[發明專利]一種基于聲表面波傳感器的自供能傳感系統及控制方法

在審

• 申請號: 201611089960.5
• 申請日: 2016-12-01
• 公開（公告）號: CN106712246A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 牟笑靜;周鴻
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02J7/34
• 分類號: H02J7/34;H02J50/20;H02N2/18;H02K35/04;H04W84/18;G08C17/02
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，尤其涉及一種基于聲表面波傳感器的自供能傳感系統及控制方法。

背景技術

表面波傳感器是基于聲表面波諧振的頻率隨著被測物理量的變化而改變，從而測量物理量的一種新型傳感器。用聲表面波器件可以做成測量壓力、加速度以及溫度等參數的傳感器。由于采用半導體集成工藝制造，故可以制成微結構，重量輕，又因為其輸出頻率信號，所以抗干擾能力強，便于實現數值控制。

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種分布式傳感網絡，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡。WSN節點通常要求尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點。

聲表面波傳感器滿足WSN節點的要求，其尺寸小，能大規模生產、成本低、功耗低。聲表面傳感器與WSN的結合將帶來信息感知的一場變革。

傳統的傳感器采用直流電源供電，如果在一些無電、供電困難的環境中想對某些設備或環境進行狀態監控，則建設狀態監控系統十分困難，同時采用有線方式連接系統的各個設備，將會給施工布線帶來極大的麻煩。因此，需要一種采用自供電的無線傳感器系統，解決在無電或供電困難、不易采用有線供能的環境中對目標進行狀態監控的問題。

一般自供能無線傳感電路，僅僅依靠能量收集器收集周圍環境中的能量，然而，周圍環境的能量一般都是變化的，當周圍環境能量較小，即被能量收集器收集的能量不足以驅動傳感器時，整個系統便會癱瘓，出現不可預知的后果。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于聲表面波傳感器的自供能傳感系統及控制方法，旨在解決在無電或供電困難、不易采用有線供能的環境中對目標進行狀態監控；現有的自供能無線傳感電路，僅僅依靠能量收集器收集周圍環境中的能量，然而，周圍環境的能量一般都是變化的，當周圍環境能量較小，即被能量收集器收集的能量不足以驅動傳感器時，整個系統便會癱瘓，出現不可預知的后果的問題。

本發明是這樣實現的，一種基于聲表面波傳感器的自供能傳感系統，所述基于聲表面波傳感器的自供能傳感系統包括：

能量收集系統，與信號處理及射頻能量控制電路連接，用于將周圍能量的振動能量和射頻能量轉換為穩定電能驅動傳感器工作，并利用傳感器通過天線將傳感器檢測的信號傳輸給信號處理及射頻能量控制電路；

信號處理及射頻能量控制電路，與云端數據庫連接，用于將傳感器傳輸的信號進行一系列處理，傳入信號處理及射頻能量控制電路的微控制器；微控制器一方面，在振動能量不足卻需要傳感器工作時，控制信號處理及射頻能量控制電路的射頻能量發射器發射射頻能量，供能量收集系統采集能量；另一方面，微控制器獲得傳感器信息后，上傳至云端數據庫；

云端數據庫，用于將云端數據與智能終端進行交互。

進一步，所述能量收集系統包括：

振動能量收集器，與能量管理電路連接，用于收集周圍的振動能量；

射頻能量收集器，與能量管理電路連接，用于將電能在發射端通過天線轉為電磁波，在接受端通過天線將電磁波再轉為電能；

能量管理電路，與傳感器工作電路連接，用于將所收集到的交變、高頻、不穩定的電能通過整流、存儲、穩壓處理后變為直流、穩定的能供傳感器使用的電能；

傳感器工作電路，將傳感器的傳感信息轉換為振蕩信號，通過天線傳播至微控制器。

進一步，射頻能量收集器采用射頻能量收集器超材料天線；所述射頻能量收集器超材料天線采用超材料的開口諧振環，作為能量收集單元；所述射頻能量收集器超材料天線的基底采用聚四氟乙烯玻璃纖維增強材料Rogers Duroid RT5880，開口諧振環采用金Au材料。

進一步，振動能量收集器包括：

質量塊帶動壓電材料彎曲，將振動能量轉為電能的壓電效應部件；

質量塊運動帶動線圈在磁棒提供的磁場中運動，線圈中磁通量發生變化，產生電能的電磁感應部件；

所述壓電效應部件和電磁感應部件均與能量管理電路電連接。

進一步，能量管理電路由交流-直流整流器、MPPT變換器、能量存儲電路及穩壓電路；

所述交流-直流整流器，與MPPT變換器連接，用于將能量收集器所收集的交流電整流為直流電；該交流-直流整流器由四個二極管構成；