一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统，基于包含传感器、微处理器、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关的传感节点装置设计，构建系统化应用架构，实际应用中，主要应用于地下环境，当传感节点装置埋置在地下时，充电装置通过磁感应耦合谐振的方式对传感节点装置进行无线充电，有效解决了地下传感器节点的供电问题，延长了无线传感器网络的生命周期。

A wireless charging magnetic induction sensor node device and system

The utility model relates to a magnetic induction type wireless charging device and system design of sensor node, sensor node device comprises a sensor, a microprocessor, a signal transmitting circuit, receiving circuit, switch, coupling coil, rectifier and filter circuit, voltage regulator circuit, a charging management circuit, charging power supply and control switch based on system application architecture in practical application, mainly used in the underground environment, when the sensor node device buried in the underground, charging device through the magnetic induction coupling resonance of sensor nodes for wireless charging device, effectively solve the power supply problem of underground sensor nodes, prolong the life cycle of wireless sensor networks.

【技术实现步骤摘要】
一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统
本技术涉及一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统，属于无线传感器网络

技术介绍
无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术以及分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，在军事、环境、设备状态监测等领域具有广泛的应用前景。无线传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，电源在整个无线传感器网络系统设计中具有极其重要的意义。目前最常见、也是最容易实现的无线传感器网络节点供电方式主要是电池供电。普通电池的寿命有限，一般电池的寿命决定了传感器节点的使用寿命，要想延长传感器节点的使用周期需要定期更换电池，这样不仅工作量大，成本高，浪费也严重，而且对于地下、矿井、油田等恶劣环境中的大面积无线传感器网络来说电池的更换比较困难。除了通过电池给无线传感器节点供电以外还出现了一种新型供电方式，即从节点周围环境中捕获能量，并将其转化为无线传感器节点所需要的电能。现有研究表明，可以将周围环境中存在的太阳能、风能、振动能量以及电磁能等转换为电能应用于无线传感器网络。但是这些供能方式只适用于某些特定场景，而且所能提供的能量有限。因此，无线传感器网络节点供电是亟待解决的问题。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种采用全新结构设计，能够高效解决地下埋设传感节点供电问题的无线充电磁感应式传感节点装置。本技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本技术设计了一种无线充电磁感应式传感节点装置，包括充电装置和传感节点装置，其中，传感节点装置设置在地表以下预设深度的位置，用于实现指定类型数据的采集；传感节点装置包括传感器、微处理器、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关；其中，传感器用于实现指定类型数据的采集，微处理器分别与传感器、充电管理电路、充电电源、信号发送电路的输入端、信号接收电路的输出端相连接，微处理器针对充电电源实现指定类型电源数据的监测；信号发送电路的输出端、信号接收电路的输入端通过切换开关、择一与第一线圈接入点相连接；整流滤波电路的输出端与稳压电路的输入端相连接，稳压电路的输出端与充电管理电路的输入端相连接，充电管理电路的输出端与充电电源的输入端相连接，整流滤波电路的输入端作为第二线圈接入点；第一线圈接入点、第二线圈接入点通过数控开关、择一与耦合线圈相连接，并且第一线圈接入点上对应耦合线圈的两端，分别并联谐振电容；耦合线圈呈水平状态设置在地表以下预设深度的位置；充电装置包括相互连接的充电设备和发射线圈，充电装置中发射线圈的结构与传感节点装置中耦合线圈的结构相同；充电装置活动设置于为传感节点装置进行充电，其中，充电装置中发射线圈水平位于地表，且发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应。作为本技术的一种优选技术方案：所述传感节点装置中还包括信号调理电路，所述传感器经过信号调理电路与微处理器相连接。作为本技术的一种优选技术方案：所述传感节点装置中还包括与所述微处理器相连接的时钟芯片。作为本技术的一种优选技术方案：所述传感节点装置中还包括与所述微处理器相连接的存储器。作为本技术的一种优选技术方案：所述信号发送电路由其输入端至其输出端方向，依次包括信号调制模块、功率放大模块和阻抗匹配模块；所述信号接收电路由其输入端至其输出端方向，依次包括接收滤波模块、信号放大模块、信号解调模块。并且本技术还要解决的技术问题是基于上述无线充电磁感应式传感节点装置，提供一种能够实现高效无线通信功能的无线充电磁感应式传感节点装置的系统。本技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本技术设计了一种无线充电磁感应式传感节点装置的系统，包括至少两个传感节点装置，各个传感节点装置分别设置于地表以下相同预设深度的位置，且相邻传感节点装置中耦合线圈之间的间距为预设距离。本技术所述一种无线充电磁感应式传感节点装置及系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本技术所设计无线充电磁感应式传感节点装置及系统，采用磁感应耦合谐振的方式对地下无线传感器节点进行无线充电，不仅可以实现数米的无线充电距离，而且可以穿过多种非金属的障碍物，并在一定的距离内传输较大功率，有效解决了地下环境监测、煤矿、油田安全监测等特殊环境下传感器节点的供电问题，延长了无线传感器网络节点的生存期，从而延长了整个无线传感器网络的生命周期；无线传感器节点收发信息采用磁感应无线通信方式代替电磁波通信方式，收发电路与充电电路共用一个耦合线圈作为天线，解决了传统低频电磁波通信天线尺寸大的缺点，便于安装，更适用于地下等复杂环境；选用可充电的锂电池给节点供电，锂电池体积小、容量大、充放电性能好，使用寿命长、绿色环保，针对锂电池充放电的特点特别设计了电池管理电路，并通过微处理器（MCU）实时监测电池状态，可有效防止电池过充、过放、温度过高，电流过大等危险情况的发生，保障节点的工作安全。附图说明图1是本技术所设计无线充电磁感应式传感节点装置的功能示意图；图2是本技术所设计无线充电磁感应式传感节点装置中信号收发功能示意图；图3是本技术所设计无线充电磁感应式传感节点装置中无线充电功能示意图；图4是本技术所设计无线充电磁感应式传感节点装置中无线充电的具体电路示意图；图5是本技术所涉及的磁感应耦合谐振原理示意图；图6是本技术所设计无线充电磁感应式传感节点装置的无线充电应用示意图；图7是本技术所设计无线充电磁感应式传感节点装置系统中节点间信号传递应用示意图。具体实施方式无线供电技术一直是人类研究的热门话题，主要是以非接触的方式对供电设备进行电能传输。无线充电的研究早在1840年电磁感应定律被发现之后就以开始，但是，传统的无线充电技术存在传输距离过近、无法穿过障碍物等问题，因此未得到广泛应用。近两年，磁感应耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线能量传输技术迅速发展起来，并在无线能量传输领域引起巨大的反响。该技术不仅可以使无线能量传输数米，而且可以穿过多种非金属的障碍物，并在一定的距离内传输较大功率。作为一种新型的无线充电方式，磁感应耦合谐振式无线充电有着广阔的应用领域，同时也为无线传感器网络节点供能开辟了新途径。下面结合说明书附图对本技术的具体实施方式作进一步详细的说明。如图1所示，本技术设计了一种无线充电磁感应式传感节点装置，实际应用中，具体包括充电装置和传感节点装置，其中，传感节点装置设置在地表以下预设深度的位置，用于实现指定类型数据的采集；传感节点装置包括传感器、信号调理电路、微处理器、时钟芯片、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、存储器、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关，实际应用中，针对充电电源，设计采用锂离子电池，针对存储器，设计采用Flash存储器；其中，传感器用于实现指定类型数据的采集，微处理器分别与信号调理电路、时钟芯片、充电管理电路、充电电源、存储器、信号发送电路的输入端、信号接收电路的输出端相连接，传感器经过信号调理电路与微处理器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线充电磁感应式传感节点装置，其特征在于：包括充电装置和传感节点装置，其中，传感节点装置设置在地表以下预设深度的位置，用于实现指定类型数据的采集；传感节点装置包括传感器、微处理器、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关；其中，传感器用于实现指定类型数据的采集，微处理器分别与传感器、充电管理电路、充电电源、信号发送电路的输入端、信号接收电路的输出端相连接，微处理器针对充电电源实现指定类型电源数据的监测；信号发送电路的输出端、信号接收电路的输入端通过切换开关、择一与第一线圈接入点相连接；整流滤波电路的输出端与稳压电路的输入端相连接，稳压电路的输出端与充电管理电路的输入端相连接，充电管理电路的输出端与充电电源的输入端相连接，整流滤波电路的输入端作为第二线圈接入点；第一线圈接入点、第二线圈接入点通过数控开关、择一与耦合线圈相连接，并且第一线圈接入点上对应耦合线圈的两端，分别并联谐振电容；耦合线圈呈水平状态设置在地表以下预设深度的位置；充电装置包括相互连接的充电设备和发射线圈，充电装置中发射线圈的结构与传感节点装置中耦合线圈的结构相同；充电装置活动设置于为传感节点装置进行充电，其中，充电装置中发射线圈水平位于地表，且发射线圈位置与传感节点装置中耦合线圈位置在竖直方向上彼此对应。...

【技术特征摘要】
1.一种无线充电磁感应式传感节点装置，其特征在于：包括充电装置和传感节点装置，其中，传感节点装置设置在地表以下预设深度的位置，用于实现指定类型数据的采集；传感节点装置包括传感器、微处理器、信号发送电路、信号接收电路、切换开关、耦合线圈、整流滤波电路、稳压电路、充电管理电路、充电电源和数控开关；其中，传感器用于实现指定类型数据的采集，微处理器分别与传感器、充电管理电路、充电电源、信号发送电路的输入端、信号接收电路的输出端相连接，微处理器针对充电电源实现指定类型电源数据的监测；信号发送电路的输出端、信号接收电路的输入端通过切换开关、择一与第一线圈接入点相连接；整流滤波电路的输出端与稳压电路的输入端相连接，稳压电路的输出端与充电管理电路的输入端相连接，充电管理电路的输出端与充电电源的输入端相连接，整流滤波电路的输入端作为第二线圈接入点；第一线圈接入点、第二线圈接入点通过数控开关、择一与耦合线圈相连接，并且第一线圈接入点上对应耦合线圈的两端，分别并联谐振电容；耦合线圈呈水平状态设置在地表以下预设深度的位置；充电装置包括相互连接的充电设备和发射线圈，充电装置中发射线圈的结构与传感节点装置中耦合线圈的结...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彦景，徐胜，施文娟，窦林名，芦楠楠，云霄，曹起，左海维，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32