专利名称：一种实时监测信号强度的无线充电节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以收集射频能量进行无线充电并且采集传感器节点数据的新型无线传感器节点，尤其设计一种能够实时监测信号强度，能够进行能量管理、提高能量转换率的无线充电的传感器节点。
背景技术：
随着科技的发展和工业的需要，越来越多的无线传感器网络运用到生产生活中。但是由于节点数量庞大、节点的随机散布、节点所在环境恶劣、节点本身嵌入在固体结构中，采用传统的电池给节点供电会带来电池更换难度大、成本高等问题，严重缩短了节点的生命周期。此外，由于节点能量有限，不能够实时监测能量进行能量管理，也会严重影响节电寿命。采用收集射频能量并将其转换为直流能量的方法，可摆脱电池对节点的束缚。同时采用实时监测信号强度的方法，可以进行能量管理，提高能量转换效率，保证节点工作的可靠性。
发明内容
为了克服现有传感器节点需要电池供电，无线充电过程中捕捉的信号强度未知且能量转换率低，输出可用功率低的现状，本发明提供了一种实时监测信号强度的无线充电节点。该传感器节点不仅可以进行无线充电并将采集的各种传感器数据通过无线射频芯片发送出去，同时可以实时监测捕捉到的信号强度，进行能量管理，能量转换效率达到50%，输出可用功率达到15mw，大大提高了节点工作的可靠性,延长了节点的寿命。本发明解决其技术问题所采用的技术方案
一种实时信号强度监测的无线充电的传感器节点。该节点主要由PCB天线、能量转换模块、微处理器模块、信号强度监测模块、传感器模块、无线射频模块组成；PCB天线与能量转换模块相连，能量转换模块通过稳压子模块与微处理器模块相连，微处理器模块通过IO端口与信号强度监测模块相连，实时监测信号强度，对能量转换模块进行能量管理，提高能量的转换率和利用率，微处理器模块通过IO端口与传感器模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接；该传感器节点不仅可以进行无线充电，同时可以采集各种传感器数据并且通过无线射频模块发送出去，还可以实时监测捕捉到的信号强度，能量转换效率达到50%，输出可用功率达到15mw。本发明通过印制板天线接收、转换中心频率为915MHz的射频能量，能量转换模块将接受到的射频能量转换成直流信号，存储在大容量低漏电电流的存储电容中，输出的直流电压经过低功耗的稳压芯片整流得到稳定的直流电压，给整个节点供电。能量转换模块和信号强度监测模块以及微控制器模块相连接，可以通过实时监测能量转换模块的模拟电压值得到信号强度的数据，并进行能量管理，减小能耗。能量转换模块的能量转换率高，得到的可用能量高。微控制器利用通用IO 口与传感器模块相连，同时微处理器的IO 口给传感器模块提供电源，并读取传感器节点ID，微控制器通过SPI接口与无线射频模块连接。
本节点采用的微控制器芯片可以选择MICROCHIP公司的PIC24F16KA102，但不限于此。其中第10、25引脚接供电电压VDD，第6引脚连接传感器的电源引脚，第7、8、9引脚控制能量转换模块，进行能量的管理，第3、27引脚通过运算放大器U4进行数据处理，实时监测信号强度，第2、4、28引脚作为ADC模拟输入通道连接光强传感器、温度传感器和湿度传感器的模拟量输出，第7、8、9引脚连接能量转换模块，第13、14、15引脚连接选择器SI，读取传感器的ID，第16、18、19、21引脚是微控制器的SPI接口，连接无线射频芯片U4，第17、22,23引脚连接无线射频芯片U4。通信保持自主性。所述的无线射频芯片可以采用MICROCHIP的MRF24J40MA，但不限于此。第10电压引脚连接供电电压VDD，第5、6、7、8引脚连接微控制器的SPI接口，第2、3、4引脚连接微控制器。传感器模块中采用了温度传感器，湿度传感器，光强传感器，并使用了接插件，可扩展其他的传感器。本发明具有的有益效果是
I、能量转换模块将无线射频信号转换成直流能量，摆脱了传统节点对电池的依赖，并易于通过外围的电容电阻以及微控制器芯片对其输出电压进行调试。采用集成芯片便于产片封装，微处理器模块实时监视能量转换模块收集到的信号强度，进行能量管理，大大提高了能量的转换效率，保证节点的可靠工作。2、微处理器模块可根据能量管理的结果选用合适的低功耗模式，有效降低整个节点对能量的消耗。3、信号强度监测模块实时监测系统接收到的信号强度，进行能量管理，提高能量的转换率和利用率，大大增强了可用功率，延长了节点的寿命。4、传感器模块灵活性高，采用了外部接插件，便于扩展。
图I是本发明的整体结构框架；
图2是本发明的程序流程 图3是本发明的能量转换模块电路原理 图4是本发明的微处理器模块和无线射频模块电路原理 图5是本发明的信号强度监测模块电路原理 图6是本发明的传感器模块电路原理图。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图I所示，描述了该新型节点的整体结构组成它主要由PCB天线、能量转换模块、微处理器模块、传感器模块、无线射频模块和信号强度监测模块组成。PCB天线和能量转换模块相连，能量转换模块为微处理器模块和无线射频模块供电，微处理器模块通过IO端口与传感器模块和信号强度监测模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接。PCB天线收集射频能量并传输到能量转换模块中，能量转换模块将输入的射频信号转换成直流存储在大电容中，输出的直流电压经过稳压子模块的整流，输出稳定的直流电压，给整个节点供电。通过微处理器模块和信号强度监测模块对能量转换模块接收到的信号强度的实时监测，可以对能量进行管理，提高能量的转换率和利用率，最大化可用能量并合理利用。微处理器模块除了监测信号强度以外，也控制传感器模块的数据采集，微处理器模块将传感器模块采集到的温度、光强、湿度参数以及信号强度监测模块采集到的信号强度参数等等进行处理，通过无线射频模块将这些数据发送给上位机并和上位机进行通信。微处理器模块负责整个节点的控制工作。如图2所示，描述了该系统的工作过程。当微控制器监测到能量充足时，采集传感器的数据，并进行通讯，完成后延时10s，再次监测能量。如图3所示，是能量转换模块的电路图。能量转换模块主要由天线Antenna、能量转换芯片Ul、稳压芯片似、可变电阻1 1、1 2、电阻R3-R5、电容C1-C7、接插件Jl组成。其中Ul可选择P0WERCAST公司的P2110芯片，但不限于此，U2可以选择ON Semiconductor公司的稳压器NCP698SQ30，不限于此。能量转换芯片Ul的模拟地引脚(2脚、4脚、11脚)接地，
能量转换芯片Ul的射频输入引脚(3脚)与PCB天线相接，能量转换芯片Ul的模拟输入引脚(5脚，DSET)与接插件Jl的一端相连，接插件Jl的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与能量转换芯片Ul的直流电压(12脚)输出引脚相连，复位输入引脚(7脚)也与电容C2的一端相连，电容C2的另一端接地；电压存储引脚(8脚)与电容C3的一端相接，电容C3的另一端接地；输出电压控制引脚(10脚)与可变电阻Rl和电阻R2的一端相连，可变电阻R2的另一端接地，可变电阻Rl的另一端与能量转换芯片Ul的电压输出引脚(12脚，V0UT)、电容Cl、电阻R4的一端相接，电容Cl的另一端接地，电阻R4的另一端与电容C4的一端、稳压芯片U2的输入电压引脚(2脚)、使能引脚(4脚)、电阻R5的一端相接，电容C4的另一端接地，稳压芯片U2的稳压电压输出引脚(3脚)与电阻R5的另一端相接，也与电容C5的一端相接，C5的另一端接地,稳压芯片的稳压电压输出引脚(3脚)输出稳定的直流电压VDD。在能量转换模块中，Ul将射频输入引脚(3脚)输入的射频信号转变为直流存储在电容C3中，能量转换芯片Ul的电压输出引脚(12脚)输出直流，经过稳压芯片稳压，稳压芯片U2的稳压电压输出引脚(3脚)输出稳定电压VDD，给传感器节点供电。如图4所示，描述了微处理模块和无线射频模块的电路连接情况。微处理器模块主要由微处理器U3、二极管D1、开关SI、电阻R6，电容C6、C7组成，无线射频模块主要由无线射频芯片U5、电阻R18组成，其中微处理器U3可以选用MICROCHIP公司的PIC24F16KA102芯片，但不限于此，无线射频芯片U5可选择Microchip公司的MRF24J40MA芯片，不限于此。微处理器的U3的模拟地引脚(5脚、24脚)分别接地，微处理器U3的第7引脚与能量收集模块Ul的模拟输入引脚(5脚，DSET)相连，微处理器U3的第8引脚与能量收集模块Ul的复位引脚(7脚)相连、微处理器U3的第9引脚与能量收集模块Ul的中断输入引脚(6脚)相连，微处理器U3的电源引脚(10脚、25脚)输入稳定电压VDD,并与电容C7的一端相连，电容C7的另一端接地，微处理器U3的I/O引脚(13脚、14脚、15脚)分别于开关SI的第I、
2、3引脚相连，SI的4、5、6引脚分别接地，微处理器的U3的SPI引脚(16脚、21脚、18脚、19脚)分别与无线射频芯片U5的第8、5、7、6引脚相连，微处理器的U3的中断引脚(22脚)与无线射频芯片U5的第4引脚相连，微处理器的U3的第17引脚、第23引脚分别与无线射频芯片U5的第2引脚、第3引脚相连，无线射频芯片U5的I/O引脚(2脚)与电阻R18的一端相接，电阻R18的另一端接地，微处理器的U3的清除输入引脚(26脚)与二极管Dl的负端相连，二极管Dl的正端与电阻R6、电容C6的一端相连，电阻R6的另一端与VDD相连，电容C6的另一端接地。微处理器芯片是整个节点的核心，控制了整个节点的工作能量的监测和管理、节点数据的采集、数据的处理以及通过无线射频芯片将数据收发，其中开关SI可以设定无线传感器节点的ID。如图5所示，是信号强度监测模块的电路原理图。信号强度监测模块主要由运算放大器U4、场效应管Q1-Q2、电阻R7-R17、电容C8-C10组成，其中运算放大器U4可选择MICROCHIP公司的MCP6L04，但不限于此，场效应管Q1、Q2可以选择ON Semiconductor公司的NTA4153N芯片，不限于此。信号强度监测模块中运算放大器U4的正偏置引脚(4脚)与VDD相连，运算放大器U4的第一输出引脚(I脚)与运算放大器U4的第二正相输入引脚(5脚)、电阻Rll的一端相连，电阻Rll的另一端与电阻R10、运算放大器U4的第一负相输入引 脚(2脚)一端相连，电阻RlO的另一端和电容CS和电阻R9的一端相连，运算放大器U4的第一正相输入引脚(3脚)、负偏置引脚(11脚)与电阻R8、R9、R12、R15、电容C9、C10、场效应管Q2的栅极(3脚)一端相连，电阻R8的另一端与电容CS、场效应管Ql的源极(2脚)、电阻R7、微处理器芯片U3的第27引脚一端相连，电阻R7的另一端与场效应管Ql的栅极(3脚)和能量转换芯片Ul的模拟输出引脚(13脚，D0UT) —端相连，场效应管Q2的门极(I脚)与场效应管Ql的门极(I脚)、能量转换芯片Ul的模拟输入(5脚，DSET) 一端相连，场效应Q2的源极(2脚)接地，电阻R12的另一端与运算放大器U4的第二负相输入引脚(6脚)、电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端与运算放大器U4的第二输出(7脚)、电阻R16的一端相连，电阻R15的另一端与运算放大器U4的第三负相输入引脚(10脚)、电阻R14的一端相连，电阻R14另一端与电源VDD相连，电容C9、C10的另一端分别接VDD，电阻R16的另一端与运算放大器U4的第三正相输入引脚(9脚)、电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端与运算放大器U4的第三输出引脚(8脚)、微处理器U3的第3引脚相连。信号强度监测模块中通过控制DSET引脚可以来对能量转换模块中Ul的模拟输出引脚(13脚，D0UT)和微处理器模块U3的第27引脚的信号进行解调放大，运算放大器U4的第三输出(8脚)经过解调放大的信号给微处理器模块U3的第3引脚，实现信号强度的实时监测，这对能量管理利用提供了很大的方便，大大提高了能量的转换率和利用率。如图6所示，是传感器模块的电路原理图。传感器模块主要有温度传感器、湿度传感器、光强传感器和扩展传感器、传感器电压控制组成。温度传感器主要由温度传感器R20、电阻R19、电容C12组成，其中温度传感器R20可选择Murata公司的NCP18XH103F03RB热敏电阻但不限于此。温度传感器R20与电阻R19、电容C12、微处理器U3的第4引脚的一端相连，电阻R19的另一端与接插件J2的第2引脚相连，温度传感器R20和电容C12的另一端分别接地。湿度传感器主要由湿度传感器U6、电阻R21、电容C13、C14组成，其中湿度传感器U6可选择Honeywell公司的HIH-5030芯片，但不限于此。湿度传感器子模块中湿度传感器U6的负相输入引脚(I脚)接地，湿度传感器U6的湿度输出引脚(3脚)与电阻R21、电容C14、微控制器U3的第28引脚的一端相连，电阻R21与电容C14的另一端分别接地，湿度传感器U6的正相输入引脚(3脚)与电容C13、接插件J2的第6引脚相接，电容C13的另一端接地。光强传感器主要由光强传感器U7、电阻R22、电容C15组成，其中光强传感器U7可选择Vishay公司的TEMT6000X01，但不限于此，光强传感器U7的光强输出引脚(I脚)与微处理器第2引脚、电容C15、电阻R22的一端相连，电容C15的另一端接地，电阻R22的另一端与接插件J2的第4引脚相连，光强传感器的地引脚(3脚)接地。扩展传感器主要由接插件J3和电容C16组成，其中接插件J3的第I引脚与接插件J2的第8引脚相连，接插件J3 的第2引脚与微处理器模块的U3的第I引脚、电容C16的一端相连，电容C16的另一端接地，接插件J3的第3引脚接地。传感器电压控制主要由接插件J2，场效应管Q3，电阻R23， 电容Cll组成，其中芯片场效应管Q3可以选择ON Semiconductor公司的NTA4151PT1G芯片，但不限于此。接插件J2的第1、3、5、7引脚与电容CU、场效应管Q3的第3引脚一端相连，电容Cll的另一端接地，场效应管Q3第2引脚与VDD相连，场效应管Q3第I引脚与电阻R23、微处理器U3第6引脚的一端相接，电阻R23的另一端接VDD。通过接插件J2可以控制温度、湿度、光强传感器的选择使用，其中接插件J3是用于传感器的扩展，灵活方便。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种实时信号强度监测的无线充电的传感器节点，其特征在于该节点主要由PCB天线、能量转换模块、微处理器模块、传感器模块、无线射频模块和信号强度监测模块等组成；其中，所述PCB天线和能量转换模块相连，能量转换模块为微处理器模块和无线射频模块供电，微处理器模块通过IO端口与传感器模块和信号强度监测模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接。
2.根据权利要求I所述的传感器节点，其特征在于所述能量转换模块主要由天线、能量转换芯片U1、稳压芯片U2、可变电阻R1-R2、电阻R3-R5、电容C1-C7和接插件Jl等组成；其中，能量转换芯片Ul的模拟地引脚接地，射频输入引脚与PCB天线相接，模拟输入引脚与接插件Jl 一端相连，直流电压输出引脚与电阻R3的一端相连，复位输入引脚与电容C2的一端相连，电压存储引脚与电容C3相接，输出电压控制引脚分别与可变电阻Rl和R2 —端相连，能量转换芯片Ul的电压输出引脚分别与可变电阻Rl的另一端、电容Cl的一端、电阻R4 一端相接；接插件Jl的另一端与电阻R3的另一端相连；电容Cl的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、可变电阻R2的另一端均接地；稳压芯片U2的输入电压引脚和使能引脚与电阻R4的另一端、电容C4的一端、电阻R5的一端连接在一起,稳压芯片U2的稳压电压输出引脚分别与电容C5的一端和电阻R5的另一端相接；电容C4和电容C5的另一端均接地；稳压芯片U2的稳压电压输出引脚输出稳定的直流电压VDD。
3.根据权利要求I所述的传感器节点，其特征在于所述信号强度监测模块主要由运算放大器U4、场效应管Q1-Q2、电阻R7-R17和电容C8-C10组成；其中，运算放大器U4的正偏置引脚与稳压芯片U2的稳压电压输出引脚相连，运算放大器U4的第一输出引脚和第二正相输入引脚均与电阻Rll的一端相连，运算放大器U4的第一负相输入引脚分别与电阻Rll的另一端和电阻RlO的一端相连，电阻RlO的另一端分别与电容C8的一端和电阻R9的一端相连，运算放大器U4的第一正相输入引脚和负偏置引脚与电阻R8、R9、R12、R15、电容C9、C10、场效应管Q2的栅极的一端相连，电阻R8的另一端与电容C8、场效应管Ql的源极、电阻R7、微处理器芯片U3的第27引脚一端相连，电阻R7的另一端与场效应管Ql的栅极和能量转换芯片Ul的模拟输出引脚的一端相连，场效应管Q2的门极与场效应管Ql的门极和能量转换芯片Ul的模拟输入引脚相连，场效应管Q2的源极接地，电阻R12的另一端与运算放大器U4的第二负相输入引脚、电阻R13 —端相连，电阻R13的另一端与运算放大器U4的第二输出引脚、电阻R16 —端相连，电阻R15的另一端与运算放大器U4的第三负相输入弓丨脚、电阻R14 —端相连，电阻R14另一端与稳压芯片U2的稳压电压输出引脚相连，电容C9和电容ClO的另一端分别接稳压芯片U2的稳压电压输出引脚，电阻R16的另一端与运算放大器U4的第三正相输入引脚、电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端与运算放大器U4的第三输出引脚、微处理器U3的I/O引脚相连。
全文摘要
本发明公开了一种实时信号强度监测的无线充电的传感器节点，该节点主要由PCB天线、能量转换模块、微处理器模块、信号强度监测模块、传感器模块、无线射频模块组成；PCB天线与能量转换模块相连，能量转换模块通过稳压子模块与微处理器模块相连，微处理器模块的信号强度监测模块实时监测能量转换模块收集到的信号强度，微处理器模块通过IO端口与信号强度监测模块、传感器模块相连，通过SPI接口与无线射频模块连接；该传感器节点不仅可以进行无线充电，信息的采集通信，也能实时监测信号强度，进行能量管理。本发明采用了集成芯片，便于产品封装，此外能量的转换率高，可用的功率大，传感器的扩展性好。
文档编号H04W88/02GK102938897SQ201210455900
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者陈积明, 李紫薇, 史治国, 孙优贤 申请人:浙江大学