CN115296442B - 自供能无线传感装置及其传感方法 - Google Patents
自供能无线传感装置及其传感方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115296442B CN115296442B CN202211080552.9A CN202211080552A CN115296442B CN 115296442 B CN115296442 B CN 115296442B CN 202211080552 A CN202211080552 A CN 202211080552A CN 115296442 B CN115296442 B CN 115296442B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy
- assembly
- voltage
- sensing
- pulse
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 58
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 19
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 19
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 19
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 8
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 8
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 claims description 5
- 230000026683 transduction Effects 0.000 claims description 5
- 238000010361 transduction Methods 0.000 claims description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 4
- 229920002595 Dielectric elastomer Polymers 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 abstract description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 8
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N chloralodol Chemical compound CC(O)(C)CC(C)OC(O)C(Cl)(Cl)Cl QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
- H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/06—Influence generators
- H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
本申请涉及物联网技术领域，特别涉及一种自供能无线传感装置及其传感方法，包括：通过能量输出组件包含的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，同时通过能量缓存组件存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出能量脉冲间隔供给传感信号发射组件，且基于能量缓存组件的供能，通过传感信号发射组件对外输出键控调幅射频信号。由此，解决了现有自供能无线传感节点构建策略中存在冷启动时间长、信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别涉及一种自供能无线传感装置及其传感方法。
背景技术
物联网技术作为信息获取的重要手段，在环境/灾害监测、智慧城市、智慧交通、智能工业农业等方面发挥越来越重要的作用。无线传感节点作为物联网的关键组成部分，承担着信息获取及发送的重要功能。目前，电池是无线传感节点的主要供电方式，虽然传感器及无线传输模块功耗越来越低，但维护数量庞大、分布广泛的传感节点的电池，成本高昂且易造成污染，是限制物联网技术更广泛应用的主要瓶颈。
环境中有丰富的如振动、风、机械/人体运动等的动能，基于压电效应、电磁感应、静电感应等的能量收集器得到迅速发展。从环境中收集能源为传感节点供能，或直接利用能量收集器的输出同时作为信号，构建无线无源传感节点，是有望解决上述问题的重要途径。
相关技术中，主要采用如下两大类无线节点构建策略：(1)基于射频集成电路模组的无线传感策略；(2)非射频集成电路模组依赖的无线传感策略，但其也存在一定的局限性，例如：
(1)基于射频集成电路模组的自供能无线传感策略
基于射频集成电路模组的无线传感策略通过合适的信号处理，利用无线传感节点内置的通信协议(如：Bluetooth、ZigBee、LoRa等)，将传感信息无线发射至上位节点，实现无线传感节点功能。商用射频模组的功能设计冗余，大量能量消耗在信号调制、通信协议及信息校验及纠错等过程中，基于商用射频模组的传感节点工作通常需要消耗能量收集器积累数十秒或数分钟的能量，冷启动时间较长(储能单元从0V开始充电至能驱动外围电路)，难以保证节点传感信息的及时性。此外，在传感节点换能体积受限的情况下，该策略需复杂的能源管理电路实现能量收集器输出能量的高效转移存储并对后续模组开启-关断供能，才能使传感节点有效工作，提高了外部电路的成本与复杂度。
(2)非射频集成电路模组依赖的无线传感策略
非射频集成电路模组依赖的无线传感策略不需要进行复杂的能量管理，通过构建①LC(LC resonance，LC谐振)谐振耦合、②背向散射等方式，能够直接利用能量收集器自身的输出信号或电学参量变化，实现无线信号的调制和传输。
其中，LC谐振耦合：构建互感耦合回路，能够实现传感信号的无线无源传输。如，静电发电机利用自身的可变电容结构，并且存在较高的初始电压，与开关、特定电感线圈串联，利用回路的零输入响应产生LC振荡；或直接构建节点的可变电容/电感结构，如湿敏电容结构等，采用外部线圈激励方式，激励产生LC振荡信号。此类LC振荡的频率、衰减时间等，分别与回路可变电容/电感结构、回路电阻相关。然而，LC谐振信号持续时间极短(数十μs，检测难度大、抗干扰能力差，受限于磁耦合的方式，信号传输距离有限(数米)，且所需电感线圈体积大，难以实现传感节点小型化。
背向散射：该类无线电技术，如RFID(Radio Frequency Identification有，射频识别)等，被应用于设计无需有源器件的无线通信节点，通过调整通信节点的阻抗，实现对节点外特定频率的射频入射载波的反射强度进行调制，实现信号的无线传输。结合此类技术，利用天线与敏感环境物理量变化的谐振器相结合，实现温度、磁场等无线无源传感；或通过构建将能量收集器与背向散射节点集成，根据其可变电容结构及能够输出能量的特点，调控与天线连接的电容或场效应管阻抗，实现信息的无线无源传感。然而，此方式依赖节点外部发射机发射射频载波，其传输功率与距离的四次方成反比，难以兼顾远距离传输与低功耗的优势，通常信号传输距离受限，且传感量单一。
发明内容
本申请提供一种自供能无线传感装置及其传感方法，以解决射频集成电路模组的无线传感策略中冷启动时间长、外部电路的成本和复杂度高，以及现有非射频集成电路模组的无线传感策略中传感信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差、传感量单一的问题。
本申请第一方面实施例提供一种自供能无线传感装置，包括：
能量输出组件，用于通过所述能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过所述能量输出组件内脉冲调控单元在所述能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，所述满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由所述能量采集单元的机械运动状态、所述脉冲调控单元的配置确定；
能量缓存组件，用于将所述满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据所述输出间隔供给传感信号发射组件；
所述传感信号发射组件，用于基于所述能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，所述键控调幅射频信号的频率由所述传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定。
根据本申请的一个实施例，所述能量输出组件，包括：
能量采集单元，所述能量采集单元与所述脉冲调控单元相连；
其中，脉冲调控单元，包括：
整流装置，所述整流装置与所述能量采集单元相连；
开关阈值控制单元，所述开关阈值控制单元由暂存电容和开关单元构成，所述开关阈值控制单元与所述整流装置并联后与所述能量缓存组件相连。
根据本申请的一个实施例，所述能量采集单元为静电发电机，其中，所述静电发电机运动形式为面内/圆筒旋转式、面内直线/往复运动式和垂直接触-分离运动式中的任意一种，所述静电发电机包括驻极体发电机、摩擦发电机、介电弹性体发电机。
根据本申请的一个实施例，所述整流装置包括全桥整流电路、半桥整流电路、倍压整流电路、同步整流电路中的至少一种。
根据本申请的一个实施例，所述开关单元为气体放电开关管、静电驱动开关、行程开关、可控硅开关中的至少一种。
根据本申请的一个实施例，所述能量输出组件为具有相同输出满足所述预设条件的能量脉冲的能量采集单元和脉冲调控单元的组合，其中，所述组合包括压电发电机及相应脉冲能量管理单元、电磁发电机及相应脉冲能量管理单元，或基于静电发电机的输出所述满足预设条件的能量脉冲的拓扑结构。
根据本申请的一个实施例，所述能量缓存组件为基于磁性元件耦合的换能结构，其中，所述换能结构包括Fly back结构、Buck-Boost结构的至少一种。
根据本申请的一个实施例，所述传感信号发射组件，包括：
选频元件，所述选频元件用于确定振荡频率；
多个静态工作点配置电阻，所述多个静态工作点配置电阻用于基于预设的配置规则配置所述信号发射组件中晶体管的静态工作点；
三点式激振网络，所述三点式激振网络用于对所述传感信号发射组件的振荡和反馈；
耦合电容和与所述耦合电容串联的发射天线，其中，所述发射天线用于发射所述键控调幅射频信号。
根据本申请的一个实施例，所述选频元件包括串联或并联结构的声表面波谐振器、体声波谐振器中的至少一种。
根据本申请实施例的自供能无线传感装置，通过能量输出组件包含的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，同时通过能量缓存组件存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出间隔供给传感信号发射组件，且基于能量缓存组件的供能，通过传感信号发射组件对外输出键控调幅射频信号。由此，解决了现有自供能无线传感节点构建策略中存在冷启动时间长、信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差等问题。
本申请第二方面实施例提供一种自供能无线传感装置的传感方法，采用如上述任一项自供能无线传感装置，包括以下步骤：
所述能量输出组件通过所述能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过所述能量输出组件内脉冲调控单元在所述能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，所述满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由所述能量采集单元的机械运动状态、所述脉冲调控单元的配置确定；
所述能量缓存组件将所述满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据所述输出间隔供给传感信号发射组件；以及
所述传感信号发射组件基于所述能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，所述键控调幅射频信号的频率由所述传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定。
根据本申请实施例的自供能无线传感装置的传感方法，通过能量输出组件包含的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，同时通过能量缓存组件存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出间隔供给传感信号发射组件，且基于能量缓存组件的供能，通过传感信号发射组件对外输出键控调幅射频信号。由此，解决了现有自供能无线传感节点构建策略中存在冷启动时间长、信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差等问题。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例的自供能无线传感装置的方框示意图；
图2为根据本申请一个实施例的自供能无线传感装置的方框示意图；
图3为根据本申请一个实施例的能量输出组件的电路结构示意图；
图4为根据本申请一个实施例的能量缓存组件的电路结构示意图；
图5为根据本申请一个实施例的旋转式静电发电机结构示意图；
图6为根据本申请一个实施例的能量输出组件的实验结果示意图；
图7为根据本申请一个实施例的AM(Amplitude Modulation，调幅)/FM(FrequencyModulation，调频)传感信号发射器电路结构图；
图8为根据本申请一个实施例的自供能无线传感节点内电压(储能电容、输出信号)示意图；
图9为根据本申请实施例的自供能无线传感装置的传感方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的自供能无线传感装置及其传感方法，针对上述背景技术中提到的射频集成电路模组的无线传感策略中冷启动时间长、外部电路的成本和复杂度高，以及非射频集成电路模组的无线传感策略中传感信号传输距离有限、时间短、抗干扰性差、传感量单一的问题，本申请提供了一种自供能无线传感装置，在该装置中，通过能量输出组件包含的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，同时通过能量缓存组件存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出间隔供给传感信号发射组件，且基于能量缓存组件的供能，通过传感信号发射组件对外输出键控调幅射频信号。由此，解决了现有自供能无线传感节点构建策略中存在冷启动时间长、信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差等问题。
具体而言，图1是本申请一个实施例提供的一种自供能无线传感装置的方框示意图。
如图1所示，该自供能无线传感装置10包括：能量输出组件100、能量缓存组件200和传感信号发射组件300。
其中，能量输出组件100，用于通过能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过能量输出组件内脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由能量采集单元的机械运动状态、脉冲调控单元的配置确定；能量缓存组件200，用于将满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出间隔供给传感信号发射组件，其中，第一电压为高电压(～1000V级)，第二电压为较低电压(～10V级)；传感信号发射组件，用于基于能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，键控调幅射频信号的频率由传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定。
进一步地，在一些实施例中，能量输出组件100为具有相同输出满足预设条件的能量脉冲的能量采集单元和脉冲调控单元的组合，其中，组合包括压电发电机及相应脉冲能量管理单元、电磁发电机及相应脉冲能量管理单元，或基于静电发电机的输出满足预设条件的能量脉冲的拓扑结构。
其中，能量采集单元可以为静电发电机，静电发电机的运动形式可以为面内/圆筒旋转式、面内直线/往复运动式和垂直接触-分离运动式中的任意一种，静电发电机可以包括驻极体发电机、摩擦发电机、介电弹性体发电机。传感信号发射组件300可以为AM/FM传感信号发射器；预设条件的能量脉冲可以为短时高功率能量脉冲。
具体地，如图2所示，能量输出组件100可以包括能量采集单元和脉冲调控单元，能量采集单元与脉冲调控单元相连。其中，脉冲调控单元包括：整流装置和开关阈值控制单元，整流装置与能量采集单元相连；开关阈值控制单元由暂存电容Cin和开关单元构成，开关阈值控制单元与整流装置并联后与的能量缓存组件相连；能量缓存组件200由二极管、电感L1以及储能电容Cstore构成。
可选地，在一些实施例中，整流装置包括全桥整流电路、半桥整流电路、倍压整流电路、同步整流电路中的至少一种；开关单元为气体放电开关管、静电驱动开关、行程开关、可控硅开关中的至少一种，也可以利用空气击穿结构，与静电发电机整合为一体，从而实现直流短时高功率能量输出。在此不做具体限定。
具体而言，如图3所示，脉冲调控单元中的整流装置的第一端和第二端均与能量采集单元相连；暂存电容Cin的一端与整流装置的第三端相连，暂存电容Cin的另一端与整流装置的第四端相连；开关单元的一端与暂存电容Cin的一端相连；如图4所示，图4为本申请一个实施例的能量缓存组件200的电路示意图，能量缓存组件200由二极管、电感L1和储能电容Cstore构成。其中，二极管的阴极可以与开关单元的另一端相连，二极管的阳极与暂存电容Cin的另一端相连；电感L1的一端与开关单元的另一端相连；储能电容Cstore的一端与电感L1的另一端相连，储能电容Cstore的另一端与二极管的阳极相连；开关阈值控制单元与整流装置并联后与的能量缓存组件100相连。
进一步地，当开关单元前端电压达到其导通阈值时，此时开关闭合，并在短时间内将能量转移至后端的储能电容上，呈现出短时高功率输出的特点。对于具有2组各n对电极的旋转式静电发电机(如图5所示，其由定子及动子组成)，为了保证输出能量的最大化，本申请实施例可以通过调控暂存电容容值及阈值开关导通阈值，能够调控旋转一周向电容储能的次数，实现发电机运动信息的调幅信号频率控制。
特别地，当暂存电容的电容值与静电发电机的电容值相等(或稍小)时，静电发电机输出能量获得相较无暂存电容时的2倍(或近2倍)提升，并保证旋转一周可向储能电容储能输出2n次。此外，储能电容应与输出能量相匹配，较小电容值的储能电容(数十至数千nF)能够避免电感磁通饱和，如，对于7uJ的能量转移，100nF电容为宜，从而能够达到近10V的能量(5uJ)。其中，本申请实施例的能量输出组件100的实验结果可以如图6所示。
进一步地，在一些实施例中，传感信号发射组件300可以包括：选频元件、多个静态工作点配置电阻、三点式激振网络耦合电容和发射天线。其中，选频元件用于确定振荡频率；多个静态工作点配置电阻用于基于预设的配置规则配置信号发射组件中晶体管的静态工作点；三点式激振网络用于对传感信号发射组件的振荡和反馈；发射天线与耦合电容串联，发射天线用于发射键控调幅射频信号。
具体地，本申请实施例的传感信号发射组件300的电路结构，由选频元件、多个静态工作点配置电阻、三点式激振网络及耦合电容构成。选频元件包括串联或并联结构的声表面波谐振器、体声波谐振器中的至少一种，优选地，本申请实施例的选频元件可以选用声表面波谐振器SAWR(Surface Acoustic Wave Resonator，声表面波谐振器)；其中，如图7所示，多个静态工作点配置电阻包括第一电阻RB1、第二电阻RB2以及第三电阻RE；传感信号发射组件300还包含晶体管Q、电感L2、电容C1、电容C2、耦合电容Ccouple以及发射天线。
其中，选频元件SAWR的一端与储能电容Cstore的另一端相连；第一电阻RB1的一端与储能电容Cstore的一端相连；第二电阻RB2的一端与第一电阻RB1的另一端相连，第二电阻RB2的另一端与选频元件SAWR的一端相连；晶体管Q的基极与选频元件SAWR的另一端相连，晶体管Q的集电极与第一电阻RB1的一端相连；第三电阻RE的一端与晶体管Q的发射极相连，第三电阻RE的另一端与第二电阻RB2的另一端相连；电感L2的一端与晶体管Q的集电极相连；电容C1的一端与电感L2的另一端相连；电容C2的一端与电容C1的另一端相连，电容C2的另一端与第三电阻RE的另一端相连；耦合电容Ccouple的一端与电容C1的一端相连；发射天线与耦合电容Ccouple的另一端相连。
具体而言，本申请实施例的选频元件通过采用SAWR用于确定信号振荡频率，并通过晶体管构成的反馈回路起振并输出；将多个静态工作点配置电阻设置在储能电容电压的1/2，以用于基于预设的配置规则配置信号发射组件中晶体管的静态工作点；三点式激振网络用于对传感信号发射组件300的振荡和反馈；耦合电容与发射天线串联，通过发射天线发射键控调幅射频信号。为提升系统50欧姆匹配天线的驱动能力，利用容值较小的耦合电容(数pF)实现阻抗等效变换至数kΩ量级。此外，其等效电容Ceql与谐振元件L2、C1、C2主要决定激振频率，如下公式所示：
需要说明的是，此频率应设置在SAWR的谐振频率附近，以激励SAWR的谐振，并将系统的振荡频率锁定在SAWR的谐振频率处。通过对SAWR结构的加工，能够实现其谐振频率对某一物理、生化量的线性敏感关系，如：温度、湿度、磁场、气体浓度等，以通过其对温度的敏感性，实现天线发射的射频信号频率对温度变化的线性响应。
进一步地，如图8所示，本申请实施例的AM/FM传感信号发射器会产生一系列射频脉冲信号，其脉冲的间隔(AM调制快变信号)周期表征能量收集器的运动状态以及静电发电机的振动频率等，射频信号频率(FM调制缓变信号)表征发射器中谐振器敏感物理量，还可以表征如磁场强度、气体浓度等缓变传感量。利用SDR及上位机接收并比较信号频率相较参考频率的偏移，对接收信号AM解调，实现两种物理量(温度、转速)信息的同时传感。此外，通过调整各节点SAWR的中心频率，能够实现多个自供能传感节点的信息传输。
基于上述内容可知，本申请实施例首先利用静电发电机将环境机械能转变换为电能，其具备高开路电压的特点；其次，能量管理单元利用暂存电容Cin和开关单元，在能量采集单元的电压达到某一设定阈值或峰值电压时，对外输出短时高功率能量脉冲，脉冲能量输出间隔与能量采集单元的机械运动状态、脉冲调控单元配置相关；再次，能量缓存组件200将高功率的脉冲能量向与之匹配的缓存电容中储存，完成第一电压至第二电压的转换，其中，第一电压为高电压(～1000V)，第二电压为较低电压(～10V)的转换，间歇性供给后级电路工作，其中，能量缓存组件为基于磁性元件耦合的换能结构，换能结构可以包括Flyback结构、Buck-Boost结构的至少一种；最后，传感信号发射组件300由能量缓存组件间歇性供能，对外输出键控调幅射频信号，射频信号频率由组件内选频网络对外界物理/生化量的线性频率敏感关系决定。
需要说明的是，静电发电机半个工作周期的微小能量，能够可根据能量管理电路的配置，发射一次或多次射频信号，包含运动信息(调幅信号)及振荡单元敏感的信息(调频信号)。
综上，本申请实施例的优势如下：
(1)针对基于射频集成电路模组的无线传感策略中，存在的冷启动时间长等问题，通过采用非射频集成电路模组依赖的无线传感方法，具备无启动时间、检测难度低、兼容现有射频通信接收系统等优势。
(2)针对非射频集成电路模组依赖的无线传感策略中，存在的传输距离有限、传感信号抗干扰性差、传感量单一等问题，通过本申请实施例可以实现两种及以上的物理量同步传感，同时具备传输距离更远(>100m)，抗干扰能力强等优点。
根据本申请实施例的自供能无线传感装置，通过能量输出组件包含的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，同时通过能量缓存组件存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出间隔供给传感信号发射组件，且基于能量缓存组件的供能，通过传感信号发射组件对外输出键控调幅射频信号。由此，解决了现有自供能无线传感节点构建策略中存在冷启动时间长、信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差等问题。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的自供能无线传感装置的传感方法。
图9是本申请实施例的自供能无线传感装置的传感方法的流程图。
如图9所示，该自供能无线传感装置的传感方法，采用如上述任一项自供能无线传感装置，包括以下步骤：
在步骤S901中，能量输出组件通过能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过能量输出组件内脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由能量采集单元的机械运动状态、脉冲调控单元的配置确定；
在步骤S902中，能量缓存组件将满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出间隔供给传感信号发射组件；以及
在步骤S903中，传感信号发射组件基于能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，键控调幅射频信号的频率由传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定。
需要说明的是，前述对自供能无线传感装置实施例的解释说明也适用于该实施例的自供能无线传感装置的传感方法，此处不再赘述。
根据本申请实施例的自供能无线传感装置的传感方法，通过能量输出组件包含的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，同时通过能量缓存组件存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出间隔供给传感信号发射组件，且基于能量缓存组件的供能，通过传感信号发射组件对外输出键控调幅射频信号。由此，解决了现有自供能无线传感节点构建策略中存在冷启动时间长、信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差等问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种自供能无线传感装置，其特征在于，包括：
能量输出组件，用于通过所述能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过所述能量输出组件内脉冲调控单元在所述能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，所述满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由所述能量采集单元的机械运动状态、所述脉冲调控单元的配置确定；
能量缓存组件，用于将所述满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据所述输出间隔供给传感信号发射组件；
所述传感信号发射组件，用于基于所述能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，所述键控调幅射频信号的频率由所述传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定；
其中，所述能量输出组件，包括：能量采集单元，所述能量采集单元与所述脉冲调控单元相连；其中，脉冲调控单元，包括：整流装置，所述整流装置与所述能量采集单元相连；开关阈值控制单元，所述开关阈值控制单元由暂存电容和开关单元构成，所述开关阈值控制单元与所述整流装置并联后与所述能量缓存组件相连；
所述能量采集单元为静电发电机，其中，所述静电发电机运动形式为面内/圆筒旋转式、面内直线/往复运动式和垂直接触-分离运动式中的任意一种，所述静电发电机包括驻极体发电机、摩擦发电机、介电弹性体发电机；
所述能量输出组件为具有相同输出满足所述预设条件的能量脉冲的能量采集单元和脉冲调控单元的组合，其中，所述组合包括压电发电机及相应脉冲能量管理单元、电磁发电机及相应脉冲能量管理单元，或基于静电发电机的输出所述满足预设条件的能量脉冲的拓扑结构；
所述能量缓存组件为基于磁性元件耦合的换能结构，其中，所述换能结构包括Flyback结构、Buck-Boost结构的至少一种；
所述传感信号发射组件，包括：选频元件，所述选频元件用于确定振荡频率；多个静态工作点配置电阻，所述多个静态工作点配置电阻用于基于预设的配置规则配置所述信号发射组件中晶体管的静态工作点；三点式激振网络，所述三点式激振网络用于对所述传感信号发射组件的振荡和反馈；耦合电容和与所述耦合电容串联的发射天线，其中，所述发射天线用于发射所述键控调幅射频信号。
2.根据权利要求1所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述整流装置包括全桥整流电路、半桥整流电路、倍压整流电路、同步整流电路中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述开关单元为气体放电开关管、静电驱动开关、行程开关、可控硅开关中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述选频元件包括串联或并联结构的声表面波谐振器、体声波谐振器中的至少一种。
5.一种自供能无线传感装置的传感方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的自供能无线传感装置，所述方法包括以下步骤：
所述能量输出组件通过所述能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过所述能量输出组件内脉冲调控单元在所述能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，所述满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由所述能量采集单元的机械运动状态、所述脉冲调控单元的配置确定；
所述能量缓存组件将所述满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据所述输出间隔供给传感信号发射组件；以及
所述传感信号发射组件基于所述能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，所述键控调幅射频信号的频率由所述传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211080552.9A CN115296442B (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 自供能无线传感装置及其传感方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211080552.9A CN115296442B (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 自供能无线传感装置及其传感方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115296442A CN115296442A (zh) | 2022-11-04 |
| CN115296442B true CN115296442B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=83833384
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211080552.9A Active CN115296442B (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 自供能无线传感装置及其传感方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115296442B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116231947B (zh) * | 2023-03-17 | 2024-04-16 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 适用于输电线路的能量收集装置及自供能振动监测装置 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE1019210A3 (fr) * | 2010-03-04 | 2012-04-03 | Christophe Lefevre | Procede et dispositif pour alimenter le reseau electrique d'un etablissement commercial. |
| CN105490397A (zh) * | 2016-02-01 | 2016-04-13 | 北京动力京工科技有限公司 | 脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置 |
| CN106329987A (zh) * | 2015-06-19 | 2017-01-11 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 自供电无线振动自主报警系统及其方法 |
| CN106712246A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-05-24 | 重庆大学 | 一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法 |
| CN106972646A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-21 | 北京理工大学 | 脉冲能量注入型无线电能传输装置 |
| CN207459809U (zh) * | 2016-12-01 | 2018-06-05 | 重庆大学 | 自供能传感系统、胎压监控系统、火车铁轨温度监测系统 |
| CN110365122A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-10-22 | 杭州电子科技大学 | 基于摩擦纳米发电机的自供能无线传感系统 |
| CN113949173A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-18 | 大连理工大学 | 一种车载无线传感器网络自供能系统及工作方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA3027397A1 (en) * | 2017-12-14 | 2019-06-14 | Widyne Technologies Inc. | Systems and methods for wireless power transmission |
-
2022
- 2022-09-05 CN CN202211080552.9A patent/CN115296442B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE1019210A3 (fr) * | 2010-03-04 | 2012-04-03 | Christophe Lefevre | Procede et dispositif pour alimenter le reseau electrique d'un etablissement commercial. |
| CN106329987A (zh) * | 2015-06-19 | 2017-01-11 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 自供电无线振动自主报警系统及其方法 |
| CN105490397A (zh) * | 2016-02-01 | 2016-04-13 | 北京动力京工科技有限公司 | 脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置 |
| CN106712246A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-05-24 | 重庆大学 | 一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法 |
| CN207459809U (zh) * | 2016-12-01 | 2018-06-05 | 重庆大学 | 自供能传感系统、胎压监控系统、火车铁轨温度监测系统 |
| CN106972646A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-21 | 北京理工大学 | 脉冲能量注入型无线电能传输装置 |
| CN110365122A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-10-22 | 杭州电子科技大学 | 基于摩擦纳米发电机的自供能无线传感系统 |
| CN113949173A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-18 | 大连理工大学 | 一种车载无线传感器网络自供能系统及工作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115296442A (zh) | 2022-11-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10892648B2 (en) | Wireless power transfer method, apparatus and system for low and medium power | |
| WO2016080045A1 (ja) | ワイヤレス給電システム | |
| CN115296442B (zh) | 自供能无线传感装置及其传感方法 | |
| CN106712246A (zh) | 一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法 | |
| CN207459809U (zh) | 自供能传感系统、胎压监控系统、火车铁轨温度监测系统 | |
| CN1247649A (zh) | 产生编码高频信号的装置和方法 | |
| CN109477859B (zh) | 电能计量设备 | |
| KR20130110699A (ko) | 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템 | |
| WO2023035591A1 (zh) | 一种摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电无线传感系统 | |
| CN110098665A (zh) | 管理从发射器到接收器的非接触功率传输的方法及发射器 | |
| CN103597502A (zh) | 半双工无源应答器 | |
| CN110323961B (zh) | 摩擦纳米发电机磁耦合谐振式无线能量传输与收集系统 | |
| Sivaramakrishnan et al. | A highly efficient power management system for charging mobile phones using RF energy harvesting | |
| CN111465056A (zh) | 一种基于携能通信技术的环境感知系统 | |
| JP5955408B2 (ja) | 可搬電気機器のエネルギー蓄積器を充電するための充電装置 | |
| US20220368165A1 (en) | Wireless charging device | |
| JP5857793B2 (ja) | 通信端末及びセンサネットワーク | |
| CN114301327A (zh) | 一种基于摩擦纳米发电机的自驱动无线传感系统 | |
| Mahlknecht et al. | Wireless communication and energy harvesting in automobiles | |
| CN208479282U (zh) | 一种内馈式无线电能传输系统 | |
| CN102332891A (zh) | 具有可调频功能的晶振电路 | |
| Dong et al. | Self-powered event-triggered wireless sensor network for monitoring sabotage activities | |
| JPH09182322A (ja) | 非接触型電力伝送装置 | |
| CN205249069U (zh) | 宽频带压电发电用非线性接口电路 | |
| CN117749584B (zh) | 一种幅移键控式mdfc传感器、系统及控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |