CN219834392U - 一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统。所述系统包括射频能量接收天线阵列、无线传感器模块、射频信号整流放大阵列、固定基板、储能单元、配重质量块和封装外壳。所述系统可收集环境中的射频能量，包括由无人机等数据采集平台发射的射频能量和基站发出的射频能量，并经过射频整流电路后产生唤醒脉冲信号，使休眠中的无线传感系统唤醒工作，从而降低无线传感系统的平均能耗，延长无线传感系统的使用寿命。

Description

一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统

技术领域

本实用新型属于射频能量收集技术领域，特别是涉及一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统。

背景技术

海洋环境中的无人值守化环境参数感知(如水质参数、气象参数等)对于环境保护、智慧渔业、国防安全等方面具有重要的意义。通过在海洋中布置带有多种传感器和无线通讯模块的智能感知浮漂系统，可以实现对海洋环境参数的分布式监测，具备良好的实时性。智能浮漂中的无线传感系统，由于需要与陆地或卫星进行远距离无线通讯，单次通讯的能耗很高。目前的此类智能浮漂系统普遍采用电池作为电源，其所携带的锂电池容量有限，在若干次无线通讯后，电池的能量会耗尽，此时浮漂系统失效，需要人为更换电池，对于部署在远洋环境中的浮漂系统，频繁地进行能源维护会耗费大量人力、物力资源，会限制智能浮漂系统的推广应用。因此，降低智能浮漂系统的无线通讯频次，可以大幅度降低系统平均能耗，延长电池的使用寿命。在浮漂系统完成环境数据采集后，将数据本地保存，并进入休眠状态。浮漂系统根据设定的环境数据采集频率，不断地采集环境数据，并本地保存后休眠，此时系统由于不使用无线通讯功能，整体能耗很低。根据实际应用的数据回馈频率要求，可以采用无人机平台飞行至传感节点附近，通过向浮漂系统远程发射射频唤醒信号，激活浮漂系统的无线通讯功能，此时浮漂系统将数据无线发送至无人机，无人机返回陆地后将数据上报，完成海洋中浮漂系统的数据上报。由此，浮漂系统的无线传输距离和无线传输频率都会大大缩短，由于无线数据传输带来的能耗也会很大程度地降低，对于延长海洋智能浮漂系统的工作寿命具有重要意义。

目前，射频能量收集与自唤醒的应用成果较少，大多处于理论研究阶段，尚未发现带有射频能量自唤醒功能的浮漂式无线传感器系统的相关实用新型。

实用新型内容

本实用新型目的是解决现有技术中的问题，提供了一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统。所述系统可收集环境中的射频能量，包括由无人机等数据采集平台发射的射频能量和基站发出的射频能量，并经过射频整流电路后产生唤醒脉冲信号，使休眠中的无线传感系统唤醒工作，从而降低无线传感系统的平均能耗，延长无线传感系统的使用寿命。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型提出一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统，所述系统包括射频能量接收天线阵列、无线传感器模块、射频信号整流放大阵列、固定基板、储能单元、配重质量块和封装外壳；

所述射频能量接收天线阵列固定于固定基板上表面，射频能量接收天线阵列中的每个天线输出端口通过同轴电缆接入固定基板，并且与射频信号整流放大阵列的输入端相连；射频信号整流放大阵列、无线传感器模块固定于固定基板上表面；射频信号整流放大阵列的输出端与无线传感器模块的唤醒信号输入端相连；固定基板固定于封装外壳的偏上位置；配重质量块固定于封装外壳底部，储能单元固定于配重质量块上表面，输出端通过配重质量块上表面中的线路连接至无线传感器模块，为无线传感器模块提供能量。

进一步地，所述射频能量接收天线阵列包含4个射频能量收集单元，每个射频能量收集单元表面呈球面结构，与封装外壳的内壁紧密贴合；每个射频能量收集单元包含对称分布的2个微带贴片天线和功分器，一对微带贴片天线通过功分器相连，共同连接至射频能量收集单元的射频输出端口。

进一步地，所述固定基板表面具备安装孔固定结构，能够为无线传感器模块和射频能量接收天线阵列提供固定和支撑；固定基板的上表面采用PCB工艺制备，具备内联线路和接口，能够为射频整流放大阵列提供线路、结构支撑以及输入输出接口，使其可以接收射频能量接收天线输出的高频交流信号，并转换为唤醒信号输出至无线传感器模块。

进一步地，所述无线传感器模块具备低功耗休眠的运行模式，并且可以通过中断唤醒源输入唤醒信号后从休眠状态恢复至工作状态；中断唤醒源的输入端连接至射频整流放大阵列的输出端，可以接收由射频能量接收天线阵列产生的唤醒信号。

进一步地，所述射频信号整流放大阵列包含4个射频整流放大电路，每个射频整流放大电路包括阻抗匹配电路、全波整流电路、储能电容和信号放大电路。

进一步地，所述无线传感器模块具备两种工作模式，分别是由远程数据基站唤醒工作后的单次数据采集与无线发送模式，和由无人平台唤醒工作后的数据集中无线发送模式。

进一步地，所述配重质量块的表面覆盖PCB，并预留固定区域，为储能单元提供支撑，并为储能单元提供内部链接线路，能够实现多个储能单元的串联或者并联。

进一步地，所述储能单元为锂电池或超级电容器储能器件。

进一步地，所述封装外壳的整体为球形结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种针对海洋浮漂式无线传感系统的低功耗解决方案，采用射频能量收集与自唤醒工作的方式，可以实现利用基站或无人平台发射特定频率射频信号，远程唤醒无线传感器模块，并进行短时间的高能耗操作，完成工作流程后，无线传感器系统进入休眠状态。由此可以远程人为控制海洋浮漂式无线传感系统的工作频率，使其做到按需工作，从而大幅度降低系统的平均能耗水平，延长电源的使用寿命。由于海洋浮漂式无线传感系统工作区域往往位于远离陆地的区域，对其能源的维护(如更换电池、充电等)非常困难，维护的成本极高，延长电源的使用寿命对于提升浮漂式无线传感系统的实用性具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种带有射频自唤醒功能的海洋浮漂式无线传感系统的侧视图；

图2为本实用新型提供的一种带有射频自唤醒功能的海洋浮漂式无线传感系统的俯视图；

图3为实用新型提供的一种带有射频自唤醒功能的海洋浮漂式无线传感系统的系统架构图；

附图标记为：1射频能量接收天线阵列；2为射频信号整流放大阵列；3为无线传感器模块；4为固定基板；5为储能单元；6为配重质量块；7为封装外壳；11、12、13、14均为射频能量收集单元；21、22、23、24均为射频信号整流放大电路；111和113为微带贴片天线；112为功分器；211为阻抗匹配电路；212为全波整流电路；213为储能电容；214为信号放大电路；31传感器；32中央控制器；33中断源；34通讯天线；35无线通讯模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1-图3，本实用新型提供的一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统，包括射频能量接收天线阵列、无线传感器模块、射频信号整流放大阵列、固定基板、储能单元、配重质量块和封装外壳。

固定基板上表面采用PCB工艺制备，表面具备链接线路、固定结构、线路接口等功能。射频接收天线阵列固定于固定基板上表面，阵列中的每个天线输出端口通过同轴电缆接入固定基板，并且与射频信号整流放大阵列的输入端相连。射频信号整流放大阵列、无线传感器模块固定于固定基板上表面。射频信号整流放大阵列的输出端与无线传感器模块的唤醒信号输入端相连。固定基板固定于封装外壳的偏上位置。配重质量块固定于封装外壳底部，配重质量块上表面采用PCB工艺制备，可以为储能单元提供固定结构和接口线路。储能单元固定于配重质量块上表面，输出端通过配重质量块上表面中的线路连接至无线传感器模块，为无线传感器模块提供能量。

本实用新型中的海洋无线传感浮漂系统中，射频接收天线阵列包含四个射频能量收集单元，每个射频能量收集单元表面呈球面结构，与封装外壳的内壁紧密贴合。每个射频能量收集单元中包含对称分布的微带贴片天线结构，通过微带功分器结构相连，共同连接至天线单元的射频输出端口。微带贴片天线和微带功分器的材质为铜、银等高电导率材料，天线基板材质为树脂、聚酰亚胺等绝缘材料，基板另一侧均匀覆盖铜箔。所述射频信号整流放大阵列包含4个射频整流放大电路，每个射频整流放大电路包括阻抗匹配电路、全波整流电路、储能电容、信号放大电路。所述系统在四个方向上均匀分布一组射频能量收集单元和射频整流放大电路，能够在对应的方向上收集由数据基站或无人平台发射的射频电磁波中携带的微弱能量，并经过射频整流放大电路整流滤波，形成唤醒信号，唤醒休眠状态中的无线传感器模块工作。实现无线传感器模块的按需工作，降低平均能耗。

本实用新型中的海洋无线传感浮漂系统中，固定基板的材质为塑料、PCB等，表面具备安装孔等固定结构，可以为无线传感器模块和射频能量收集天线阵列提供固定和支撑。固定基板的上表面采用PCB工艺制备，具备内联线路和接口，可以为射频整流放大阵列提供线路、结构支撑以及输入输出接口，使其可以接收射频能量收集天线输出的高频交流信号，并转换为唤醒信号输出至无线传感器模块。

本实用新型中的海洋无线传感浮漂系统中，无线传感器模块具备环境参数感知、数据处理、无线通讯、低功耗休眠与中断唤醒等功能。通讯天线位于系统顶部，可以避免射频能量收集天线阵列对其产生干扰。无线传感器模块具备低功耗休眠的运行模式，并且可以通过中断唤醒源输入唤醒信号后从休眠状态恢复至工作状态。中断唤醒源的输入端连接至射频整流放大阵列的输出端，可以接收由射频能量收集天线阵列产生的唤醒信号。

本实用新型中的海洋无线传感浮漂系统中，配重质量块为钢等高密度金属材质，位于封装外壳最底部，可以起到增强浮漂在水中稳定性的作用。配重质量块的表面覆盖PCB，并预留固定区域，可以为储能单元提供支撑，并为储能单元提供内部链接线路，可以实现多个储能单元的串联或者并联。储能单元可以为锂电池、超级电容器等储能器件。

本实用新型中的海洋无线传感浮漂系统中，封装外壳的材质为塑料，对于内部的无线通讯天线和射频能量收集天线阵列的信号影响较小。整体为球形结构，内部腔体有较大的空间，整体的等效密度较低，可以漂浮于水面。内部具备固定结构，可以为固定基板和配重质量块提供可靠固定。

本实用新型提出的一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统，由射频能量接收天线阵列、无线传感器模块、射频信号整流放大阵列、固定基板、储能单元、配重质量块和封装外壳组成。射频能量接收天线阵列与射频信号整流放大阵列相连，构成射频自唤醒组件。数据基站或无人平台(如无人机、机器人等)可以向环境中发射特定频率的射频唤醒信号，射频能量接收天线阵列收集射频唤醒信号并为射频整流放大阵列提供高频交流信号输入，射频整流放大阵列将输入的高频交流信号转换为直流信号后存储至储能电容，当储能电压达到设定阈值后放大器工作，输出可以触发无线传感器模块唤醒工作的直流电平。射频整流放大阵列的输出端与无线传感器模块的唤醒输入端相连，当无线传感器模块接收到唤醒信号后开始执行唤醒工作。无线传感器模块的唤醒工作包含两种模式，一种是单次数据采集与无线发送模式，另一种是数据发送模式，分别对应了数据基站远程唤醒和无人平台数据采集这两种射频唤醒信号发射模式。无论完成哪种工作模式后，无线传感器模块进入休眠状态。本实用新型可以让无线传感器模块在人为可控的条件下唤醒工作，其余的时间均处于休眠状态，从而大幅度降低系统的整体能耗水平，达到延长电池寿命的目的，降低浮漂式无线传感系统的能源维护频率。对于部署在海洋等难以人为维护环境中无线传感器的大规模应用具有重要的实际意义。

实施例

如图1所示，为海洋浮漂式无线传感系统侧视图，11、12、13、14为射频能量收集单元，共同构成1射频能量接收天线阵列；2为射频信号整流放大阵列；3为无线传感器模块；4为固定基板；5为储能单元；6为配重质量块；7为封装外壳。固定基板表面为PCB板，可以提供固定结构、内联线路和接口；射频能量接收天线阵列、射频信号整流放大阵列和无线传感器模块固定于固定基板，并通过内部线路互联，连接关系如图3所示。配重质量块表面为PCB板，可以提供固定结构、内联线路和接口；储能单元固定于配重质量块表面，通过内联线路为无线传感器模块提供能量。

如图2所示，为海洋浮漂式无线传感系统俯视图，21、22、23、24为射频信号整流放大电路，共同构成2射频信号整流放大阵列。

如图3所示，为海洋浮漂式无线传感系统架构图，每个射频能量收集单元包含两个微带贴片天线和功分器，并且输出至对应的射频整流放大电路。以射频能量收集单元11和射频整流放大电路21为例，111和113为微带贴片天线，112为功分器，111、112、113共同构成射频能量收集单元11；211为阻抗匹配电路、212为全波整流电路、213为储能电容、214为信号放大电路，211、212、213、214共同构成射频整流放大电路21；类似的，射频能量收集单元12、13、14与射频能量收集单元11具有相同的组成，射频整流放大电路22、23、24与射频整流放大电路21具有相同的组成。射频能量收集单元11的输出端连接至射频整流放大电路21；类似的射频能量收集单元12的输出端连接至射频整流放大电路22，射频能量收集单元13的输出端连接至射频整流放大电路23，射频能量收集单元14的输出端连接至射频整流放大电路24。3为无线传感器模块，包括传感器31、中央控制器32、中断源33、通讯天线34和无线通讯模块35。中断源33具有至少4个中断信号输入端口，每个射频整流放大电路中的信号放大电路输出端口连接至中断源33中的1个中断信号输入端口。

系统的核心组件为无线传感器模块，无线传感器模块具备传感信号采集处理、无线数据通讯和低功耗休眠等3种工作模式。在传感信号采集处理模式下，中央控制器驱动传感器采集水环境信号(如水质、pH、温度等)，经过数据补偿计算等处理后存储在中央控制器内的存储器中；在无线数据通讯模式下，中央处理器将内部存储的传感信息通过无线通讯模块无线发送，此时系统的能耗水平最高；在低功耗休眠模式下，系统不进行任何操作，维持极低的功耗水平，直至唤醒信号输入后，系统唤醒进入其他工作模式。无线传感器模块通过储能单元提供电能供给，储能单元可以是锂电池、超级电容器等储能介质，通过预先充电可以维持无线传感器模块在一定的时间内工作。由于无线传感器在通讯时的能耗最高，并且海洋浮漂式无线传感器系统通常部署在距离陆地较远的位置，若无线传感器节点频繁的采集数据，并在每次采集之后都将数据无线发送，会造成存储能量的快速消耗，导致系统的工作寿命短，提高了更换电池、充电等能源维护的频率。而海洋无线传感器系统部署后维护的难度极大，较短的能源寿命会限制海洋无线传感器系统的大规模应用。

针对上述问题，本实用新型引入了射频自唤醒技术，利用微波中夹带的能量远程唤醒海洋浮漂式无线传感系统，使其按照特定的需求工作，其他大部分时间维持休眠状态，系统整体的平均能耗降低，大幅度延长电源的使用寿命。射频自唤醒功能通过对称分布的4个射频能量收集单元和射频整流放大电路实现。射频能量收集单元分布于4个方向，可以接收多个方向发射的唤醒信号，保证无论浮漂在水中是什么方向都可以接收到唤醒信号实现自唤醒。射频信号为高频交流信号，通过射频基站或无人平台携带的射频发射机发射。为了提升接收的灵敏度，射频能量收集单元内包含了一对微带贴片天线，通过功分器相连，可以实现接收增益的提升。空间中传递的射频信号通过微带贴片天线接收，以高频交流信号的形式输出至阻抗匹配电路，阻抗匹配电路将信号的等效阻抗进行匹配处理后输出至全波整流电路，整流为半波信号后进入储能电容进行能量的积累。当储能电容上的电压积累到一定程度后，驱动信号放大电路将电压放大至触发中断源的最低电压阈值以上，触发中断源唤醒中央控制器工作。

针对海洋无线传感器的实际应用需求，本实用新型设计了两种唤醒工作模式：

第一种唤醒工作模式为陆地基站向海洋浮漂式无线传感器系统发射唤醒信号后触发无线传感器模块唤醒工作，执行数据采集工作模式与无线通讯工作模式，将单次采集的数据直接上报至陆地基站。这种唤醒工作模式适用于将海洋浮漂式无线传感器系统提前部署在待测水域，有数据采集需求时可以远程唤醒无线传感器系统进行单次采集和数据上报工作，实现按需工作。

第二种唤醒工作模式为无人机、无人船等无人平台运动到海洋浮漂式无线传感器系统附近区域，发射唤醒信号，触发无线传感器模块唤醒工作，执行无线通讯工作模式。其余的情况下，无线传感器按照设定的工作频率唤醒执行数据采集工作模式，将每次采集的数据存储在内部的存储器中，等待无人平台唤醒后将数据上报至无人平台。这种唤醒工作模式适用于对数据上报频率不敏感，而需要长期记录的应用需求。通过无人平台唤醒采集数据可以大幅度缩小无线通讯距离，并降低了无线通讯的频率，使得无线通讯按需工作，同样可以大幅度降低无线传感器系统的平均能耗水平。

因此，在本实用新型中，可以根据无线传感器的实际应用需求，灵活选择系统的唤醒工作模式。无论选择何种工作模式，都能够降低系统的平均能耗，延长能源的使用寿命。

Claims (7)

1.一种带有射频自唤醒功能海洋无线传感浮漂系统，其特征在于：所述系统包括射频能量接收天线阵列、无线传感器模块、射频信号整流放大阵列、固定基板、储能单元、配重质量块和封装外壳；

所述射频能量接收天线阵列固定于固定基板上表面，射频能量接收天线阵列中的每个天线输出端口通过同轴电缆接入固定基板，并且与射频信号整流放大阵列的输入端相连；射频信号整流放大阵列、无线传感器模块固定于固定基板上表面；射频信号整流放大阵列的输出端与无线传感器模块的唤醒信号输入端相连；固定基板固定于封装外壳的偏上位置；配重质量块固定于封装外壳底部，储能单元固定于配重质量块上表面，输出端通过配重质量块上表面中的线路连接至无线传感器模块，为无线传感器模块提供能量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频能量接收天线阵列包含4个射频能量收集单元，每个射频能量收集单元表面呈球面结构，与封装外壳的内壁紧密贴合；每个射频能量收集单元包含对称分布的2个微带贴片天线和功分器，一对微带贴片天线通过功分器相连，共同连接至射频能量收集单元的射频输出端口。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定基板表面具备安装孔固定结构，能够为无线传感器模块和射频能量接收天线阵列提供固定和支撑；固定基板的上表面采用PCB工艺制备，具备内联线路和接口，能够为射频整流放大阵列提供线路、结构支撑以及输入输出接口，使其可以接收射频能量接收天线输出的高频交流信号，并转换为唤醒信号输出至无线传感器模块。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频信号整流放大阵列包含4个射频整流放大电路，每个射频整流放大电路包括阻抗匹配电路、全波整流电路、储能电容和信号放大电路。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述配重质量块的表面覆盖PCB，并预留固定区域，为储能单元提供支撑，并为储能单元提供内部链接线路，能够实现多个储能单元的串联或者并联。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储能单元为锂电池或超级电容器储能器件。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述封装外壳的整体为球形结构。