自供能无线传感装置及其传感方法制造方法及图纸

本申请涉及物联网技术领域，特别涉及一种自供能无线传感装置及其传感方法，包括：通过能量输出组件包含的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过脉冲调控单元在能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，同时通过能量缓存组件存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据输出能量脉冲间隔供给传感信号发射组件，且基于能量缓存组件的供能，通过传感信号发射组件对外输出键控调幅射频信号。由此，解决了现有自供能无线传感节点构建策略中存在冷启动时间长、信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差等问题。抗干扰性差等问题。抗干扰性差等问题。

【技术实现步骤摘要】
自供能无线传感装置及其传感方法


[0001]本专利技术涉及物联网
，特别涉及一种自供能无线传感装置及其传感方法。

技术介绍

[0002]物联网技术作为信息获取的重要手段，在环境/灾害监测、智慧城市、智慧交通、智能工业农业等方面发挥越来越重要的作用。无线传感节点作为物联网的关键组成部分，承担着信息获取及发送的重要功能。目前，电池是无线传感节点的主要供电方式，虽然传感器及无线传输模块功耗越来越低，但维护数量庞大、分布广泛的传感节点的电池，成本高昂且易造成污染，是限制物联网技术更广泛应用的主要瓶颈。
[0003]环境中有丰富的如振动、风、机械/人体运动等的动能，基于压电效应、电磁感应、静电感应等的能量收集器得到迅速发展。从环境中收集能源为传感节点供能，或直接利用能量收集器的输出同时作为信号，构建无线无源传感节点，是有望解决上述问题的重要途径。
[0004]相关技术中，主要采用如下两大类无线节点构建策略：(1)基于射频集成电路模组的无线传感策略；(2)非射频集成电路模组依赖的无线传感策略，但其也存在一定的局限性，例如：
[0005](1)基于射频集成电路模组的自供能无线传感策略
[0006]基于射频集成电路模组的无线传感策略通过合适的信号处理，利用无线传感节点内置的通信协议(如：Bluetooth、ZigBee、LoRa等)，将传感信息无线发射至上位节点，实现无线传感节点功能。商用射频模组的功能设计冗余，大量能量消耗在信号调制、通信协议及信息校验及纠错等过程中，基于商用射频模组的传感节点工作通常需要消耗能量收集器积累数十秒或数分钟的能量，冷启动时间较长(储能单元从0V开始充电至能驱动外围电路)，难以保证节点传感信息的及时性。此外，在传感节点换能体积受限的情况下，该策略需复杂的能源管理电路实现能量收集器输出能量的高效转移存储并对后续模组开启
‑
关断供能，才能使传感节点有效工作，提高了外部电路的成本与复杂度。
[0007](2)非射频集成电路模组依赖的无线传感策略
[0008]非射频集成电路模组依赖的无线传感策略不需要进行复杂的能量管理，通过构建
①
LC(LC resonance，LC谐振)谐振耦合、
②
背向散射等方式，能够直接利用能量收集器自身的输出信号或电学参量变化，实现无线信号的调制和传输。
[0009]其中，LC谐振耦合：构建互感耦合回路，能够实现传感信号的无线无源传输。如，静电发电机利用自身的可变电容结构，并且存在较高的初始电压，与开关、特定电感线圈串联，利用回路的零输入响应产生LC振荡；或直接构建节点的可变电容/电感结构，如湿敏电容结构等，采用外部线圈激励方式，激励产生LC振荡信号。此类LC振荡的频率、衰减时间等，分别与回路可变电容/电感结构、回路电阻相关。然而，LC谐振信号持续时间极短(数十μs，检测难度大、抗干扰能力差，受限于磁耦合的方式，信号传输距离有限(数米)，且所需电感线圈体积大，难以实现传感节点小型化。
[0010]背向散射：该类无线电技术，如RFID(Radio Frequency Identification有，射频识别)等，被应用于设计无需有源器件的无线通信节点，通过调整通信节点的阻抗，实现对节点外特定频率的射频入射载波的反射强度进行调制，实现信号的无线传输。结合此类技术，利用天线与敏感环境物理量变化的谐振器相结合，实现温度、磁场等无线无源传感；或通过构建将能量收集器与背向散射节点集成，根据其可变电容结构及能够输出能量的特点，调控与天线连接的电容或场效应管阻抗，实现信息的无线无源传感。然而，此方式依赖节点外部发射机发射射频载波，其传输功率与距离的四次方成反比，难以兼顾远距离传输与低功耗的优势，通常信号传输距离受限，且传感量单一。

技术实现思路

[0011]本申请提供一种自供能无线传感装置及其传感方法，以解决射频集成电路模组的无线传感策略中冷启动时间长、外部电路的成本和复杂度高，以及现有非射频集成电路模组的无线传感策略中传感信号传输距离有限、检测难度高、抗干扰性差、传感量单一的问题。
[0012]本申请第一方面实施例提供一种自供能无线传感装置，包括：
[0013]能量输出组件，用于通过所述能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过所述能量输出组件内脉冲调控单元在所述能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，所述满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由所述能量采集单元的机械运动状态、所述脉冲调控单元的配置确定；
[0014]能量缓存组件，用于将所述满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据所述输出间隔供给传感信号发射组件；
[0015]所述传感信号发射组件，用于基于所述能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，所述键控调幅射频信号的频率由所述传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定。
[0016]根据本申请的一个实施例，所述能量输出组件，包括：
[0017]能量采集单元，所述能量采集单元与所述脉冲调控单元相连；
[0018]其中，脉冲调控单元，包括：
[0019]整流装置，所述整流装置与所述能量采集单元相连；
[0020]开关阈值控制单元，所述开关阈值控制单元由暂存电容和开关单元构成，所述开关阈值控制单元与所述整流装置并联后与所述能量缓存组件相连。
[0021]根据本申请的一个实施例，所述能量采集单元为静电发电机，其中，所述静电发电机运动形式为面内/圆筒旋转式、面内直线/往复运动式和垂直接触
‑
分离运动式中的任意一种，所述静电发电机包括驻极体发电机、摩擦发电机、介电弹性体发电机。
[0022]根据本申请的一个实施例，所述整流装置包括全桥整流电路、半桥整流电路、倍压整流电路、同步整流电路中的至少一种。
[0023]根据本申请的一个实施例，所述开关单元为气体放电开关管、静电驱动开关、行程开关、可控硅开关中的至少一种。
[0024]根据本申请的一个实施例，所述能量输出组件为具有相同输出满足所述预设条件的能量脉冲的能量采集单元和脉冲调控单元的组合，其中，所述组合包括压电发电机及相
应脉冲能量管理单元、电磁发电机及相应脉冲能量管理单元，或基于静电发电机的输出所述满足预设条件的能量脉冲的拓扑结构。
[0025]根据本申请的一个实施例，所述能量缓存组件为基于磁性元件耦合的换能结构，其中，所述换能结构包括Fly back结构、Buck
‑
Boost结构的至少一种。
[0026]根据本申请的一个实施例，所述传感信号发射组件，包括：
[0027]选频元件，所述选频元件用于确定振荡频率；
[0028]多个静态工作点配置电阻，所述多个静态工作点配置电阻用于基于预设的配置规则配置所述信号发射组件中晶体管的静态工作点；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自供能无线传感装置，其特征在于，包括：能量输出组件，用于通过所述能量输出组件内的能量采集单元将环境机械能转换为电能，并通过所述能量输出组件内脉冲调控单元在所述能量采集单元的电压达到预设阈值或峰值电压时，对外输出满足预设条件的能量脉冲，其中，所述满足预设条件的能量脉冲的输出间隔由所述能量采集单元的机械运动状态、所述脉冲调控单元的配置确定；能量缓存组件，用于将所述满足预设条件的能量脉冲存储至目标缓存电容，以完成第一电压至第二电压的转换，并根据所述输出间隔供给传感信号发射组件；所述传感信号发射组件，用于基于所述能量缓存组件的供能，对外输出键控调幅射频信号，其中，所述键控调幅射频信号的频率由所述传感信号发射组件内的振荡单元对预设物理/生化量的线性频率敏感关系确定。2.根据权利要求1所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述能量输出组件，包括：能量采集单元，所述能量采集单元与所述脉冲调控单元相连；其中，脉冲调控单元，包括：整流装置，所述整流装置与所述能量采集单元相连；开关阈值控制单元，所述开关阈值控制单元由暂存电容和开关单元构成，所述开关阈值控制单元与所述整流装置并联后与所述能量缓存组件相连。3.根据权利要求2所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述能量采集单元为静电发电机，其中，所述静电发电机运动形式为面内/圆筒旋转式、面内直线/往复运动式和垂直接触
‑
分离运动式中的任意一种，所述静电发电机包括驻极体发电机、摩擦发电机、介电弹性体发电机。4.根据权利要求2所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述整流装置包括全桥整流电路、半桥整流电路、倍压整流电路、同步整流电路中的至少一种。5.根据权利要求2所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述开关单元为气体放电开关管、静电驱动开关、行程开关、可控硅开关中的至少一种。6.根据权利要求2中所述的自供能无线传感装置，其特征在于，所述能量输出组件为具有相同输出满足所述预设条件的能量脉冲的能量采集单元和脉冲调控...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶雄英，滕峻池，曹泽元，吴子博，丁荣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：