一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签制造技术

一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签，其包括：供电模块将射频能量转换成直流电进行存储与管理，实现对其他三个模块的有效供电；传感模块采集所处环境温度并实现温度传感数据的转化与传输；通过将传感模块中的传感数据与调制模块中的偏压相结合，实现带有传感信息的调制信号的产生；放大模块对射频信号进行放大，产生高达60dB的增益，将调制信号加载到放大后的射频信号上，完成远距离传感信号的传输。该标签通过能量收集技术完成对整个传感标签的电源供给，无需额外的电源或电池供电，从整体上实现“零功耗”节点设计。为延长通信距离，标签将传感数据调制到放大的射频信号中，利用所设计的放大电路的高增益特性，实现远距离传输。远距离传输。远距离传输。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签


[0001]本专利技术属于射频识别通信领域，具体设计一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签。

技术介绍

[0002]随着物联网技术的发展，射频识别技术应用于各行各业。针对桥梁上，在混凝土浇筑和硬化的过程中，大量水热化的生成，导致大体积混凝土的内外温差骤升，较大的温差和材料的低抗拉强度易导致混凝土裂缝的产生，从而影响结构的整体性，直接影响到整个工程的质量，甚至给工程带来严重的危害。因此在大体积混凝土施工过程中，将温度标签预埋置于混凝土结构内部，对混凝土进行温度检测，成为工程关键。
[0003]传统预埋管道或在混凝土内部预埋热敏温度传感器的方式，存在人为主观因素干扰、检测精度偏低、监测信息滞后等问题，而改进的无线温度检测方式，通过利用电池供电方式，对于混凝土的温度进行远程监测。对于需要长期供电的温度测量标签，由于混凝土的封闭环境，导致更换电池的极为不便利并且代价通常较大，同时很难保证突发情况下电能的持续供给。另外，标签预埋置于混凝土中，由于混凝土中钢筋、水泥以及标签所处环境等因素的影响，导致传感标签可接收到的射频信号较弱，而当传感信号加载到微弱的射频信号上，再穿过混凝土到达检测端的信号更加微弱，以至于无法探测。针对该问题，传统功率放大器可以实现对微弱信号的放大，但在获得高增益、高输出功率的同时也以较大的功耗为代价，需要更大的电池和更大的电量供给，增加标签重量的同时，也加大了其尺寸。为解决该类问题，可利用单一隧道二极管实现微弱射频信号的放大，但放大后反向散射信号功率仍较微弱，在搭载传感器后，随着能量消耗的增大，很难在穿透混凝土后实现远距离通信。本专利技术系统针对上述的问题，完成了一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于，提供一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签。
[0005]本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签，共包含四个模块：供电模块、传感模块、调制模块和放大模块。供电模块将射频能量转换成直流电进行存储与管理，实现对传感模块、调制模块和放大模块三个模块的有效供电，无需额外连接任何电源供电；传感模块采集所处环境温度并实现温度传感数据的转化与传输；通过将传感模块中的传感数据与调制模块中的偏压相结合，实现带有传感信息的调制信号的产生；放大模块，实现对接收到的微弱的射频信号进行放大，可产生高达60dB的增益，将带有传感信息的调制信号加载到放大后的射频信号上，完成远距离传感信号的传输。具体的：
[0007]所述的供电模块通过对环境中的无线能量进行收集，将射频信号转换为直流电，
转换后的直流电通过电源管理单元提升至能够为超级电容充电的电压值，利用超级电容对直流能量进行存储。所述的供电模块可实现对传感模块、调制模块和放大模块三个模块的有效供电，无需额外连接电源或电池供电，从整体上实现“零功耗”节点设计。
[0008]所述的传感模块利用供电模块收集的能量实现供电。利用数字温度传感器采集所处环境温度，将温度数据以0/1形式的数据存储于传感模块内部的MCU单元中，利用MCU单元将0/1形式的数据转换为占空比为50％、符合曼切斯特编码的方波，并将处理后的数据加载至调制模块，实现温度传感数据的传输。
[0009]所述的调制模块利用供电模块收集的能量实现供电。供电模块的降压单元的输出电压经分压电阻，将电压降至放大模块中的隧道二极管工作所需的电压值。所述的调制模块将传感模块处理后的方波与经分压电阻降压后的电压值相结合，产生带有可供隧道二极管工作的相应电压的调制信号。
[0010]所述的放大模块，一方面将调制模块产生的带有调制信息的偏置电压加载至放大模块的隧道二极管上，使隧道二极管工作于负阻区域，实现对于微小信号的放大。另一方面，利用供电模块收集的能量实现对NPN型晶体管的供电。通过NPN型晶体管与隧道二极管级联，对经隧道二极管初步放大的信号进行进一步放大，实现高达60dB的增益。通过将调制模块输出的带有传感信息的调制信号加载至放大后的射频信号上，完成超远距离的数据传输。
[0011]进一步的，所述的供电模块，包括整流单元的电压输出端OUT1；电源管理单元的微能量输入端IN1、稳定输出端OUT2；降压单元的输入端IN2、输出端OUT3。所述的整流单元的电压输出端OUT1连接电源管理单元的微能量输入端IN1，通过无线能量收集将2.4G的射频信号转换为直流电，利用电源管理单元将转换后的直流电提升至能够为超级电容充电的电压值，利用超级电容对直流能量进行存储。所述的电源管理单元的稳定输出端OUT2连接降压单元的输入端IN2、传感模块的MCU单元的电源电压端VCC、数字温度传感器的外接供电电源输入端VDD1、NPN型晶体管集电极电压输入端BIAS2。所述的降压单元的输出端OUT3连接调制模块的电源输入端VDD2、分压电阻R1的一端。
[0012]进一步的，所述的传感模块包括MCU单元的电源电压端VCC、通用型数字I/O引脚P2.0、P2.2，数字温度传感器的外接供电电源输入端VDD1、数字信号端DQ。所述的MCU单元的电源电压端VCC连接电源管理单元的稳定输出端OUT2，提供给MCU单元工作所需的电压，无需额外连接电源或电池供电，从整体上实现“零功耗”节点设计。所述的数字温度传感器的外接供电电源输入端VDD1连接电源管理单元的稳定输出端OUT2，供电模块提供给数字温度传感器工作所需的电压。所述的数字温度传感器的数字信号端DQ连接MCU单元的通用型数字I/O引脚P2.0，数字温度传感器采集所处环境的温度，并将温度数据以0/1形式存储于传感模块内部的MCU单元中，利用MCU单元将0/1形式的数据转换为占空比为50％、符合曼切斯特编码的方波。所述的MCU单元的通用型数字I/O引脚P2.2，连接调制模块的二进制地址线A0，将方波形加载至调制模块，实现温度传数据的传输。
[0013]进一步的，所述的调制模块包括分压电阻R1、R2、四选一多路选择器单元的开关RF1、二进制地址线A0、A1、电源输入端VDD2、公共输出RFC。所述的调制模块的电源输入端VDD2连接供电模块的降压单元的输出端OUT3，提供给调制模块工作所需的电压。所述的供电模块的降压单元的输出端OUT3连接分压电阻R1一端，R1另一端连接R2一端、开关RF1，R2
另一端接地。通过R1、R2的分压将输入的电压降至放大模块的隧道二极管工作所需的偏压范围，使放大模块中的隧道二极管工作于负阻区域。所述的MCU单元的通用型数字I/O引脚P2.2连接二进制地址线A0，A1接地，将传感模块读取处理后的方波加载至调制模块。所述的公共输出RFC连接放大模块的隧道二极管的偏置电压输入端BIAS1。所述的调制模块将传感模块处理后的方波与经分压电阻降压后的电压值相结合，产生带有调制信息的可供隧道二极管工作的偏置电压。
[0014]进一步的，所述的放大模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签，其特征在于，所述的远距离传感标签包含四个模块：供电模块、传感模块、调制模块和放大模块；所述的供电模块通过对环境中的无线能量进行收集，将射频能量转换成直流电进行存储与管理，实现对传感模块、调制模块和放大模块的有效供电，从整体上实现“零功耗”节点设计；所述的传感模块采集所处环境温度并实现温度传感数据的转化与传输，通过将传感模块中的传感数据与调制模块中的偏压相结合，产生带有传感信息的调制信号；所述的放大模块实现对接收到的微弱的射频信号进行放大，将带有传感信息的调制信号加载到放大后的射频信号上，完成远距离传感信号的传输。2.根据权利要求1所述的一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签，其特征在于，所述的供电模块中，转换后的直流电通过电源管理单元提升至能够为超级电容充电的电压值，利用超级电容对直流能量进行存储。3.根据权利要求1所述的一种基于能量收集的零功耗高增益远距离传感标签，其特征在于，所述的传感模块利用数字温度传感器采集所处环境...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭磊，杜芮瑶，赵杨平，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：