一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法，所述系统包括：能量收集系统，与信号处理及射频能量控制电路连接；信号处理及射频能量控制电路，与云端数据库连接，云端数据库，用于将云端数据与智能终端进行交互；本发明专利技术的控制方法通过微控制器进行控制。本发明专利技术含能量收集器，可收集振动能量及射频能量供传感器使用，能解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控的问题；当外界(振动)能量不够时，可通过射频能量发射器发射射频能量，供射频能量收集器收集能量并给传感器供电；本发明专利技术可以在外界能量匮乏工况下主动唤醒传感器工作，消除系统瘫痪的风险。

A surface acoustic wave sensor self powered sensor system and control method based on

The invention discloses a surface acoustic wave sensor self powered sensor system and control method based on the system includes energy collection system, and signal processing and RF power control circuit is connected with the control circuit; signal processing and RF energy, connectivity, and cloud database cloud database, for cloud data to interact with the intelligent terminal; the control method of the invention is controlled by micro controller. The present invention contains energy collector can collect the vibration energy and RF energy for sensors, can solve the state monitoring of the target in no power or power supply difficulties, it is not easy to use the cable for energy problems in the environment; when the external (vibration) energy is not enough, the RF energy for RF transmitter RF energy energy and energy collector to the sensor power supply; the invention can wake active sensor work in energy shortage conditions, eliminating the risk of paralysis.

【技术实现步骤摘要】
一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法
本专利技术属于传感器
，尤其涉及一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法。
技术介绍
表面波传感器是基于声表面波谐振的频率随着被测物理量的变化而改变，从而测量物理量的一种新型传感器。用声表面波器件可以做成测量压力、加速度以及温度等参数的传感器。由于采用半导体集成工艺制造，故可以制成微结构，重量轻，又因为其输出频率信号，所以抗干扰能力强，便于实现数值控制。无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。WSN节点通常要求尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点。声表面波传感器满足WSN节点的要求，其尺寸小，能大规模生产、成本低、功耗低。声表面传感器与WSN的结合将带来信息感知的一场变革。传统的传感器采用直流电源供电，如果在一些无电、供电困难的环境中想对某些设备或环境进行状态监控，则建设状态监控系统十分困难，同时采用有线方式连接系统的各个设备，将会给施工布线带来极大的麻烦。因此，需要一种采用自供电的无线传感器系统，解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控的问题。一般自供能无线传感电路，仅仅依靠能量收集器收集周围环境中的能量，然而，周围环境的能量一般都是变化的，当周围环境能量较小，即被能量收集器收集的能量不足以驱动传感器时，整个系统便会瘫痪，出现不可预知的后果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法，旨在解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控；现有的自供能无线传感电路，仅仅依靠能量收集器收集周围环境中的能量，然而，周围环境的能量一般都是变化的，当周围环境能量较小，即被能量收集器收集的能量不足以驱动传感器时，整个系统便会瘫痪，出现不可预知的后果的问题。本专利技术是这样实现的，一种基于声表面波传感器的自供能传感系统，所述基于声表面波传感器的自供能传感系统包括：能量收集系统，与信号处理及射频能量控制电路连接，用于将周围能量的振动能量和射频能量转换为稳定电能驱动传感器工作，并利用传感器通过天线将传感器检测的信号传输给信号处理及射频能量控制电路；信号处理及射频能量控制电路，与云端数据库连接，用于将传感器传输的信号进行一系列处理，传入信号处理及射频能量控制电路的微控制器；微控制器一方面，在振动能量不足却需要传感器工作时，控制信号处理及射频能量控制电路的射频能量发射器发射射频能量，供能量收集系统采集能量；另一方面，微控制器获得传感器信息后，上传至云端数据库；云端数据库，用于将云端数据与智能终端进行交互。进一步，所述能量收集系统包括：振动能量收集器，与能量管理电路连接，用于收集周围的振动能量；射频能量收集器，与能量管理电路连接，用于将电能在发射端通过天线转为电磁波，在接受端通过天线将电磁波再转为电能；能量管理电路，与传感器工作电路连接，用于将所收集到的交变、高频、不稳定的电能通过整流、存储、稳压处理后变为直流、稳定的能供传感器使用的电能；传感器工作电路，将传感器的传感信息转换为振荡信号，通过天线传播至微控制器。进一步，射频能量收集器采用射频能量收集器超材料天线；所述射频能量收集器超材料天线采用超材料的开口谐振环，作为能量收集单元；所述射频能量收集器超材料天线的基底采用聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料RogersDuroidRT5880，开口谐振环采用金Au材料。进一步，振动能量收集器包括：质量块带动压电材料弯曲，将振动能量转为电能的压电效应部件；质量块运动带动线圈在磁棒提供的磁场中运动，线圈中磁通量发生变化，产生电能的电磁感应部件；所述压电效应部件和电磁感应部件均与能量管理电路电连接。进一步，能量管理电路由交流-直流整流器、MPPT变换器、能量存储电路及稳压电路；所述交流-直流整流器，与MPPT变换器连接，用于将能量收集器所收集的交流电整流为直流电；该交流-直流整流器由四个二极管构成；所述MPPT变换器，与能量存储模块连接，该MPPT变换器由电感L1、电容C1、二极管D5、MOS管Q、电阻R1及MPPT控制电路组成；电感L1用于阻挡交流电整流后的直流电含有的交流分量进行滤波；电容C1用于对直流电源上的交流成分滤除；二极管D5用于保证电流方向；电阻R1用于将电路中的电流信号变为电压信号供MPPT控制电路使用；MPPT控制电路由微控制器TIMSP430和可编程脉冲输出芯片LTC6906组成，该MPPT控制电路输入端为R1两端电压信号，输出端为PWM信号；MPPT用于使输入源工作在MPPT的最大功率点附近，使能量收集器能够输出更多电能，将整流器的直流电有效地贮存在超级电容中，以供传感器使用；MOS管Q用于根据MPPT控制电路所输出的PWM信号调节MPPT变换器的输出功率，Q为MPPT变换器的执行元件；能量存储电路，与稳压电路连接，用于为电路的储能，所述能量存储电路由超级电容组成；所述稳压电路由稳压器LTC1877及芯片周围外部元件组成；所述稳压电路与传感器工作电路连接。进一步，所述传感器工作电路由Pierce震荡电路、驱动及匹配电路、天线组成；所述Pierce震荡电路由增益放大器U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C6、电容C7、声表面波传感器SAW、电感L4组成；所述驱动及匹配电路由功率放大器U2、电感L3及C5组成；所述声表面波传感器SAW用于传感，将温度、压力物理信号转换为振荡的电信号；增益放大器U1用于增益放大；电阻R4、R5和R6用于调节放大器的静态工作点，使得U1处于放大工作状态；电感L4用于提高振荡电路的频率稳定性；Vin为振荡电路的电源电压；声表面波谐振器SAW一方面与C6、C7两电容构成π型网络形式的带通滤波器，另一方面，在谐振器共振频率上，提供180度相移，从而使得Pierce振荡电路满足幅度平衡和相位平衡振荡的两个条件，进而整个振荡电路振荡起来；所述驱动及匹配电路用于将传感信号传播至天线；功率放大器U2组成驱动模块；电感L3及C5组成匹配电路，用于将天线的阻抗与放大器的阻抗相匹配。进一步，信号处理及射频能量控制电路用于将来自传感器的信号经过滤波、放大、零中频解调、模数转换后传入微处理器中，从而达到读取传感器信息的目的；还用于微处理器控制高功率射频发射器发射射频能量供传感器使用，在低外界能量情况下，主动唤醒传感器工作；所述将来自传感器的信号经过滤波、放大、零中频解调、模数转换后传入微处理器中，从而达到读取传感器信息的目的的方法包括：1)传感器信号经信号接收天线接收后进入射频滤波器M1，滤掉有用频带外的杂乱信号；2)再进入低噪声前置放大器G1；3)再进入零中频接收器Max7033中，所述零中频接收器Max7033由下变频器J1、J2、片上滤波器M2、M3及低噪声放大器G2、G3组成；G1出来的信号与信号源经过正交化的信号在下变频器J1、J2中进行下变频变换，得到的信号进入片上高阶低频滤波器，得到基频信号；由于信号较弱，未达到AD模数转换的量程范围，通过放大器G2、G3加强信号；4)再进入AD，将模拟信号转变为数字信号；5)之后数字信号进入微处理器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声表面波传感器的自供能传感系统，其特征在于，所述基于声表面波传感器的自供能传感系统包括：能量收集系统，与信号处理及射频能量控制电路连接，用于将周围能量的振动能量和射频能量转换为稳定电能驱动传感器工作，并利用传感器通过天线将传感器检测的信号传输给信号处理及射频能量控制电路；信号处理及射频能量控制电路，与云端数据库连接，用于将传感器传输的信号进行一系列处理，传入信号处理及射频能量控制电路的微控制器；微控制器一方面，在振动能量不足却需要传感器工作时，控制信号处理及射频能量控制电路的射频能量发射器发射射频能量，供能量收集系统采集能量；另一方面，微控制器获得传感器信息后，上传至云端数据库；云端数据库，用于将云端数据与智能终端进行交互。

【技术特征摘要】
1.一种基于声表面波传感器的自供能传感系统，其特征在于，所述基于声表面波传感器的自供能传感系统包括：能量收集系统，与信号处理及射频能量控制电路连接，用于将周围能量的振动能量和射频能量转换为稳定电能驱动传感器工作，并利用传感器通过天线将传感器检测的信号传输给信号处理及射频能量控制电路；信号处理及射频能量控制电路，与云端数据库连接，用于将传感器传输的信号进行一系列处理，传入信号处理及射频能量控制电路的微控制器；微控制器一方面，在振动能量不足却需要传感器工作时，控制信号处理及射频能量控制电路的射频能量发射器发射射频能量，供能量收集系统采集能量；另一方面，微控制器获得传感器信息后，上传至云端数据库；云端数据库，用于将云端数据与智能终端进行交互。2.如权利要求1所述的基于声表面波传感器的自供能传感系统，其特征在于，所述能量收集系统包括：振动能量收集器，与能量管理电路连接，用于收集周围的振动能量；射频能量收集器，与能量管理电路连接，用于将电能在发射端通过天线转为电磁波，在接受端通过天线将电磁波再转为电能；能量管理电路，与传感器工作电路连接，用于将所收集到的交变、高频、不稳定的电能通过整流、存储、稳压处理后变为直流、稳定的能供传感器使用的电能；传感器工作电路，将传感器的传感信息转换为振荡信号，通过天线传播至微控制器。3.如权利要求2所述的基于声表面波传感器的自供能传感系统，其特征在于，射频能量收集器采用射频能量收集器超材料天线；所述射频能量收集器超材料天线采用超材料的开口谐振环，作为能量收集单元；所述射频能量收集器超材料天线的基底采用聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料RogersDuroidRT5880，开口谐振环采用金Au材料。4.如权利要求2所述的基于声表面波传感器的自供能传感系统，其特征在于，振动能量收集器包括：质量块带动压电材料弯曲，将振动能量转为电能的压电效应部件；质量块运动带动线圈在磁棒提供的磁场中运动，线圈中磁通量发生变化，产生电能的电磁感应部件；所述压电效应部件和电磁感应部件均与能量管理电路电连接。5.如权利要求2所述的基于声表面波传感器的自供能传感系统，其特征在于，能量管理电路由交流-直流整流器、MPPT变换器、能量存储电路及稳压电路；所述交流-直流整流器，与MPPT变换器连接，用于将能量收集器所收集的交流电整流为直流电；该交流-直流整流器由四个二极管构成；所述MPPT变换器，与能量存储模块连接，该MPPT变换器由电感L1、电容C1、二极管D5、MOS管Q、电阻R1及MPPT控制电路组成；电感L1用于阻挡交流电整流后的直流电含有的交流分量进行滤波；电容C1用于对直流电源上的交流成分滤除；二极管D5用于保证电流方向；电阻R1用于将电路中的电流信号变为电压信号供MPPT控制电路使用；MPPT控制电路由微控制器TIMSP430和可编程脉冲输出芯片LTC6906组成，该MPPT控制电路输入端为R1两端电压信号，输出端为PWM信号；MPPT用于使输入源工作在MPPT的最大功率点附近，使能量收集器能够输出更多电能，将整流器的直流电有效地贮存在超级电容中，以供传感器使用；MOS管Q用于根据MPPT控制电路所输出的PWM信号调节MPPT变换器的输出功率，Q为MPPT变换器的执行元件；能量存储电路，与稳压电路连接，用于为电路的储能，所述能量存储电路由超级电容组成；所述稳压电路由稳压器LTC1877及芯片周围外部元件组成；所述稳压电路与传感器工作电路连接。6.如权利要求2所述的基于声表面波传感器的自供能传感系统，其特征在于，所述传感器工作电路由Pierce震荡电路、驱动及匹配电路、天线组成；所述Pierce震荡电路由增益放大器U1、电...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟笑静，周鸿，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50