一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法

1.本发明涉及电子设备领域，特别是一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法。


背景技术：

2.本发明用于车载卫星通信上行信号监测，特设一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法。
3.车载信号监测设备作为对进口智能网联汽车与数据中心通过近地低轨卫星实现数据交互的一种监测设备。由于目前市面上设备功率大、体积大，无法隐蔽安装于汽车上，且需要汽车提供能源，无法提供有效的监测。
4.目前国家对于智能网联汽车卫星通信的监测方法主要有两种：一是建立固定式无线电监测基站，实现对以基站为中心方圆十公里的所有物体的无线电发射监测；二是派遣无线电频段监测车对某些重要场所附近的发射源进行监测。两者均无法对我国境内的所有移动潜在发射源实行监测全覆盖，且功耗大、成本高。
5.本发明为实现在车上长时间实施有效监测，设计了一个5.8ghz的射频模块，用于收集环境中的电磁能量，实现无线自续航，并在供能源能量有限的前提下，提供一种低功耗长时间处理存储大量数据的低功耗数据处理方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，通过该方法来实现系统能量无线采集、系统超低功耗运行、提高单位容量存储器能够存储的数据组数，从而实现系统在无线工作环境下的长时间运行能力。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，包括5.8ghz的无线射频能量采集方法和低功耗信号采样和存储方法。
8.一种5.8ghz的无线射频能量采集方法，包含天线模块、整流模块以及电源模块，所述的天线模块的输出端和所述的整流模块的输入端连接，所述的整流模块的输出端和所述的电源模块的输入端连接。
9.进一步的，所述的天线模块中的能量收集天线采用小尺寸四单元平面单极子阵列天线结构，阵列间距为17.5mm，每个单元的平面单极子天线长度为17mm，宽度为3mm。馈电部分采用微带线并联馈电结构，所述馈电结构的激励端口与整流模块的输入端口连接。
10.进一步的，所述的整流模块中的整流器包括第二二极管，所述的第二二极管为肖特基二极管。阻抗匹配电路包括第十六电容和第三电感，所述的第三电感的一端和所述的第十六电容的一端连接且为所述的阻抗匹配电路的输出端，第十六电容的另一端为阻抗匹配电路的输入端，所述的第三电感的另一端接地。
11.进一步的，所述的电源模块包括型号为bq25570的电源升压管理芯片、第十三电容、第十四电容、第十五电容、第十七电容、第十八电容、第十九电容、第二电感、第四电感、
第一电池、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻。所述的电源升压管理芯片的第2脚和所述的第十七电容、第十八电容以及第二电感的一端连接且连接端为整流模块的输出端，所述的第十七电容和第十八电容的另一端接地，所述第二电感的另一端与所述的电源升压管理芯片的第20脚相连；所述的电源升压管理芯片的第4脚和所述的第十五电容的一端连接，第十五电容的另一端接地；所述的电源升压管理芯片的第1脚、第15脚以及第21脚接地；所述的电源升压管理芯片的第3脚和第19脚相连并与第十三电容和第十四电容的一端相连，第十三电容和第十四电容的另一端接地；所述的电源升压管理芯片的第5脚、第6脚和第13脚分别输出和所述电源升压管理芯片工作状态相关的数字信号；所述的电源升压管理芯片的第8脚和第十电阻、第十三电阻、第十五电阻的一端相连，第十电阻的另一端和第九电阻的一端以及所述的电源升压管理芯片的第7脚相连，第九电阻的另一端接地，所述的电源升压管理芯片的第11脚与第十一电阻和第十二电阻的一端相连，第十一电阻的另一端接地，第十二电阻的另一端与第十三电阻的另一端以及所述的电源升压管理芯片的第10脚相连，所述电源升压管理芯片的第12脚与第十五电阻的另一端以及第十四电阻的一端相连，第十四电阻的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第18脚与第一电池的一端相连，第一电池的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第16脚和第四电感的一端相连，第四电感的另一端与所述电源升压管理芯片的第14脚以及第十九电容的一端相连且连接端为电源升压管理芯片的输出端，第十九电容的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第9脚和第17脚开路。
12.一种低功耗信号采样和存储方法包含如下步骤：
13.步骤1、单片机初始化，并开启掉电唤醒定时器，每隔一段时间唤醒一次
14.步骤2、每次唤醒后开启adc电源并初始化adc，同时开启毫秒级定时器
15.步骤3、待计时完成后，进行一次ad数据采样，获得12位的采样数据(占据2byte空间)，并关闭adc电源
16.步骤4、读取ds1302中的月、日、时、分、秒共5byte的时间数据
17.步骤5、将12位的ad采样数据的低四位舍弃，截尾至1byte，同时，对从ds1302中读取到的从月份到秒数的共计5byte压缩型bcd数据，将日期数据的十位数bcd码存储在小时byte的高2位中，月份数据转换为二进制形式后存储在日期byte的高4位中。最终将7byte数据压缩至5byte
18.步骤6、将步骤5中得到的5byte数据暂时存储在单片机内部，若数据组数达到n，则对norflash闪存外设初始化，并将n组共计(n*5)byte数据统一写入闪存外设的一页中，之后重新进入掉电模式(时钟停振，仅保留掉电唤醒定时器工作)
19.步骤7、等待掉电唤醒定时器重新将单片机唤醒，重复步骤2至步骤6
20.进一步的，步骤1中所述的单片机为stc32g单片机
21.进一步的，步骤2中所述的毫秒级定时器为1.2ms定时器
22.进一步的，步骤5中所述的数据压缩方法，将最大不超过3的日期数据的十位数的bcd码和小时数据存储在同一byte中
23.进一步的，步骤5中所述的数据压缩方法，将最大不超过12的月份数据由1byte压缩形bcd码转换为4bit二进制数据，并与日期数据的个位数bcd码存储在同一byte中
24.进一步的，步骤6中所述的norflash闪存外设支持quadspi通信，单片机在quadspi
模式下将数据写入norflash
25.进一步的，步骤6中所述的n取值可以任意取从1至51的自然数，采集n组数据后才进行一次与norflash的通信，进行一次闪存页区的写操作。
26.进一步的，每次唤醒单片机后开启adc电源并对其初始化，完成一次ad采样后则立即关闭adc电源。
27.本发明具有以下优点：
28.1、通过5.8ghz射频能量收集天线的设计，本发明能实现无线自续航。
29.2、通过合理的整流电路设计和电源管理模块配置，本发明具有较高能量转换效率
30.3、通过掉电唤醒定时器的使用大大降低了不进行ad采样时的系统功耗，未被唤醒时的平均功耗大约为1.8ua；
31.4、通过使用单片机内部sram暂存数据，每采集n(n为不大于51的正整数)次数据才进行一次对闪存外设的页区写操作，大大减少对闪存外设的读写次数，从而降低外设功耗；
32.5、通过对数据进行压缩，有效节约存储空间的使用，7byte的原始数据经过压缩后仅为5byte，压缩率达到28％；
33.6、本发明方法的能量供给系统设计使产品使用寿命达到1.5年，配合大容量的存储设备，可以应用于长时间工作于无线条件下的监测系统。
附图说明
34.下面结合附图对本发明做进一步的描述。
35.图1为本发明的整体逻辑框图，图2为本发明中设计的5.8ghz天线示意，图3所示为整流模块电路原理图，图4为本发明中电源管理模块电路原理图，图5为本发明中所述的低功耗信号采样和存储方法流程图。
具体实施方式
36.一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，具体包括5.8ghz的无线射频能量采集方法和低功耗信号采样和存储方法。
37.所述5.8ghz的无线射频能量采集方法，包括5.8ghz天线模块、整流模块及电源管理模块电路原理图。所述的天线模块的输出端和所述的整流模块的输入端连接，所述的整流模块的输出端和所述的电源模块的输入端连接。
38.对于所述的5.8ghz天线模块，参阅图2，天线采用小尺寸四单元平面单极子阵列天线结构，阵列间距为17.5mm，每个单元的平面单极子天线长度为17mm，宽度为3mm。馈电部分采用微带线并联馈电结构，所述馈电结构的激励端口与整流模块的输入端口连接。
39.对于所示的整流模块，参阅图3，整流器包括第二二极管，所述的第二二极管为肖特基二极管。阻抗匹配电路包括第十六电容和第三电感，所述的第三电感的一端和所述的第十六电容的一端连接且为所述的阻抗匹配电路的输出端，第十六电容的另一端为阻抗匹配电路的输入端，所述的第三电感的另一端接地。
40.对于所述的电源模块，参阅图4，包括型号为bq25570的电源升压管理芯片、第十三电容、第十四电容、第十五电容、第十七电容、第十八电容、第十九电容、第二电感、第四电感、第一电池、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻和第
十五电阻。所述的电源升压管理芯片的第2脚和所述的第十七电容、第十八电容以及第二电感的一端连接且连接端为整流模块的输出端，所述的第十七电容和第十八电容的另一端接地，所述第二电感的另一端与所述的电源升压管理芯片的第20脚相连；所述的电源升压管理芯片的第4脚和所述的第十五电容的一端连接，第十五电容的另一端接地；所述的电源升压管理芯片的第1脚、第15脚以及第21脚接地；所述的电源升压管理芯片的第3脚和第19脚相连并与第十三电容和第十四电容的一端相连，第十三电容和第十四电容的另一端接地；所述的电源升压管理芯片的第5脚、第6脚和第13脚分别输出和所述电源升压管理芯片工作状态相关的数字信号；所述的电源升压管理芯片的第8脚和第十电阻、第十三电阻、第十五电阻的一端相连，第十电阻的另一端和第九电阻的一端以及所述的电源升压管理芯片的第7脚相连，第九电阻的另一端接地，所述的电源升压管理芯片的第11脚与第十一电阻和第十二电阻的一端相连，第十一电阻的另一端接地，第十二电阻的另一端与第十三电阻的另一端以及所述的电源升压管理芯片的第10脚相连，所述电源升压管理芯片的第12脚与第十五电阻的另一端以及第十四电阻的一端相连，第十四电阻的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第18脚与第一电池的一端相连，第一电池的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第16脚和第四电感的一端相连，第四电感的另一端与所述电源升压管理芯片的第14脚以及第十九电容的一端相连且连接端为电源升压管理芯片的输出端，第十九电容的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第9脚和第17脚开路。
41.所述低功耗信号采样和存储方法，参阅图5所示流程图，具体步骤如下：
42.步骤1、单片机初始化，并开启掉电唤醒定时器，每隔一段时间唤醒一次
43.步骤2、每次唤醒后开启adc电源并初始化adc，同时开启毫秒级定时器
44.步骤3、待计时完成后，进行一次ad数据采样，获得12位的采样数据(占据2byte空间)，并关闭adc电源
45.步骤4、读取ds1302中的月、日、时、分、秒共5byte的时间数据
46.步骤5、将12位的ad采样数据的低四位舍弃，截尾至1byte，同时，对从ds1302中读取到的从月份到秒数的共计5byte压缩型bcd数据，将日期数据的十位数bcd码存储在小时byte的高2位中，月份数据转换为二进制形式后存储在日期byte的高4位中。最终将7byte数据压缩至5byte
47.步骤6、将步骤5中得到的5byte数据暂时存储在单片机内部，若数据组数达到n，则对norflash闪存外设初始化，并将n组共计(n*5)byte数据统一写入闪存外设的一页中，之后重新进入掉电模式(时钟停振，仅保留掉电唤醒定时器工作)
48.步骤7、等待掉电唤醒定时器重新将单片机唤醒，重复步骤2至步骤6
49.其中，步骤1中所述的单片机为stc32g单片机
50.其中，步骤2中所述的毫秒级定时器为1.2ms定时器
51.其中，步骤5中所述的数据压缩方法，将最大不超过3的日期数据的十位数的bcd码和小时数据存储在同一byte中
52.其中，步骤5中所述的数据压缩方法，将最大不超过12的月份数据由1byte压缩形bcd码转换为4bit二进制数据，并与日期数据的个位数bcd码存储在同一byte中
53.其中，步骤6中所述的norflash闪存外设支持quadspi通信，单片机在quadspi模式下将数据写入norflash
54.其中，步骤6中所述的n取值可以任意取从1至51的自然数，采集n组数据后才进行一次与norflash的通信，进行一次闪存页区的写操作。
55.其中，每次唤醒单片机后开启adc电源并对其初始化，完成一次ad采样后则立即关闭adc电源。
56.实施例1:
57.在本实施例中，单片机、ds1302时钟芯片、型号by25q64as的64mbit闪存芯片由70mah的纽扣电池供电，电池由5.8ghz接收天线、整流电路和电源管理电路组成的无线充能模块进行充电。单片机对来自检波器的模拟数据进行ad采样，掉电唤醒定时器的唤醒时间间隔设置为10秒，则整个设备平均功耗大约5ua，可以实现不依赖于有线供能的无线自续航，而在存储方面，也支持设备持续运行180天。
58.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

技术特征：
1.一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：包括：5.8ghz的无线射频能量采集方法，低功耗信号采样和存储方法；一种5.8ghz的无线射频能量采集方法，包含天线模块、整流模块以及电源模块，所述的天线模块的输出端和所述的整流模块的输入端连接，所述的整流模块的输出端和所述的电源模块的输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：所述的天线模块中的能量收集天线采用小尺寸四单元面单极子阵列天线结构，阵列间距为17.5mm。馈电部分采用微带线并联馈电结构，所述馈电结构的激励端口与整流模块的输入端口连接。3.根据权利要求1所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：所述的整流模块中的整流器包括第二二极管，所述的第二二极管为肖特基二极管。阻抗匹配电路包括第十六电容和第三电感，所述的第三电感的一端和所述的第十六电容的一端连接且为所述的阻抗匹配电路的输出端，第十六电容的另一端为阻抗匹配电路的输入端，所述的第三电感的另一端接地。4.根据权利要求1所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：所述的电源模块包括型号为bq25570的电源升压管理芯片、第十三电容、第十四电容、第十五电容、第十七电容、第十八电容、第十九电容、第二电感、第四电感、第一电池、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻。所述的电源升压管理芯片的第2脚和所述的第十七电容、第十八电容以及第二电感的一端连接且连接端为整流模块的输出端，所述的第十七电容和第十八电容的另一端接地，所述第二电感的另一端与所述的电源升压管理芯片的第20脚相连；所述的电源升压管理芯片的第4脚和所述的第十五电容的一端连接，第十五电容的另一端接地；所述的电源升压管理芯片的第1脚、第15脚以及第21脚接地；所述的电源升压管理芯片的第3脚和第19脚相连并与第十三电容和第十四电容的一端相连，第十三电容和第十四电容的另一端接地；所述的电源升压管理芯片的第5脚、第6脚和第13脚分别输出和所述电源升压管理芯片工作状态相关的数字信号；所述的电源升压管理芯片的第8脚和第十电阻、第十三电阻、第十五电阻的一端相连，第十电阻的另一端和第九电阻的一端以及所述的电源升压管理芯片的第7脚相连，第九电阻的另一端接地，所述的电源升压管理芯片的第11脚与第十一电阻和第十二电阻的一端相连，第十一电阻的另一端接地，第十二电阻的另一端与第十三电阻的另一端以及所述的电源升压管理芯片的第10脚相连，所述电源升压管理芯片的第12脚与第十五电阻的另一端以及第十四电阻的一端相连，第十四电阻的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第18脚与第一电池的一端相连，第一电池的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第16脚和第四电感的一端相连，第四电感的另一端与所述电源升压管理芯片的第14脚以及第十九电容的一端相连且连接端为电源升压管理芯片的输出端，第十九电容的另一端接地；所述电源升压管理芯片的第9脚和第17脚开路。5.一种低功耗信号采样和存储方法包含如下步骤：步骤1、单片机初始化，并开启掉电唤醒定时器，每隔一段时间唤醒一次步骤2、每次唤醒后开启adc电源并初始化adc，同时开启毫秒级定时器步骤3、待计时完成后，进行一次ad数据采样，获得12位的采样数据(占据2byte空间)，并关闭adc电源
步骤4、读取ds1302中的月、日、时、分、秒共5byte的时间数据步骤5、将12位的ad采样数据的低四位舍弃，截尾至1byte，同时，对从ds1302中读取到的从月份到秒数的共计5byte压缩型bcd数据，将日期数据的十位数bcd码存储在小时byte的高2位中，月份数据转换为二进制形式后存储在日期byte的高4位中。最终将7byte数据压缩至5byte步骤6、将步骤5中得到的5byte数据暂时存储在单片机内部，若数据组数达到n，则对nor flash闪存外设初始化，并将n组共计(n*5)byte数据统一写入闪存外设的一页中，之后重新进入掉电模式(时钟停振，仅保留掉电唤醒定时器工作)步骤7、等待掉电唤醒定时器重新将单片机唤醒，重复步骤2至步骤6。6.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：步骤1中所述的单片机为stc32g单片机。7.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：步骤2中所述的毫秒级定时器为1.2ms定时器。8.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：步骤5中所述的数据压缩方法，将数值最大不超过3、占用位数不超过2的日期数据的十位数的bcd码和小时数据存储在同一byte中。9.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：步骤5中所述的数据压缩方法，将数值最大不超过12的月份数据由1byte压缩形bcd码转换为4bit二进制数据，并与日期数据的个位数bcd码存储在同一byte中。10.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：步骤6中所述的nor flash闪存外设支持quad spi通信，单片机在quad spi模式下将数据写入nor flash。11.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：步骤6中所述的n取值可以任意取从1至51的自然数。采集n组数据后才进行一次与nor flash的通信，进行一次闪存页区的写操作。12.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：步骤6中所述的将数据暂时存储在单片机内部，是将数据存储在单片机内部的时钟停振仍不丢失的sram中。13.根据权利要求5所述的一种基于射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，其特征在于：每次唤醒单片机后开启adc电源并对其初始化，完成一次ad采样后则立即关闭adc电源。

技术总结
本发明提供了一种基于5.8GHz射频能量采集的自续航低功耗信号采样存储方法，包括5.8GHz的无线射频能量采集方法，低功耗信号采样和存储方法。所述5.8GHz的无线射频能量采集方法包括5.8GHz天线模块、整流模块、电源管理模块，所述低功耗信号采样和存储方法，包括单片机模块及其时钟芯片和NORFLASH芯片外设。所述电源管理模块有用于指示电池电压状况的数字输出引脚。本发明通过整流模块的阻抗匹配和整流二极管选择实现以及电源模块的配置实现能量高效收集，通过电源管理模块的外部电阻网络配置实现电源过充过放保护和稳定输出电压，通过配合所述单片机模块实现能量的高效利用，通过数据压缩大大节约单次采样数据所占存储空间。空间。空间。


技术研发人员：吴琦 陈辉 王天祺 杨佩桥
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/13