CN114722987A - 一种无源AIoT节点的实现方法及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明一种无源AIoT节点的实现方法及芯片，能量采集/存储模块始终处于工作状态，其采集弥散在周边环境中的2.4GHz频点的射频信号能量并进行存储；节点处于低功耗待机状态；当接收到唤醒频段信号后，电源管理模块将电能转换为不同电压值的电压供构成节点的各个模块使用；射频前端模块接收信号进行协议处理和存储后输入微处理器进行处理并对外发送信号；当微处理器在预设时间内没有接收到信号时，该节点进入低功耗待机状态。本发明一种无源AIoT节点的实现方法及芯片，利用现有2.4GHz频段电磁波实现供电，不但实现了无源结构，且提高了对能源的利用率。

Description

一种无源AIoT节点的实现方法及芯片
技术领域
本发明涉及一种超低功耗物联网节点芯片的实现方法及芯片，尤其是涉及一种通过采集电磁能量转换为电源的无源方式的物联网节点芯片实现方式，属于射频集成电路与系统领域。
背景技术
人工智能（AI）和物联网（IoT）的融合技术智能物联网（AIoT）是目前的热点研究方向。智能物联网的终端节点根据是否需要外部电源供电，可以分为无源、半有源和有源三类。其中半有源通常采用低频信号激活后用高频传输数据，仍然需要外部电源供电，因此本质上仍属于有源。
相对于无需供电的无源节点，有源节点需要额外的电池供电，增加了成本和体积，其使用寿命也严重依赖于电池。另外，对很多恶劣的应用环境，例如高温、低温、潮湿环境等，带电池的有源节点适应性较差，可能出现故障甚至引发事故。
而RFID标签作为一种无源节点能够避免有源节点的上述缺点，但也因为没有电源供电，需要从读写器端提供的载波中获取能量，限制了读取距离，同时由于读写器需要发送的功率较大，相应的功耗和体积也会很大，只能通过专用的设备进行实现，难以集成到手机等小型终端，也极大的限制了其应用场景。
同时，如今最广泛应用的蓝牙，ZigBee，LoRa和WiFi等无线通信系统，都集中在2.4GHz频段附近，使得2.4GHz频点射频信号分布非常密集，尤其是手机、电脑、智能家电产品等已集成了各种2.4Ghz软硬件，使用更为便捷。但是传统的2.4GHz通信系统都只是用该频段进行通信，绝大部分的能量被浪费，利用效率较低。
综上所述，本专利公开了一种采集2.4GHz频段电磁波为低功耗AIoT节点实现无源供电的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种无源AIoT节点的实现方法及芯片，无需配备电池等供电单元，利用现有2.4GHz频段电磁波实现供电，不但实现了无源结构，且提高了对能源的利用率。
本发明的目的是这样实现的：
一种无源AIoT节点的实现方法：
能量采集/存储模块始终处于被动接收状态，其采集弥散在周边环境中的2.4GHz频点的射频信号能量并进行存储；
节点除能量采集/存储模块外的其余模块均处于低功耗待机状态；
当接收到唤醒频段信号后，电源管理模块将能量采集/存储模块存储的电能转换为不同电压值的电压供构成节点的各个模块使用；
射频前端模块接收信号进行协议处理和存储后输入微处理器进行处理并对外发送信号；
当微处理器在预设时间内没有接收到信号时，该节点进入低功耗待机状态。
优选的，节点的电源管理模上预留电源接口进行扩展。
优选的，唤醒频段信号的频段和射频前端模块的接收信号的频段非2.4GHz频段。
优选的，唤醒频段信号的频段与射频前端模块的接收信号的频段一致。
优选的，唤醒频段信号的频段为与射频前端模块的接收信号的频段不一致的单独频段。
一种无源AIoT节点芯片，芯片包含有：
能量采集/存储模块，该模块内置或外接天线，该天线用于接收外部2.4GHz频点的射频信号的辐射能量，该辐射能量经整流滤波后输入模块内部的储能单元存储；
休眠/唤醒模块，用于接收特定频率的射频信号以唤醒电源管理模块（104）开始供电；
射频前端模块，用于和外部通信交换数据；
基带/协议处理模块，用于处理各种通信协议；
存储单元，用于存储节点信息；
MCU及接口模块，用于发送内部指令控制各种模块工作状态，并提供外部扩展接口。
优选的，储能单元为超级电容或可充电电池。
优选的，所述芯片还包含有外部供电模式，外部供电模式与电源管理模块预留外部充电接口相连接，用于外部电能的输入。
优选的，所述芯片还包含有电源管理模块，对能量采集/存储模块存储的电能进行管理并产生不同的内部电压对射频前端模块、基带/协议处理模块、存储单元和MCU及接口模块进行供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实现了AIoT节点的无源模式，且利用现有环境中广泛存在的2.4GHz频段电磁波对节点进行供电，提高了对能源的利用率。
附图说明
图1为本发明一种无源AIoT节点芯片的电路实现原理框图。
图2为本发明一种无源AIoT节点芯片中能量采集/存储模块的原理框图。
其中：
能量采集/存储模块101、外部供电模式102、休眠/唤醒模块103、电源管理模块104、射频前端模块105、基带/协议处理模块106、存储单元107、MCU及接口模块108。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明涉及一种无源AIoT节点的实现方法，该方法基于一种无源AIoT节点芯片，该芯片包含有：
能量采集/存储模块101，该模块内置或外接天线，该天线用于接收外部2.4GHz频点的射频信号的辐射能量，该辐射能量经整流滤波后输入模块内部的储能单元存储。储能单元为超级电容或可充电电池。
外部供电模式102，电源管理模块104预留外部充电接口，用于兼容其它形式的外部能源，例如光伏发电模块，运动、震动、按压等机械能形式的能量转化为电能的充电装置，同时，作为一个外部电源接口，还起到兼容外部供电的有源模式。
电源管理模块104，对能量采集/存储模块101存储的电能进行管理并通过升压电路或分压电路产生不同的内部电压，以便根据具体需求分配给不同的内部模块进行供电。
休眠/唤醒模块103，用于接收特定频率的射频信号以唤醒电源管理模块104开始供电，其余时间处于低功耗待机状态；该唤醒平率可以采用和射频前端模块105相同的频段，以便在接收到处理信号的同时就能够唤醒，或者也可采用单独的唤醒频段作为特定唤醒信号。
射频前端模块105，用于和外部通信交换数据，包括但不限于接受外部指令，变频、放大、响应和发送数据。
基带/协议处理模块106，用于处理各种通信协议。包括但不限于标准蓝牙、低功耗蓝牙、WiFi、LoRa、以及各种私有协议。
存储单元107，用于存储节点信息，包括但不限于身份标识，动态信息。
MCU及接口模块108，用于发送内部指令控制各种模块工作状态，并提供外部扩展接口等。
另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无源AIoT节点的实现方法，其特征在于：
能量采集/存储模块始终处于工作状态，其采集弥散在周边环境中的2.4GHz频点的射频信号能量并进行存储；
节点除能量采集/存储模块外的其余模块均处于低功耗待机状态；
当接收到唤醒频段信号后，电源管理模块将能量采集/存储模块存储的电能转换为不同电压值的电压供构成节点的各个模块使用；
射频前端模块接收信号进行协议处理和存储后输入微处理器进行处理并对外发送信号；
当微处理器在预设时间内没有接收到信号时，该节点进入低功耗待机状态。
2.根据权利要求1所述一种无源AIoT节点的实现方法，其特征在于：节点的电源管理模上预留电源接口进行扩展。
3.根据权利要求1所述一种无源AIoT节点的实现方法，其特征在于：唤醒频段信号的频段和射频前端模块的接收信号的频段非2.4GHz频段。
4.根据权利要求3所述一种无源AIoT节点的实现方法，其特征在于：唤醒频段信号的频段与射频前端模块的接收信号的频段一致。
5.根据权利要求3所述一种无源AIoT节点的实现方法，其特征在于：唤醒频段信号的频段为与射频前端模块的接收信号的频段不一致的单独频段。
6.一种无源AIoT节点芯片，其特征在于：芯片包含有：
能量采集/存储模块（101），该模块内置或外接天线，该天线用于接收外部2.4GHz频点的射频信号的辐射能量，该辐射能量经整流滤波后输入模块内部的储能单元存储；
休眠/唤醒模块（103），用于接收特定频率的射频信号以唤醒电源管理模块（104）开始供电；
射频前端模块（105），用于和外部通信交换数据；
基带/协议处理模块（106），用于处理各种通信协议；
存储单元（107），用于存储节点信息；
MCU及接口模块（108），用于发送内部指令控制各种模块工作状态，并提供外部扩展接口。
7.根据权利要求6所述一种无源AIoT节点芯片，其特征在于：储能单元为超级电容或可充电电池。
8.根据权利要求6所述一种无源AIoT节点芯片，其特征在于：所述芯片还包含有外部供电模式（102），外部供电模式（102）与电源管理模块（104）预留外部充电接口相连接，用于外部电能的输入。
9.根据权利要求6所述一种无源AIoT节点芯片，其特征在于：所述芯片还包含有电源管理模块（104），对能量采集/存储模块（101）存储的电能进行管理并产生不同的内部电压对射频前端模块（105）、基带/协议处理模块（106）、存储单元（107）和MCU及接口模块（108）进行供电。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024055532A1 (zh) * 2022-09-13 2024-03-21 深圳市每开创新科技有限公司 无源电子设备、微能源采集方法及储能方法

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