[發明專利]一種超低功耗的自喚醒微能源系統及自喚醒方法

在審

• 申請號: 201911343711.8
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111163507A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 張晨茜;王曉峰;尤政
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 李富華

本發明公開了屬于物聯網應用技術領域的一種超低功耗自喚醒微能源系統及自喚醒方法。該裝置由電源模塊，喚醒模塊，被喚醒模塊組成，其中喚醒模塊直接用導線與被喚醒模塊相連，被喚醒模塊與系統的電源模塊相連，構成整個超低功耗自喚醒微能源系統。當沒有外部機械干擾影響喚醒模塊，喚醒模塊無輸出，被喚醒模塊處于超低功耗的休眠狀態；當輕微觸碰導致喚醒模塊輸出電壓時，被喚醒模塊的開關元件導通，觸發被喚醒模塊工作，進行現場環境信號采集和發送。信息采集發送結束后系統重新進入休眠。本發明的喚醒模塊具有較高的靈敏度，環境隱蔽以及低功耗的特性，能夠大幅度提高供電電源的供電時長，提高網絡節點的使用壽命。

技術領域

本發明屬于物聯網應用技術領域，特別設計一種超低功耗自喚醒微能源系統及自喚醒方法。尤其適用于無人值守電子網絡節點和其他難以回收或更換電池裝置的無線傳感網絡的監測。

背景技術

目前，先進的傳感器技術都依賴于有源電子器件進行信號采集和處理。為了能夠及時捕捉周圍環境中有意義的信號，如特定的震動、聲音或光譜等，這些傳感器必須時刻處于工作狀態。這種無論被測信號是否出現都持續耗電的工作特性，極大地減小了單個傳感器的壽命，限制了在無法更換電池有潛在危險地區的布置傳感器的可能性。為了解決此問題制定了很多電力管理方案，控制網絡節點從高功率運行模式轉換進入低功率睡眠模式的時間。然而因為網絡節點的中央處理器無法感知外部事件，對于從高功率轉換到低功耗是一個棘手的問題，因此網絡節點很難確切地知道事件發生的確切時間，也就無法很好的進行系統喚醒。為了解決這個問題,許多電源管理方案要求網絡節點定期被喚醒，用來判斷此節點是否被要求開啟此調度方法的缺點在于，需要對不同的節點分析事件發生的頻率，調整調度參數，否則網絡中的一些節點可能會錯過意外事件。其次在大多數喚醒周期中并沒有事件發生，節點會再次進入睡眠模式，這也就意味著能量的浪費。一般常見的節點供電方式為微能源供電，由于其輸出功率較小，微能源模塊在喚醒模塊一直工作的情況下，電池更換周期較短，當回收或更換電池無法做到時，那么擁有數千臺或更多設備的覆蓋系統將會失去作用。因此研究在休眠狀態下喚醒裝置一直處于無功耗狀態，直到喚醒信號到來后喚醒裝置再產生信號喚醒后續電路是至關重要的。

發明內容

本發明的目的是提出一種超低功耗的自喚醒微能源系統及自喚醒方法，其特征在于，所述超低功耗的自喚醒電子裝置由喚醒模塊，被喚醒模塊和電源模塊組成，其中喚醒模塊直接用導線與被喚醒模塊相連，被喚醒模塊與電源模塊相連，構成整個超低功耗自喚醒微能源系統；其中被喚醒模塊由控制器分別與開關元件、環境傳感器和信號收發裝置相連組成；控制器、開關元件分別連接電源模塊。

所述喚醒模塊是基于摩擦納米發電機的仿生植物傳感器，是無源或無功耗模塊；該喚醒模塊由觸須和底座組成；其中，觸須為由納米導電材料包裹銅絲，形成葉片狀結構；底座為納米導電材料包裹銅片形成的平板狀結構；銅絲與銅板連接組成電極，形成仿生植物傳感器的輸出端口。

所述被喚醒模塊具有休眠和工作的兩種模式，無喚醒電壓觸發時功耗遠小于工作狀態下的電壓。所述被喚醒模塊中的開關元件為金屬-氧化物半導體場效應晶體管；所述被喚醒模塊中的信號收發裝置將采集到的環境信號發送到遠端計算機進行分析。

所述超低功耗的自喚醒微能源系統的自喚醒方法，其特征在于，喚醒模塊直接用導線與被喚醒模塊相連，被喚醒模塊與系統的電源模塊相連，當沒有微小外部機械干擾影響喚醒模塊時，喚醒模塊沒有輸出，被喚醒模塊處于超低功耗的休眠狀態；當輕微觸碰的動作導致喚醒模塊中仿生植物傳感器輸出電壓時，被喚醒模塊的開關元件導通，觸發整個被喚醒模塊工作，進行現場環境信號采集和發送。信息采集發送結束后系統重新進入休眠。

本發明的有益效果是本發明為超低功耗的自喚醒電子裝置，能顯著的降低系統在休眠狀態下的功耗，能夠大幅度的提高傳感器電池的使用壽命，增加整個傳感器網絡的使用時間；能夠明顯降低傳感器的觸發條件，提高超低功耗的自喚醒電子裝置的靈敏度；傳感器具有形似植物的外表使其具有很高的環境隱蔽性。本發明具有如下特點：