CN115037058A - 一种基于rtos的自适应无线携能接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RTOS的自适应无线携能接收装置，该装置包括：自适应任务控制模块、能量模块、信息模块、反馈模块和显示模块；自适应任务控制模块创建各个模块任务，提供多任务调度机制，控制能量模块中的能量监测任务；控制信息模块中的信息解调任务；控制显示模块中的显示任务；控制反馈模块中的反馈任务，控制反馈模块反馈信息；反馈模块分别与信息模块和能量模块相连接，将储能情况和实际接收功率反馈给携能发射端，完成波束对准；信息模块对基带携能信号行采集和信息解调，并与显示模块相连接；显示模块实时显示管理信息；本发明可实现对携能信号的解调显示、自适应能量管理，以及多任务运行。

Description

一种基于RTOS的自适应无线携能接收装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于RTOS的自适应无线携能接收装置。

背景技术

无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)结合无线信息传输(Wireless Information Transfer,WIT)技术和无线功率传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术，即无线设备在进行信息交互的同时，传输能量。SWIPT技术减小了无线设备对电池的依赖，解决了使用电池供电带来的更换成本问题，因此在物联网(Internet of Things,IoT)场景下具有巨大的应用潜力。

能量资源有限是所有无线设备不可避免的问题，也是WPT技术和SWIPT技术出现的缘由。尽管有很多能量再生的方式比如太阳能、风能充电等等，但搭载在IOT设备上成本高、占用空间大、环境要求高，不能有效解决问题。WPT和SWIPT是在供能角度提供的新的解决方法，同理，在耗能角度也有解决优化方案。为了减少能量的浪费，大多数无线设备都需要能量管理模块，一种自适应的能量管理方法将成为关键技术。

无线携能通信系统在发射端发出携能射频信号，在接收端，为实现信息解调和能量接收，无线携能接收装置的设计是非常必要的。无线携能接收机在完成信息解调和能量接收任务以外，通常还需要完成反馈等其他任务，为了实现多任务运行，提高接收机的稳定性和适应性，在无线携能接收机上搭建实时操作系统(Real Time Operating System,RTOS)也尤为重要。

目前对SWIPT的研究主要集中在无线携能系统的性能优化方面，在理论仿真层面进行验证，鲜有将技术落地做出实物。一个无线携能接收装置需要同时具有信息解调功能和能量接收功能，此外当能量来源于携能信号时，能量的有限紧缺将成为接收装置不可避免的问题，提出一种能量管理方案变得至关重要。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于RTOS的自适应无线携能接收装置，本发明可实现对携能信号的解调显示、自适应能量管理，以及多任务运行。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于RTOS的自适应无线携能接收装置，包括：自适应任务控制模块、能量模块、信息模块、反馈模块和显示模块；

所述自适应任务控制模块分别与能量模块、信息模块、反馈模块和显示模块连接，所述自适应任务控制模块基于FreeRTOS实时内核创建各个模块任务，提供多任务调度机制，控制能量模块中的能量监测任务，实时监测能量存储情况，通过能量模块反馈的功耗情况，自适应调整各个模块任务，管理任务优先级，调整功耗；控制信息模块中的信息解调任务；控制显示模块中的显示任务；控制反馈模块中的反馈任务，控制反馈模块反馈信息；

所述能量模块用于采集自由空间携能信号携带的能量，并存储在储能元件中；

所述反馈模块分别与信息模块和能量模块相连接，用于将储能元件的储能情况反馈给携能发射端，将实际接收功率反馈给携能发射端，完成波束对准；

所述信息模块用于对基带携能信号行采集和信息解调，并与显示模块相连接；

所述显示模块用于实时显示管理信息，所述管理信息包括：自适应无线携能接收装置的工作状态、信息解调结果和储能情况。

作为优选的技术方案，自适应任务控制模块控制信息模块中的信息解调任务，通过FreeRTOS实时内核的硬定时延时的方法提供采样时刻，为信息的解调提供条件。

作为优选的技术方案，自适应任务控制模块利用FreeRTOS实时内核实现对能力模块的储能元件的实时监测。

作为优选的技术方案，所述能量模块包括能量存储子模块和能量监视器子模块，所述能量存储子模块用于对无线携能射频信号进行能量收集，并将能量存储在储能元件中，所述能量监视子模块用于对储能元件储能情况进行监视任务，并将监视情况传递给自适应任务控制模块。

作为优选的技术方案，所述能量模块通过对射频携能信号进行整流滤波处理，将模拟射频信号转为模拟基带信号，将模拟基带信号传输至信息模块，并与能量储能元件相连接，实现能量收集。

作为优选的技术方案，信息模块在自适应任务控制模块的控制下，在ADC1采样端口获得基带携能信号的采样值，进而获得基带信号中的信息；

通过采样值计算实际接收功率，并通过反馈模块反馈给携能发射端，完成波束对准。

作为优选的技术方案，所述信息模块包括滤波子模块、同步子模块、数据解码子模块；

信息模块在任务控制模块控制下，依据参考电平，对当前时刻基带信号进行采样，并转化为实际电平；

滤波子模块对转化结果进行滤波处理，得到高信噪比的信号，并计算实际接收功率；

同步子模块对数字基带信号进行同步处理，获得同步信号；

数据解码子模块将同步信号依据判决门限进行判决，获得判决结果，并进行帧头检测；

若帧头被检测到，则存储后续时刻的判决结果，对帧数据译码，获得无线携能发射端发送的信息内容，若未检测到帧头，则继续获得下一时刻信号，持续帧头检测。

作为优选的技术方案，自适应任务控制模块根据能量模块实时监测的能量存储情况，提供能量管理方案，具体包括：

自适应任务控制模块通过能量监测任务获得实时能量存储情况，依据存储能量值决定各个任务的运行情况；

当存储能量值高于信息解调任务能量门限时，信息解调任务将处于就绪状态，等待任务调度器调度运行；否则挂起信息解调任务；

当存储能量值高于反馈任务能量门限时，反馈任务将处于就绪状态；

当存储能量值高于显示任务能量门限时，显示任务将处于就绪状态；

当存储能量值低于掉电保护门限时，挂起所有任务，进入低功耗模式，提供掉电安全保护功能。

作为优选的技术方案，自适应任务控制模块还为信息模块的解调任务提供能量管理方案，具体包括：

当能量模块监测到无线携能接收设备存储能量Q高于任务恢复阈值，则恢复所有被挂起任务；

当监测到存储能量低于信息模块完成解调任务的能量阈值时，继续判断能量是否低于最低安全阈值，如若低于安全阈值则挂起所有任务，进入低功耗模式，等待能量存储，否则继续判断是否正在完成信息解调任务，即判断当前时刻是否检测到帧头，若已检测到帧头，降低功耗，完成解调任务。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明自适应任务控制模块基于RTOS操作系统实现，选用FreeRTOS实时内核，FreeRTOS做为主流的RTOS操作系统，具有高可靠性、高实时性、低功耗和小型可扩展可裁剪等特点。

(2)本发明自适应任务控制模块控制信息模块中信息解调任务，通过硬定时延时的方法提供准确的采样时刻，为信息的正确解调提供条件，还为信息模块的解调任务提供能量管理方案，在解调任务遇到能量不足时，保证解调任务正常运行。

(3)本发明反馈模块实现信息反馈，反馈信息包括信息模块中计算得到的实际接收功率信息和能量模块中采样得到的储能情况信息，实际接收功率的反馈在无线发射端进行波束赋形时发挥作用，波束扫描时反馈实时接收功率，通过波束改变方向和功率变化情况，从而判断接收装置方位，进而完成波束对准，大大提高信能传输效率；储能情况信息用于发射端调整发射功率，以及携能信号偏置比，当接收装置储能不足时，增加发射功率从而提高储能速率；反之，当接收装置储能充足时，可以减少发射功率节约电能。

附图说明

图1为本发明基于RTOS的自适应无线携能接收装置的结构框架示意图；

图2为本发明自适应任务控制模块根据能量存储情况的能量管理流程示意图；

图3为本发明为信息模块的解调任务提供能量管理的流程示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例提供一种基于RTOS的自适应无线携能接收装置，包括：自适应任务控制模块、能量模块、信息模块、反馈模块和显示模块；

自适应任务控制模块在内核中创建无线携能装置中各个模块任务，并提供具体的任务调度机制，实现多任务运行。自适应任务控制模块控制能量模块中能量监测任务，实时监测能量存储情况，通过能量模块反馈的装置功耗情况，自适应调整接收装置各类任务，管理任务优先级，调整接收装置功耗；控制信息模块中信息解调任务，通过硬定时延时的方法提供准确的采样时刻，为信息的正确解调提供条件；控制显示模块中的显示任务，实时反映接收装置的工作状态；控制反馈模块中的反馈任务，控制蓝牙模块反馈信息。

本实施例的自适应任务控制模块使用FreeRTOS实时内核，提供多任务调度机制，创建无线携能装置中各个模块任务，包括信息采样解调任务、能量监视任务、蓝牙反馈任务、LCD显示任务等任务，在确保解调任务完成下，实现多任务调度。本实施例自适应任务控制模块基于RTOS操作系统实现，选用FreeRTOS实时内核，FreeRTOS做为主流的RTOS操作系统，具有高可靠性、高实时性、低功耗和小型可扩展可裁剪等特点。

本实施例的自适应任务控制模块利用FreeRTOS实时内核的硬定时延时功能准确控制信息模块的采样时刻，还利用FreeRTOS实时内核实现对能量模块的储能元件的实时监测，自适应任务控制模块根据能量模块实时监测的能量存储情况，提供能量管理方案，自适应控制装置功率，调整能耗。自适应任务控制模块还为信息模块的解调任务提供特定的能量管理方案，在解调任务遇到能量不足时，尽可能保证解调任务正常运行。

如图2所示，自适应任务控制模块为无线携能接收装置提供能量管理方案，自适应任务控制模块通过能量监测任务获得实时能量存储情况，依据存储能量Q值决定各个任务的运行情况。当存储能量Q高于信息解调任务能量门限Q1时，信息解调任务将处于就绪状态，等待任务调度器调度运行；反之，则挂起信息解调任务。当存储能量Q高于反馈任务能量门限Q2时，反馈任务将处于就绪状态；当存储能量Q高于显示任务能量门限Q3时，显示任务将处于就绪状态，当存储能量Q低于掉电保护门限Q4时，挂起所有任务，进入低功耗模式，提供掉电安全保护功能。

如图3所示，自适应任务控制模块为信息模块提供能量管理方案，当能量模块监测到无线携能接收设备存储能量Q高于任务恢复阈值Q5，即存储能量充足时，解除低功耗模式，恢复所有被挂起任务，无线携能接收装置全速运行。当监测到存储能量Q低于信息模块完成解调任务的能量阈值Q1时，继续判断能量是否低于最低安全阈值Q4，如若低于安全阈值Q4则挂起所有任务，进入低功耗模式，等待能量存储；否则继续判断是否正在完成信息解调任务，即判断当前时刻是否检测到帧头。若已检测到帧头，即正在完成解调任务时能量不足，则挂起其余任务，降低接收装置功耗，尽可能完成解调任务。最后判断是否需要调用显示模块中的显示任务，若解调完成需要调用，则恢复该任务。本实施例能量管理方案只是其中一种选择，可针对不同任务制定类似的能量管理方案，从而保证特定任务的执行。

本实施例的能量模块用于收集自由空间携能信号携带的能量，并存储在储能元件中，同时在自适应任务控制模块的控制下，实时监测储能元件的储能情况，完成对能量模块中储能元件工作情况的监视并通过反馈模块反馈给携能发射端，便于调整发射功率，并自适应调整携能接收机功耗；

能量模块包括能量存储子模块和能量监视器子模块，能量存储子模块实现对无线携能射频信号的能量收集，并将能量存储在储能元件中。能量监视子模块完成对储能元件储能情况的监视任务，并将监视情况传递给自适应任务控制模块。

本实施例的能量模块通过对接收天线得到的射频携能信号进行整流滤波处理，将模拟射频信号转为模拟基带信号，并与能量储能元件相连接，实现能量收集；另一方面，模拟基带信号也提供给信息模块，信息模块在自适应任务控制模块的控制下，在一个ADC1采样端口获得基带携能信号的采样值，进而获得基带信号中的信息。进一步地，通过采样值计算实际接收功率，并通过反馈模块反馈给携能发射端，便于完成波束对准。本发明设计的无线携能接收装置能够实现多任务控制、信息传输和能量收集管理，具有高可靠性、高稳定性等优点。

在本实施例中，能量模块通过接收天线将自由空间的射频携能信号进行接收，提取信号能量存储在储能元件中，同时将电路中的基带携能信号分量传递给信息模块，以便后续完成信息解调。接收装置通过特定的12位ADC1采样端口实时监测储能元件电压，获得当前时刻的实际储能情况，根据储能公式

计算获得当前时刻存储的能量Q值，通过记录间隔时刻的存储能量，可根据公式

计算得到平均功率P。其中C为存储元件的电容值，U为储能元件两端电压值。存储能量Q值传输至反馈模块，以便发射端调整发射功率及携能信号偏置比；存储能量Q值传输至自适应控制模块，以便接收装置进行能量管理决策。

信息模块用于在自适应任务控制模块的控制下，对基带携能信号进行采集和信息解调，并与显示模块相连接，显示解调结果。

信息模块通过ADC2采样端口，在自适应任务控制模块的控制下，完成对基带携能信号的采样。基带携能信号由能量模块的信号分量提供。ADC2的输入范围从0到3.3V，基于此将采样值转化为实际采样电平。采样模式采用单次转换模式，对当前时刻采样值依次进行数字滤波、同步、帧头检测和数据解码工作，最终完成携能信号的信息解调，并传递给显示模块完成LCD显示。同时，解调过程中计算接收装置实际接收功率，并传输至反馈模块。

在本实施例中，信息模块对携能基带信号进行信息解调，获得基带信号的信息，计算实际接收功率；信息模块包括：滤波子模块、同步子模块、数据解码子模块；信息模块通过各个子模块依次连接，实现了对无线携能信号的解调显示功能。

在任务控制模块控制下，依据参考电平，对当前时刻基带信号进行采样，并转化为实际电平；滤波子模块对转化结果进行滤波处理，得到高信噪比的信号，并计算实际接收功率；同步子模块对数字基带信号进行同步处理，获得同步信号；数据解码子模块将同步信号依据判决门限进行判决，获得判决结果，并进行帧头检测；若帧头被检测到，则存储接下来时刻的判决结果，对帧数据译码，获得无线携能发射端发送的信息内容。若未检测到帧头，则继续获得下一时刻信号，持续帧头检测。

反馈模块分别与信息模块和能量模块相连接，用于反馈实际接收功率和能量存储情况，并反馈无线携能发射端。

反馈模块包括接收功率反馈子模块和储能状态反馈子模块。其中，接收功率由信息模块计算获得，储能状态由能量模块中能量监视器子模块获得。

反馈模块通过通过外设反馈设备，如天线模块或蓝牙模块与发射端建立连接，实现信息反馈。反馈信息包括信息模块中计算得到的实际接收功率信息和能量模块中采样得到的储能情况信息，实际接收功率的反馈在无线发射端进行波束赋形时发挥作用，波束扫描时反馈实时接收功率，通过波束改变方向和功率变化情况，从而判断接收装置方位，进而完成波束对准，大大提高信能传输效率；储能情况信息用于发射端调整发射功率，以及携能信号偏置比。当接收装置储能不足时，增加发射功率从而提高储能速率；反之，当接收装置储能充足时，可以减少发射功率节约电能。

显示模块用于显示接收装置实时工作状态。显示模块由指定I/O端口连接外设LCD显示屏实现，可由使用者自主选择开启或在自适应任务控制模块能量管理决策下完成必要信息显示，如信息解调结果，能量存储情况和工作状态等等。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，包括：自适应任务控制模块、能量模块、信息模块、反馈模块和显示模块；

所述自适应任务控制模块分别与能量模块、信息模块、反馈模块和显示模块连接，所述自适应任务控制模块基于FreeRTOS实时内核创建各个模块任务，提供多任务调度机制，控制能量模块中的能量监测任务，实时监测能量存储情况，通过能量模块反馈的功耗情况，自适应调整各个模块任务，管理任务优先级，调整功耗；控制信息模块中的信息解调任务；控制显示模块中的显示任务；控制反馈模块中的反馈任务，控制反馈模块反馈信息；

所述能量模块用于采集自由空间携能信号携带的能量，并存储在储能元件中；

所述反馈模块分别与信息模块和能量模块相连接，用于将储能元件的储能情况反馈给携能发射端，将实际接收功率反馈给携能发射端，完成波束对准；

所述信息模块用于对基带携能信号行采集和信息解调，并与显示模块相连接；

所述显示模块用于实时显示管理信息，所述管理信息包括：自适应无线携能接收装置的工作状态、信息解调结果和储能情况。

2.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，自适应任务控制模块控制信息模块中的信息解调任务，通过FreeRTOS实时内核的硬定时延时的方法提供采样时刻，为信息的解调提供条件。

3.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，自适应任务控制模块利用FreeRTOS实时内核实现对能力模块的储能元件的实时监测。

4.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，所述能量模块包括能量存储子模块和能量监视器子模块，所述能量存储子模块用于对无线携能射频信号进行能量收集，并将能量存储在储能元件中，所述能量监视子模块用于对储能元件储能情况进行监视任务，并将监视情况传递给自适应任务控制模块。

5.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，所述能量模块通过对射频携能信号进行整流滤波处理，将模拟射频信号转为模拟基带信号，将模拟基带信号传输至信息模块，并与能量储能元件相连接，实现能量收集。

6.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，信息模块在自适应任务控制模块的控制下，在ADC1采样端口获得基带携能信号的采样值，进而获得基带信号中的信息；

通过采样值计算实际接收功率，并通过反馈模块反馈给携能发射端，完成波束对准。

7.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，所述信息模块包括滤波子模块、同步子模块、数据解码子模块；

信息模块在任务控制模块控制下，依据参考电平，对当前时刻基带信号进行采样，并转化为实际电平；

滤波子模块对转化结果进行滤波处理，得到高信噪比的信号，并计算实际接收功率；

同步子模块对数字基带信号进行同步处理，获得同步信号；

数据解码子模块将同步信号依据判决门限进行判决，获得判决结果，并进行帧头检测；

若帧头被检测到，则存储后续时刻的判决结果，对帧数据译码，获得无线携能发射端发送的信息内容，若未检测到帧头，则继续获得下一时刻信号，持续帧头检测。

8.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，自适应任务控制模块根据能量模块实时监测的能量存储情况，提供能量管理方案，具体包括：

自适应任务控制模块通过能量监测任务获得实时能量存储情况，依据存储能量值决定各个任务的运行情况；

当存储能量值高于信息解调任务能量门限时，信息解调任务将处于就绪状态，等待任务调度器调度运行；否则挂起信息解调任务；

当存储能量值高于反馈任务能量门限时，反馈任务将处于就绪状态；

当存储能量值高于显示任务能量门限时，显示任务将处于就绪状态；

当存储能量值低于掉电保护门限时，挂起所有任务，进入低功耗模式，提供掉电安全保护功能。

9.根据权利要求1所述的基于RTOS的自适应无线携能接收装置，其特征在于，自适应任务控制模块还为信息模块的解调任务提供能量管理方案，具体包括：

当能量模块监测到无线携能接收设备存储能量Q高于任务恢复阈值，则恢复所有被挂起任务；

当监测到存储能量低于信息模块完成解调任务的能量阈值时，继续判断能量是否低于最低安全阈值，如若低于安全阈值则挂起所有任务，进入低功耗模式，等待能量存储，否则继续判断是否正在完成信息解调任务，即判断当前时刻是否检测到帧头，若已检测到帧头，降低功耗，完成解调任务。

Images