CN205595903U - 微传感器节点、无线供电装置、无线传感器网络 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种微传感器节点，属于传感器技术领域。该微传感器节点包括微传感器、无线模块以及用于为微传感器和无线模块供能的供能单元；所述供能单元包括能量线圈以及具有储能部件的能量收集电路，所述能量线圈可在周围空间中存在变化的电磁场时产生感应电能，所述能量收集电路可将能量线圈所产生的感应电能收集并存储于所述储能部件后供给微传感器和无线模块。本实用新型还公开了一种用于为该微传感器节点进行无线供电的无线供电装置以及一种无线传感器网络。本实用新型可利用周围空间中变化的电磁场，将微弱的无线信号能量收集并存储起来，供给节点中的用电设备使用；不需要使用电池，实用性更强且环境亲和性更好。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微传感器节点，属于传感器技术领域。
背景技术
无线传感器网络是由大量的微型传感器节点组成的，其应用十分广泛。近年来，无线传感器网络在军事、环境监测、医疗卫生、农业、智能家居等行业发挥着巨大的作用。但同时其微型传感器节点的供电问题一直困扰着技术人员，也限制了无线传感器网络的发展。现在大多微型传感器节点都采用电池来供电。在军事上，微型传感器被大量布置在战场上，更换某个节点的电池无疑是极其危险的甚至是不可能的。在医用领域，一种微型传感器被植入人体内用于监测患者的各项身体体征参数，如果更换电池就需要动手术这对病人来说是一件非常痛苦的事。而在环境监测方面，许多微型传感器被放置在森林、海洋、平原等地方，这样管理人员可以实时的知道被监测区域的温度、湿度等参数。这些地方通常人员很难到达或者面积太大传感器数量太多，更换电池几乎是不可能的。因此，绝大部分微型传感器节点随着电池电量用完其也被随之弃用。这显然缩短、限制了无线传感器网络的使用寿命，也是一个极大的浪费。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微传感器节点，可收集并储存空间中的无线电波能量供给自身使用。
本实用新型具体采用以下技术方案：
一种微传感器节点，包括微传感器、无线模块以及用于为微传感器和无线模块供能的供能单元；所述供能单元包括能量线圈以及具有储能部件的能量收集电路，所述能量线圈可在周围空间中存在变化的电磁场时产生感应电能，所述能量收集电路可将能量线圈所产生的感应电能收集并存储于所述储能部件后供给微传感器和无线模块。
所述储能部件优选超级电容。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种无线供电装置，用于为以上任一技术方案所述微传感器节点进行无线供电；所述无线供电装置包括发射线圈、信号发生器，以及依次电连接的直流电源、驱动电路、源线圈；信号发生器的输出端与驱动电路的控制信号输入端电连接；发射线圈与源线圈电磁耦合；所述驱动电路可在信号发生器输出的信号控制下将直流电源输出的直流电转换为流经源线圈的高频交流电，发射线圈在源线圈所产生的交变电磁场作用下产生交变的无线信号向周围空间传播。
优选地，所述驱动电路包括MOS管及相应的MOS管驱动电路。
优选地，所述发射线圈与微传感器节点中的能量线圈的谐振频率相同。
一种无线传感器网络，包括一组如上任一技术方案所述微传感器节点，以及至少一个如上任一技术方案所述无线供电装置。
相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型的微传感器节点可利用周围空间中变化的电磁场，将微弱的无线信号能量收集并存储起来，供给节点中的用电设备使用；不需要使用电池，实用性更强且环境亲和性更好；
本实用新型的无线供电装置可通过电磁场耦合的方式对微传感器进行无线供电，进一步提升了微传感器节点的环境适用性。
附图说明
图1为本实用新型微传感器节点的结构原理示意图；
图2为本实用新型无线供电装置的结构原理示意图；
图3为无线供电装置向微传感器节点无线供电的原理示意图；
图4为能量收集电路的一个具体电路实例。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：
本实用新型的思路是利用能量线圈将空间中的电磁波能量转换为电能，并通过能量收集电路进行收集和储存，供给微传感器节点中的用电部件。
图1显示了本实用新型微传感器节点的基本结构原理。如图1所示，该微传感器节点包括微传感器、无线模块以及用于为微传感器和无线模块供能的供能单元；所述供能单元包括能量线圈以及具有储能部件的能量收集电路，所述能量线圈可在周围空间中存在变化的电磁场时产生感应电能，所述能量收集电路可将能量线圈所产生的感应电能收集并存储于所述储能部件后供给微传感器和无线模块。
当周围空间中存在电磁波时，能量线圈中可感应出微弱的感生电压或电流，这种微弱的电能通常不足以直接供给微传感器节点的用电部件（无线模块和有源微传感器）使用。本实用新型利用能量收集电路来对能量线圈所产生的微弱电能进行收集和储存。能量收集技术是将环境中的其他形式的能量（例如电磁波、光、振动等）通过某种方式转换为电能以供小型用电器件使用的技术。得益于能量收集技术的发展，目前已出现了多种实用的能量收集电路，其可收集微弱的电能并通过储能部件（通常为储能电池或储能电容，本实用新型优选采用超级电容）将所收集的电能储存起来。能量收集电路所储存的电能可供给微传感器节点的用电部件使用。这样就可避免使用电池作为电源，在使用便利性和使用寿命方面的实用性更强，另一方面对环境产生的不良影响也更小。
采用一组上述的微传感器节点即可构建无线传感器网络，实现对现场的信息采集和数据传输。
虽然空间中充斥着电磁波，但通常这种电磁波信号都极其微弱，因此收集储存足够微传感器节点的用电部件使用的电能往往需要相当长时间，这就会直接影响无线传感器网络的实际工作性能。为此，本实用新型又进一步上述问题，提出了一种用于对该微传感器节点进行无线供电的无线供电装置。该无线供电装置的基本结构原理如图2所示，包括发射线圈、信号发生器，以及依次电连接的直流电源、驱动电路、源线圈；信号发生器的输出端与驱动电路的控制信号输入端电连接；发射线圈与源线圈电磁耦合；所述驱动电路可在信号发生器输出的信号控制下将直流电源输出的直流电转换为流经源线圈的高频交流电，发射线圈在源线圈所产生的交变电磁场作用下产生交变的无线信号向周围空间传播。
本实施例中的驱动电路采用最简单的MOS管（IRF540N）与MOS管驱动电路（芯片型号为IR2110）相结合的结构。
如图2所示，本实施例中发射线圈直径较大（直径为16cm），而源线圈直径较小（直径为7.5cm），且两个线圈同心嵌套，从而实现相互之间的电磁耦合。两个线圈均采用0.1mm*180李兹线。
信号发生器输出的控制信号（例如频率为1.25MHz的方波信号）控制MOS管驱动芯片IR2110，驱动芯片驱动MOS管IRF540N使得MOS管工作在开关状态将直流电源所输出的5～10V直流电变成交流电，交变电流流经源线圈产生交变磁场，由于电磁耦合作用，发射线圈中产生交变的无线信号（电磁波）向周围空间传播。
图3显示了无线供电装置向微传感器节点无线供电的原理。如图3所示，无线供电装置中的发射电路（包括信号发生器、直流电源、驱动电路）产生的高频交变电流经由源线圈和发射线圈转换为电磁波；该电磁波被微传感器节点中的能量线圈接收并转换为电能，再经由能量收集电路收集并储存，供给微传感器节点中的用电部件。
图4显示了能量收集电路的一个具体电路实例，如图4所示，LTC3108是一款微能量收集芯片，该芯片可在20mv至500mv的输入下输出5v电压。图4中，C 4为输入电容、C 2为超级电容，C 7为Vout脚的输出电容，Vout脚接负载。当能量收集电路有能量输入时，LTC3108为输出电容C 7充电至5v；当C 7充满时，若仍有能量输入，LTC3108将输入的能量储存至超级电容C 2中。该能量收集电路由输出电容C 7为Vout脚所接负载提供工作电流；当能量收集电路无输入能量时，LTC3108利用超级电容C 2中储存的电能为Vout脚输出电容C 7充电再供给负载使用。
为了提高无线供电的效率，可进一步设置发射线圈与微传感器节点中的能量线圈的谐振频率相同，在无线供电过程中能量线圈产生共振，此时能量传输效率最高。
在本实用新型微传感器节点所构建的无线传感器网络中，可固定设置一个或多个上述无线供电装置，定时或持续地对各微传感器节点进行无线供电，从而保证了无线传感器网络的正常工作。
Claims (6)
1.一种微传感器节点，包括微传感器、无线模块以及用于为微传感器和无线模块供能的供能单元；其特征在于，所述供能单元包括能量线圈以及具有储能部件的能量收集电路，所述能量线圈可在周围空间中存在变化的电磁场时产生感应电能，所述能量收集电路可将能量线圈所产生的感应电能收集并存储于所述储能部件后供给微传感器和无线模块。
2.如权利要求1所述微传感器节点，其特征在于，所述储能部件为超级电容。
3.一种无线供电装置，用于为权利要求1或2所述微传感器节点进行无线供电；其特征在于，所述无线供电装置包括发射线圈、信号发生器，以及依次电连接的直流电源、驱动电路、源线圈；信号发生器的输出端与驱动电路的控制信号输入端电连接；发射线圈与源线圈电磁耦合；所述驱动电路可在信号发生器输出的信号控制下将直流电源输出的直流电转换为流经源线圈的高频交流电，发射线圈在源线圈所产生的交变电磁场作用下产生交变的无线信号向周围空间传播。
4.如权利要求3所述无线供电装置，其特征在于，所述驱动电路包括MOS管及相应的MOS管驱动电路。
5.如权利要求3所述无线供电装置，其特征在于，所述发射线圈与微传感器节点中的能量线圈的谐振频率相同。
6.一种无线传感器网络，包括一组如权利要求1或2所述微传感器节点，以及至少一个如权利要求3～5任一项所述无线供电装置。
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