一种可远程无线充电的无线传感器网络 |
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| 申请号 | CN201610413097.8 | 申请日 | 2016-06-14 | 公开(公告)号 | CN107509255A | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 王翔; | 发明人 | 王翔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种可远程无线充电的无线 传感器 网络，其特征在于：包括发送端和接收端，所述发送端包括发射模 块 ；所述接收端包括传感器 节点 模块和 能量 收集模块；所述传感器节点模块包括传感器单元、微处理单元、无线通讯单元；所述微处理单元包括A/D转换器和MCU，其连接传感器单元和无线通讯单元；所述 能量收集 模块包括依次连接的天线、整流 电路 、DC/DC转换器、储能电容和电源管理单元；所述电源管理单元与微处理模块连接；所述天线连接无线通讯单元和整流电路；所述天线为双频天线。本发明的 无线传感器网络 实现了远程无线充电的功能，解决无线传感器网络的供能问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可远程无线充电的无线传感器网络，其特征在于：包括发送端和接收端，所述发送端包括发射模块；所述接收端包括传感器节点模块和能量收集模块；所述传感器节点模块包括传感器单元、微处理单元、无线通讯单元；所述微处理单元包括A/D转换器和MCU，其连接传感器单元和无线通讯单元；所述能量收集模块包括依次连接的天线、整流电路、DC/DC转换器、储能电容和电源管理单元；所述电源管理单元与微处理模块连接；所述天线连接无线通讯单元和整流电路；所述天线为双频天线，包括上行通道和下行通道，上行通道进行信息传输，下行通道进行能量传输。 |
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| 说明书全文 | 一种可远程无线充电的无线传感器网络技术领域背景技术[0002] 无线传感网络是由低成本、密集型、随机分布的节点组成的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点损坏而导致整个系统的崩溃无线连接使其部署几乎不受监测对象的影响维护成本非常低。因此这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、智能家居、制造业等领域。 [0003] 虽然无线传感器网络的应用前景十分美好但是电能供给方式却成为制约其发展的一大问题。一般情况下采用电池对各种微型器件供电，但传统电池具有一些无法改变的供能缺陷：体积大、质量大、供能寿命有限和能量耗尽需重复充电；同时在很多无线传感器网络中，使用和替换电池，即便是长寿命型的电池，也是不切实际的，因为传感器节点常被安装在不可回收的位置，此外，更换数以百计电池的工作量和成本也是不可承受的。随着网络分布的广泛微器件数目越来越庞大，并且由于有些微器件的工作位置难以再触及，比如人体内战场动物群体电池更换变得极为不便，甚至于不可能，尽管传统电池在储能密度和使用寿命不断提高，传感器的能耗也在通过各种节能技术和算法降低，但都只能延长无线传感器的使用寿命，而不能根本解决问题。可见采用传统供电方式对于无线网络而言是既不经济也不现实的。 [0004] 无线充电供能对于无线传感器网络来说就变得尤为重要，而现在的许多无线充电方式是短距离充电，而无线传感器网络一般远离充电源，无法进行短距离充电，达不到充电的目的，需要实现远程无线充电供能。 发明内容[0005] 本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种将电能转化为电磁波，发射电磁波，同时通过天线收集电磁波，转化为电能，进行远程无线充电的无线传感器网络。 [0006] 本发明采用的技术方案如下：本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，包括发送端和接收端，所述发送端包括发射模块；所述接收端包括传感器节点模块和能量收集模块；所述传感器节点模块包括传感器单元、微处理单元、无线通讯单元；所述微处理单元包括A/D转换器和MCU，其连接传感器单元和无线通讯单元；所述能量收集模块包括依次连接的天线、整流电路、DC/DC转换器、储能电容和电源管理单元；所述电源管理单元与微处理模块连接；所述天线连接无线通讯单元和整流电路；所述天线为双频天线，包括上行通道和下行通道，上行通道进行信息传输，下行通道进行能量传输。 [0007] 以上结构中，双频天线可以在原有信号传输的基础上，设置了能量传输功能，通过无线能量传输技术，为无线传感器网络提供无线远程供电，解决无线传感器网络的供能问题，为其提供充足的电量，延长无线传感器的寿命；由于整流电路输出的电压很低，不能直接向负载供电，需要DC/DC转换器进行升压；天线不仅可以接收发送端发射的电磁波，同时可以收集基站、无线网络、卫星通信、数字多媒体广播、电视信号等能量源发射出的周围环境中射频能量，转化为电能。 [0010] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述低通滤波器为电容C1和电感L1的并联，连接电容C2和电感L2的并联，再连接电容C3和电感L3的并联；所述直通滤波器由电容和传输线构成。 [0011] 以上结构，由于整流的二极管会产生高次谐波，影响天线的接收性能，因此设置低通滤波器可以阻止高频分量，提高整流的效率；直通滤波器的电容为100pF的条形电容，传输线长度为四分之一波长。 [0012] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述无线通讯单元为CC2420。 [0015] 以上结构，微处理单元控制整个节点的工作流程，负责节点采样、计算和通信的任务，进行节点任务的调度安排，同时对能量收集模块中能量传输、能量转换和能量存储的控制，提高能量收集的效率。 [0016] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述电源管理单元包括所述设置于储能电容上的能量检测器，以及设置于手机电池上的过压保护电路和低压保护电路；电源管理单元通过能量检测器，检测储能电容的电压，进行电量的分配和控制，同时利用过压保护电路和低压保护电路保护手机电池的安全。 [0017] 以上结构中的过压保护电路和低压保护电路的设置，是因为可重复充电的电池有一个安全电压上限，如果电压值超过这个上限，可能会对电池造成一些永久性的损坏，能量收集模块给电池充电，电池电量不断的提升，如果没有过压保护电路，会损害电池寿命，过压保护电路有个安全阈值，超过阈值，充电电路断开，直到低于安全阈值再恢复充电；电池在体内电量低于某个值时，电池也会因此受到一些不可逆的伤害，需要低压保护电路对电池进行保护。电源管理单元中的能量检测器，是智能监测芯片，用于监测实时的充电功率以及电量状态。 [0018] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述双频天线包括贴片、接地板、介质基片和馈线；所述接地板上设置有介质基片，介质基片上有贴片，贴片上连接馈线。 [0020] 以上结构中，振荡器，用于产生正弦载波；调制器，用于完成基带信号对载波的调制；上变频器，将通带信号搬移到所需的频段；高频功率放大器，用于将信号放大到足够的功率并发射；带通滤波器，用于限制频带，不干扰相邻信道；收发天线，向目标发射电磁波和接发收信号。 [0021] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，还包括能量传输的方法：将波束成形码书存放入能量的发送端和接收端，码书中有N个向量，每个向量代表一个波束成形码；天线可以根据用户传来的固定长度的导频来预测出信道状态信息，根据信息，计算用波束成形码时用户接收的能量；选取最大接收能量情况下的波束成形码的编号，将编号发送到用户端，发送端按照此编号对应的波束成形码进行能量传输。 [0022] 以上方法，在能量信号发送前，先进行编码，可以使能量集中在某个方向或某几个方向进行发送，提高能量传输的定向性，从而提高能量传输效率。 [0023] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：对于现有的无线传感器来说，本发明的无线传感器网络既有无线通信的功能，同时又具有远程无线充电的功能，解决了无线传感器网络供能难的问题，同时成本低，传输效率高。附图说明 [0024] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络的结构示意图。 [0025] 图2是本发明中低通滤波器的结构图。 具体实施方式[0027] 本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。 [0028] 如图1 ，本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，包括发送端和接收端，所述发送端包括发射模块；所述接收端包括传感器节点模块和能量收集模块；所述传感器节点模块包括传感器单元、微处理单元、无线通讯单元；所述微处理单元包括A/D转换器和MCU，其连接传感器单元和无线通讯单元；所述能量收集模块包括依次连接的天线、整流电路、DC/DC转换器、储能电容和电源管理单元；所述电源管理单元与微处理模块连接；所述天线连接无线通讯单元和整流电路；所述天线为双频天线，包括上行通道和下行通道，上行通道进行信息传输，下行通道进行能量传输。 [0029] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述整流电路包括低通滤波器、整流二极管和直通滤波器。 [0030] 如图2，本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述低通滤波器为电容C1和电感L1的并联，连接电容C2和电感L2的并联，再连接电容C3和电感L3的并联；所述直通滤波器由电容和传输线构成。 [0031] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述无线通讯单元为CC2420。 [0032] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述微处理单元为MSP430F1611，通过SPI接口连接无线通讯单元。 [0033] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述电源管理单元包括所述设置于储能电容上的能量检测器，以及设置于手机电池上的过压保护电路和低压保护电路；电源管理单元通过能量检测器，检测储能电容的电压，进行电量的分配和控制，同时利用过压保护电路和低压保护电路保护手机电池的安全。 [0034] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述双频天线包括贴片、接地板、介质基片和馈线；所述接地板上设置有介质基片，介质基片上有贴片，贴片上连接馈线。 [0035] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，所述发射模块包括振荡器、调制器、上变频器、高频功率放大器和带通滤波器和收发天线。 [0036] 本发明一种可远程无线充电的无线传感器网络，还包括能量传输的方法：将波束成形码书存放入能量的发送端和接收端，码书中有N个向量，每个向量代表一个波束成形码；天线可以根据用户传来的固定长度的导频来预测出信道状态信息，根据信息，计算用波束成形码时用户接收的能量；选取最大接收能量情况下的波束成形码的编号，将编号发送到用户端，发送端按照此编号对应的波束成形码进行能量传输。 [0037] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 |
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