微傳感器節點、無線供電裝置、無線傳感器網絡的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種微傳感器節點，屬于傳感器技術領域。該微傳感器節點包括微傳感器、無線模塊以及用于為微傳感器和無線模塊供能的供能單元；所述供能單元包括能量線圈以及具有儲能部件的能量收集電路，所述能量線圈可在周圍空間中存在變化的電磁場時產生感應電能，所述能量收集電路可將能量線圈所產生的感應電能收集并存儲于所述儲能部件后供給微傳感器和無線模塊。本實用新型還公開了一種用于為該微傳感器節點進行無線供電的無線供電裝置以及一種無線傳感器網絡。本實用新型可利用周圍空間中變化的電磁場，將微弱的無線信號能量收集并存儲起來，供給節點中的用電設備使用；不需要使用電池，實用性更強且環境親和性更好。
【專利說明】
微傳感器節點、無線供電裝置、無線傳感器網絡
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種微傳感器節點，屬于傳感器技術領域。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡是由大量的微型傳感器節點組成的，其應用十分廣泛。近年來，無線傳感器網絡在軍事、環境監測、醫療衛生、農業、智能家居等行業發揮著巨大的作用。但同時其微型傳感器節點的供電問題一直困擾著技術人員，也限制了無線傳感器網絡的發展。現在大多微型傳感器節點都采用電池來供電。在軍事上，微型傳感器被大量布置在戰場上，更換某個節點的電池無疑是極其危險的甚至是不可能的。在醫用領域，一種微型傳感器被植入人體內用于監測患者的各項身體體征參數，如果更換電池就需要動手術這對病人來說是一件非常痛苦的事。而在環境監測方面，許多微型傳感器被放置在森林、海洋、平原等地方，這樣管理人員可以實時的知道被監測區域的溫度、濕度等參數。這些地方通常人員很難到達或者面積太大傳感器數量太多，更換電池幾乎是不可能的。因此，絕大部分微型傳感器節點隨著電池電量用完其也被隨之棄用。這顯然縮短、限制了無線傳感器網絡的使用壽命，也是一個極大的浪費。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種微傳感器節點，可收集并儲存空間中的無線電波能量供給自身使用。
[0004]本實用新型具體采用以下技術方案:
[0005]—種微傳感器節點，包括微傳感器、無線模塊以及用于為微傳感器和無線模塊供能的供能單元;所述供能單元包括能量線圈以及具有儲能部件的能量收集電路，所述能量線圈可在周圍空間中存在變化的電磁場時產生感應電能，所述能量收集電路可將能量線圈所產生的感應電能收集并存儲于所述儲能部件后供給微傳感器和無線模塊。
[0006]所述儲能部件優選超級電容。
[0007]根據相同的發明思路還可以得到以下技術方案:
[0008]—種無線供電裝置，用于為以上任一技術方案所述微傳感器節點進行無線供電；所述無線供電裝置包括發射線圈、信號發生器，以及依次電連接的直流電源、驅動電路、源線圈；信號發生器的輸出端與驅動電路的控制信號輸入端電連接;發射線圈與源線圈電磁耦合;所述驅動電路可在信號發生器輸出的信號控制下將直流電源輸出的直流電轉換為流經源線圈的高頻交流電，發射線圈在源線圈所產生的交變電磁場作用下產生交變的無線信號向周圍空間傳播。
[0009]優選地，所述驅動電路包括MOS管及相應的MOS管驅動電路。
[0010]優選地，所述發射線圈與微傳感器節點中的能量線圈的諧振頻率相同。
[0011]—種無線傳感器網絡，包括一組如上任一技術方案所述微傳感器節點，以及至少一個如上任一技術方案所述無線供電裝置。
[0012]相比現有技術，本實用新型具有以下有益效果:
[0013]本實用新型的微傳感器節點可利用周圍空間中變化的電磁場，將微弱的無線信號能量收集并存儲起來，供給節點中的用電設備使用;不需要使用電池，實用性更強且環境親和性更好；
[0014]本實用新型的無線供電裝置可通過電磁場耦合的方式對微傳感器進行無線供電，進一步提升了微傳感器節點的環境適用性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型微傳感器節點的結構原理示意圖；
[0016]圖2為本實用新型無線供電裝置的結構原理示意圖；
[0017]圖3為無線供電裝置向微傳感器節點無線供電的原理示意圖；
[0018]圖4為能量收集電路的一個具體電路實例。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細說明:
[0020]本實用新型的思路是利用能量線圈將空間中的電磁波能量轉換為電能，并通過能量收集電路進行收集和儲存，供給微傳感器節點中的用電部件。
[0021]圖1顯示了本實用新型微傳感器節點的基本結構原理。如圖1所示，該微傳感器節點包括微傳感器、無線模塊以及用于為微傳感器和無線模塊供能的供能單元;所述供能單元包括能量線圈以及具有儲能部件的能量收集電路，所述能量線圈可在周圍空間中存在變化的電磁場時產生感應電能，所述能量收集電路可將能量線圈所產生的感應電能收集并存儲于所述儲能部件后供給微傳感器和無線模塊。
[0022]當周圍空間中存在電磁波時，能量線圈中可感應出微弱的感生電壓或電流，這種微弱的電能通常不足以直接供給微傳感器節點的用電部件(無線模塊和有源微傳感器)使用。本實用新型利用能量收集電路來對能量線圈所產生的微弱電能進行收集和儲存。能量收集技術是將環境中的其他形式的能量(例如電磁波、光、振動等)通過某種方式轉換為電能以供小型用電器件使用的技術。得益于能量收集技術的發展，目前已出現了多種實用的能量收集電路，其可收集微弱的電能并通過儲能部件(通常為儲能電池或儲能電容，本實用新型優選采用超級電容)將所收集的電能儲存起來。能量收集電路所儲存的電能可供給微傳感器節點的用電部件使用。這樣就可避免使用電池作為電源，在使用便利性和使用壽命方面的實用性更強，另一方面對環境產生的不良影響也更小。
[0023]采用一組上述的微傳感器節點即可構建無線傳感器網絡，實現對現場的信息采集和數據傳輸。
[0024]雖然空間中充斥著電磁波，但通常這種電磁波信號都極其微弱，因此收集儲存足夠微傳感器節點的用電部件使用的電能往往需要相當長時間，這就會直接影響無線傳感器網絡的實際工作性能。為此，本實用新型又進一步上述問題，提出了一種用于對該微傳感器節點進行無線供電的無線供電裝置。該無線供電裝置的基本結構原理如圖2所示，包括發射線圈、信號發生器，以及依次電連接的直流電源、驅動電路、源線圈；信號發生器的輸出端與驅動電路的控制信號輸入端電連接;發射線圈與源線圈電磁耦合;所述驅動電路可在信號發生器輸出的信號控制下將直流電源輸出的直流電轉換為流經源線圈的高頻交流電，發射線圈在源線圈所產生的交變電磁場作用下產生交變的無線信號向周圍空間傳播。
[0025]本實施例中的驅動電路采用最簡單的MOS管(IRF540N)與MOS管驅動電路(芯片型號為IR2110)相結合的結構。
[0026]如圖2所示，本實施例中發射線圈直徑較大(直徑為16cm)，而源線圈直徑較小(直徑為7.5cm)，且兩個線圈同心嵌套，從而實現相互之間的電磁耦合。兩個線圈均采用0.1mm*180李茲線。
[0027]信號發生器輸出的控制信號(例如頻率為1.25MHz的方波信號)控制MOS管驅動芯片IR2110，驅動芯片驅動MOS管IRF540N使得MOS管工作在開關狀態將直流電源所輸出的5?1V直流電變成交流電，交變電流流經源線圈產生交變磁場，由于電磁耦合作用，發射線圈中產生交變的無線信號(電磁波)向周圍空間傳播。
[0028]圖3顯示了無線供電裝置向微傳感器節點無線供電的原理。如圖3所示，無線供電裝置中的發射電路(包括信號發生器、直流電源、驅動電路)產生的高頻交變電流經由源線圈和發射線圈轉換為電磁波;該電磁波被微傳感器節點中的能量線圈接收并轉換為電能，再經由能量收集電路收集并儲存，供給微傳感器節點中的用電部件。
[0029]圖4顯示了能量收集電路的一個具體電路實例，如圖4所示，LTC3108是一款微能量收集芯片，該芯片可在20mv至500mv的輸入下輸出5v電壓。圖4中，C4為輸入電容、C2為超級電容，G為Vout腳的輸出電容，Vout腳接負載。當能量收集電路有能量輸入時，LTC3108為輸出電容C7充電至5v;當C7充滿時，若仍有能量輸入，LTC3108將輸入的能量儲存至超級電容C2中。該能量收集電路由輸出電容C7為Vout腳所接負載提供工作電流；當能量收集電路無輸入能量時，LTC3108利用超級電容C2中儲存的電能為Vout腳輸出電容C7充電再供給負載使用。
[0030]為了提高無線供電的效率，可進一步設置發射線圈與微傳感器節點中的能量線圈的諧振頻率相同，在無線供電過程中能量線圈產生共振，此時能量傳輸效率最高。
[0031]在本實用新型微傳感器節點所構建的無線傳感器網絡中，可固定設置一個或多個上述無線供電裝置，定時或持續地對各微傳感器節點進行無線供電，從而保證了無線傳感器網絡的正常工作。
【主權項】
1.一種微傳感器節點，包括微傳感器、無線模塊以及用于為微傳感器和無線模塊供能的供能單元;其特征在于，所述供能單元包括能量線圈以及具有儲能部件的能量收集電路，所述能量線圈可在周圍空間中存在變化的電磁場時產生感應電能，所述能量收集電路可將能量線圈所產生的感應電能收集并存儲于所述儲能部件后供給微傳感器和無線模塊。2.如權利要求1所述微傳感器節點，其特征在于，所述儲能部件為超級電容。3.—種無線供電裝置，用于為權利要求1或2所述微傳感器節點進行無線供電；其特征在于，所述無線供電裝置包括發射線圈、信號發生器，以及依次電連接的直流電源、驅動電路、源線圈；信號發生器的輸出端與驅動電路的控制信號輸入端電連接;發射線圈與源線圈電磁耦合;所述驅動電路可在信號發生器輸出的信號控制下將直流電源輸出的直流電轉換為流經源線圈的高頻交流電，發射線圈在源線圈所產生的交變電磁場作用下產生交變的無線信號向周圍空間傳播。4.如權利要求3所述無線供電裝置，其特征在于，所述驅動電路包括MOS管及相應的MOS管驅動電路。5.如權利要求3所述無線供電裝置，其特征在于，所述發射線圈與微傳感器節點中的能量線圈的諧振頻率相同。6.—種無線傳感器網絡，包括一組如權利要求1或2所述微傳感器節點，以及至少一個如權利要求3?5任一項所述無線供電裝置。
【文檔編號】H02J50/10GK205595903SQ201620370078
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】章偉, 胡金德, 朱林峰, 高天龍, 周鵬, 戚新建
【申請人】南京工業大學