基于射頻能量采集的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，尤其涉及一種基于射頻能量收集的能夠監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)的快速發(fā)展，如今WSN被廣泛應(yīng)用在國防軍事，環(huán)境監(jiān)測，工業(yè)控制，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域中。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)常常被部署在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)當(dāng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)壽命往往取決于節(jié)點(diǎn)電池所攜帶的能量。
[0003]而如果將環(huán)境能量收集技術(shù)應(yīng)用于傳感器節(jié)點(diǎn)的供能中，使其自發(fā)地從其所在的空間環(huán)境中獲取外界能量，并且所收集到的能量能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)的能耗需求，這樣就能夠從根本上解決節(jié)點(diǎn)持續(xù)供能的難題。目前比較成熟的環(huán)境能量收集技術(shù)有:太陽能、振動能、風(fēng)能收集等。
[0004]但以上的環(huán)境能量收集技術(shù)存在一定的缺陷，例如，太陽光雖然分布廣泛，但受自然條件影響嚴(yán)重，而且不能直接照射至結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
[0005]振動能量主要存在于工業(yè)環(huán)境中，可以通過壓電、電磁、靜電場等原理轉(zhuǎn)換成電能，但是其應(yīng)用面非常小。
[0006]風(fēng)能收集同太陽能一樣，是一種非常清潔的能量來源，而風(fēng)能是不穩(wěn)定的、不可預(yù)測的，同樣無法進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
[0007]而環(huán)境中的電磁波無處不在，相比于其它環(huán)境能量，電磁能收集不受地域、天氣等自然因素的影響，而很容易穿透結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)當(dāng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期問題，提供一種基于射頻能量采集的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用電磁輻射的射頻能量收集方式，可以自主收集環(huán)境中的射頻能量，并將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓從而為整個(gè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電，還可以向匯聚節(jié)點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)送結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度及應(yīng)力度傳感器信息。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種基于射頻能量采集的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)包括能量天線模塊、能量轉(zhuǎn)換模塊、傳感器模塊以及微處理器模塊。能量天線模塊由Patch天線構(gòu)成；能量轉(zhuǎn)換模塊由RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊、能量存儲模塊和穩(wěn)壓模塊組成；傳感器模塊包括溫度傳感器模塊和應(yīng)力度傳感器模塊；微處理器模塊包括微處理器控制模塊以及ZigBee無線通信模塊。能量天線模塊接收空間環(huán)境中的電磁波，并與RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊相連，能量存儲模塊分別與RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊和穩(wěn)壓模塊相連，穩(wěn)壓模塊分別與微處理器模塊以及傳感器模塊相連，溫度、應(yīng)力度兩個(gè)傳感器模塊以及ZigBee通信模塊分別與微處理器控制模塊相連。
[0010]進(jìn)一步地，所述Patch天線采用中心頻率為915MHz指向性天線，RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊主要由能量轉(zhuǎn)換芯片U1、探針J2組成，能量存儲模塊主要由超級電容C1、C2和開關(guān)SI組成，穩(wěn)壓模塊主要由低壓差穩(wěn)壓芯片U2、電容C3和C4、電阻R6、發(fā)光二極管Dl組成，溫度傳感器模塊由溫度傳感器芯片U5以及電容C21、C20組成，應(yīng)力度傳感器模塊主要由應(yīng)變片U4，運(yùn)算放大器U6，電阻R5、R7?R11，電容C22?C24組成；其中Patch天線與PCB板上的SM底座連接，Patch天線信號輸出引腳連接至能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的信號輸入引腳，置地引腳直接與PCB板的地線連接；超級電容C2的I腳與2腳分別與撥動開關(guān)SI的I號腳連接，超級電容Cl的正引腳與撥動開關(guān)SI的3腳連接，能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的能量存儲引腳與撥動開關(guān)SI的2腳連接，能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的置地引腳分別與地相連，能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的輸出引腳與探針J2連接；低壓差穩(wěn)壓芯片U2的信號輸入引腳分別與探針J2、電容C3正極連接，穩(wěn)壓芯片U2的信號輸入引腳與使能引腳連接，穩(wěn)壓芯片U2的置地引腳連接至地，穩(wěn)壓芯片U2的信號輸出引腳與電容C4相連，電容C4與撥動開關(guān)S2的I腳連接，撥動開關(guān)S2的2號引腳與排座Pl的I腳連接，電阻R6的兩端分別與排座Pl的2腳和發(fā)光二極管Dl正極相連；超級電容Cl的負(fù)引腳、超級電容C2的3腳與4腳、電容C3的負(fù)極、電容C4另一端和發(fā)光二極管Dl負(fù)極均接地；
[0011]溫度傳感器芯片U5的第一置地引腳和模擬輸出引腳分別與電容C21兩端連接，溫度傳感器芯片U5的模擬輸出引腳與微處理器U3的第7通道模擬輸入引腳連接，溫度傳感器芯片U5的供電引腳和第二置地引腳分別與電容C20兩端連接，溫度傳感器芯片U5的供電引腳與SI的2腳連接；第一置地引腳和第二置地引腳均接地；應(yīng)變片U4的2腳與地連接，I腳分別與R5、R7和儀表放大器U6的信號正輸入引腳連接，R5的另一端與可調(diào)電阻R8中間端連接，R9 一端與可調(diào)電阻R8連接，R9另一端與儀表放大器U6的信號負(fù)輸入引腳連接，RlO與儀表放大器U6的信號負(fù)輸入引腳連接，R7、R8、RlO的另一端都與SI的2腳連接，Rll的兩端分別與儀表放大器U6的參考電阻引腳連接，C22與儀表放大器U6的供電引腳連接，儀表放大器U6的信號輸出引腳與微處理器U3的第6通道模擬輸入引腳連接，同時(shí)與C23和C24的一端連接，儀表放大器U6的負(fù)電源引腳、參考電壓引腳以及電容C22?C24的另一端與地連接；
[0012]所述微處理器模塊由微控制器與通信模塊集成芯片U3、貼片晶振Yl?Y2、電容C5?C19、電阻R3?R4、電感LI?L3、SMA天線底座J3、排座P2組成；微處理器置地引腳與地相連，時(shí)鐘信號引腳、信號使能引腳分別與排座P2的6、5腳連接，第7通道模擬輸入引腳與溫度傳感器芯片U5的模擬輸出引腳連接，第6通道模擬輸入引腳與儀表放大器U6的信號輸出引腳連接，復(fù)位引腳分別與排座P2的7腳、電容C18以及電阻R4連接，模擬電源引腳分別與鉭電容C7正端、電容C6、磁珠LI連接，電容C6、鉭電容C7、電容C18的另一端都與地連接，第一高頻晶振引腳與晶振Yl的I腳和電容CS連接，第一高頻晶振引腳與晶振Yl的2腳和電容C9連接，電容C8、C9的另一端都與地連接，RF信號負(fù)引腳與電容Cll連接，RF信號正引腳與電容ClO連接，電容ClO的另一端分別與電感L3、電容C12連接，電容Cll的另一端分別與電容C13、電感L2連接，電容C12、電感L2的另一端同時(shí)與電容C14連接，電容C14的另一端與SMA天線底座J3連接，偏置電阻引腳與電阻R3連接，電容C13、電感L3、電阻R3的另一端與地連接，第一低頻晶振引腳同時(shí)與晶振Y2的I腳和電容C15連接，第二低頻晶振引腳同時(shí)與晶振Y2的2腳和電容C16連接，電容C15、電容C16的另一端都與地連接，時(shí)鐘調(diào)試引腳、數(shù)據(jù)調(diào)試引腳分別與排座P2的3、4腳連接，SPI總線主輸入引腳、SPI總線主輸出引腳分別與排座P2的9、8腳連接，數(shù)字電源引腳同時(shí)與電容C17和撥動開關(guān)S2的2腳連接，電阻R4、電感L1、C19的另一端都與撥動開關(guān)S2的2腳連接，P2的I腳與SMA底座J3的接地腳與地連接，數(shù)字電源退耦引腳與電容C5連接，電容C5、電容C19的另一端與地連接。
[0013]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0014]I)本發(fā)明采用了環(huán)境能量收集技術(shù)，使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠在結(jié)構(gòu)內(nèi)部主動收集可用能量，并將之轉(zhuǎn)換為電能給自身供電，能夠不斷獲取環(huán)境中的可用能量，大大延長了節(jié)點(diǎn)的生命周期。
[0015]2)本發(fā)明采用了基于電磁輻射的射頻能量收集方式，電磁作為載體的能量發(fā)生及收集的系統(tǒng)可以控制收集的能量，并且不受空間環(huán)境的限制，在實(shí)際使用中其收集裝置安置難度也較低。電磁輻射的輻射范圍更廣，且電磁輻射是無處不在的，地球磁場、太陽光、移動通信基站、W1-Fi等都會發(fā)射強(qiáng)度不同的電磁輻射。
[0016]3)超低功耗的微處理器、無線通信協(xié)議、穩(wěn)壓芯片、溫濕度傳感器的引入使無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知更加微弱的射頻能量。
[0017]4)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部對應(yīng)力度及溫度的監(jiān)測可以更加準(zhǔn)確直觀的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的健康狀況。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2是本發(fā)明的能量天線模塊及能量轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖；
[0020]圖3是本發(fā)明的傳感器模塊的電路原理圖；
[0021]圖4是本發(fā)明的微處理器模塊電路原理圖；
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023]如圖1所示，描述了基于射頻能量收集的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)。該節(jié)點(diǎn)包括能量天線模塊、能量轉(zhuǎn)換模塊、傳感器模塊以及微處理器模塊。能量天線采用中心頻率為915MHz的Patch天線，能量天線模塊接收射頻源發(fā)射的電磁波并將其轉(zhuǎn)換為高頻直流電；能量轉(zhuǎn)換模塊包括RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊、能量存儲模塊、穩(wěn)壓模塊三個(gè)部分，進(jìn)行阻抗匹配后與能量天線模塊連接，將天線所產(chǎn)生的高頻直流電轉(zhuǎn)換為低頻直流電并存儲在超級電容當(dāng)中；傳感器模塊通過溫度傳感器和應(yīng)力傳感器感知并收集結(jié)構(gòu)健康信息；微處理器模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心，包括微處理器控制模塊和ZigBee無線通信模塊。能量天線模塊接收空間環(huán)境中的電磁波，并與RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊相連，能量存儲模塊分別與RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊和穩(wěn)壓模塊相連，穩(wěn)壓模塊分別與微處理器模塊以及傳感器模塊相連，溫度、應(yīng)力度兩個(gè)傳感器模塊以及ZigBee通信模塊分別與微處理器控制模塊相連。
[0024]如圖2所示，是該傳感器節(jié)點(diǎn)的供能部分的電路原理圖，包括了能量收集天線、能量轉(zhuǎn)換模塊和能量存儲模塊。能量收集天線與能量轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行阻抗匹配后連接，其負(fù)載阻抗50歐姆，能量接收方向?yàn)槎ㄏ蛩?22°、垂直68°，線性增益6.1dBi。RF-DC能量轉(zhuǎn)換模塊主要由芯片Ul和探針J2組成，其中Ul采用的是美國Powercast公司的P2110B能量轉(zhuǎn)換芯片，能量存儲模塊主要由AVX Bestcap系列超級電容C1、C2組成，穩(wěn)壓模塊主要由安森美半導(dǎo)體公司的新型低壓差線性穩(wěn)壓芯片NCP698SQ30T1G、電容C3和C4、電阻R6、貼片發(fā)光二極管Dl組成；其中Patch天線與PCB板上的SM底座連接，Patch天線信號輸出引腳(I號引腳)連接至能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的信號輸入引腳(3號引腳)，置地引腳(2?5號引腳)直接與PCB板的地線連接；超級電容C2的I腳與2腳分別與撥動開關(guān)SI的I號腳連接，超級電容Cl的正引腳與撥動開關(guān)SI的3腳連接，能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的能量存儲引腳(8號引腳)與撥動開關(guān)SI的2腳連接，能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的置地引腳(2、4、11號引腳)分別與地相連，能量轉(zhuǎn)換芯片Ul的輸出引腳(12號引腳)與探針J2連接；低壓差穩(wěn)壓芯片U2的信號輸入引腳(2號引腳)分別與探針J2、電容