CN218920067U - 基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及物联网技术领域，公开一种基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，包括接收模块和输出模块，所述输出模块包括能量输出子模块和信息输出子模块，所述能量输出子模块包括能量输入单元、能量管理芯片、能量存储单元和能量输出单元，所述能量输入单元包括备用电源；所述接收模块通过所述能量输入单元与所述能量输出子模块连接，所述能量管理芯片分别与所述能量输入单元、所述能量存储单元、所述能量输出单元和所述备用电源连接，所述能量输出单元与所述信息输出子模块和外加负载连接，所述接收模块与所述信息输出子模块连接。本实用新型可以实现信号的无失真传输、能量的高效利用及稳定持续的供电。

Description

基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置

技术领域

本实用新型涉及物联网技术领域，尤其是指一种基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置。

背景技术

随着第五代移动通信网络技术的发展，物联网逐渐渗透到人们生活的各个方面，在新一代无线通信中，除了对这些物联网设备进行控制与信息传递，如何有效地对移动的物联网设备进行供电已成为关键技术。可见光信息与能量同步传输技术采用可见光为载波来实现数据传输，相比于传统的射频通信技术具有频谱资源丰富、不易受电磁干扰、成本低等优点；此外，该技术还能以可见光为能量载体，实现对移动物联网装置进行供电的功能。因此，可见光信息与能量同步传输技术在物联网终端领域具有广泛的应用前景。

目前，科技人员对可见光信息与能量同步传输技术及系统的研究愈发深入。当前，可见光信息与能量同步传输的物联网系统接收端，通常利用DC-DC升压电路来解决能量存储及光电转换器件传输功率最大化的问题，但该技术方案会引入高频噪声，对系统所传输的目标信号产生干扰。此外，目前已公开的可见光信息与能量同步传输的物联网系统还存在无法持续自供电的问题。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，以实现信号的无失真传输、能量的高效利用及稳定持续的无线供电。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，包括接收模块和输出模块，所述输出模块包括能量输出子模块和信息输出子模块，所述能量输出子模块包括能量输入单元、能量管理芯片、能量存储单元和能量输出单元，所述能量输入单元包括备用电源；

所述接收模块通过所述能量输入单元与所述能量输出子模块连接，所述能量管理芯片分别与所述能量输入单元、所述能量存储单元、所述能量输出单元和所述备用电源连接，所述能量输出单元与所述信息输出子模块和外加负载连接，所述接收模块与所述信息输出子模块连接。

作为优选的，所述接收模块包括光学天线、光电转换器件和信息与能量分离电路，所述光学天线的输出端和所述光电转换器件的输入端连接，所述光电转换器件的输出端和所述信息与能量分离电路输入端连接；

所述信息与能量分离电路包括并联的信息传递支路和能量传递支路，所述信息传递支路输出端和所述信息输出子模块连接，所述能量传递支路输出端和所述能量输出子模块连接。

作为优选的，所述能量存储单元包括第三电容、第四电容和第二二极管，所述第三电容和第四电容的正极分别与所述能量管理芯片连接，所述第三电容和第四电容的负极均接地，所述第二二极管的正极与所述第四电容的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第三电容的正极连接。

作为优选的，所述能量输出子模块还包括第一阈值设置单元和第二阈值设置单元，所述第一阈值设置单元和第二阈值设置单元分别和所述能量管理芯片连接；

所述能量管理芯片内置低压差线性稳压器，所述能量输出单元包括与所述能量管理芯片连接的能量输出子模块阈值输出端口、能量输出子模块输出端口和低压差线性稳压器输出端口；所述能量输出子模块输出端口与外加负载连接，所述能量输出子模块阈值输出端口、低压差线性稳压器输出端口与所述信息输出子模块连接；

所述第一阈值设置单元和所述第二阈值设置单元分别与所述能量管理芯片连接。

作为优选的，所述第一阈值设置单元包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻和第二电阻的两端均与所述能量管理芯片连接，所述第三电阻的两端分别与所述能量管理芯片和地线连接；

所述第二阈值设置单元包括第四电阻、第五电阻和第六电容，所述第四电阻的两端均与所述能量管理芯片连接，所述第五电阻的两端分别与所述能量管理芯片和地线连接，所述第六电容的两端分别与所述第四电阻的两端连接。

作为优选的，所述信息输出子模块包括前置放大单元、滤波放大单元、整形单元和信息输出子模块输出端口，所述前置放大单元的输出端和所滤波放大单元的输入端连接，所述滤波放大单元的输出端和所述整形单元的输入端连接，所述整形单元的输出端和所述信息输出子模块输出端口连接。

作为优选的，所述信息输出子模块还包括基准单元，所述基准单元包括第零运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十六电容和第十七电容；

所述第十电阻的一端接地，所述第十电阻的另一端连接所述第零运算放大器的正相输入端；所述第九电阻的一端连接所述第零运算放大器的正相输入端，所述第九电阻的另一端连接所述能量管理芯片；所述第十六电容和第十七电容并联后的一端接地，所述第十六电容和第十七电容并联后的另一端连接所述能量管理芯片；

所述基准单元分别与所述前置放大单元、滤波放大单元、整形单元连接。

作为优选的，所述前置放大单元包括跨阻放大器和基准电压输入端口，所述跨阻放大器包括第一运算放大芯片，所述第一运算放大芯片的同相端设置有所述基准电压输入端口。

作为优选的，所述滤波放大单元包括第二运算放大器、第十一电容、第七电阻和第八电阻，所述第十一电容和第八电阻并联，所述第七电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端；

所述整形单元包括比较器，所述比较器的正相端口与所述滤波放大单元的输出端口连接，所述比较器的反相端口连接所述基准单元的输出端口。

作为优选的，所述能量输出子模块阈值输出端口与所述前置放大单元、滤波放大单元连接，所述低压差线性稳压器输出端口与所述基准单元、整形单元连接。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型通过能量管理芯片和能量输出子模块、信息输出子模块的配合，不需要外加辅助信号就可以实现对能量的采集和管理，进而不会对目标信息形成干扰，具有噪声低的优点；同时，本实用新型通过在能量输入单元中设置备用电源以及在能量输出子模块中设置能量存储单元，实现了对装置自身的持续供电、能量的高效利用，极大地提高了物联网终端设备的续航能力，具有无线通信、安全、快捷、续航能力高的优点。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：

图1为本实用新型实施例的工作框图示意图，

图2为本实用新型实施例中的光电转换器件和信息与能量分离电路的连接示意图，

图3为本实用新型实施例中的能量输出子模块的电路设计图，

图4为本实用新型实施例中的基准单元的电路设计图，

图5为本实用新型实施例中的信息输出子模块电路设计图，

图6为本实用新型实施例的整体结构示意图。

说明书附图标记说明：1、光学天线；2、光电转换器件；3、信息与能量分离电路；4-1、第一阈值设置单元；4-2、第二阈值设置单元；5、能量输入单元；6、能量管理芯片；7、能量存储单元；8、能量输出单元；9、能量输出子模块输出端口；10、前置放大单元；11、滤波放大单元；12、整形单元；13、信息输出子模块输出端口；14、基准单元；15、信息与能量分离电路输入端；16、信息传递支路输出端口；17、能量传递支路输出端口；18、能量输出子模块输入端；19、能量输出子模块阈值输出端口；20、低压差线性稳压器输出端口；21、基准单元输出端口；22、低通滤波器；23、滤波放大单元输出端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，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“第二”、“第一”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

如图1所示，本实用新型公开了一种能够实现可见光信息与能量同步传输的物联网终端装置，包括接收模块和输出模块，所述输出模块包括能量输出子模块和信息输出子模块；所述接收模块接收可见光束并转换成电能量和电信息，将所述电能量输入所述能量输出子模块，将所述电信息输入所述信息输出子模块；所述能量输出子模块包括能量输入单元5、能量管理芯片6、第一阈值设置单元4-1、第二阈值设置单元4-2、能量存储单元7和能量输出单元8，所述能量管理芯片6将所述电能量存储在所述能量存储单元7中。所述能量存储单元7通过所述能量管理芯片6管理电能量并将电能量输送至能量输出单元8，所述能量输出单元8将部分电能量通过能量输出子模块输出端口9给外加负载(如微处理器、传感器等)供电(即能量输出子模块输出端口9只用于对外供电，不用于给装置自身供电)；同时，所述能量输出单元8还同时将部分电能量通过能量输出子模块阈值输出端口19(见图3)和所述低压差线性稳压器输出端口20(见图3)给装置自身供电。所述能量管理芯片6内置输入和输出独立的低压差线性稳压器(LDO)，用于提供一个稳定的电压。所述能量输入单元5包括备用电源，所述备用电源与所述能量管理芯片6连接，在电能量不足时所述能量管理芯片6通过所述备用电源给装置自身和外加负载供电，本实施例中备用电源为电池。所述信息输出子模块将所述电信息处理后输出。

如图3所示，所述能量输出子模块还包括能量输入单元5，所述能量输入单元5包括备用电池和能量输出子模块输入端18，经能量传递支路输入的电能量通过能量输入单元5输入能量输出子模块，能量输入单元5将电能量输入能量管理芯片6，所述备用电池与所述能量管理芯片6连接，在电能量不足时所述能量管理芯片6通过所述备用电池给装置自身和外加负载供电。电能量通过所述能量输入单元5中的能量输出子模块输入端18输入所述能量输出子模块。能量存储单元7采用两级电容存储的方式，可以在光照良好的条件下能实现稳定供电，在无光照(或光照较弱)的条件下能够配合备用电池实现对装置自身和外加负载的供电，从而能够实现持续性供电。

所述接收模块包括光学天线1、光电转换器件2和信息与能量分离电路3，所述光学天线1的输出端和所述光电转换器件2的输入端连接，所述光电转换器件2的输出端和所述信息与能量分离电路输入端15连接；所述信息与能量分离电路3包括并联的信息传递支路和能量传递支路，所述信息传递支路输出端和所述信息输出子模块连接，所述能量传递支路输出端和所述能量输出子模块连接；所述光学天线1聚集可见光束后输入所述光电转换器件2，所述光电转换器件2将聚集后的可见光束转换成电能量和电信息输入所述信息与能量分离电路3；所述信息与能量分离电路3分离所述电能量和电信息，通过所述信息传递支路将所述电信息输入至所述信息输出子模块，通过所述能量传递支路将所述电能量输入至所述能量输出子模块，并在能量存储单元7内部电容两端电压上升到设定的阈值时给外加负载和信息输出子模块供电。

如图2所示，信息与能量分离电路3为一个解耦合电路，由一个电容(第零电容C0)和一个电感(第零电感L0)并联组成。光电转换器件2的输出端和信息与能量分离电路输入端15相连，即光电转换器件2产生的光电流分流后经过信息传递支路输出端口16和能量传递支路输出端口17来传输。其中，能量传递支路包括第零电感L0，用于直流信号的传输，第零电感L0能够对交流信号进行衰减，从而消除直流信号的波纹。信息传递支路包括第零电容C0，第零电容C0可阻挡直流信号，同时保证绝大部分的交流信号能通过信息传输支路进行传输。能量传递支路与能量输出子模块的输入端相连；信息传递支路与信息输出子模块输入端相连。本实施例中所述光学天线1为聚光器，聚光器对可见光波段的入射光具有优良的聚光效果。所述光电转换器件2为非晶硅太阳能电池，并可根据使用场景的光照条件选择不同类型的太阳能电池；例如在25℃室温条件下，对于介于100～1000lux(勒克斯)的室内照明。非晶硅太阳能电池的转换效率高于多晶硅和单晶硅结构，对照明用的可见光具有较高的光电转换效率、同时具有较低的制作成本。

如图3所示，所述能量存储单元7包括第三电容C3、第四电容C4和第二二极管D2，所述第三电容C3的电容值小于所述第四电容C4的电容值，VSTORE1和VSTORE2是能量管理芯片6的充电输出引脚，所述第三电容C3和第四电容C4的正极分别与所述能量管理芯片6的VSTORE1和VSTORE2引脚连接，所述第三电容C3和第四电容C4的负极均接地，所述第二二极管D2的正极与所述第四电容C4的正极连接，所述第二二极管D2的负极与所述第三电容C3的正极连接。

本实施例中的第三电容C3选用100μF～500μF的超级电容，第四电容C4选用10mF～500mF的超级电容，当第三电容C3两端电压达到充电上限电压时充电停止，此时第三电容C3开始放电。在第三电容的放电过程中，第四电容C4开始充电。当第三电容C3两端电压降至放电下限电压时停止放电并再次开始充电，当第三电容C3两端电压达到充电上限电压时第三电容C3再次开始放电，同时第四电容C4再次开始充电。重复上述充放电过程直至第三电容C3和第四电容C4两端电压全部达到充电上限电压。当第四电容C4两端电压与第三电容C3两端电压之差高出第二二极管D2的压降值时，第四电容C4开始对第三电容C3充电。第二二极管D2的作用是防止C4给C3充电时可能存在的电流回流。目前适用于光能量收集电路的储能元件主要有两种：锂电池和超级电容。超级电容在充放电速度、循环寿命等方面优于锂电池，能更快地从环境中收集能量，更长的循环寿命利于后期维护。超级电容还具有更稳定的工作特性，而且其充放电电路更加简单。因此，此处的C3和C4可分别选用100μF和100mF的超级电容。

能量管理芯片6的功能是控制能量输出子模块的能量分配和能量输出，可根据不同的使用需求选取不同型号的芯片。本实施例中，能量管理芯片6使用CYPRESS公司的S6AE101A、S6AE102A或S6AE103A，该系列芯片具有体积小、超低功耗的特点，在满足不同负载的电压要求时还具有节省能量的优点，图3中的能量管理芯片6以S6AE102A型号芯片为例。所述能量管理芯片6正常运行所需电能量来自第二电容C2(见图3)，所述第二电容C2一端与所述能量管理芯片6的VINT引脚连接，另一端接地。本实施例中，所述第二电容C2的取值可选取为1μF。目前的常规技术采用DC-DC升压电路方案来解决能量存储以及太阳能电池功率传输最大化的问题，该方案需要引入一个高频信号，而额外引入的高频信号会对目标信号产生干扰，影响信号的传输效果。本实用新型采用能量管理芯片6来解决能量的传输、管理、存储问题，能量管理芯片6内部以及外部各个单元的电路设计并未引入高频信号。因此，不同于传统的DC-DC升压电路方案，采用本实用新型所述方案不会引入高频噪声，不会对传输的目标信号产生干扰。

所述能量输出子模块还包括第一阈值设置单元4-1和第二阈值设置单元4-2，所述第一阈值设置单元4-1和第二阈值设置单元4-2分别和所述能量管理芯片6连接；能量输出单元8包括能量输出子模块阈值输出端口19、能量输出子模块输出端口9和低压差线性稳压器输出端口20，所述的三个输出端口分别和所述能量管理芯片6的VOUT1、VOUT2和VOUT-LDO引脚连接。接收模块转换存储在能量存储单元7中的电能量、以及备用电源中的电能量，在能量管理芯片6的控制下，经所述能量输出单元8通过所述能量输出子模块输出端口9给外加负载供电、以及通过所述能量输出子模块阈值输出端口19和低压差线性稳压器输出端口20给所述信息输出子模块(即前置放大单元10、滤波放大单元11、基准单元14和整形单元12)。

所述第一阈值设置单元4-1通过所述能量管理芯片6调节所述能量输出子模块阈值输出端口19和能量输出子模块输出端口9的输出电压范围。例如，对于本实用新型可选的S6AE102A型芯片而言，其输出电压范围为1.1V～5.2V。所述第二阈值设置单元4-2通过所述能量管理芯片6调节所述低压差线性稳压器输出端口20的输出电压大小，对于本实用新型可选的S6AE102A型芯片而言，其输出电压可在1.3V～5V范围内调节。本实施例中，针对所述装置的供电需求，第一阈值设置单元4-1调节的电压阈值范围为最低输出电压2.7V至最高输出电压4V；第二阈值设置单元4-2调节的电压值为3.3V。

第一阈值设置单元4-1包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，所述第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的一端分别与能量管理芯片6的SET-VOUTFB、SET-VOUTH和SET-VOUTL引脚连接。第一电阻R1的另一端与能量管理芯片6的SET-VOUTH引脚连接。第二电阻R2的另一端与能量管理芯片6的SET-VOUTL引脚连接。第三电阻R3的另一端与地线连接。第二阈值设置单元4-2包括第四电阻R4、第五电阻R5和第六电容C6，所述第四电阻R4和第五电阻R5的一端分别与能量管理芯片6的VOUT-LDO和FB-LDO引脚连接。第四电阻R4的另一端与能量管理芯片6的FB-LDO引脚连接。第五电阻R5的另一端与地线连接。第六电容C6的两端分别与第四电阻R4两端连接。

需要指出，所述能量管理芯片6对光电转换器件2输入到能量管理芯片6的电压范围以及能量输出单元8的输出电压范围有要求，在本实施例中所采用的能量管理芯片6要求的输入电压范围为2V～5.5V，输出电压范围为1.1V～5.2V。由于在光能量收集过程中可能会发生持续充电导致能量管理芯片6过压，或者由于环境光能骤降导致欠压的情况，故能量管理芯片6需要设置有VDD引脚输入过压保护(OVP:Over Voltage Protection)功能。当能量管理芯片6的VDD引脚电压超过OVP检测电压(即5.4V)时，从VDD引脚流入OVP保护电流来抑制VDD引脚电压的上升。为了增强能量输出子模块电路的稳定性，设计了第一阈值设置单元4-1和第二阈值设置单元4-2，以避免因输出电压过高而损坏能量管理芯片6。能量输出子模块阈值输出端口19和能量输出子模块输出端口9对应的最低电压和最高电压与图3中第一阈值设置单元4-1中的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的电阻值有关，且满足式(1)和式(2)的关系。

电压上限：

电压下限：

其中a、b是可调节的系数，本实施例中a＝57.5，b＝11.1。

能量管理芯片6集成了一个低压差线性稳压器(LDO)，其作用是输出一个稳定电压，能量管理芯片6的内置低压差线性稳压器输出端口20的输出电压与图3中第二阈值设置单元4-2的第四电阻R4、第五电阻R5的电阻值有关，且满足式(3)的约束。

其中c、d是可调节的系数，本实施例中c＝1.15，d＝11.1。

本实施例中第二阈值设置单元4-2中的第六电容C6、能量输出单元8中的第五电容C5和第七电容C7均为旁路电容，C5、C6和C7可以减小输出电压的纹波，C5、C6和C7的大小可分别选取为10μF、220pF和1μF。第一阈值设置单元4-1中的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的电阻值分别为4MΩ、4.4MΩ、9.1MΩ，阈值设置单元二中的第四电阻R4、第五电阻R5的电阻值分别为6.8MΩ、3.4MΩ，对应的VOUTH、VOUTL、VLDO分别为4V、2.7V、3.3V。

所述信息输出子模块包括前置放大单元10、滤波放大单元11、整形单元12和信息输出子模块输出端口13，所述前置放大单元10与所述信息传递支路连接，所述前置放大单元10的输出端和所述滤波放大单元11的输入端连接，所述滤波放大单元11的输出端和所述整形单元12的输入端连接，所述整形单元12的输出端和所述信息输出子模块输出端口13连接，所述信息输出子模块通过所述信息输出子模块输出端口13向外界输出电信号；所述电信息通过所述前置放大单元10输入所述信息输出子模块，所述前置放大单元10对电信号进行前置放大，所述滤波放大单元11对电信号进行滤波，所述整形单元12对电信号进行放大整形后通过所述信息输出子模块输出端口13输出，实现对电信息的前置放大、滤波、放大以及整形处理。

如图4所示，所述信息输出子模块还包括基准单元14，所述基准单元14包括低功耗的单电源第零运算放大器A0和外围电路，所述外围电路包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十六电容C16和第十七电容C17；所述第十电阻R10的一端接地，所述第十电阻R10的另一端连接所述第零运算放大器A0的正相输入端；所述第九电阻R9的一端连接所述第零运算放大器A0的正相输入端，所述第九电阻R9的另一端连接所述能量管理芯片6的内置的低压差线性稳压器的输出端口20；所述第十六电容C16和第十七电容C17并联后的一端接地，所述第十六电容C16和第十七电容C17并联后的另一端连接所述能量管理芯片6的内置的低压差线性稳压器的输出端口20；所述基准单元14分别与所述前置放大单元10、滤波放大单元11、整形单元12连接，为所述前置放大单元10、滤波放大单元11和整形单元12提供稳定的基准电压。基准单元14的输出端口21输出一个低阻抗、稳定的基准电压，抬高信息输出子模块的电压基准，为解决单电源供电的条件下相位翻转的问题提供必要条件。

用第零运算放大器A0构成一个电压跟随器，其输入阻抗无限大，输出阻抗无限小，能够更好地和上级电路以及下级电路实现信号耦合，减小目标信号的损耗。能量管理芯片6的内置的低压差线性稳压器输出端口20同时连接第零运算放大器A0的正供电端和正相输入端，给第零运算放大器A0提供能量。第零运算放大器A0的反相输入端则直接连接第零运算放大器A0的输出端口，构成一个电压跟随器。输入信号Vi的大小由第九电阻R9和第十电阻R10决定，即

根据电压跟随器的原理，输出电压VREF＝Vi。第零运算放大器A0负供电端接地，采用单电源供电的方式。本具体实施例中R9可选为1.8MΩ，R10为1.5MΩ，VLDO为3.3V，VREF为1.5V。C16、C17为旁路电容，其大小可选为1μF、100nF，目的是减小电源输入的纹波，使供电更稳定；第零运算放大器A0可选为德州仪器的TLV2401。

如图5所示，所述前置放大单元10包括跨阻放大器(trans-impedance amplifier,TIA)和基准电压输入端口，所述跨阻放大器包括低功耗的第一运算放大芯片A1、负反馈第六电阻R6和负反馈第八电容C8，跨阻放大器的作用是将光电流转换为电压信号，便于后续的滤波以及电压放大处理。所述第一运算放大芯片A1的同相端设置有所述基准电压输入端口，所述基准单元14输出的基准电压输入所述第一运算放大芯片A1的同相端时通过所述基准电压输入端口将跨阻放大器的输出电压抬高一个基准；本实施例中R6可选为1kΩ，C8、C9、C10可选为220pF、1μF、100nF，第一运算放大器A1可选用德州仪器的OPA379。

跨阻放大器采用单电源供电(供电端口为正电源输入端口)的工作方式，该方式能够进一步降低功耗并减小电路设计的复杂程度；将电流信号转换为电压信号，电流到电压的增益基于反馈电阻的大小；正电源输入端口并联两个滤波电容(即第九电容C9和第十电容C10)，用于减小输入电源的纹波，使供电更稳定。前置放大单元10的输入输出的关系可以表示为：U0＝I×RF其中U0为输出电压，I为输入电流，RF为反馈第六电阻R6。反馈电阻两端并联一个反馈第八电容C8的目的是防止自激振荡对电路带来的影响。能量输出子模块阈值输出端口19连接第一运算放大器A1正供电端为前置放大单元10提供能量。由于信号从运算放大器反相输入，故输出信号的相位会翻转180度，此时加上基准电压可以解决单电源供电条件下信号反相带来的不利影响。

如图5所示，所述滤波放大单元11为一个低通反相放大器，其作用是对前置放大单元10的输出电压滤除高频噪声，并进行二次放大。所述低通反相放大器包括一个低功耗的单电源第二运算放大器A2和外围电路组成，低通反相放大器的作用是滤除高频噪声，并对有效信号进行二次放大。所述外围电路包括：负反馈第十一电容C11、负反馈第八电阻R8和第七电阻R7，一个负反馈第十一电容C11和一个负反馈第八电阻R8并联构成一个低通滤波器22；另一个第七电阻R7连接第二运算放大器A2的反相输入端，第七电阻R7、负反馈第八电阻R8与所述第二运算放大器一同构成反相放大器、决定了滤波放大单元11的增益。此外，滤波放大单元11的供电方式、基准电压输入端口和正电源输入端口滤波电容的设置与前置放大单元10一致。

能量输出子模块阈值输出端口19连接第二运算放大器A2的正供电端为滤波放大单元11供电。此处，输入信号VI和输出信号VO的关系由下式决定：

低通滤波器22的截止频率fp则由

决定。第二运算放大器A2负供电端接地，采用单电源供电的方式。基准单元14输出端口21连接第二运算放大器A2正相端，以使得运算放大器输出信号抬高一个基准电压的大小。C12、C13的作用和取值与前置放大单元10中的C9、C10相同。本实施例中R7、R8、C11可分别取为1kΩ，20kΩ，3.9nF，运算放大器可采用德州仪器的OPA379。

如图5所示，所述整形单元12包括阈值比较器，所述阈值比较器包括第三运算放大器A3、第十四电容C14和第十五电容C15，一个低功耗比较器以及两个滤波电容构成一个阈值比较器，滤波电容设置与前置放大单元10一致。整形单元12的作用是通过比较输入到比较器正相端口和反相端口的电压大小来输出一个二值电压信号。其中，所述阈值比较器的正相端口连接所述滤波放大单元11输出端口23，所述阈值比较器的反相端口连接所述基准单元14的输出端口，阈值比较器A3的正电源输入端口连接能量输出单元8的第三输出端口。

整形单元12电压信号从滤波放大单元11输出端口23输出后传递到运算放大器A3的正相端，与基准单元14输出端口21的电压信号比较；当滤波放大单元11输出的电压信号大于基准单元14输出的基准电压时，比较器输出电压与正电源输入端口电压一致，即为高电平；反之则输出0V，即为低电平。该过程可理解为最终输出一个高电平或一个低电平的二值信号，也可看作为一个一位的模/数转换过程。通过这个过程最终保证了信息输出子模块输出端口13输出的电压信号能与常规微处理器的输入电压兼容。此处能量管理芯片6内置的低压差线性稳压器输出端口20的输出电压VLDO设置为3.3V，基准单元14输出端口21的输出电压VREF为1.5V，即信息输出子模块输出端口13最终输出一个高电平为3.3V、低电平为0V的二值信号。本实施例中C14、C15作用和取值与前置放大单元10中的C9、C10相同；第三运算放大器A3可采用德州仪器的TLV7011。

本实施例中，能量输出子模块的输出分为三路，第一路输出通过能量输出单元8中的能量输出子模块阈值输出端口19(和所述前置放大单元10、滤波放大单元11连接)输出，所述能量输出子模块通过所述第一路输出给所述前置放大单元10、滤波放大单元11供电；第一阈值设置单元4-1调节对应的电压范围为VOUTL～VOUTH。能量输出单元8的第二路输出包括第一子路和第二子路，所述第一子路为所述能量管理芯片6通过所述能量输出子模块输出端口9给外加负载供电，所述第二子路为所述能量管理芯片6给内置的所述低压差线性稳压器供电，实现对外加负载的供电；第一阈值设置单元4-1调节对应的电压范围为VOUTL～VOUTH。能量输出单元8的第三路输出通过低压差线性稳压器输出端口和所述整形单元12、基准单元14连接，给所述整形单元12、基准单元14供电；对应的电压为稳定的某个值、由第二阈值设置单元4-2调节为VLDO。

如图6所示是一种能够实现可见光信息与能量同步传输的物联网终端装置的整体结构示意图。光学天线1位于光电转换器件2的上方，信息与能量分离电路3位于光电转换器件2的下方。沿主视角方向，信息与能量分离电路3左半部分为信息输出子模块，右半部分为能量输出子模块。信息输出子模块包括前置放大单元10、放大滤波单元11、整形单元12和基准单元14，从右到左分别为前置放大单元10、滤波放大单元11和整形单元12，基准单元14位于放大滤波模块下方，为信息输出子模块的前置放大单元10、放大滤波单元11、整形单元12提供基准电压；信息输出子模块输出端13位于整形单元12上方，输出目标信息信号以实现通信功能。信息与能量分离电路3右半部分为能量输出子模块，从左往右分别是能量输入单元5、能量管理芯片6、能量存储单元7，第一阈值设置单元4-1和第二阈值设置单元4-2(注意这两个阈值设置单元合并放在一起)位于能量管理芯片6下方；能量输出子模块输出端口9位于能量管理芯片6上方，外接负载实现能量传输。

本实用新型的工作原理为：可见光经光学天线1聚光后，通过光电转换器件2将光信号转换为电信号(同时将光能量转换为电能量)，电信号(及电能量)传输至信息与能量分离电路3，形成第一路输出(对应信息传递支路)和第二路输出(对应能量传递支路)，它们分别作为信息输出子模块和能量输出子模块的输入。信息与能量分离电路3的第一路输出经过信息输出子模块的前置放大、滤波放大和整形处理后由信息输出端输出。信息与能量分离电路3的第二路输出将作为能量输出子模块的输入。

能量输出子模块共有三路(如图3中的能量输出子模块阈值输出端口19、能量输出子模块输出端口9和低压差线性稳压器输出端口20)输出：输入信号在能量管理芯片6控制下通过能量存储单元7储能，能量存储单元7内部电容两端电压达到一定数值时输出一个阈值范围内的电压作为第一路输出(即能量输出子模块阈值输出端口19)，进而为信息输出子模块的前置放大单元10和滤波放大单元11供电；第二路输出从能量管理芯片6的VOUT2引脚输出，该路输出又分为两个子路，第一子路为外加负载供电(即能量输出子模块输出端口9)，第二子路连接能量管理芯片6内置低压差线性稳压器的电源输入端口(即能量管理芯片6的VIN-LDO引脚)，为低压差线性稳压器供电；第三路输出从能量管理芯片6的VOUT-LDO引脚输出(即低压差线性稳压器输出端口20)，输出一个稳定电压同时为基准单元14和整形单元12供电。当信息输出端口和能量输出端口同时产生有效输出时，该装置即实现了可见光信息与能量同步传输的功能。

本实用新型通过能量管理芯片和能量输出子模块、信息输出子模块的配合，相对于现有技术中用DC-DC升压电路来解决能量存储及光电转换器件传输功率最大化问题的技术方案，不需要外加辅助信号就可以实现对能量的采集管理，进而不会对目标信息形成干扰，具有噪声低的优点；同时，本实用新型通过在能量输入单元设置备用电源以及在能量输出子模块中设置由两级电容组成的能量存储单元，实现了对装置自身的持续供电、能量的高效利用，极大地提高了物联网终端设备的续航能力，具有无线通信、安全、快捷、续航能力高的优点。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：包括接收模块和输出模块，所述输出模块包括能量输出子模块和信息输出子模块，所述能量输出子模块包括能量输入单元、能量管理芯片、能量存储单元和能量输出单元，所述能量输入单元包括备用电源；

所述接收模块通过所述能量输入单元与所述能量输出子模块连接，所述能量管理芯片分别与所述能量输入单元、所述能量存储单元、所述能量输出单元和所述备用电源连接，所述能量输出单元与所述信息输出子模块和外加负载连接，所述接收模块与所述信息输出子模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述接收模块包括光学天线、光电转换器件和信息与能量分离电路，所述光学天线的输出端和所述光电转换器件的输入端连接，所述光电转换器件的输出端和所述信息与能量分离电路输入端连接；

所述信息与能量分离电路包括并联的信息传递支路和能量传递支路，所述信息传递支路输出端和所述信息输出子模块连接，所述能量传递支路输出端和所述能量输出子模块连接。

3.根据权利要求1所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述能量存储单元包括第三电容、第四电容和第二二极管，所述第三电容和第四电容的正极分别与所述能量管理芯片连接，所述第三电容和第四电容的负极均接地，所述第二二极管的正极与所述第四电容的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第三电容的正极连接。

4.根据权利要求3所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述能量输出子模块还包括第一阈值设置单元和第二阈值设置单元，所述第一阈值设置单元和第二阈值设置单元分别和所述能量管理芯片连接；

所述能量管理芯片内置低压差线性稳压器，所述能量输出单元包括与所述能量管理芯片连接的能量输出子模块阈值输出端口、能量输出子模块输出端口和低压差线性稳压器输出端口；所述能量输出子模块输出端口与外加负载连接，所述能量输出子模块阈值输出端口、低压差线性稳压器输出端口与所述信息输出子模块连接；

所述第一阈值设置单元和所述第二阈值设置单元分别与所述能量管理芯片连接。

5.根据权利要求4所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述第一阈值设置单元包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻和第二电阻的两端均与所述能量管理芯片连接，所述第三电阻的两端分别与所述能量管理芯片和地线连接；

所述第二阈值设置单元包括第四电阻、第五电阻和第六电容，所述第四电阻的两端均与所述能量管理芯片连接，所述第五电阻的两端分别与所述能量管理芯片和地线连接，所述第六电容的两端分别与所述第四电阻的两端连接。

6.根据权利要求4所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述信息输出子模块包括前置放大单元、滤波放大单元、整形单元和信息输出子模块输出端口，所述前置放大单元的输出端和所滤波放大单元的输入端连接，所述滤波放大单元的输出端和所述整形单元的输入端连接，所述整形单元的输出端和所述信息输出子模块输出端口连接。

7.根据权利要求6所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述信息输出子模块还包括基准单元，所述基准单元包括第零运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十六电容和第十七电容；

所述第十电阻的一端接地，所述第十电阻的另一端连接所述第零运算放大器的正相输入端；所述第九电阻的一端连接所述第零运算放大器的正相输入端，所述第九电阻的另一端连接所述能量管理芯片；所述第十六电容和第十七电容并联后的一端接地，所述第十六电容和第十七电容并联后的另一端连接所述能量管理芯片；

所述基准单元分别与所述前置放大单元、滤波放大单元、整形单元连接。

8.根据权利要求7所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述前置放大单元包括跨阻放大器和基准电压输入端口，所述跨阻放大器包括第一运算放大芯片，所述第一运算放大芯片的同相端设置有所述基准电压输入端口。

9.根据权利要求7所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述滤波放大单元包括第二运算放大器、第十一电容、第七电阻和第八电阻，所述第十一电容和第八电阻并联，所述第七电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端；

所述整形单元包括比较器，所述比较器的正相端口与所述滤波放大单元的输出端口连接，所述比较器的反相端口连接所述基准单元的输出端口。

10.根据权利要求7所述的基于可见光传输信息与能量的物联网终端装置，其特征在于：所述能量输出子模块阈值输出端口与所述前置放大单元、滤波放大单元连接，所述低压差线性稳压器输出端口与所述基准单元、整形单元连接。

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