一种零功耗节点设备、工作方法及零功耗系统,实现了无须携带供电电源的无源电子标签的设计。所述技术方案如下:
根据本申请的一个方面,提供了一种零功耗节点设备,所述零功耗节点设备包括:能量收集装置、能量管理装置和微处理器;
所述能量管理装置包括:电容、电压检测器和稳压器,所述电容、所述电压检测器和所述稳压器并联连接;
其中,所述能量收集装置的输出端与所述电容的输入端、与所述电压检测器的输入端、与所述稳压器的输入端相耦合;所述微处理器的输入端与所述电压检测器的输出端、与所述稳压器的输出端相耦合;所述电容的输出端接地。
根据本申请的一个方面,提供了一种零功耗节点设备的工作方法,所述零功耗节点设备是如上述方面所述的零功耗节点设备,所述零功耗节点设备包括:能量收集装置、能量管理装置和微处理器,所述方法包括:
所述能量收集装置进行射频信号对应的射频能量的收集,并将所述射频能量转化为直流电压;
所述能量管理装置对所述直流电压进行检测,将所述直流电压转化为稳定电压;
所述微处理器在所述稳定电压的供电下,执行计算工作。
根据本申请的一个方面,提供了一种零功耗系统,其特征在于,所述零功耗系统至少包括:零功耗节点设备,所述零功耗节点设备是如上述方面所述的零功耗节点设备。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
提供了一种零功耗节点设备的设计,该零功耗节点设备包括能量管理装置,能量管理装置包括:并联连接的电容、电压检测器和稳压器,通过上述3个部件,能量管理装置能够进行能量管理,能量管理装置的结构设计较为简单,易于实现,降低了整个零功耗节点设备的结构复杂度。
零功耗节点设备中还包括:能量收集装置和能量管理装置,能量收集装置可以收集射频能量,再由如上所述结构的能量管理装置进行能量管理,对零功耗节点设备中的其他器件(如微处理器)供电,从而实现了无须携带供电电源的零功耗节点设备的设计,使得零功耗节点设备支持长久的待机时间,降低了零功耗节点设备的维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个示例性实施例提供的零功耗节点设备的应用场景的示意图;
图2是本申请一个示例性实施例提供的零功耗系统的示意图;
图3是本申请一个示例性实施例提供的零功耗系统的工作机制的示意图;
图4是本申请一个示例性实施例提供的零功耗节点设备的硬件结构的示意图;
图5是本申请一个示例性实施例提供的零功耗节点设备的硬件结构的示意图;
图6是本申请一个示例性实施例提供的采用分立器件的阻抗匹配网络的示意图;
图7是本申请一个示例性实施例提供的采用一阶倍压器的能量收集装置的示意图;
图8是本申请一个示例性实施例提供的采用5阶倍压器的能量收集装置的示意图;
图9是本申请一个示例性实施例提供的能量管理装置的示意图;
图10是本申请一个示例性实施例提供的激活电压与稳定电压的关系的示意图;
图11是本申请一个示例性实施例提供的编码器的示意图;
图12是本申请一个示例性实施例提供的解码器的示意图;
图13是本申请一个示例性实施例提供的零功耗节点设备的工作方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
5G技术的发展带动了物联网(Internet of Things,IoT)设备的进步,功耗是IoT设备的一个重要考虑因素。相比于传统的智能终端,如智能手机,平板,I0T设备需要满足稳定,维护成本低的要求。因此,在IoT设备中采用低功耗通讯技术为科技发展的趋势,低功耗的IoT设备相比普通设备,可以减少耗能,具备更强的续航能力,从而满足上述稳定,维护成本低的要求。
现有的低功耗通讯技术主要包括:基于蜂窝网的窄带物联网(Narrow BandInternet of Things,NB-IoT),蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE),以及射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)。
NB-IoT是基于窄带(200KHz)的蜂窝物联网技术,主要利用运营商的基站,专门为低功耗、广覆盖物联网业务所设计,可以提供低功耗低速率的连接。NB-IOT支持设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网。
BLE是低成本、超低功耗、短距离、标准接口和不同供应商认证设备之间的互操作性强的一种鲁棒性无线技术,可以工作在免许可的2.4GHz射频段。
RFID是通过无线射频方式进行非接触式的双向数据通信的一种技术。
结合参考如下表一,对上述3种低功耗通讯技术以及对应的节点设备进行简单介绍。
表一
其中,采用NB-IoT与BLE的电子标签需要电池,电子标签的寿命受电池容量影响,一般使用寿命为3年。采用NB-IoT与BLE的读卡器无需是专业的读卡器,可以集成于智能终端中,适于随身携带。NB-IoT与BLE这两种通讯技术可以满足设备之间的低速率通讯的要求。
采用RFID的电子标签是一种无源RFID标签。无源RFID标签完全无需电池,无源RFID标签的寿命不受电池容量的影响,因此在不受外界物理破坏的条件下可以持久的使用下去,也即可以“永远”工作。同时,由于没有电池,电子标签可以设计的更为轻薄,电子标签的体积也更小。同时,由于没有电池,无需对电子标签进行更换电池的维护操作,降低了维护成本。采用RFID的读卡器一般是专业读卡器,具备体积大、集成度低的特点,不适于随身携带。
下面,对采用上述3种低功耗通讯技术的电子标签进行进一步的说明。
1)基于RFID的无源RFID电子标签
无源(Passive)RFID电子标签是一种不需要电源的电子标签,此种电子标签依靠收集读卡器发射的射频能量作为内部供电。因此,无源RFID电子标签可以只由天线与对应的芯片构成,无需电池。
理论上,只要无源RFID电子标签不遭受物理层面的损毁,如:无源RFID电子标签中的器件的损坏,无源RFID电子标签可以永远使用下去。然而,目前RFID系统中所必须的读卡器如仍然属于一种特殊设备,应用的是专业标准协议,而不是蓝牙,WIFI等这类适用于智能终端中的无线传输协议,进而一般不会集成于智能终端中。另外,RFID系统中所必须的读卡器体积大,价格高,不适用于普通消费者级别的应用。RFID系统一般被广泛使用于企业级的应用,也即大规模的应用,如物流中的物品追踪。
2)基于BLE的电子标签
BLE技术为蓝牙技术中低功耗的应用技术。相对传统的蓝牙技术,BLE可以通过采用不同的信道、编解码方式,以降低芯片功耗。BLE被普遍使用于智能终端,如智能手机,平板,则基于BLE的电子标签可以被推广广泛使用。然而,基于BLE的电子标签使用时间为2-3年,使用寿命较短,远远不及无源RFID电子标签。
3)基于NB-IoT的电子标签
NB-IoT为使用蜂窝网技术的低速率通讯标准。采用NB-IoT的电子标签可以通过蜂窝网络连接至万维网,从而实现万物互联的应用。与基于BLE的电子标签相同,基于NB-IoT的电子标签虽然可以被推广广泛使用,但是仍然需要电池,使用时间为2-3年,使用寿命较短,远远不及无源RFID电子标签。
基于此,本申请实施例旨在提出一种零功耗节点设备。
零功耗节点设备最大的优势为无需携带供电电源。因此,零功耗节点设备可以支持更长的待机时间。正是由于零功耗节点设备无需携带供电电源,在后续的使用过程中也无需进行更换电池等设备维护工作,从而零功耗节点设备可应用于极端的、困难的环境,如零功耗节点设备可以嵌入墙体中使用。另外,携带供电电源的产品在设计中必须要为供电电源的摆放预留下足够的空间,因而这类产品多具有笨重、不便于携带等缺点,而相比于这类携带供电电源的产品,零功耗节点设备由于无需携带供电电源,可以被设计地更为轻薄,从而便于用户携带。
基于零功耗节点设备无需携带供电电源的优势,零功耗节点设备适用于对产品体积要求小,电路续航要求持续,以及无需更换电池的应用场景,结合参考图1,下面对此进行示例性的说明。
零功耗节点设备可以被应用于电子标签。此时,电子标签是一种无源电子标签,电子标签可以用于进行自动识别。
零功耗节点设备可以被应用于可穿戴设备。可穿戴设备是一种直接穿在用户身上或是整合到用户的衣服或配件的便携式设备,包括但不限于:智能眼镜、智能手表、智能手环等等。
零功耗节点设备可以被应用于医疗健康领域。如:植入式医疗设备(ImplantableMedical Device,IMD)实现为一种零功耗节点设备,以尽量减小植入式医疗设备的产品体积。植入式医疗设备可以包括以下四种:植入式测量系统,如心电信号、脑电信号、肌电信号的检测以及体内压力测量和离子浓度测量等;植入式医疗控制装置,如人工假肢控制器,心脏起搏器和除颤器等;植入式刺激器,如电刺激等;植入式人工器官及辅助装置,如人工耳蜗,人造视网膜等。
零功耗节点设备可以被应用于环境监控领域。如:将环境监控设备实现为一种零功耗节点设备,从而可以长久的进行环境监测。示例性的,环境监控设备是植物监测(PlantMonitoring)设备,利用对大气污染反应灵敏的指示植物来反映空气中有害气体的种类和含量或大气污染程度,以了解大气环境质量状况。零功耗节点设备可以被应用于传感器网络。传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点,通过自组织方式构成的分布式智能化网络系统,能够自主完成指定任务,如:对人体活动进行追踪。传感器网络中的微小传感器节点可以实现为零功耗节点设备。
零功耗节点设备可以被应用于智慧家庭。智慧家庭又可称为智慧家庭服务平台,将家庭设备智能控制、家庭环境感知、家人健康感知、家居安全感知以及信息交流、消费服务等家居生活有效地结合起来的一种技术。智慧家庭中的家庭设备可以实现为零功耗节点设备。
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的零功耗系统的示意图。该零功耗系统中包括:零功耗节点设备11、读卡器12和能量提供发射机13。
零功耗节点设备11是一种无须携带供电电源的电子标签,即无源电子标签。由于无需携带供电电源,零功耗节点设备11支持长久的待机时间;无需为供电电源的摆放预留空间,设计较为轻薄;无需进行更换电池等设备维护工作,维护成本较低。
读卡器12是用于读/写零功耗节点设备的信息的设备,集成于智能终端中。智能终端可以是诸如手机、台式电脑、平板电脑、游戏主机、电子书阅读器、多媒体播放设备、可穿戴设备、MP3播放器(Moving Picture Experts Group Audio Layer III,动态影像专家压缩标准音频层面3)、MP4(Moving Picture Experts Group Audio Layer IV,动态影像专家压缩标准音频层面4)播放器、膝上型便携计算机等电子设备。
在本申请实施例中,读卡器12是一种可以集成于智能终端的非专业读卡器,应用私有协议或商业协议,如:应用BLE协议。在其他实施例中,读卡器12也可以是一种专业读卡器,不集成于智能终端中,应用专业标准协议,本申请对此不进行限制。
能量提供发射机13是用于为零功耗节点设备11提供的能量的设备。能量提供发射机13支持以连续方式而不是脉冲方式输出连续的射频波,即连续波(Continuous Wave,CW)信号。
在一种实现方式中,能量提供发射机13被集成在读卡器12内,如图2中的(a)所示,此时,在读卡器12集成于智能终端中的情况下,直接由智能终端向零功耗节点设备11输出CW信号。在另一种实现方式中,能量提供发射机13与读卡器12分离,如图2中的(b)所示,此时,由分离的能量提供发射机13向零功耗节点设备11输出CW信号。
结合参考图3,该零功耗系统的工作机制可以是:读卡器12(以能量提供发射机13集成在读卡器12内进行示例性的说明)向零功耗节点设备11发射CW信号作为载波,零功耗节点设备11通过切换天线的匹配阻抗频率对CW信号进行反向散射,实现对反射信号的编码。
如图3所示的零功耗节点设备11可以应用反向散射(Backscatter)技术和射频能量收集技术。
射频能量收集技术是通过收集射频能量,维持低功耗的电子设备正常工作的一项技术。零功耗节点设备11通常由有源器件组成,由于需要遵循能量守恒的原理,零功耗节点设备11需要通过射频能量收集的方式获取射频能量,以维持零功耗节点设备11中的器件的正常工作。
反向散射技术是一种无须设备自身产生射频信号,而是通过反向散射的方式实现信号发射与编码的无线技术。反向散射技术可以结合雷达原理进行理解:电磁波在打到物体表面时有一部分会被反射,被反射信号的强弱取决于此物体的形状,材质与距离,从雷达的角度来讲,每个物体有其雷达截面(Radar Cross Section,RCS),而零功耗节点设备11正是通过改变其RCS,实现对反射信号的编码。本申请实施例中,零功耗节点设备通过应用反向散射技术,降低功耗。
图4示出了本申请一个示例性实施例提供的零功耗节点设备的硬件结构的示意图,该零功耗节点设备可以应用于如图2所示的零功耗系统中。
在本申请实施例中,零功耗节点设备是一种无须携带供电电源的电子标签,即无源电子标签。由于无需携带供电电源,零功耗节点设备支持长久的待机时间;同时,无需为供电电源的摆放预留空间,设计较为轻薄;同时,无需进行更换电池等设备维护工作,维护成本较低。
如图4所示,零功耗节点设备的硬件结构可以包括:能量收集装置41,能量管理装置42和微处理器(Micro Controller Unit,MCU)43。
能量管理装置42包括:电容421、电压检测器422和稳压器423;电容421、电压检测器422和稳压器423并联连接。
其中,能量收集装置41的输出端分别与电容421的输入端相耦合,与电压检测器422的输入端相耦合,与稳压器423的输入端相耦合;微处理器的43输入端分别与电压检测器422的输出端相耦合,与稳压器423的输出端相耦合;电容421的输出端接地。
能量收集装置41用于进行射频信号对应的射频能量的收集,并将射频能量转化为直流电压,以直流电压的形式从能量收集装置41的输出端输出。
能量管理装置42用于为零功耗节点设备供电。其中,能量管理装置42中的电容421可以用于对射频能量进行存储;能量管理装置42中的电压检测器422可以用于对直流电压进行检测,目的是为了控制微处理器的状态,确定是否需要唤醒微处理器;能量管理装置42中的稳压器423可以支持将能量收集装置41输出的直流电压转换为稳定电压,从而为微处理器43进行供电。
综上所述,本实施提供了一种零功耗节点设备的设计,该零功耗节点设备包括能量管理装置,能量管理装置包括:并联连接的电容、电压检测器和稳压器,通过上述3个部件,能量管理装置能够进行能量管理,能量管理装置的结构设计较为简单,易于实现,降低了整个零功耗节点设备的结构复杂度。
零功耗节点设备中还包括:能量收集装置和能量管理装置,能量收集装置可以收集射频能量,再由如上所述结构的能量管理装置进行能量管理,对零功耗节点设备中的其他器件(如微处理器)供电,从而实现了无须携带供电电源的零功耗节点设备的设计,使得零功耗节点设备支持长久的待机时间,降低了零功耗节点设备的维护成本。
在基于图4的可选实施例中,除了能量收集装置41,能量管理装置42和微处理器43之外,零功耗节点设备还可以包括:天线、阻抗匹配网络、解码器、编码器、传感器和存储器中的至少一种。其中:
天线用于接收并传递外界的射频信号。
阻抗匹配网络用于增加射频能量收集的效率。
解码器用于对射频信号进行解码。
编码器用于根据微处理器的控制,通过天线进行信号反射。
传感器用于检测零功耗节点设备所处环境中的事件或变化。
存储器用于对来自微处理器的数据进行存储。
结合参考图5,其示出了本申请一个示例性实施例提供的零功耗节点设备的硬件结构的示意图,该零功耗节点设备可以应用于如图2所示的零功耗系统中。
如图5所示,零功耗节点设备的硬件结构可以包括:能量收集装置41,能量管理装置42、微处理器43、天线44、阻抗匹配网络45、解码器46、编码器47、传感器48和存储器49。
可选的,标记为白色的器件为可被封装在一块芯片中的结构,标记为灰色的器件为在芯片外的结构。即:阻抗匹配网络45、能量收集装置41、能量管理装置42、解码器46、微处理器43和编码器47封装在芯片内,而天线44、传感器48和存储器49在芯片外。
可选的,零功耗节点设备可采用如下三种封装方式中的任意一种。
1、基于一块硅晶圆的系统级芯片(System On Chip,SOC)的封装方式。
系统级芯片或称为片上系统,该封装方式指的是将零功耗节点设备所需的器件设计在同一个芯片系统上,从而进行高度集成的方式,如:集成到一块硅晶圆上。其中,硅晶圆(Silicon Die)是制造集成电路的基本原料,是硅元素加以纯化后制备成的硅晶片,硅晶圆的尺寸可以是4寸、6寸、8寸和12寸等。系统级芯片的封装也可以集成到其他类型的原料上,本申请实施例对此不进行限制。
2、系统化封装(System in Package,SiP)的封装方式。
系统化封装的封装方式指的是:零功耗节点设备所需的器件均是独立的,没有设计在同一个芯片系统上,将零功耗节点设备所需的器件进行高度集成。
3、电路板分离器件的封装方式。
电路板分离器件的封装方式指的是:将零功耗节点设备所需的器件在电路板上进行封装。
可以理解的是,上述封装方式中的系统级芯片或系统化封装的封装方式进行了系统整合,是未来封装技术的发展趋势,可以提高集成度、降低成本。
下面,对图5中示出的零功耗节点设备中的器件进行进一步的示例性的说明。
天线44
天线44与能量收集装置41的输入端相耦合。
天线44是用于接收并传递外界的射频信号的器件。可选的,在零功耗节点设备还包括编码器47的情况下,天线44也与编码器47相耦合,天线44还用于发送编码器47编码生成的反射信号。
可选的,天线44采用阻抗共轭匹配(complex conjugate matching)的匹配方式与能量收集装置41进行阻抗匹配。
其中,阻抗共轭匹配指的是:当天线44对应的内阻抗和能量收集装置41对应的负载阻抗含有电抗成分时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻抗必须满足共扼关系,即电阻成分相等,电抗成分只数值相等而符号相反。
阻抗共轭匹配的匹配方式可以理解为是一种采用传输线(transmission line)的阻抗匹配网络。在该种匹配方式中,由天线44进行阻抗匹配,将不存在如图5所示的在天线44和能量收集装置41之间的阻抗匹配网络45,可以进一步简化零功耗节点设备的结构,减小零功耗节点设备的体积。
可选的,在采用传输线的阻抗匹配网络的情况下,零功耗节点设备工作在2.4-2.5GHz。可选的,天线44是一种超宽带(Ultra Wide Band,UWB)天线,以应对能量收集装置41的阻抗随着频率高低,接收能量大小,负载阻值大小的变化而变化,本申请实施例对超宽带天线的具体实现方式不进行限定。
阻抗匹配网络45
阻抗匹配网络45的输入端与天线44相耦合,阻抗匹配网络45的输出端与能量收集装置41的输入端相耦合。
阻抗匹配网络45是为了实现射频能量收集的效率最大化,而在天线44与能量收集装置41之间设置的无源网络。阻抗匹配网络45在零功耗节点设备中起着至关重要的作用,高效的阻抗匹配网络45可以大大增加射频能量收集的效率。此时,无需天线44采用阻抗共轭匹配的匹配方式与能量收集装置41进行阻抗匹配,由阻抗匹配网络45进行天线44与能量收集装置41之间的阻抗匹配。
可选的,阻抗匹配网络45是超宽带的阻抗匹配网络。在能量收集装置41中使用大量三极管的情况下,端口会呈现强非线性变化,即:阻抗随着频率高低,接收能量大小,负载阻值大小的变化而变化。超宽带的阻抗匹配网络可以应对上述变化。
可选的,阻抗匹配网络45是采用分立器件的阻抗匹配网络。
分立器件指的是单一特性元件实体。分立器件是与集成电路相对照的概念,由多个相同或不同的单一特性元件实体,按照一定电路组成的具有特定功能的实体就是集成电路。其中,分立器件包括但不限于:电阻,电容,电感,二极管,三极管,晶体管等。
可选的,阻抗匹配网络45采用L型,π型,T型,或者其他能达到阻抗匹配作用的设计,本申请实施例对此不进行限制。可选的,L型阻抗匹配网络包括:电阻性L型阻抗匹配网络和电抗性L型阻抗匹配网络。
示例性的,图6示出了一个采用分立器件的阻抗匹配网络的示意图。在该阻抗匹配网络中,包括两个电感:电感451和电感452。其中,电感451的第一端接地,电感451的第二端与电感452的第二端相耦合,电感452的第二端与天线44耦合,电感452的第一端与能量收集装置41相耦合,本实施例中以电感451的电感值L1为414pF,电感452的电感值L2为1.844nF进行示例性的说明。
能量收集装置41
能量收集装置41的输出端与能量管理装置42的输入端相耦合,能量收集装置41的输入端与天线44或阻抗匹配网络45相耦合。
能量收集(power harvesting)装置41是用于进行射频能量的收集的器件。零功耗节点设备通过能量收集装置41收集来自外界的射频能量,从而获得自身工作运行所需的能量,而无需携带供电电源以提供能量。
可选的,能量收集装置41将收集到的射频能量以直流(Direct Current,DC)电压Vout的形式进行输出。其中,Vout是不稳定电压。
可选的,能量收集装置41包括倍压器。其中,倍压器又称电压倍增器、倍压电路,是用于提升电压的电路。倍压器可以将其输出的峰值电压提高至其输入的2倍以上,倍压器具有整流及滤波功能,应用于高电压低电流的场合。
在本申请实施例中,倍压器可以进行灵活配置,根据不同的应用场景设置不同阶数的倍压器。即,倍压器包括:一阶倍压器,或,由一阶倍压器级联而成的多级倍压器。如:在能量收集装置41需要输出高电压的情况下,能量收集装置41使用由一阶倍压器级联而成的多级倍压器;在能量收集装置41需要输出一般电压的情况下,能量收集装置41使用一阶倍压器。
示例性的,图7示出了一个示例性实施例提供的采用一阶倍压器的能量收集装置的示意图。一阶倍压器包括:两个二极管以及两个电容:电容461和电容462,以及两个二极管:二极管463和二极管464,本实施例中以电容461的电容值C1为40pF,电容462的电容值C2为40pF进行示例性的说明。其中,二极管463和二极管464反向并联连接,电容462的一端连接二极管463和二极管464,另一端与天线44相耦合,电容461的一端接地,另一端与能量管理装置41相耦合。由于二极管的单向导电的特点,不同方向的电流可以分别对电容461或者电容462进行反复充电,并最终使得电容461上的电压提升。
对一阶倍压器进行级联组合,即可得到多阶倍压器。示例性的,图8示出了一个示例性实施例提供的采用5阶倍压器的能量收集装置的示意图。5阶倍压器是由如图7所示的一阶倍压器级联而成,在5阶倍压器中,包括:10个二极管以及10个电容。
能量管理装置42
能量管理装置42的输出端与微处理器43相耦合,能量收集装置42的输入端与能量收集装置41相耦合。
能量管理装置42是用于对零功耗节点设备中需要电量的器件进行供电的器件。能量管理装置42可以包括:依次连接的电容421,电压检测器422(voltage supervisor)和稳压器423(voltage regulator)。其中,能量收集装置41的输出端分别与电容421的输入端相耦合,与电压检测器422的输入端相耦合,与稳压器423的输入端相耦合;微处理器的43输入端分别与电压检测器422的输出端相耦合,与稳压器423的输出端相耦合;电容421的输出端接地。
其中,电容421用于对直流电压对应的能量进行存储。电容421的选取非常重要,一般采用比较大的电容值,因为较大的电容值对应的电容421可以存储较多的能量。
其中,电压检测器422用于将直流电压与激活电压进行比较,从而确定是否唤醒微处理器43。其中,激活电压是电压检测器422所预设好的一个电压,当能量收集装置41输出的直流电压达到激活电压时,电压检测器422便会唤醒微处理器43,微处理器43被唤醒后处于工作状态,开始执行计算工作。相应的,当能量收集装置41输出的直流电压未达到激活电压时,电压检测器422便不会唤醒微处理器41,微处理器41处于休眠状态。
其中,稳压器423用于将直流电压转化为稳定电压进行输出。稳压器423输出的稳定电压将为零功耗节点设备中的一些器件(如微处理器43、解码器46、编码器47、传感器48和存储器49)进行供电。
结合参考图9,图9示出了本申请一个示例性实施例提供的能量管理装置的示意图。
Vout为经过能量收集装置41之后输出的直流电压,Vreg为经过能量管理装置42之后输出的电压,此电压作为微处理器43和/或其他器件的供电电压。其中,Vout为不稳定电压,而Vreg为稳定电压。
可选的,Vreg的值与微处理器43所需最小电压相关。如:Vreg的值等于微处理器43所需最小电压。示例性的,在微处理器43要求最小电压为1.8V的情况下,Vreg可以设为1.8V;在微处理器43所需最小电压低于1.8V的情况下,Vreg则可采用微处理器43所需最小电压。
可选的,电容421的电容值的选取与微处理器43所需能量EMCU、稳压器423输出的稳定电压(即微处理器43所需最小电压)Vreg,以及电压检测器422的激活电压Vsupervise相关。上述变量需要满足下列公式:
激活电压的选取可根据上述公式。
如公式所示,微处理器43所需能量EMCU与激活电压Vsupervise的选取和稳压器423输出的稳定电压Vreg的选取相关。结合参考图10,选取1.9V的激活电压,选取1.8V的稳定电压,那么微处理器43所需能量即为1.9V至1.8V时间段内在电容421处释放的能量。可以理解的是,激活电压的选取和稳压器423输出的稳定电压的选取可以由具体的电子器件,系统设计而选定。
微处理器43
微处理器43与零功耗节点设备中的能量管理装置42、解码器46、编码器47、传感器48和存储器49相耦合。
微处理器43又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer),或者,单片机。微处理器43是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的中央处理器(CentralProcessing Unit,CPU)、随机存取内存(Random Access Memory,RAM)、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、定时器和多种输入/输出(Input/Output,I/O)接口中的至少一种集成在一片芯片上,形成的芯片级的计算机。微处理器43用于执行计算工作,支持对零功耗节点设备中的其他器件进行逻辑控制。
可选的,微处理器43包括:无片内ROM型和带片内ROM型。微处理器43按其存储器类型,可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。其中,无片内ROM型指的是微处理器43内未集成有存储器,可外接存储器;带片内ROM型指的是微处理器43内集成有存储器。其中,在如图5所示的结构中,微处理器43是一种无片内ROM型的微处理器,外接有存储器49。
在本申请实施例中,对于微处理器43的需求有两点,一是低功耗,二是低电压。
其中,微处理器43的低功耗需求是为了满足零功耗节点设备的低功耗需求,从而在零功耗节点设备不具备供电电源的情况下,整个设备也能依靠能量收集的方式维持正常的工作。可选的,为了满足微处理器43的低功耗需求,可以通过如下方式中的至少一种以降低功耗:降低工作模式时的功秏、减少休眠模式的功秏、以及缩短由休眠到工作的唤醒时间。低功耗需求决定了零功耗节点设备的反应速度,低功耗需求越高,零功耗节点设备的反应速度越慢。
微处理器43的低电压需求直接决定了整个零功耗节点设备的读取距离。每个微处理器43都有其最低要求的最小电压,将输入微处理器43的电压增高至微处理器43要求的最小电压即可增长读取距离。示例性的,零功耗节点设备通过能量收集装置41收集能量,当收集的能量达到触发阈值时,通过触发一个升压器件达到升压,本申请实施例对升压器件的具体实现形式不进行限定。
编码器47
编码器47的输入端与微处理器43的输出端相耦合,编码器47的输出端与天线44相耦合。
编码器47是用于利用反向散射技术,进行信号反射的器件。编码器47可以理解为一个反向散射发射机。编码器47利用反向散射技术,通过改变天线44的RCS实现对信号的编码。可选的,编码器47所需的电量来自于能量管理装置42。即:能量管理装置42对编码器47进行供电。
可选的,编码器47包括:三级管471。其中,三级管471的基极与微处理器43的输出端相耦合,三级管471的集电极与天线44相耦合,三极管471的发射极接地。
结合参考图11,图11示出了一个示例性示例提供的编码器的结构示意图。
如图11中的(a)所示,微处理器43与天线44之间存在一个三级管471,微处理器43对三极管471进行控制,通过施加电压信号使得三极管471达到开、关的效果。当三极管471为开路时,天线44正常工作;当三极管471处于通路时,天线44相当于被短路。
可选的,编码器47包括:三极管471和电压控制振荡器(Voltage ControlledOscillator,VCO)472。其中,电压控制振荡器472的输入端与微处理器43的输出端相耦合,电压控制振荡器472的输出端与三极管471的基极相耦合。
不同场景下的反向散射通信可能对信号的速率有不同的要求,例如,在需要尽量降低通信的时延的情况下,微处理器43需要支持较高的速率。如果微处理器43本身不能支持很高的速率,可以采用外接电压控制振荡器472的形式。采用电压控制振荡器472的编码器47可支持传输速率更高的无线通讯协议,如:蓝牙,WIFI,ZigBee等等,传输速率更高的无线通讯协议可以理解为是在该无线通讯协议下,信号的速率高于某一个阈值。如图11中的(b)所示,在微处理器43与天线44之间,依次连接有电压控制振荡器472和三级管471。
解码器46
解码器46的输入端与能量收集装置41的输出端相耦合,解码器46的输出端与微处理器43的输入端相耦合。
解码器46是用于对接收到的射频信号进行解码的器件,解码器46也可以理解为接收机。解码器46可以将解码后的信号发送至微处理器43,由微处理器43对解码后的信号进行处理。可选的,解码器46所需的电量来自于能量管理装置42。即:能量管理装置42对解码器46进行供电。
在本申请实施例中,如果零功耗节点设备的主要是一个用于发射广播(broadcast)的设备,那么本着降低硬件结构的复杂度,以及降低功耗的目的,在零功耗节点设备中可以不包括解码器46。
可选的,解码器46与编码器47采用相同的编解码方式;或,解码器46与编码器47采用不同的编解码方式。
在编码器47采用比较复杂的无线编码方式的情况下,解码器46可以不需要采用与该无线编码方式对应的无线解码方式,即:解码器46与编码器47采用不同的编解码方式。如果采用复杂的解码器46,会极大增加功耗,这违背了零功耗节点设备低功耗的需求。
示例性的,编码器47可以对反射信号采用符合蓝牙标准协议的高斯频移键控(Gauss Frequency Shift Keying,GFSK)进行编码,解码器46则接收基于幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK),或频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)的私有协议编码的信号。
图12示出了一个示例性实施例提供的解码器的示意图。解码器包括:一个对比器(comparator)461和一个电平转移器(level translator)462。
对比器461与电平转移器462串联,且对比器461外接能量收集装置41的输出端,电平转移器462外接微处理器43的输入端。其中,Vout为能量收集装置41传递过来的直流电压对应的射频信号,对比器461用于对该射频信号进行解码,得到解码后的信号。电平转移器462用于对解码后的信号进行电压转换,从而输出比特流,输出的比特流将由微处理器43进行处理。
传感器48
传感器48与微处理器43相耦合。
传感器48(Sensor)是用于检测环境中的事件或变化的器件。根据传感器48的基本感知功能,可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等等,本申请实施例对传感器48的类型不进行限制。
零功耗节点设备可选择性的增加一个或多个传感器48。传感器48在零功耗节点设备中的连接如图5所示,传感器48与微处理器43和能量管理装置相连42。
可选的,传感器48所需的电量来自于能量管理装置42。即:能量管理装置42对传感器48进行供电。
可选的,传感器48的控制以及信息传送由微处理器43完成。即:微处理器43对传感器48进行逻辑控制。传感器48在检测环境中的事件或变化时,将检测所得到的信息发送给微处理器43。
可选的,传感器48是低功耗传感器。低功耗传感器是一种所需功耗较低的传感器,低功耗传感器用以满足零功耗节点设备的整体的低功耗需求。如,传感器48采用温度传感器,或者,湿度传感器。
存储器49
存储器49与微处理器43相耦合。
存储器49是用于对来自微处理器43的数据进行存储的器件。
一般的微处理器43都含有集成存储器,即微处理器43是带片内ROM型的微处理器。微处理器43是带片内ROM型的微处理器时,微处理器43的功耗较大,为了降低微处理器43的功耗,可以使用一种外挂式的存储器49的形式。即:将微处理器43更改为无片内ROM型的微处理器,微处理器43使用外挂式的存储器49。外挂式的存储器49在零功耗节点设备中的连接如图5所示,存储器49与微处理器43和能量管理装置42相连。
可选的,存储器49为带电可擦可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory,EEPROM)。EEPROM是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。
可选的,存储器49所需的电量来自于能量管理装置42。即:能量管理装置42对存储器49进行供电。
可选的,存储器49的控制以及数据交换由微处理器43完成。即:微处理器43对存储器49进行逻辑控制。
在基于图4的可选实施例中,图13示出了本申请一个示例性实施例提供的零功耗节点设备的工作方法的流程图。零功耗节点设备包括:能量收集装置、能量管理装置和微处理器,该方法包括:
步骤1310,能量收集装置进行射频信号对应的射频能量的收集,并将射频能量转化为直流电压。
可选的,能量收集装置包括倍压器,倍压器包括:一阶倍压器,或,由一阶倍压器级联而成的多级倍压器。
步骤1320,能量管理装置对直流电压进行检测,将直流电压转化为稳定电压。
可选的,能量管理装置包括:电容、电压检测器和稳压器。其中,电容对对直流电压对应的射频能量进行存储;电压检测器将直流电压与激活电压进行比较,从而确定是否唤醒微处理器;稳压器将直流电压转化为稳定电压进行输出。
步骤1330,微处理器在稳定电压的供电下,执行计算工作。
在一个可选的实施例中,零功耗节点设备还包括天线,天线接收并传递外界的射频信号。天线采用阻抗共轭匹配的匹配方式与能量收集装置进行阻抗匹配。
在一个可选的实施例中,零功耗节点设备还包括阻抗匹配网络,阻抗匹配网络为天线和能量管理装置之间进行阻抗匹配。阻抗匹配网络是采用分立器件的阻抗匹配网络。
在一个可选的实施例中,零功耗节点设备还包括:编码器,编码器根据微处理器的控制,通过天线进行信号反射。编码器包括:三极管,或,三极管和电压控制振荡器。其中,电压控制振荡器调整输出的反射信号的速率,三极管在微处理的控制下,通过天线进行信号反射。
在一个可选的实施例中,零功耗节点设备还包括:解码器,解码器对射频信号进行解码。解码器包括:对比器和电平转移器。其中,对比器对直流电压对应的射频信号进行解码,输出解码后的信号,电平转移器对解码后的信号进行电压转化。
在一个可选的实施例中,零功耗节点设备还包括:传感器,传感器对零功耗节点设备所处环境中的事件或变化进行检测。
在一个可选的实施例中,零功耗节点设备还包括:存储器,存储器对微处理器的计算工作所产生的数据进行存储。
综上所述,本实施例提供的方法,零功耗节点设备可以包括:能量收集装置、能量管理装置和微处理器,零功耗节点设备中的能量收集装置可以收集射频能量,再经由能量管理装置输出稳定电压,输出的稳定电压可以对零功耗节点设备中的其他器件(如微处理器)供电,从而零功耗节点设备在工作时无需携带供电电源,使得零功耗节点设备支持长久的待机时间,降低了零功耗节点设备的维护成本。
同时,本实施例提供的方法,零功耗节点设备还可以包括外接的传感器,传感器可以对零功耗节点设备所处的环境进行监测,将数据与微处理器进行交互,使得零功耗节点设备可以获知环境中的信息,拓展了零功耗节点设备的性能。
本领域技术人员应该可以意识到,在上述一个或多个示例中,本申请实施例所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时,可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质,其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
以上所述仅为本申请的可选实施例,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种零功耗节点设备,其特征在于,所述零功耗节点设备包括:能量收集装置、能量管理装置、微处理器、天线和编码器;
所述编码器的输入端与所述微处理器的输出端相耦合,所述编码器的输出端与所述天线相耦合;
所述天线与所述能量收集装置的输入端相耦合;
所述能量管理装置包括:电容、电压检测器和稳压器,所述电容、所述电压检测器和所述稳压器并联连接;
其中,所述能量收集装置的输出端与所述电容的输入端、与所述电压检测器的输入端、与所述稳压器的输入端相耦合;所述微处理器的输入端与所述电压检测器的输出端、与所述稳压器的输出端相耦合;所述电容的输出端接地。
2.根据权利要求1所述的零功耗节点设备,其特征在于,
所述天线采用阻抗共轭匹配的匹配方式与所述能量收集装置进行阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的零功耗节点设备,其特征在于,所述零功耗节点设备还包括:阻抗匹配网络;
所述阻抗匹配网络的输入端与所述天线相耦合,所述阻抗匹配网络的输出端与所述能量收集装置的输入端相耦合。
4.根据权利要求3所述的零功耗节点设备,其特征在于,
所述阻抗匹配网络是采用分立器件的阻抗匹配网络。
5.根据权利要求1所述的零功耗节点设备,其特征在于,所述编码器包括:三级管;
所述三级管的基极与所述微处理器的输出端相耦合,所述三级管的集电极与所述天线相耦合,所述三极管的发射极接地。
6.根据权利要求5所述的零功耗节点设备,其特征在于,所述编码器还包括:电压控制振荡器;
所述电压控制振荡器的输入端与所述微处理器的输出端相耦合,所述电压控制振荡器的输出端与所述三极管的基极相耦合。
7.根据权利要求1所述的零功耗节点设备,其特征在于,所述零功耗节点设备还包括:解码器;
所述解码器的输入端与所述能量收集装置的输出端相耦合,所述解码器的输出端与所述微处理器的输入端相耦合。
8.根据权利要求7所述的零功耗节点设备,其特征在于,
所述解码器采用与编码器不同的编解码方式。
9.根据权利要求1所述的零功耗节点设备,其特征在于,所述零功耗节点设备还包括:存储器;
所述存储器与所述微处理器相耦合。
10.根据权利要求1所述的零功耗节点设备,其特征在于,所述零功耗节点设备还包括:传感器;
所述传感器与所述微处理器相耦合。
11.一种零功耗节点设备的工作方法,其特征在于,所述零功耗节点设备是如权利要求1至10任一所述的零功耗节点设备,所述零功耗节点设备包括:能量收集装置、能量管理装置、微处理器、天线和编码器,所述方法包括:
所述天线用于接收并传递外界的射频信号;
所述能量收集装置进行所述射频信号对应的射频能量的收集,并将所述射频能量转化为直流电压;
所述能量管理装置对所述直流电压进行检测,将所述直流电压转化为稳定电压;
所述微处理器在所述稳定电压的供电下,执行计算工作;
所述编码器用于根据所述微处理器的控制,通过所述天线进行信号反射。
12.一种零功耗系统,其特征在于,所述零功耗系统至少包括:零功耗节点设备,所述零功耗节点设备是如权利要求1至10任一所述的零功耗节点设备。
13.根据权利要求12所述的零功耗系统,其特征在于,所述零功耗系统还包括读卡器,所述读卡器集成于智能终端中。
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