專利名稱：一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于無線供電傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(即傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個微功耗傳感器)的無線供電傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線供電技術(shù)是通過電磁波發(fā)射等原理，將電能轉(zhuǎn)換為射頻能(即電磁波能量)后以無線的方式傳輸給負載。這種無線供電技術(shù)，能夠安全、可靠地給設(shè)備供電，而且成本低，應(yīng)用前景廣泛。隨著測量和控制所需的超低功率傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的激增以及新型能量收集技術(shù)的運用，無線供電技術(shù)得到了進一步發(fā)展，但是，由于供傳輸?shù)纳漕l能的空間密度非常低，隨著與發(fā)射端距離的增加射頻能不斷減少，因此由多個微功耗傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)必 須布置在靠近發(fā)射端的位置，一般為3 10米。如果要實現(xiàn)遠距離射頻能傳輸，勢必要以系統(tǒng)的高額成本來換取轉(zhuǎn)換效率，特別是在有人居住的環(huán)境，射頻功率要求在2-5W以內(nèi)，利用現(xiàn)有技術(shù)進行無線供電，只能支持幾米范圍，不適用于更遠距離的無線供電?，F(xiàn)有的關(guān)于無線供電的專利主要集中在三個方面一是關(guān)于傳輸原理的專利；采用電波輻射式原理，如CN101908781A采用2. 4GHz的射頻段供電以獲得更好效果；采用磁場耦合式原理的專利，如申請?zhí)枮?00510030239和200820115859的專利，國內(nèi)專家朱春波的專利“磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置”的專利也是采用此方式，其另一項發(fā)明采用增強器磁耦合，在增強型發(fā)射源中加入了增強器，由于增強器的加入，該技術(shù)的能量傳輸距離有了較大提高，約為原來的5倍。二是關(guān)于能量接收端和發(fā)射端的改進的專利；其主要是為了提高轉(zhuǎn)換效率，增加傳輸距離，而對諧振電路、轉(zhuǎn)換電路、發(fā)射電路等方面進行的改進。三是建立能量發(fā)射裝置與接收端的數(shù)據(jù)交換，根據(jù)接收端的需求提供電能；專利CN1912786B的發(fā)明實現(xiàn)的功能是發(fā)射端先獲得接收端的供電請求，再根據(jù)請求的多少限量提供無線電能；專利CN101330230B中收發(fā)兩端建立專門用于定位的通訊輔助節(jié)點，當判斷雙方處于最佳傳輸位置，才開始供電。目前，還沒有對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微功耗傳感器逐個定向、分時進行電能傳輸?shù)南到y(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)，以對中等距離范圍內(nèi)(即100米以內(nèi))的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微功耗傳感器進行逐個定向、分時、循環(huán)供電，提高電能轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省電能。本實用新型所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)，包括射頻能量發(fā)射裝置和由多個微功耗傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述射頻能量發(fā)射裝置包括MCU控制模塊，與MCU控制模塊輸入端連接的能量需求采集模塊，與MCU控制模塊輸出端連接的發(fā)射功率控制模塊、發(fā)射角度控制模塊和發(fā)射時間控制模塊，與發(fā)射功率控制模塊輸出端連接的電能轉(zhuǎn)換模塊，與電能轉(zhuǎn)換模塊輸出端、發(fā)射角度控制模塊輸出端和發(fā)射時間控制模塊輸出端連接的發(fā)射模塊；所述微功耗傳感器包括能量接收轉(zhuǎn)換模塊、與能量接收轉(zhuǎn)換模塊連接的數(shù)據(jù)獲取處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊。射頻能量發(fā)射裝置采集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微功耗傳感器的電能需求、位置信息和供電時間需求，為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個微功耗傳感器分配能量發(fā)射功率、能量發(fā)射角度、無線供電時間和分時供電間隔(即根據(jù)上述需求的不同進行發(fā)射功率、發(fā)射角度和發(fā)射時間的調(diào)整)，確定供電順序，并按照供電順序逐一向傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微功耗傳感器定向、分時、循環(huán)(即逐一對傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要供電的微功耗傳感器供電完成后，下次仍以同樣的方式進行)供電，微功耗傳感器接收射頻能并將其轉(zhuǎn)換為電能。進一步，所述發(fā)射模塊采用天線將射頻能發(fā)射出去，所述天線采用自適應(yīng)天線陣列或多自由度旋轉(zhuǎn)的集束定向天線。自適應(yīng)天線陣列能夠根據(jù)發(fā)射角度控制模塊的控制將其最大輻射方向?qū)市枰╇姷奈⒐膫鞲衅?，多自由度旋轉(zhuǎn)的集束定向天線能夠根據(jù)發(fā)射角度控制模塊的控制對準需要供電的微功耗傳感器。采用本實用新型中所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)進行無線供電的方法，包括如下步驟I)信息采集與發(fā)送射頻能量發(fā)射裝置中的能量需求采集模塊通過人工輸入方式或無線通訊方式采集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個微功耗傳感器的電能需求、位置信息和供電時間需求，并將信息發(fā)送給MCU控制模塊；2)信息處理:MCU控制模塊對信息進行計算、分析，為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個微功耗傳感器分配能量發(fā)射功率、能量發(fā)射角度、無線供電時間和分時供電間隔，確定供電順序；3)根據(jù)信息處理結(jié)果進行無線供電控制并發(fā)射能量:MCU控制模塊驅(qū)動發(fā)射功率控制模塊按照分配的能量發(fā)射功率控制電能轉(zhuǎn)換模塊將輸入的電能轉(zhuǎn)換為射頻能，送入發(fā)射模塊，同時，MCU控制模塊驅(qū)動發(fā)射角度控制模塊和發(fā)射時間控制模塊按照分配的能量發(fā)射角度和無線供電時間、分時供電間隔控制發(fā)射模塊按照供電順序逐一向傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微功耗傳感器定向、分時、循環(huán)發(fā)射射頻能；4)接收能量并將其轉(zhuǎn)換為電能微功耗傳感器的能量接收轉(zhuǎn)換模塊接收射頻能，并將其轉(zhuǎn)換為微功耗傳感器的電能。采用人工輸入方式，即將傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個微功耗傳感器的電能需求、位置信息和供電時間需求信息輸入到能量需求采集模塊；采用無線通訊方式可以由數(shù)據(jù)發(fā)射模塊將該微功耗傳感器的電能需求、位置信息和供電時間需求發(fā)送給能量需求采集模塊(微功耗傳感器初始化時具有供無線通訊的電能);MCU控制模塊中的數(shù)據(jù)存儲模塊能將各個微功耗傳感器的電能需求、位置信息和供電時間需求存儲起來，方便讀取。本實用新型采取分時、定向供電方式(即射頻能量發(fā)射裝置按照供電順序逐一向傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微功耗傳感器定向、分時、循環(huán)供電)，利用狹窄波束集中能量傳輸(即每次只對一個微功耗傳感器進行無線供電，其電磁波的波束較狹窄)，滿足了中等距離范圍內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量需求，提高了電能轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省了電能，可廣泛應(yīng)用于樓宇自動化、無線/自動化儀表計量和前瞻性維護，以及諸多其它的工業(yè)、軍事、汽車和消費類應(yīng)用。

圖I為本實用新型中無線供電傳輸系統(tǒng)的示意圖；圖2為本實用新型中射頻能量發(fā)射裝置的電路框圖；[0017]圖3為本實用新型中微功耗傳感器的電路框圖；圖4為本實用新型中射頻能量發(fā)射裝置的工作流程框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。實施例I :如圖I、圖2、圖3所示的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)，包括射頻能量發(fā)射裝置I和在100米范圍內(nèi)由多個微功耗傳感器2構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)3 (傳感器網(wǎng)絡(luò)3是一個類似于球面的區(qū)域，每個微功耗傳感器2在其中隨機分布);其中，射頻能量發(fā)射裝置I包括MCU控制模塊13，與MCU控制模塊13輸入端連接的能量需求采集模塊11，與MCU控制模塊13輸出端連接的發(fā)射功率控制模塊14、發(fā)射角度控制模塊17和發(fā)射時間控制模塊18，與發(fā)射功率控制模塊14輸出端連接的電能轉(zhuǎn)換模塊16，與電能轉(zhuǎn)換模塊16輸出端、發(fā)射角度控制模塊17輸出端和發(fā)射時間控制模塊18輸出端連接的發(fā)射模塊19 ；MCU 控制模塊13內(nèi)含有數(shù)據(jù)存儲模塊12，發(fā)射模塊19采用天線將射頻能發(fā)射出去，該天線采用 機電控制原理下的多自由度旋轉(zhuǎn)集束定向天線，多自由度旋轉(zhuǎn)集束定向天線可以根據(jù)發(fā)射角度控制模塊17的控制旋轉(zhuǎn)。微功耗傳感器2包括能量接收轉(zhuǎn)換模塊21、與能量接收轉(zhuǎn)換模塊21連接的數(shù)據(jù)獲取處理模塊22和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊23，數(shù)據(jù)獲取處理模塊22和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊23通過能量接收轉(zhuǎn)換模塊21獲得電能。如圖4所示，采用上述傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)進行無線供電的方法，包括如下步驟I)信息采集與發(fā)送射頻能量發(fā)射裝置I中的能量需求采集模塊11通過人工輸入方式采集傳感器網(wǎng)絡(luò)3中的每個微功耗傳感器2的電能需求(即微功耗傳感器2需要的工作電壓)、位置信息(即微功耗傳感器2與射頻能量發(fā)射裝置I之間的距離以及角度)和供電時間需求(即微功耗傳感器2什么時候需要工作)，并將這些信息發(fā)送給MCU控制模塊13 ；2)信息處理:MCU控制模塊13對該信息進行計算、分析，為傳感器網(wǎng)絡(luò)3中的每個微功耗傳感器2分配能量發(fā)射功率、能量發(fā)射角度、無線供電時間和分時供電間隔，確定供電順序；3)根據(jù)信息處理結(jié)果進行無線供電控制并發(fā)射能量:MCU控制模塊13驅(qū)動發(fā)射功率控制模塊14按照分配的能量發(fā)射功率控制電能轉(zhuǎn)換模塊16將輸入的電能轉(zhuǎn)換為射頻能，送入發(fā)射模塊19，同時，MCU控制模塊13驅(qū)動發(fā)射角度控制模塊17和發(fā)射時間控制模塊18按照分配的能量發(fā)射角度和無線供電時間、分時供電間隔控制發(fā)射模塊19按照供電順序逐一向傳感器網(wǎng)絡(luò)3中的微功耗傳感器2定向、分時、循環(huán)發(fā)射射頻能；4)接收能量并將其轉(zhuǎn)換為電能微功耗傳感器2的能量接收轉(zhuǎn)換模塊21接收射頻能，并將其轉(zhuǎn)換為微功耗傳感器2的電能。實施例2 :本實施例中發(fā)射模塊19采用的天線為自適應(yīng)天線陣列，射頻能量發(fā)射裝置I中的能量需求采集模塊11通過無線通訊方式采集傳感器網(wǎng)絡(luò)3中的每個微功耗傳感器2的電能需求、位置信息和供電時間需求(其中，微功耗傳感器初始化時具有供無線通訊的電能)，射頻能量發(fā)射裝置I中的其它部分和無線供電方法中的其它步驟與實施例I相同。雖然以上描述了本實用新型的具體實施例，但是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，我們所描述的具體的實施例只是說明性的，而不是用于對本實用新型的范 圍的限定，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在依照本實用新型的精神所做的等效的修飾以及變化，都涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求所保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)，包括射頻能量發(fā)射裝置(I)和由多個微功耗傳感器(2)構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)(3)，其特征是 所述射頻能量發(fā)射裝置(I)包括MCU控制模塊(13)，與MCU控制模塊輸入端連接的能量需求采集模塊(11)，與MCU控制模塊輸出端連接的發(fā)射功率控制模塊(14)、發(fā)射角度控制模塊(17)和發(fā)射時間控制模塊(18)，與發(fā)射功率控制模塊輸出端連接的電能轉(zhuǎn)換模塊(16)，與電能轉(zhuǎn)換模塊輸出端、發(fā)射角度控制模塊輸出端和發(fā)射時間控制模塊輸出端連接的發(fā)射模塊(19); 所述微功耗傳感器(2 )包括能量接收轉(zhuǎn)換模塊(21)、與能量接收轉(zhuǎn)換模塊連接的數(shù)據(jù)獲取處理模塊(22)和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)，其特征是所述發(fā)射模塊(19)采用天線將射頻能發(fā)射出去，所述天線采用自適應(yīng)天線陣列或多自由度旋轉(zhuǎn)的集束定向天線。
專利摘要本實用新型公開了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線供電傳輸系統(tǒng)，包括射頻能量發(fā)射裝置和由多個微功耗傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述射頻能量發(fā)射裝置包括MCU控制模塊，與MCU控制模塊輸入端連接的能量需求采集模塊，與MCU控制模塊輸出端連接的發(fā)射功率控制模塊、發(fā)射角度控制模塊和發(fā)射時間控制模塊，與發(fā)射功率控制模塊輸出端連接的電能轉(zhuǎn)換模塊，與電能轉(zhuǎn)換模塊輸出端、發(fā)射角度控制模塊輸出端和發(fā)射時間控制模塊輸出端連接的發(fā)射模塊；所述微功耗傳感器包括能量接收轉(zhuǎn)換模塊、與能量接收轉(zhuǎn)換模塊連接的數(shù)據(jù)獲取處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊。該無線供電傳輸系統(tǒng)提高了電能轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省了電能。
文檔編號H02J17/00GK202524174SQ20122018872
公開日2012年11月7日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者周長春, 尹小慶, 張澤元 申請人:重慶大學