基于无线电能量收集的无电池传感器、方法及系统

1.本发明涉及低功耗电路技术领域，尤其涉及基于无线电能量收集的无电池传感器、方法及系统。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.随着互联网技术的快速发展，物联网传感器技术已经成为了一项重要的技术，开始应用于更广泛的领域，包括家庭自动化、健康监测、交通管理等。也在许多行业中得到了广泛应用。例如，它可以用于智能城市、农业、医疗保健、能源管理等领域，为人们的生活带来了极大的方便。
4.然而电池耗尽或出现故障时，传感器无法工作，导致传感器暂时失效，或者无法收集数据。目前市面上的基于太阳能电池板以及基于温差发电片的物联网传感器，一定程度上可以解决电池耗尽的问题。然而太阳能电池需要接受充足的光照才能正常产生足够的电能，且现有技术的太阳能电池板的发电效率与其温度成反比；温差发电片需要两个持续性的温度差的区域才能产生足够的电能，而物联网传感器的大部分应用场景无法满足上述要求，难以有效补充传感器节点电池的电能。
5.同时由于电池使用寿命的的限制，传感器节点的电池需要定期更换，大大增加了节电设备的维护成本，尤其是处在难以接近位置的传感器节点。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供基于无线电能量收集的无电池传感器、方法及系统，通过能量收集电路和超级电容进行无线电能量收集，并在收集到足够多的电能时给主控单片机、传感器以及无线收发器进行供电，完成数据的传送。
7.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了基于无线电能量收集的无电池传感器；
9.基于无线电能量收集的无电池传感器，包括天线、切换开关、无线收发器、能量收集电路、超级电容、稳压器、控制单元和传感器；
10.所述天线与所述切换开关的控制端电连接，所述切换开关的的常闭端与所述能量收集电路电连接，用于对天线收集的无线电能进行整流处理和最大功率点调整，所述能量收集电路与所述超级电容电连接，所述超级电容用于存储整流处理和最大功率点调整后的无线电能，所述超级电容与所述稳压器电连接，所述稳压器用于根据所述超级电容存储的电量信息和阈值，为所述无线收发器、所述控制单元和所述传感器供电；
11.所述控制单元与所述稳压器连接，用于获取所述超级电容存储的电量信息，根据所述超级电容存储的电量信息和阈值，发出控制信号至切换开关，以使切换开关的常开端闭合，常闭端断开；
12.所述切换开关的常开端与所述无线收发器电连接，所述无线收发器与所述控制单
元通信连接，所述控制单元与所述传感器通信连接，用于将传感器采集的数据传输至物联网网关。
13.进一步的，所述能量收集电路包括整流电路和mppt充电电路；
14.所述整流电路用于对无线电能进行整流，所述mppt充电电路根据整流后的电压对整流后的电流进行最大功率点调整。
15.进一步的，还包括下拉电阻，所述下拉电阻的第一端与所述控制单元电连接，所述下拉电阻的第一端与所述切换开关的控制端电连接，所述下拉电阻的第二端接地。
16.进一步的，所述无线收发器包括信号调理单元、第一调制解调单元、模数转换单元和第二调制解调单元；信号调理单元用于对输入的模拟信号进行滤波、放大处理，第一调制解调单元用于对处理后的模拟信号进行下变频处理，模数转换单元用于将下变频处理后的模拟信号进行数字量化，转换为数字信号，第二调制解调单元用于进行频率偏移调制解调，对数字信号进行数字载波处理。
17.进一步的，所述天线为无源天线，所述无线收发器为单工收发器，所述开关为固态单刀双掷开关，所述控制单元为主控单片机，所述稳压器为升降压式稳压器。
18.进一步的，所述天线和所述无线收发器的无线射频频率一致。
19.进一步的，当电量信息小于阈值时，所述控制单元还用于分别发出休眠指令至所述传感器和所述无线收发器；
20.当电量信息大于阈值时，所述控制单元还用于发出第一唤醒指令至所述无线收发器，所述无线收发器获取地址命令包并传输至所述控制单元，所述控制单元判断所述地址命令包是否有效，若有效，所述控制单元发出第二唤醒指令至所述传感器。
21.第二方面，本发明提供了上述基于无线电能量收集的无电池传感器的工作方法；
22.基于无线电能量收集的无电池传感器的工作方法，包括：
23.当超级电容存储的电量信息小于稳压器的电压阈值时，天线通过切换开关与能量收集电路连接，能量收集电路对天线收集的无线电能进行整流处理和最大功率点调整，并传输至超级电容；
24.稳压器获取超级电容的电量信息，将电量信息与预设的电压阈值进行比较；当电量信息大于预设阈值时，稳压器进行稳压输出，为无线收发器、控制单元和传感器供电；
25.当电量信息大于预设的电压阈值时，控制单元将下拉电阻置为高电平，使天线通过切换开关与无线收发器连接；无线收发器通过天线与物联网网关通信，控制单元将传感器采集的数据通过无线收发器传输至物联网网关。
26.进一步的，无线收发器获取物联网网关发出的地址命令包，并传输至控制单元；所述控制单元判断所述地址命令包是否有效，若有效，所述控制单元发出第二唤醒指令至所述传感器，并获取所述传感器采集的数据；
27.当所述控制单元判断所述数据有效时，将所述数据打包为带有本机地址的数据包，并将该数据包通过无线收发器发送至物联网网关。
28.第三方面，本发明提供了基于无线电能量收集的无电池传感器系统；
29.基于无线电能量收集的无电池传感器系统，包括物联网网关、多个基于无线电能量收集的无电池传感器和云端服务器，多个基于无线电能量收集的无电池传感器分别与所述物联网网关通信，所述物联网网关与所述云端服务器通信。
30.本发明提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
31.1、本发明提供的技术方案，通过收集物联网网关发射出来的无线电能对节点设备内各部位供电，免除了采用太阳能、温差能等传统能量收集手段的设备对光照、温度差等特殊环境的需求，同时增强了节点设备的可用时间段的可预测性。
32.2、本发明提供的技术方案，采用超级电容进行收集能量的存储，大大增加了设备的充电循环次数，延长了设备的运行寿命，进而减少了设备的维护成本。
33.3、本发明提供的技术方案，传感器节点采用数字传感器，大大减少了设备的功耗，相比较于模拟传感器，传感器的精度更高，抗电磁干扰能力更强。
附图说明
34.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
35.图1是本发明实施例提供的基于无线电能量收集的无电池传感器的示意图；
36.图2是本发明实施例提供的基于无线电能量收集的无电池传感器系统的连接示意图；
37.图中：1、无源天线；2、切换开关；3、下拉电阻；4、无线收发器；501、整流电路；502、mppt充电电路；6、超级电容；7、升降压式稳压器；8、主控单片机；9、传感器；10、云端服务器；11、物联网网关；12、传感器节点。
38.为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
39.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.实施例一
41.正如背景技术所介绍的，现有技术中使用的物联网传感器，依赖于电池供电，而电池的使用寿命和电量短，需要不断对传感器9进行维护，为了解决如上的技术问题，本发明提出了基于无线电能量收集的无电池传感器，通过能量收集电路和超级电容6进行无线电能量收集。
42.结合图1-图2，本实施例中记载了基于无线电能量收集的无电池传感器，包括天线、切换开关2、无线收发器4、能量收集电路、超级电容6、稳压器、下拉电阻3、控制单元和传感器9；天线与切换开关2的控制端电连接，切换开关2的的常闭端与能量收集电路电连接，能量收集电路与超级电容6电连接，超级电容6与稳压器电连接，稳压器分别与无线收发器4、控制单元和传感器9电连接；控制单元与稳压器电连接，切换开关2的常开端与无线收发器4电连接，无线收发器4与控制单元通信连接，控制单元与传感器9通信连接。切换开关2的控制端与下拉电阻3的第一端电连接，下拉电阻3的第一端与控制单元电连接，下拉电阻3的第二端接地。
43.其中，能量收集电路包括整流电路501和mppt充电电路502；整流电路501用于对无线电能进行整流，mppt充电电路502根据整流后的电压对整流后的电流进行最大功率点调
整；整流电路501包括一个由快恢复二极管构成的全桥整流桥和滤波电容构成，由快恢复二极管构成的全桥整流桥和滤波电容之间电连接，mppt充电电路502包括开关场效应管、储能电感和控制逻辑电路，其中，开关场效应管、储能电感构成双向同步整流电路501，开关场效应管、储能电感和控制逻辑电路之间电连接。整流电路501和mppt充电电路502为现有技术中的电路，本实施例并未对其做改进，在此不再赘述。
44.其中，无线收发器4包括信号调理单元、第一调制解调单元、模数转换单元和第二调制解调单元；信号调理单元主要负责对输入信号进行滤波、放大，第一调制解调单元对信号进行下变频处理，模数转换单元负责将模拟信号进行数字量化，第二调制解调单元负责进行频率偏移调制解调，将收发的数据进行数字载波处理。
45.具体的，第一调制解调单元由混频器、本振频率发生器以及带通滤波器构成，信号调理单元输出的信号首先进入混频器的第一输入口，本振频率发生器输出与混频器第二输入口相连，混频器对两个输入口的输入频率进行算数乘法运算，并通过输出口输出，输出口的信号通过带通滤波器滤波后通过第一调制单元的信号输出；模数转换单元为模拟数字转换器。
46.在本实施例中，天线为无源天线1，工作频率在470mhz-510mhz，并且在工作频率下的增益在3db以上；开关为固态单刀双掷开关；无线收发器4为单工收发器，控制单元为主控单片机8，稳压器为升降压式稳压器7，超级电容6的电压阈值为回差式阈值。
47.主控单片机8为低功耗单片机，能够执行通信协议代码的，并且支持选择性关闭片内外设的时钟和电源，进入低功耗休眠模式。传感器9为数字传感器9，可以通过iic总线与单片机通信，同时可以在接收到休眠命令后进入到休眠模式，以减小设备整体电能消耗。
48.具体的，天线通过固态单刀双掷开关分别与无线收发器4和能量收集电路相连，其中，能量收集电路与固态单刀双掷开关的常闭端相连，无线收发器4与固态单刀双掷开关的常开端相连，天线馈线与固态单刀双掷开关的控制端相连，固态单刀双掷开关的控制端与下拉电阻3的第一端电连接，下拉电阻3的第一端与主控单片机8电连接，下拉电阻3的第二端接地。无线收发器4与主控单片机8之间通过spi总线进行指令下发与数据传输。
49.该基于无线电能量收集的无电池传感器9的工作方式如下：
50.当基于无线电能量收集的无电池传感器9处于初始状态时，固态单刀双掷开关的常闭端闭合，天线与能量收集电路通过固态单刀双掷开关相连，传感器9处于休眠模式；能量收集电路将天线接收到的微弱电能进行收集，由天线收集的电能先经过整流电路501进行整流，然后，mppt充电电路502根据整流后的电压对整流电路501输入进来的电流进行最大功率点调整，对超级电容6进行充电。当超级电容6的电压达到升降压式稳压器7的电压阈值时，升降压式稳压器7触发使能，将超级电容6的电能进行转换，并稳压输出至节点内的其余电路，为主控单片机8、无线收发器4和传感器9进行供电。
51.此时，主控单片机8将下拉电阻3置为高电平，固态单刀双掷开关的常开端闭合，常闭端断开，无线收发器4经固态单刀双掷开关与天线连接，传感器9处于工作模式。
52.在传感器9进入到工作模式时，主控单片机8向无线收发器4发送退出休眠命令，并对无线收发器4重新进行初始化，将无线收发器4唤醒；进而发送监听数据包的命令，通过无线收发器4监听网关发出的地址命令包。当主控单片机8监听到有效的地址命令包，即地址命令包的地址与存储在主控单片机8内部的地址相同时，主控单片机8通过iic总线将传感
器9唤醒，并开始读取传感器9的数据。当主控单片机8读取到有效的数据后，主控单片机8将数据打包为带有本机地址的数据包，并将该数据包通过无线收发器4发送至网关。当数据包发送完毕时，主控单片机8向无线收发器4和传感器9发送休眠指令，其次通过休眠信号引脚关闭能量收集电路的稳压输出，关闭主控单片机8、无线收发器4以及传感器9的电源，进而传感器节点12进入休眠状态。
53.主控单片机8与超级电容6通信连接，获取超级电容6的电量信息(电压)，当超级电容6电压降低到设定阈值之下时，主控单片机8通过休眠使能端口将主控单片机8的外设置于休眠状态；其中，预设阈值大于电压阈值。
54.进一步的，切换开关2、无线收发器4、能量收集电路、超级电容6、稳压器压下拉电阻3、控制单元和传感器9安装在防水外壳内，天线安装在防水外壳外；传感器9上套设有传感器9罩。
55.实施例二
56.本实施例提供了基于无线电能量收集的无电池传感器的工作方法，包括如下步骤：
57.s1、当超级电容6存储的电量信息小于预设的稳压器的电压阈值时，控制单元发出第一控制信号至切换开关2，使天线通过切换开关2与能量收集电路连接，能量收集电路对天线收集的无线电能进行整流处理和最大功率点调整，并传输至超级电容6；稳压器获取超级电容6的电量信息，将电量信息与预设的电压阈值进行比较；当电量信息大于预设阈值时，稳压器进行稳压输出，为无线收发器4、控制单元和传感器9供电。
58.s2、当电量信息大于预设的电压阈值时，控制单元将下拉电阻3置为高电平，使天线通过切换开关2与无线收发器4连接；无线收发器4通过天线与物联网网关11通信，控制单元将传感器9采集的数据通过无线收发器4传输至物联网网关11。s3、无线收发器4获取物联网网关11发出的地址命令包，并传输至控制单元；控制单元判断地址命令包是否有效，若有效，控制单元发出第二唤醒指令至传感器9，并获取传感器9采集的数据；当控制单元判断数据有效时，将数据打包为带有本机地址的数据包，并将该数据包通过无线收发器4发送至物联网网关11。
59.进一步的，当数据包发送完毕时，主控单片机8向无线收发器4和传感器9发送休眠指令，通过休眠信号引脚关闭能量收集电路的稳压输出，关闭主控单片机8、无线收发器4以及传感器9的电源，进而传感器节点12进入休眠状态。
60.进一步的，主控获取超级电容6的电量信息(电压)，当超级电容6电压降低到设定阈值之下时，主控单片机8的通过休眠使能端口将主控单片机8的外设置于休眠状态；其中，预设阈值大于电压阈值。
61.实施例三
62.如图2所示，本实施例提供了基于无线电能量收集的无电池传感器系统，包括物联网网关11、多个基于无线电能量收集的无电池传感器和云端服务器10，多个基于无线电能量收集的无电池传感器分别与物联网网关11通信，物联网网关11与云端服务器10通信。
63.其中，网关为专用物联网网关11，支持连接多个传感器节点12，网络拓扑结构为星形拓扑，无线通信频率与节点的频率相同。
64.具体的工作流程如下：
65.(1)物联网网关11首先在通信频率的频带上发送激励信号，即幅度较大的单频率不包括任何通信内容的信号，为附近的传感器9进行预充电。
66.(2)当激励信号发送一段时间后，物联网网关11开始逐一发送地址指令包，并等待对应传感器9的应答信号，其中，地址指令包的地址是由存储在网关内的节点地址列表内的地址决定的，该地址列表内还存有每个地址所对应的传感器9的状态与读取的数据。
67.(3)若物联网网关11接收到了传感器节点12的应答信号，物联网网关11将接收到的数据存储到地址列表内并将该传感器节点12所对应的节点地址状态标为可用；若物联网网关11没有接收到传感器节点12的应答信号，物联网网关11将该节点所对应的节点地址标为不可用。
68.(4)进而物联网网关11将列表的数据以及节点状态通过外接互联网传输至云端服务器10内，完成整体系统的通信流程。
69.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.基于无线电能量收集的无电池传感器，其特征在于，包括天线、切换开关、无线收发器、能量收集电路、超级电容、稳压器、控制单元和传感器；所述天线与所述切换开关的控制端电连接，所述切换开关的的常闭端与所述能量收集电路电连接，用于对天线收集的无线电能进行整流处理和最大功率点调整，所述能量收集电路与所述超级电容电连接，所述超级电容用于存储整流处理和最大功率点调整后的无线电能，所述超级电容与所述稳压器电连接，所述稳压器用于根据所述超级电容存储的电量信息和阈值，为所述无线收发器、所述控制单元和所述传感器供电；所述控制单元与所述稳压器连接，用于获取所述超级电容存储的电量信息，根据所述超级电容存储的电量信息和阈值，发出控制信号至切换开关，以使切换开关的常开端闭合，常闭端断开；所述切换开关的常开端与所述无线收发器电连接，所述无线收发器与所述控制单元通信连接，所述控制单元与所述传感器通信连接，用于将传感器采集的数据传输至物联网网关。2.如权利要求1所述的基于无线电能量收集的无电池传感器，其特征在于，所述能量收集电路包括整流电路和mppt充电电路；所述整流电路用于对无线电能进行整流，所述mppt充电电路根据整流后的电压对整流后的电流进行最大功率点调整。3.如权利要求1所述的基于无线电能量收集的无电池传感器，其特征在于，还包括下拉电阻，所述下拉电阻的第一端与所述控制单元电连接，所述下拉电阻的第一端与所述切换开关的控制端电连接，所述下拉电阻的第二端接地。4.如权利要求1所述的基于无线电能量收集的无电池传感器，其特征在于，所述无线收发器包括信号调理单元、第一调制解调单元、模数转换单元和第二调制解调单元；信号调理单元用于对输入的模拟信号进行滤波、放大处理，第一调制解调单元用于对处理后的模拟信号进行下变频处理，模数转换单元用于将下变频处理后的模拟信号进行数字量化，转换为数字信号，第二调制解调单元用于进行频率偏移调制解调，对数字信号进行数字载波处理。5.如权利要求1所述的基于无线电能量收集的无电池传感器，其特征在于，所述天线为无源天线，所述无线收发器为单工收发器，所述开关为固态单刀双掷开关，所述控制单元为主控单片机，所述稳压器为升降压式稳压器。6.如权利要求1所述的基于无线电能量收集的无电池传感器，其特征在于，所述天线和所述无线收发器的无线射频频率一致。7.如权利要求1所述的基于无线电能量收集的无电池传感器，其特征在于，当电量信息小于阈值时，所述控制单元还用于分别发出休眠指令至所述传感器和所述无线收发器；当电量信息大于阈值时，所述控制单元还用于发出第一唤醒指令至所述无线收发器，所述无线收发器获取地址命令包并传输至所述控制单元，所述控制单元判断所述地址命令包是否有效，若有效，所述控制单元发出第二唤醒指令至所述传感器。8.如权利要求1-7任一项所述的基于无线电能量收集的无电池传感器的工作方法，其特征在于，包括：当超级电容存储的电量信息小于稳压器的电压阈值时，天线通过切换开关与能量收集
电路连接，能量收集电路对天线收集的无线电能进行整流处理和最大功率点调整，并传输至超级电容；稳压器获取超级电容的电量信息，将电量信息与预设的电压阈值进行比较；当电量信息大于预设阈值时，稳压器进行稳压输出，为无线收发器、控制单元和传感器供电；当电量信息大于预设的电压阈值时，控制单元将下拉电阻置为高电平，使天线通过切换开关与无线收发器连接；无线收发器通过天线与物联网网关通信，控制单元将传感器采集的数据通过无线收发器传输至物联网网关。9.如权利要求8所述的工作方法，其特征在于，无线收发器获取物联网网关发出的地址命令包，并传输至控制单元；所述控制单元判断所述地址命令包是否有效，若有效，所述控制单元发出第二唤醒指令至所述传感器，并获取所述传感器采集的数据；当所述控制单元判断所述数据有效时，将所述数据打包为带有本机地址的数据包，并将该数据包通过无线收发器发送至物联网网关。10.基于无线电能量收集的无电池传感器系统，其特征在于，包括物联网网关、多个基于无线电能量收集的无电池传感器和云端服务器，多个基于无线电能量收集的无电池传感器分别与所述物联网网关通信，所述物联网网关与所述云端服务器通信。

技术总结
本发明公开了基于无线电能量收集的无电池传感器、方法及系统，属于低功耗电路技术领域。本发明提供了一种基于无线电能量收集技术的无电池传感器的设计，通过能量收集电路和超级电容进行无线电能量收集，并在收集到足够多的电能时给主控单片机、传感器以及无线收发器进行供电，完成数据的传送。能够收集网关发射出来的无线电能对传感器设备内各部位供电，采用超级电容进行收集能量的存储，大大增加了设备的充电循环次数，解决了现有技术中存在的传感器需要多次更换电池，维护成本高的问题。维护成本高的问题。维护成本高的问题。


技术研发人员：张超
受保护的技术使用者：泰山学院
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/21