CN116132848A - 一种无源无线传感器系统及用电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源无线传感器系统及用电方法，包括电磁充电储能电路和传感信息收发电路；电磁充电储能电路用于实现传感信息收发电路的供电，包括射频整流和充电储能模块；传感信息收发电路用于信息无线转发，包括信息发射模块、信息接收模块、控制与存储模块、传感器和供电能量开关。信息接收模块用于获取己方握手信号；控制与存储模块用于控制能量开关，传感器完成传感信息采集。一方面，利用电磁充电储能电路，解决了海量微小型传感器系统电池更换工作量大甚至于难以更换的难题；另一方面，控制与存储模块能够通过控制能量开关按需适时控制信息发射模块供电，降低能耗的同时，降低电磁辐射泄漏，减小传感器系统被电子侦测的风险。

Description

一种无源无线传感器系统及用电方法

技术领域

本发明涉及一种无源无线传感器系统及用电方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络物理感知层前端，一般由各种传感器和无线通信收发模块构成，实现传感信息的采集与无线收发。从传感信息采集的维度区分，有如温度、湿度、电压与电流等多维信息；从无线通信收发模式区分，又可分为蓝牙、RFID、Lora等多种通信模式。典型无线传感器网络应用案例如运动手环，其首先是通过传感器贴近人体手臂采集生命体征信息之后，再通过蓝牙无线通信将信息传输给手机，由手机完成传感信息的存储、处理与显示，这其中运动手环的能量供给一般由内置电池定期充电完成，但是，伴随泛在物联网技术的不断推进，信息感知需求将“无处不在、无时不有”，导致传感探测对象海量倍增，并且传感器节点日趋呈现信息多维、类型多样、结构日趋微型化等特征，传感器节点数量巨大、布置分散的特点，导致传感器节点供电愈加困难，甚至许多场合下几乎无法给传感器逐一手工更换电池，此种状况也反过来严重影响了传感器节点的进一步推广运用，所以近年来，远距离远场无线电磁充电储能逐渐成为技术发展趋势，该技术成熟后有望实现远距离、大面积、远场区域覆盖性充电，可以极大程度拓展无线无源传感器节点应用领域。

但是，目前远距离远场无线充电储能技术方面尚存在诸多不足，包括：由于空间电磁功率有限，充电转换电路效率整体偏低；无线传感器用电耗能方面，多为“即充即用”用电模式，所以传感器节点整体储能功率低、储能电压稳定性不足，直接影响传感器电源供电可靠性，另外，当无线传感器节点大规模密集应用时，空间散射的大量电磁辐射波若不加管控，首先会产生大量能耗造成能量浪费，同时也产生大量电磁泄漏污染，合并存在电磁空间暴露风险，在对抗性强的场合很容易被敌方侦测定位并予以摧毁。

现有微小型传感器节点能量供给方面，已有的远场射频充电技术，充电与用电方案相对简单，其结果会导致一是能量存储转换效率低，二是节点用电浪费损耗大，主要具体体现在以下方面： （1）充电频率单一且功率小，充电动态范围受限。充电与通信二者共用相同空间电磁波，表现在传感器充电与通信多为同频率、同功率，但是实际需求中，通信功率需求相比充电功率需求普遍要低，所以，能满足通信需求的电磁波未必能够确保有效电磁充电，导致目前远场电磁充电转换效率整体不高，另外，目前无线充电电路设计针对的频率大多与通信频率同频，导致其他不同频率的大功率电磁辐射源无法给其兼容充电，充电电路适应性不强，这也是导致目前远场电磁充电转换效率不高的另外一个原因。（2）充电模式优化不够，充电时间短储能不足。目前多数无源无线传感器节点远场电磁充电技术，其内置传感器多为“即充即用”工作模式，即：有通信需求时同时充电，无通信需求时则不充电，而实际应用中多数传感器是按需间歇式通信工作，所以现有传感器节点充电也往往被设计成间歇式充电，因充电时间有限，充电储能不足，往往难以维持采样时间较长的传感器工作，而其他大量的通信时间间隙中，即便存在可充电电磁波，由于没有设计储能电路无法储能，造成能量浪费。因此，目前无源无线传感器多为温度传感等能耗较少的类型，能耗较大的传感器类型目前很少用无源无线方案，而且，即便是现有无源无线温度传感器方案，由于其能量储存不足原因，传输距离与可靠性指标还是不高。

（3）用电方案管控不精，能耗大且易电磁泄漏。 目前无源无线传感器节点电源电压充电到一定程度能够满足电路工作时，传感器即刻利用回波反射回传信息，回传时刻不受控、且敌我识别不分，导致能耗大且易被电磁侦测定位，容易被摧毁。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无源无线传感器系统及用电方法，一方面，增设了电磁充电储能电路，不同于传统传感器“即充即用”模式，采用“持续充电、充用分离” 模式，能够获取电磁充电信号进行充电储能，提高了储能效率和供电可靠性；另一方面，基于传感信息收发电路，传感器能够通过控制能量开关从而控制信息发射模块的信号发射，信息发射模块的用电时间压缩，传感器能耗下降，待机时间进一步增长。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明公开了一种无源无线传感器系统，包括电磁充电储能电路和传感信息收发电路；

所述电磁充电储能电路包括射频整流模块和充电储能模块；所述射频整流模块用于获取电磁充电信号；根据所述电磁充电信号，进行整流滤波处理，得到射频整流输出电压；所述充电储能模块，用于根据所述射频整流输出电压进行充电储能，以实现传感信息收发电路的供电；

所述传感信息收发电路包括信息发射模块、信息接收模块、控制与存储模块、传感器和能量开关，所述能量开关设于信息发射模块的供电端；所述信息接收模块用于获取己方设备的握手信号；所述控制与存储模块，用于根据所述握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关的开启与闭合，以实现信息发射模块的供电；根据所述握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；所述传感器，用于根据所述第二控制指令进行传感信息采集，得到传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

进一步的，还包括宽频带天线，所述宽频带天线分别连接射频整流模块、信息发射模块和信息接收模块；

所述宽频带天线包括充电与通信各自独立的多天线，和/或充电通信一体化天线；

所述宽频带天线的频带范围包括30MHz~87.975MHz、433MHz、915MHz、2.4GHz和5GHz。

进一步的，所述电磁充电信号包括传感器本身通信用频率信号、恶意施加的干扰频率信号和其他设备专供的充电信号。

进一步的，所述射频整流模块包括宽频带多通道匹配电路单元、宽功率多级整流电路单元、取样负载和能量反馈控制单元；

所述取样负载，用于对射频整流输出电压进行取样，得到取样电压并输出至能量反馈控制单元；

所述能量反馈控制单元，用于根据所述取样电压，基于预设的内部基准电压，输出频率控制信号，和/或功率控制信号；

所述宽频带多通道匹配电路单元，用于根据所述频率控制信号，配置相应的匹配电路，以实现不同输入频率的电磁充电信号的自动匹配；

所述宽功率多通道匹配电路单元，用于根据所述功率控制信号，配置相应的整流电路级数，以实现不同输入功率的电磁充电信号的自动匹配。

进一步的，所述充电储能模块包括充电单元和储能电池，

所述充电单元用于识别所述射频整流输出电压；其中，当所述射频整流输出电压高于所述储能电池的电压，则直接将所述射频整流输出电压传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能；当所述射频整流输出电压低于或等于所述储能电池的电压，则将所述射频整流输出电压进行升压处理后再传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能。

进一步的，所述储能电池包括化合物充电电池，和/或超级电容。

进一步的，所述储能电池分别连接信息接收模块、能量开关、控制与存储模块和传感器，以实现信息接收模块、能量开关和传感器的供电；

所述能量开关的控制端连接控制与存储模块，所述控制与存储模块用于输出第一控制指令以控制能量开关闭合，从而实现信息发射模块的供电和信息发射。

另一方面，本发明还公开了一种无源无线传感器系统的用电方法，适用于上述的控制与存储模块，其特征是，包括如下步骤：

通过信息接收模块获取己方设备的握手信号；

根据所述握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关闭合，以实现信息发射模块的供电；

根据所述握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；其中，所述传感器采集得到的传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明，一方面，增设了电磁充电储能电路，不同于传统传感器“即充即用”模式，采用“持续充电、充用分离”模式，能够获取电磁充电信号进行充电储能，提高了储能效率和供电可靠性；另一方面，基于传感信息收发电路，控制与存储模块能够通过控制能量开关从而控制信息发射模块的信号发射，能够管控住信息发射模块的回波反射，降低无用发射功率，提高无线传输可靠性和防止电磁侦测；同时信息发射模块的用电时间压缩，传感器能耗下降，待机时间进一步增长。

本发明还设置了宽频带天线，以便于接收宽频率范围的电磁充电信号；此外，本发明的电磁充电信号不仅局限于传感器本身通信用频率信号，还包括恶意施加的干扰频率信号、其他设备专供的充电信号等一系列信号，极大拓展了充电频率来源。

本发明还改进了射频整流模块，通过能量反馈控制单元输出频率控制信号或功率控制信号，以实现不同输入频率或不同输入功率的电磁充电信号的自动匹配。

附图说明

图1是一种无源无线传感器系统的模块示意图；

图2是射频整流模块的示意图；

图3是充电储能模块的示意图；

图4是能量开关的示意图；

图5是一种无源无线传感器系统的信号流程图。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例1提供了一种无源无线传感器系统，包括电磁充电储能电路和传感信息收发电路；

电磁充电储能电路包括射频整流模块和充电储能模块；射频整流模块用于获取电磁充电信号；根据电磁充电信号，进行整流滤波处理，得到射频整流输出电压；充电储能模块，用于根据射频整流输出电压进行充电储能，以实现传感信息收发电路的供电；

传感信息收发电路包括信息发射模块、信息接收模块、控制与存储模块、传感器和能量开关，所述能量开关设于信息发射模块的供电端；信息接收模块用于获取己方设备的握手信号；控制与存储模块，用于根据握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关的开启与闭合，以实现信息发射模块的供电；根据握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；传感器，用于根据第二控制指令进行传感信息采集，得到传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

具体的，如图1所示，无源无线传感器系统还包括宽频带天线，宽频带天线分别连接射频整流模块、信息发射模块和信息接收模块。

宽频带天线包括充电与通信各自独立的多天线，和/或充电通信一体化天线。

宽频带天线的频带范围包括30MHz~87.975MHz、433MHz、915MHz、2.4GHz和5GHz。

需要说明的是，采用充电与通信各自独立的多天线，即采用充电定向天线与通信全向天线分开设计独立工作模式。其中，采用充电定向天线实现定向电磁辐照储能，还包括智能天线辐射波瓣的智能定向照射。

如图2所示，射频整流模块包括宽频带多通道匹配电路单元、宽功率多级整流电路单元、取样负载和能量反馈控制单元；

取样负载，用于对输出电压进行取样，得到取样电压并输出至能量反馈控制单元；

能量反馈控制单元，用于根据取样电压，基于预设的内部基准电压，输出频率控制信号，和/或功率控制信号；

宽频带多通道匹配电路单元，用于根据频率控制信号，配置相应的匹配电路，以实现不同输入频率的电磁充电信号的自动匹配；

宽功率多通道匹配电路单元，用于根据功率控制信号，配置相应的整流电路级数，以实现不同输入功率的电磁充电信号的自动匹配。

需要说明的是，宽频带多通道匹配电路单元与宽频带天线的频率范围一致；宽功率多通道匹配电路单元的功率范围包括0.01W至100W。射频整流输出电压为具有一定波纹系数的直流电压。

通过取样负载、能量反馈控制单元和宽频带多通道匹配电路单元形成的自动频率控制环路，能够控制选择不同输入频率下的最优滤波器，实现宽频率范围内的多频点信号能量接收与整流转化，可以扩展射频能量补充来源，提高储能整体功率。实现多输入频率自动跟踪能力，进而实现不同输入频率的电磁充电信号的自动匹配，从而实现输入信号宽频率范围充电。

通过取样负载、能量反馈控制单元和宽功率多通道匹配电路单元形成的自动功率控制环路，能够反馈控制不同输入功率下的整流电路级数，实现射频整流输出功率与转换效率的优化兼顾。实现宽输入功率时射频整流模块的最优化输出效率，进而实现不同输入功率的电磁充电信号的自动匹配，从而实现输入信号宽功率范围充电。

需要说明的是，自动频率控制环路和自动功率控制环路可以单独使用，也可以同时使用。

此外，获取的电磁充电信号包括传感器本身通信用频率信号、恶意施加的干扰频率信号和其他设备专供的充电信号。即电磁充电信号不限于无线传感器本身的通信频率，还包括以任意目的出现的同频或非同频的可用于电磁充电的大功率电磁信号，比如战时敌方恶意施加的大功率干扰信号，或者我方无人设备专供的大功率充电信号，均可用于传感节点的持续充电。本方案远场电磁充电典型特征是可用于充电的空间电磁信号宽功率、宽频率动态范围，对于空间存在的电磁信号能量，无论何种频段，无论何种应用目的，只要在不影响其正常工作的情况下，均可以纳入无源无线传感器节点的充电电磁能量来源。获取的电磁充电信号可以独立对电磁充电储能电路进行充电储能，充电时传感器无需任何响应。

如图3所示，充电储能模块包括升压充电单元和储能电池，

升压充电单元用于识别射频整流输出电压；其中，当射频整流输出电压高于储能电池的电压，则直接将射频整流输出电压传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能；当射频整流输出电压低于或等于储能电池的电压，则将射频整流输出电压进行升压处理后再传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能。

储能电池包括化合物充电电池，和/或超级电容。

具体的，升压充电单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、误差放大器A、MOS管M、滤波电容C、升压电感L、第一单向二极管D1、第二单向二极管D2和控制逻辑子单元，其中，逻辑控制子单元由设计编程后再经逻辑综合生成相应数字电路构成，具体工作原理如下：

其中，射频整流模块分别连接控制逻辑子单元、储能电池和升压电感L，升压电感L通过单向二极管D2连接储能电池，所述控制逻辑子单元通过栅极驱动电路连接MOS管M的栅极， MOS管M的漏极连接于升压电感L与单向二极管D2之间；第一电阻R1的一端连接于单向二极管D2与储能电池之间，另一端串联连接第二电阻R2；误差放大器A的一个输入端连接于第一电阻R1与第二电阻R2之间，另一端连接基准电压，输出端连接控制逻辑子单元，其中基准电压可以用带隙基准电压1.25V，也可以选用其他参考电压。

控制逻辑子单元，用于识别射频整流输出电压，其中，响应于射频整流输出电压高于储能电池的电压，则直接将射频整流输出电压通过第一单向二极管D1直接传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能；

响应于射频整流输出电压低于或等于储能电池的电压，则将射频整流输出电压经过升压电感L进行升压处理后再经过第二单向二极管D2传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能。

MOS管M为大功率电压调整管，其与第二单向二极管D2、第一电阻R1与第二电阻R2、误差放大器A、控制逻辑子单元和栅极驱动电路一起共同构成电压反馈放大器，能够自动稳定输出电压的同时提高输出功率。由于MOS管M功率大，所以电路设计时增补栅极驱动电路予以驱动。

需要说明的是，在第二单向二极管D2与储能电池之间还设有滤波电容C，以滤除杂波。

本系统的电磁充电储能电路，不同于现有“即充即用”模式，改为“持续充电、充用分离”模式，可以用于传感器节点持续不间断接收空间电磁辐射功率进行静默式充电储能，不但可以接收无线传感器的通信频率用于通信兼充电，还可以接收其他任何时间、任意频率用于充电，极大拓展了充电频率来源。所充能量均储存于储能电池中备用，本方案储能功率要远大于即充即用功率，可以较大幅度提高无线充电电源供电可靠性。

如图1、4和5所示，储能电池分别连接信息接收模块、能量开关、控制与存储模块和传感器，以实现信息接收模块、信息发射模块、控制与存储模块和传感器的供电；

能量开关的控制端连接控制与存储模块，控制与存储模块用于输出第一控制指令以控制能量开关闭合，从而实现信息发射模块的供电和信息发射。

不同于现有“即充、即感、即传”模式，本系统采用从充电、到传感、再到传输的三段过程。无源无线传感器系统只要收到电磁充电信号，便进行充电储能完成传感信息采集，同时监听己方通信握手信号，获取握手协议，才能触发传感信息的发送，以此避免能量浪费和敌方电磁引诱，防止被电磁侦测和摧毁。

具体的，电磁充电储能电路只要识别到可用于充电储能的电磁充电信号，便开始充电储能给信息接收模块、控制与存储模块和传感器供电，传感器接收来自储能电池的供电，完成传感信息的采集。

信息接收模块一直是盲收状态，只有当获取的信息信号有己方设备的握手信号时，才将握手信号传输至控制与存储模块，控制与存储模块根据握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关闭合，从而实现信息发射模块的供电，进而实现信息发射模块的信号发射。

相比较收到通信电磁波后，电磁充电与通信转发过程几乎同时进行的普通方案，本系统的传感器在用电取能时，避免直接使用即充输出的直流电压，而是先采用储能电池储存电能，之后当且仅当收到己方设备的确认握手信号后，才会实现信息发射模块的供电与信号发射，进行传感信息中继转发，降低了信息发射模块的功耗。

综上所述，本发明的无源无线传感器系统无论充电时间，还是充电频率范围与功率范围都得到了大幅提升，有利于电磁储能效能的整体提升，而用电时间与用电频次受到管控，又很好地节省了使用功率。同时储能充分，使得传感采集精度、稳定性等性能有改善；传感器无线传输距离显著增长；传感器节点低辐射，隐蔽传感与探测能力得以增强；无线发射用电时间压缩，传感器能耗下降，待机时间进一步增长。

实施例2

实施例2提供了一种无源无线传感器系统的用电方法，适用于实施例1的控制与存储模块，其特征是，包括如下步骤：

通过信息接收模块获取己方设备的握手信号；

根据所述握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关闭合，以实现信息发射模块的供电；

根据所述握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；其中，所述传感器采集得到的传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

一方面，降低了无源无线传感器系统的功耗，延长了待机工作时间；另一方面，减少无用电磁能量泄漏，实现低功耗、低辐射传感信息探测与感知。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无源无线传感器系统，其特征是，包括电磁充电储能电路和信息收发电路；

所述电磁充电储能电路包括射频整流模块和充电储能模块；所述射频整流模块用于获取电磁充电信号；根据所述电磁充电信号，进行整流滤波处理，得到射频整流输出电压；所述充电储能模块，用于根据所述射频整流输出电压进行充电储能，以实现传感信息收发电路的供电；

所述传感信息收发电路包括信息发射模块、信息接收模块、控制与存储模块、传感器和能量开关，所述能量开关设于信息发射模块的供电端；所述信息接收模块用于获取己方设备的握手信号；所述控制与存储模块，用于根据所述握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关的开启与闭合，以实现信息发射模块的供电；根据所述握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；所述传感器，用于根据所述第二控制指令进行传感信息采集，得到传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

2.根据权利要求1所述的无源无线传感器系统，其特征是，还包括宽频带天线，所述宽频带天线分别连接射频整流模块、信息发射模块和信息接收模块；

所述宽频带天线包括充电与通信各自独立的多天线，和/或充电通信一体化天线；

所述宽频带天线的频带范围包括30MHz~87.975MHz、433MHz、915MHz、2.4GHz和5GHz。

3.根据权利要求1所述的无源无线传感器系统，其特征是，所述电磁充电信号包括传感器本身通信用频率信号、恶意施加的干扰频率信号和其他设备专供的充电信号。

4.根据权利要求1所述的无源无线传感器系统，其特征是，所述射频整流模块包括宽频带多通道匹配电路单元、宽功率多级整流电路单元、取样负载和能量反馈控制单元；

所述取样负载，用于对射频整流输出电压进行取样，得到取样电压并输出至能量反馈控制单元；

所述能量反馈控制单元，用于根据所述取样电压，基于预设的内部基准电压，输出频率控制信号，和/或功率控制信号；

所述宽频带多通道匹配电路单元，用于根据所述频率控制信号，配置相应的匹配电路，以实现不同输入频率的电磁充电信号的自动匹配；

所述宽功率多通道匹配单电路元，用于根据所述功率控制信号，配置相应的整流电路级数，以实现不同输入功率的电磁充电信号的自动匹配。

5.根据权利要求1所述的无源无线传感器系统，其特征是，所述充电储能模块包括升压充电单元和储能电池；

所述升压充电单元用于识别所述射频整流输出电压；其中，当所述射频整流输出电压高于所述储能电池的电压，则直接将所述射频整流输出电压传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能；当所述射频整流输出电压低于或等于所述储能电池的电压，则将所述射频整流输出电压进行升压处理后再传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能。

6.根据权利要求5所述的无源无线传感器系统，其特征是，所述储能电池包括化合物充电电池，和/或超级电容。

7.根据权利要求5所述的无源无线传感器系统，其特征是，所述储能电池分别连接信息接收模块、能量开关、控制与存储模块和传感器，以实现信息接收模块、能量开关、控制与存储模块和传感器的供电；

所述能量开关的控制端连接控制与存储模块，所述控制与存储模块用于输出第一控制指令以控制能量开关闭合，从而实现信息发射模块的供电和信息发射。

8.一种无源无线传感器系统的用电方法，适用于权利要求1-7任一项所述的控制与存储模块，其特征是，包括如下步骤：

通过信息接收模块获取己方设备的握手信号；

根据所述握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关闭合，以实现信息发射模块的供电；

根据所述握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；其中，所述传感器采集得到的传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

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