[發(fā)明專利]具有振動能量回收功能的無線傳感器及其數(shù)據(jù)傳輸方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010083448.X
• 申請日: 2020-02-09
• 公開（公告）號: CN111146853A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂開亮;王之敏;李家興;董業(yè)鵬;白恒旺
• 申請（專利權(quán)）人: 南京凱奧思數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司
• 主分類號: H02J7/32
• 分類號: H02J7/32;H02N2/18
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• 代理人: 暫無信息

本申請公開了一種具有振動能量回收功能的無線傳感器及其數(shù)據(jù)傳輸方法，該無線傳感器包括機(jī)械模塊和電路控制模塊，機(jī)械模塊同電路控制模塊相連，機(jī)械模塊包括壓電晶體和封裝殼體，其特征在于，所述的電路控制模塊包括能量回收單元、判斷單元、控制單元、發(fā)射單元、電池單元和采樣單元，壓電晶體和能量回收單元的輸入端連接，封裝殼體和采樣單元的輸入端連接，能量回收單元的輸出端同時連接電池單元和判斷單元的輸入端，電池單元的輸出端同時連接判斷單元、采樣單元、控制單元和發(fā)射單元，判斷單元和采樣單元的輸出端與控制單元的輸入端連接，控制單元的輸出端連接發(fā)射單元的輸入端。本申請能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕⑶掖蟠蠼档拖到y(tǒng)的功耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及傳感器的領(lǐng)域，特別涉及利用能量回收功能降低功耗的無線傳感器及其數(shù)據(jù)傳輸方法。

背景技術(shù)

無線傳感器結(jié)合了微型傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和集成電路技術(shù)等，能夠?qū)Νh(huán)境或?qū)ο筮M(jìn)行實時監(jiān)測、感知和信息采集，并具有遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ埽瑹o需布設(shè)連接線，降低了整個監(jiān)測系統(tǒng)搭建的復(fù)雜程度和維護(hù)成本，在各個領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景，得到了廣泛關(guān)注和研究。然后，在絕大多數(shù)的應(yīng)用場合，無線傳感器都需要采用便攜式電源供電。當(dāng)電能耗盡后，如果不能及時更換電源，無線傳感器就無法進(jìn)行工作，可以說其工作壽命基本取決于電源的壽命，因而提高無線傳感器的使用壽命是一個迫切需要解決的技術(shù)難題。

在電池容量一定的情況下，提高無線傳感器的工作壽命無非有有這么兩種方式：開源和節(jié)流。在開源方面，由于電池是無線傳感器供電的主要手段，且壽命非常有限，通常幾個月就需要更換，在實際應(yīng)用中頻繁更換電池不僅工作量大，而且成本也很高，基于此利用能量回收方式對便攜式電源進(jìn)行充電是一個不錯的選擇。與太陽能、熱能等能量回收方式相比，機(jī)械振動能普遍存在，且具有不受環(huán)境因素（光照、溫度等）變化的影響、易于被微機(jī)電系統(tǒng)集成等優(yōu)勢，成為目前主要的能量回收方式，將振動的機(jī)械能回收主要有三種方式：電磁式、靜電式和壓電式，而壓電式因其具有較高的機(jī)電耦合性能，且無需外部供電、結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、壽命幾乎無限，近年來得到了普遍的關(guān)注。

在節(jié)流方面，由于有源傳感器發(fā)送器組合的功率需求可能達(dá)到100mW - 250mW，即使通過能量回收方式對便攜式電源進(jìn)行充電，通常能量回收可產(chǎn)生的功率也僅為1mW -10mW，仍然不能滿足無線傳感器長期實時在線的能量需求，因而必須考慮進(jìn)一步降低無線傳感器的功耗。常見的一種方式就是采用定長時間喚醒的方式，例如每隔半小時進(jìn)行一次喚醒，傳送所需的采集數(shù)據(jù)后再次休眠，如此循環(huán)往復(fù)。但采用定長時間喚醒的方式依然存在以下兩個問題：一是傳感器會在設(shè)備狀態(tài)明顯良好的情況下傳輸數(shù)據(jù)，而監(jiān)控系統(tǒng)常常只需要獲取設(shè)備異常時的相關(guān)數(shù)據(jù)，因而耗費了大量不必要的能量；二是故障發(fā)生時刻的數(shù)據(jù)可能由于間斷性傳輸?shù)脑蚨e過，導(dǎo)致丟失了重要的有效數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本申請?zhí)峁┮环N具有振動能量回收功能的無線傳感器及其數(shù)據(jù)傳輸方法，至少能夠部分的解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種具有振動能量回收功能的無線傳感器，包括機(jī)械模塊和電路控制模塊，機(jī)械模塊同電路控制模塊相連，所述的機(jī)械模塊包括壓電晶體和封裝殼體，所述的電路控制模塊包括能量回收單元、判斷單元、控制單元、發(fā)射單元、電池單元和采樣單元，壓電晶體和能量回收單元的輸入端連接，封裝殼體和采樣單元的輸入端連接，能量回收單元的輸出端同時連接電池單元和判斷單元的輸入端，電池單元的輸出端同時連接判斷單元、采樣單元、控制單元和發(fā)射單元，判斷單元和采樣單元的輸出端與控制單元的輸入端連接，控制單元的輸出端連接發(fā)射單元的輸入端。

更進(jìn)一步地，所述的能量回收單元采用的是基于ESSH技術(shù)的接口電路，包括帶電感的電子開關(guān)、全波整流電路、超級電容、穩(wěn)壓電路和極值檢測電路，壓電晶體分別與帶電感的電子開關(guān)和極值檢測電路的輸入端連接，極值檢測電路的輸出端連接帶電感的電子開關(guān)的控制輸入端，帶電感的電子開關(guān)的輸出端依次通過全波整流電路、超級電容連接穩(wěn)壓電路的輸入端。