CN202094879U - 自供电的无线双向通讯传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自供电无线双向通讯传感器，包括：微控制器单元9，与微控制器单元9相连的电源管理控制单元7，与微控制器单元9相连的无线信号收发单元11，其中的无线信号收发单元11既可以实现双向通信，也可以单向接收或者发送；软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4；其中，导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4的位置相对固定；导电线圈2套在软磁铁1上，软磁铁1在导电线圈2内部的支点与导电线圈2相对固定，软磁铁1的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁3的两端内侧空间高度为限；软磁铁1的一端与复位弹簧4相连；软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4共同组成自供电能量收集单元20。本实用新型无需布线、不用电池、免维护、微型化。
Description
技术领域
本实用新型属于无线传感网及智能楼宇、智能家居等应用技术领域，适用于无线传感器和控制开关。
背景技术
随着工业控制和传感技术的发展，各种传感器和控制开关应用变得越来越普遍。传统的传感器和开关产品均需要用信号线传输信号和/或电源线供电才能正常工作。可是在许多实际应用中，受环境限制，布线基本不可能或者成本非常贵，这时无线传感和控制技术，就成为理想选择。然而无线技术只是解决了不需要信号线的问题，但同样需要能量，因此在无法布电源线的场所，常常采用电池为无线传感器和开关供电。电池使用寿命受限，需要经常更换，这既增加了使用和维护成本，也常常由于更换不及时导致系统不能正常工作。
由于日常使用的传感器和控制开关的自身体积和功耗都比较小，通常可以考虑收集来自压力等机械能或周边环境中的光能能量，将其转换成电能来给传感器和控制开关供电。
光能收集方面，由于传感器和控制开关所在的室内光照强度可能不足，光能电池板的面积也受到整个传感器和开关的体积大小限制，在部分场所的使用效果并不理想。
机械能收集方面，也曾经有人尝试利用压电陶瓷受到外力作用产生变形，从而产生电流和电压的原理来研制无线无源开关。但由于压电陶瓷技术成本较贵，且即使用多层压电陶瓷叠加所产生的电流和电压通常还不足以驱动开关电路，所以压电陶瓷技术也有较多限制。
基于导电线圈电磁感应原理的机械能发电技术可以产生足够大的电流或电压，但如果采用传统的线圈和转子结构，其发电机体积则相对较大，一般不适合微型化传感器或扁平状控制开关的应用。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种自供电无线双向通讯传感器，其结构简单、不用电池、无需布线、实现双向通讯、免维护、微型化。
为解决以上技术问题，本实用新型提供了一种自供电无线双向通讯传感器，所述装置至少包括：微控制器单元9，与微控制器单元9相连的电源管理控制单元7，与微控制器单元9相连的无线信号收发单元11，其中的无线信号收发单元11既可以实现双向通信，也可以为了进一步降低功耗和成本的需要，而仅工作在单向接收或者发送的通信模式。所述装置还至少包括：软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4。其中，导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4的位置相对固定。导电线圈2套在软磁铁1上，软磁铁1在导电线圈2内部的支点与导电线圈2相对固定，软磁铁1的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁3的两端内侧空间高度为限。软磁铁1的一端与复位弹簧4相连。软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4共同组成自供电能量收集单元20。
本实用新型的有益效果在于：将机械能能量收集技术和无线双向通信技术结合起来，可以实现自供电和各种传感或开关信号的无线收发，以解决无需布线、不用电池、双向通讯、免维护、微型化的实际应用需求。
进一步地，该装置还可以包括：与电源管理控制单元7相连的电量存储单元8。电量存储单元8可以是各种储能电池或电容、电感等储能电路，用于存储来自能量收集单元20产生的并经过电源管理控制单元7变压整流过的电能。
进一步地，该装置还可以包括：传感信号采集单元10。传感信号采集单元 10可以是温度、气体、液体、风速、移动、振动和声光电等各种信号传感器，用于将自然界的各种物理、化学和生物等信号转换成电信号，交给微控制器单元9处理。
进一步地，移动或振动传感器单元10可以集成在能量收集单元20中。软磁铁1一端受外力作用所产生的位移量大小与导电线圈输出电流和电压值直接相关，微控制器单元9可以根据此电流电压值计算出该位移量。
进一步地，无线收发单元11具备双向通讯功能，不但可以将经过微控制器单元9处理后的传感或开关信号通过无线方式发送出去，而且还可以接受来自上位机、网关、执行器或其它传感节点的信号，收到此类无线信号后交给微控制器单元9处理或执行。
附图说明
图1是本实用新型实施例所述自供电能量收集单元结构图；
图2是本实用新型实施例所述带弹簧片的自供电能量收集单元结构图；
图3是本实用新型实施例所述带双复位弹簧的自供电能量收集单元结构图；
图4是本实用新型实施例所述自供电无线开关结构图；
图5是本实用新型实施例所述自供电无线传感器结构图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而不是用于限定本实用新型。
本实用新型将机械能能量收集技术和无线双向通信技术结合起来，可以实现自供电和各种传感或开关信号的无线收发，以解决无需布线、不用电池、双向通讯、免维护、微型化的实际应用需求。
图1为本实用新型第一实施例所提供的自供电能量收集单元20结构图，为了便于说明，图中仅示出了与此功能相关的部分。该部分包括：软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4。其中，导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4的位置相对固定。导电线圈2套在软磁铁1上，软磁铁1在导电线圈2内部的支点与导电线圈2相对固定，软磁铁1的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁3的两端内侧空间高度为限。软磁铁1的一端与复位弹簧4相连。
初始没有外力作用的状态时，在永磁铁3的吸引力作用下，软磁铁1的E、G端分别与永磁铁3的B、D接触点靠在一起，此时软磁铁1的E端为N磁极，G端为S磁极。当在外力F的瞬间作用下，如果力量大于磁铁吸力和弹簧的阻力，软磁铁1的E、G端则运动到永磁铁3的A、C接触点，此时软磁铁1的磁极性反转成E端为S极，G端为N极。在此过程中，导电线圈将感应到软磁铁1的瞬间磁极性变化而产生电能并通过P1和P2电压正负极接触点向外输出。随后，当外力F的瞬间作用消失后，复位弹簧4的弹力作用使软磁铁1的E、G端摆脱永磁铁3的吸引力，分别运动到初始位置并与永磁铁3的B、D接触点靠在一起，此时软磁铁1的磁极性再次发生反转，E端变为N磁极，G端则为S磁极。在此返回初始位置的过程中，导电线圈将再次感应到软磁铁1的瞬间磁极性变化而产生电能并由P1和P2电压正负极接触点输出，不同的是此时P1和P2的电压正负极与外力F作用时产生的电压正负极相反。
该实施例的关键创新是，采用扁平化的电磁感应发电结构。此结构大大减少对高度和体积要求，从而满足了微型传感器和/或控制开关的紧凑型、扁平化自供电要求。在外力F作用下，软磁铁1的E、G两端只需要位移很短的距离，外力消失后软磁铁1的两端自动返回到初始位置。在整个过程中，软磁铁1将 实现两次瞬间磁极性反转，从而使得导电线圈可以输出双倍的电能。
该实施例还可以有如下的进一步扩展创新：
a)软磁铁1、导电线圈2和复位弹簧4位置相对固定，复位弹簧4和永磁铁3相连，永磁铁3的中间固定在支点上，两端则可以上下移动。初始位置，仍然是永磁铁3的B、D分别与软磁铁1的E、G端相连，当外力F作用在永磁铁3的一端时，其另一端则向相反方向移动，外力F消失后，永磁铁两端在复位弹簧4的弹力作用下自动复位。整个过程同样可以使软磁铁1产生两次磁极性瞬间反转，从而使得导电线圈能输出双倍的电能。
b)如图2所示，可在软磁体的一端装上弹簧片5，复位弹簧4与弹簧片5相连。当外力F按下弹簧片5时，同样可以由弹簧片5带动软磁铁1工作，产生磁极性反转，并由导电线圈2发生电磁感应并输出电能。由于弹簧片5有一定的弹性，可以很好地改善外力F作用时的手感体验，并降低软磁铁1和永磁铁3等部件之间的磨损。
c)如图3所示，还可以在软磁铁1的两端各连接一个复位弹簧4a和4b，使软磁铁1的两端初始位置与永磁铁3平行，这样外力F就可以从上下两个不同的方向作用，从而增加了该装置的使用灵活性。
图4为本实用新型第二实施例所提供的自供电无线开关结构图，为了便于说明，仅示出了与此实施例相关的部分。该实施例包括：软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4、电源管理控制单元7、电量存储单元8、微控制器单元9、无线信号收发单元11、开关按键和电路单元12。
当外部压力F作用在开关12的所代表打开或关闭信号的按键区域上时，按键向下运动到X或Y位置，在此过程中按键将带动软磁铁1的两端发生相对位移运动，导电线圈2同时会在感应到软磁铁1的磁极性瞬间反向而产生电压电 流并通过P1和P2输出，经过电源管理控制单元7的变压和整流处理后给电量存储单元8充电，同时供给微控制器单元9和无线信号收发单元11。在此过程中，微控制器9会检测到开关12的按键当前位置X或Y所代表的打开或关闭电子信号，并将此打开或关闭电子信号交给无线信号收发单元11发送出去。
当外部压力F消失后，软磁铁1的两端在复位弹簧4的弹力作用下恢复到初始位置，同时带动开关12中的按键机械结构部分复位，此时导电线圈2将再次感应到软磁铁1的磁极性反向而产生电压电流并通过P1和P2输出，经过电源管理控制单元7的变压和整流处理后给电量存储单元8充电。
在没有外部压力F作用的通常状态下，由电量存储单元8给整个无线开关的电路部分供电，其中电源管理控制单元7、微控制器单元9、无线信号收发单元11等大部分器件和电路将进入睡眠状态，仅有负责无线信号侦听的部分电路工作，此时整个电路功耗极低。
当远端的中央控制器、执行器或者遥控装置给此无线开关发送无线信号时，该无线开关装置会立即被唤醒并执行相应的状态查询和设置等操作。
该实施例的关键创新是自供电能量收集技术和双向无线通讯功能。根据需要，其所对应的远端中央控制器、执行器或者是遥控装置可以给该无线开关发送相应的命令进行远程操作管理，从而使该无线开关成为一个真正的远程可管理节点。
该实施例还可以有如下的进一步扩展创新：
a)现有开关按键和电路单元12中用X和Y位置分别代表打开和关闭信号，在实际使用中也可以采用简化设计，将X和Y的位置合二为一，通过按键的奇偶次数来表示开关信号。例如，第一次按键如果表示打开，再次按此键时则表示关闭，第三次按键又回到打开。
图5为本实用新型第三实施例所提供的自供电无线传感器结构图，为了便于说明，仅示出了与此实施例相关的部分。该实施例包括：软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4、电源管理控制单元7、电量存储单元8、微控制器单元9、传感信号采集单元10和无线信号收发单元11。
在外力F的作用下，软磁铁1的两端发生相对位移，外力消失后，在复位弹簧的弹力作用下，软磁铁两端恢复的初始位置，此过程中导电线圈将感应到软磁体的两次磁极性反向而产生电压电流并由P1和P2端输出，经电源管理控制单元7变压和整流后给电路存储单元8、传感信号采集单元10、微控制器单元9和无线信号收发单元11等整个电路供电。在没有外力作用的通常情况下，系统由电量存储单元8负责供电。
传感信号采集单元10可以是温湿度、振动、声光电等各种传感器，微控制器单元9负责处理传感信号采集单元10收集到的各种传感信号并将该信号交给无线信号收发单元10发送出去。
该无线传感器支持双向通讯功能，当无线信号收发单元11收到来自远端中央控制器、执行器和遥控装置等上位机设备的控制信号时，会及时交给微控制器单元9处理。微控制器单元9将根据该控制信号的具体内容来执行数据采集、参数设置和状态检查等各种操作，并将执行结果返回给中央控制器和遥控装置等上位机设备。
该自供电无线传感器实例可广泛应用于桥梁道路检测、门窗移动报警等多种场所，无需布线、不用电池、零维护。
本实用新型并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本实用新型涉及的技术方案。基于本实用新型启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本实用新型的保护范围。以上的具体实施 方式用来揭示本实用新型的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本实用新型的多种实施方式以及多种替代方式来达到本实用新型的目的。
Claims (8)
1.一种自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，包括：
微控制器单元(9)，与微控制器单元(9)相连的电源管理控制单元(7)，与微控制器单元(9)相连的无线信号收发单元(11)，其中的无线信号收发单元(11)既可以采用双向通信模式，也可以采用单向接收或者发送的通信模式；所述装置还包括：
软磁铁(1)、导电线圈(2)、永磁铁(3)、复位弹簧(4)；
其中，导电线圈(2)、永磁铁(3)和复位弹簧(4)的位置相对固定，导电线圈(2)套在软磁铁(1)上，软磁铁(1)在导电线圈(2)内部的支点与导电线圈(2)相对固定，软磁铁(1)的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁(3)的两端内侧空间高度为限；
软磁铁(1)的一端与复位弹簧(4)相连，软磁铁(1)、导电线圈(2)、永磁铁(3)和复位弹簧(4)共同组成自供电能量收集单元(20)。
2.如权利要求1所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，该装置还包括：与电源管理控制单元(7)相连的电量存储单元(8)；电量存储单元(8)可以是各种储能电池或储能电路，用于存储来自能量收集单元(20)产生的并经过电源管理控制单元(7)变压整流过的电能。
3.如权利要求2所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，该装置还包括：移动或振动传感器单元(10)；移动或振动传感器单元(10)可以是温度、气体、液体、风速、移动、振动和声光电各种信号传感器，用于将各种物理、化学和生物信号转换成电信号，交给微控制器单元(9)处理。
4.如权利要求3所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，移动或振动传感器单元(10)集成在能量收集单元(20)中；软磁铁(1)一端受外力作用所产生的位移量大小与导电线圈输出电流和电压值直接相关，微控制器单 元(9)根据此电流电压值计算出该位移量。
5.如权利要求1所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，无线收发单元(11)不但可以将经过微控制器单元(9)处理后的传感或开关信号通过无线方式发送出去，而且还可以接受来自上位机、网关、执行器或其它传感节点的信号，收到此类无线信号后交给微控制器单元(9)处理或执行。
6.如权利要求1所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，软磁铁(1)、导电线圈(2)和复位弹簧(4)位置相对固定，复位弹簧(4)和永磁铁(3)相连，永磁铁(3)的中间固定在支点上，两端则可以上下移动。
7.如权利要求1所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，在软磁体的一端有弹簧片(5)，复位弹簧(4)与弹簧片(5)相连；当外力F按下弹簧片(5)时，同样可以由弹簧片(5)带动软磁铁(1)工作，产生磁极性反转，并由导电线圈(2)发生电磁感应并输出电能。
8.如权利要求1所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，在软磁铁(1)的两端各连接有复位弹簧(4a和4b)，使软磁铁(1)的两端初始位置与永磁铁(3)平行。
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| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: JIANGSU BOYUE INTERNET OF THINGS TECHNOLOGY CO., LTD. Assignor: Shanghai Borui Information and Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2012310000135 Denomination of utility model: Self-powered wireless two-way communication sensor and control switch Granted publication date: 20111228 License type: Exclusive License Record date: 20120727 |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU BOYUE INTERNET OF THINGS TECHNOLOGY CO., L Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI BOYUE INFORMATION TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20130517 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 200433 YANGPU, SHANGHAI TO: 226300 NANTONG, JIANGSU PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130517 Address after: 226300 1 large east science and Technology Park, hi tech Zone, Jiangsu, Nantong Patentee after: JIANGSU BOYUE INTERNET OF THINGS TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: Ginza wealth International Plaza No. 43 Shanghai 200433 Yangpu District Guoquan Road Room 2213 Patentee before: Shanghai Borui Information and Technology Co., Ltd. |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20111228 Effective date of abandoning: 20150401 |
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| RGAV | Abandon patent right to avoid regrant |