专利名称：无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传感器领域，具体涉及无线传感器的远距离光供能技术。
背景技术：
无线传感器是目前传感器领域的一个研究热点，其中无线传感器的供能问 题始终是制约无线传感器网络发展的瓶颈。最初的无线传感器基本上都采用电 池供能；为了延长电池的使用时间，近年来大量的研究集中在传感器网络的节 能控制算法上；但无论如何节能，电池始终是需要更换的；因此这些研究并没 从根本上解决无线传感器的供能问题。
近年来，研究人员开始将注意力转移到无线传感器的自供能上。各种能量 转换捕获装置被设计出来，如光能(尤其是太阳能)、热能、机械能、电磁波、 核能等，几乎所有的能量形式都被转换成电能提供给无线传感器。因此捕获和 利用环境中的能量是最具有吸引力的无线传感器自供能方式。但是，在某些极 端的应用场合，环境能量往往无法获得。在这种情况下，往往需要对传感器进 行主动供能。因而，可以说主动供能是环境供能的一个必要补充。主动供能需 要把能量集中并有方向性地提供给传感器，考虑各种能量传输的特点，光能是 最容易实现集中、定向传输的能量，因此无线传感器的光供能成为自供能研究 的重要内容之一。
目前无线传感器光供能主要有环境光供能、光纤供能和激光远距离供能三 种方式。环境光供能方案中，能量由阳光或其他人造光源提供，能量采集和转 换器件采用光电池。本质上它还是一种采集环境能量的自供能方式，不能工作 在没有光照的场合；另外，光电池的转换效率低、体积大，大大限制了其应用。 光纤供能方式，能量由激光器或LED提供，光纤作为传输载体，将光能传送到 传感器位置，能量采集和转换器件可以采用光电池或光电二极管，但是光纤供 能将无线传感器变成了有线传感器，丢失了无线传感器的灵活性；而电类传感 器的抗干扰能力又不如真正的光纤传感器，因此光纤供能的无线传感器在和光纤传感器的竞争中处于一种尴尬局面。激光远距离供能是另一种比较常见的无 线传感器光供能方式。现有的激光远程供能的原理如图1所示，激光器1-l发 出激光光束1-2，直接照射到远处的无线传感器模块1-4上，模块1-4上的能量 转换器件将光能转化为电能，并为整个传感器模块1-4供电。采用这种供能方 式，激光的能量集中在一点上，因此传感器l-4上的能量转换器件的能量转换 效率不需要很高，就能获得足够的电能，驱动整个模块。这种方法有两个不可
克服的缺点
1. 传感器和激光器之间需要通视，如果有障碍物(1-3)挡住激光，则模 块1-4不能获得能量，这一缺点严重限制了激光远程供能在有遮挡的空间内使用。
2. 正如图1所示，激光器和无线传感器模块是1对1的；如果激光光束不 进行扫描，则传感器模块1-5不能获得能量；也就是说，现有的激光激励供能 方式不能实现对无线传感器网络的供能。
然而，布置灵活和容易构成分布式测量网络正是无线传感器相比于有线传 感器的主要优点，现有的激光供能方式不能满足两个要求，其应用受到极大地 限制。因此在密闭空间或遮挡条件下，如何利用激光实现能量的远程传输、同时实现多 传感器光供能是学术界和产业界共同关心的一个难题。
发明内容
本发明的目的正是为了解决无线传感器网络激光供能的难题，而提出的一 种无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能方法，并同时设计实现该方法的 激光激励荧光供能装置。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的
本发明提出无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能方法，该方法采用 一个大功率激光器作为能源，利用激光光束能量集中、准直性好、方向性好等
特点，将能量远距离传送到无线传感器网络的工作空间。根据无线传感器工作 位置的空间结构，在该工作空间内、能够被激光照射到的地方安装一个(或几 个)荧光元件，每个荧光元件在激光的激励下发出荧光，并向接近27t球面度的 空间内发射荧光；这样在整个无线传感器网络工作位置形成一个充满光照的空 间，空间内任意位置的无线传感器模块均能获得光能；无线传感器模块自带换能元件将光能转换电能并驱动传感器工作。这种方法类似于在无线传感器网络 工作位置上安装了一个(或多个)激光供能的荧光灯，工作的时候，利用激光 远距离点亮这些荧光灯即可以给整个传感器网络内无线传感器提供光照、实现供能。
为了实现上述方法，本发明设计了一种无线传感器网络的激光远距离激励 荧光供能装置，它包括一个激光器、 一个开有小孔的密闭或准密闭空间、多个 荧光元件和多个无线传感器模块。其中，所述荧光元件和无线传感器模块布置 在密闭或准密闭空间内，形成无线传感器网络工作空间；所述密闭或准密闭空 间的小孔与激光器的激光光束入射方向正对，激光能够透过密闭空间上的小孔 照入射；第一荧光元件被安装在能够被激光照到的位置，该荧光元件吸收一部 分激光，剩余的激光透过该荧光元件并照射第二个荧光元件，即第二荧光元件 被安装在第一荧光元件的透射光路上；同理，第二个荧光元件也吸收一部分激 光，并透过一部分光照射第三荧光元件。多个荧光元件按上述位置关系依序布 置，所有荧光元件发出荧光，照亮整个密闭空间，空间内设置的所有无线传感 器模块均被照亮，无线传感器模块自带换能元件将光能转换电能，并驱动传感 器工作。
作为无线传感器网络本地光源的荧光元件，包括棱镜、波导板和一个涂有 荧光粉的荧光背板等元件。棱镜可以将部分光反射进入波导板，并让另一部激 光折射出去，照射另一个荧光元件；波导板的作用是让激光均匀的照射到荧光 背板上，产生均匀的荧光。
由于激光束的能量比较集中，在现有的激光远距离供能装置对无线传感器 模块上的换能元件的能量收集能力和光电转换效率没有严格的要求。采用本发 明的激光远距离激励荧光供能方法，激光的能量转换成荧光的能量，且分散在 整个工作空间内，每个传感器获得的光能变得很小，因此对换能元件的能量收 集能力和转换效率提出了很高的要求；为此，本发明还设计了高效率光电换能 器。该换能器包括一个能够在2TX球面度空间内收集光能的半球面聚光器和一个 高效的无偏置光电二极管；半球面聚光器增大了受光面积，光电二极管的光电 转换效率又大于光电池，因此这种能量转换器的效率比光电池高。
本发明保持了现有激光远距离供能方式的无线、远距离的优点，弥补其不足；首先， 消除了传感器和激光器通视要求，保持了无线传感器安装的灵活性；另外，改变了现有的激光器和传感器一对一工作模式，真正实现了一个激光器给多个传感器供能；这样本发明 设计的激光远距离激励荧光供能方法真正实现了在密闭或遮挡条件下的无线传感器网络 的主动光供能。
图1是现有的无线传感器的激光远距离供能原理示意图； 图2是本发明的一种实施方案示意图； 图3是本实施方案中的荧光元件结构图； 图4是本实施方案中的高效率的换能器结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述
参见图2，本发明设计的无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能装置包括激光器 2-1，密闭工作空间2-3，带有高效率的换能器的无线传感器模块2-4，第一荧光元件 2-5-A，第二荧光元件2-5-B和第三荧光元件2-5-C，障碍物2-8。所述荧光元件和无 线传感器模块布置在一密闭或准密闭工作空间内，形成无线传感器网络的工作 空间，所述密闭或准密闭空间2-3上有一小孔2-2，小孔2-1与激光器2-1的激光 光束2-5-2入射方向正对，激光器2-l发出的光束可以通过该小孔2-2入射到密闭工 作空间2-3内。第一荧光元件2-5-A被安装在能够被入射激光照到的位置，吸收 一部分激光以发出荧光，同时透射剩余部分激光，第二荧光元件2-5-B被安装 在第一荧光元件2-5-A的透射光路上，亦吸收一部分透射一部分，第三荧光元 件2-5-C又被安装在第二荧光元件2-5-B的透射光路上，三个荧光元件按上述 位置关系依序布置，荧光元件发出荧光，照亮整个工作空间，工作空间内的所 有无线传感器模块自带换能元件，将光能转换电能，并驱动传感器工作。
如图3所示，荧光元件2-5包括棱镜2-5-1，波导板2-5-3，荧光背板2-5-5等三个 元件，入射激光光束2-5-2在棱镜2-5-l的第一个表面反射，进入设置在棱镜的反射 光路上的波导板2-5-3，光在波导板2-5-3内多次反射并均匀照到设置在波导板背面 的荧光背板2-5-5上，激励荧光物质发出荧光；另一部分激光透过棱镜2-5-1折射出 去照亮另一个荧光元件。
无线传感器模块2-4的高效率的换能器如图4所示。在常规大数值孔径的光纤2-4-3端面烧结一个球状透镜2-4-2，进一步增大数值孔径，提高其接收光能 力；然后把大量的这种光纤排列起来形成一个半球空间的聚光器；这样，从各 个方向照射的光2-4-1均可以通过这种聚光结构进入光纤2-4-3中，形成传导光 2-4-4，并通过光纤的端面照射到到光电二极管2-4-5的工作面上。光电二极管 拟采用拟采用外量子效率可以达到80%以上的无偏置光电二极管。这样，半球 面聚光器增大了受光面积，光电二极管的转换效率又大于光电池，因此这种能 量转换器的效率比光电池高。
工作的时候，激光器2-1发出高能能量的准直光束，通过密闭工作空间2-3 上的小孔2-2进入到空间2-3内，并照射到第一荧光元件2-5-A上，该荧光元 件吸收一部分激光，剩余的激光2-7透过该荧光元件并照射第二荧光元件2-5-B; 同理，第二荧光元件2-5-B也吸收一部分激光，并透过一部分光照射第三荧光 元件2-5-C。三个荧光元件在激光的激励下发出荧光2-6，照亮整个密闭空间2-3， 空间内的三个无线传感器模2-4块均被照亮，无线传感器模块2-4自带的高效 率的换能器将荧光能量收集起来转换成为电能，并驱动传感器2-4工作。本发 明设计的实施装置中，尽管无线传感器2-4的工作空间2-3是密闭的，且内部 有障碍物2-8，激光不能直接照射到各个传感器2-4上，但各个传感器2-4仍然 可以通过激光激励起来的荧光2-6获得能量。
这样本发明，消除了无线传感器2-4和激光器2-l之间的通视要求，保持了无线传感 器2-4安装的灵活性；同时，本发明还改变了现有的激光器2-l和传感器2-4—对一工作 模式，真正实现了一个激光器2-l给多个传感器2-4供能；达到了对密闭空间或遮挡条件 下的无线传感器网络的进行主动光供能的目的。
尽管本发明主要针对无线传感器主动光供能而设计，然而本发明的应用并不 限于无线传感器领域，可以推广到其他需要多点、远距离光供能的应用场合。 其次，尽管本发明实施方式采用了棱镜、波导板和荧光背板制作荧光元件，采 用端面烧结有球镜的大数值孔径光纤聚光器加无偏置光电二极管制作高效率光 电换能器，仍然可以利用其它方法、其他光学元件制作荧光元件和光电换能器； 另外，尽管本发明实施例采用了三个荧光元件和三个无线传感器，仍然可以根 据具体使用要求采用多个荧光元件和多个无线传感器，从而实现本发明而不背 离权利要求书中所定义的本发明实质和范围。
权利要求
1. 无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能方法，其特征在于该方法是采用一个大功率激光器作为能源，利用激光光束将能量远距离传送到无线传感器网络的工作空间中，所述工作空间为一密闭或准密闭空间，根据无线传感器工作位置的空间结构，在所述工作空间中能够被激光照射到的地方安装一个或多个荧光元件，每个荧光元件在激光的激励下发出荧光，并向接近2π球面度的空间内发射荧光，这样在整个无线传感器网络工作位置形成一个充满光照的空间，使空间内任意位置的无线传感器模块均能获得光能，通过无线传感器模块自带的换能元件将光能转换电能并驱动传感器工作。
2、 实现权利要求1所述方法的无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能 装置，其特征在于所述装置包括一个激光器、 一个开有小孔的密闭或准密闭 空间、多个荧光元件、多个无线传感器模块；其中，所述荧光元件和无线传感器模块布置在密闭或准密闭工作空间内，形成无线传感器网络的工作空间，所 述密闭或准密闭空间的小孔与激光器的激光光束入射方向正对，第一荧光元件 被安装在能够被入射激光照到的位置，吸收一部分激光以发出荧光，同时透射 剩余部分激光，第二荧光元件被安装在第一荧光元件的透射光路上，亦吸收一 部分透射一部分，第三荧光元件又被安装在第二荧光元件的透射光路上，多个 荧光元件按上述位置关系依序布置，荧光元件发出荧光，照亮整个工作空间， 工作空间内的所有无线传感器模块自带换能元件，将光能转换电能，并驱动传 感器工作。
3、 根据权利要求2所述的无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能装置， 其特征在于所述荧光元件包括棱镜、波导板和涂有荧光粉的荧光背板；所述 棱镜反射一部分激光，并让另一部激光折射出去；所述波导板设置在棱镜的反 射光路上，波导板的背面设置有荧光背板，产生均匀的荧光。
4、 根据权利要求2或3所述的无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能 装置，其特征在于所述无线传感器模块上包括有一个半球面聚光器和光电二 极管，所述半球面聚光器是在常规大数值孔径的光纤端面烧结一个球状透镜，然后把大量的这种光纤排列起来形成一个半球面聚光器，由半球面聚光器将光 传导到所述光电二极管的工作面上。
5、根据权利要求4所述的无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能装置， 其特征在于所述光电二极管采用外量子效率达到80%以上的无偏置光电二极管。
全文摘要
本发明涉及一种无线传感器网络的激光远距离激励荧光供能方法及装置，该方法是采用一个大功率激光器作为能源，利用激光光束将能量远距离传送到无线传感器网络的工作空间，在所述工作位置上能够被激光照射到的地方安装一个或多个荧光元件，每个荧光元件在激光的激励下发出荧光，并向接近2π球面度的空间内发射荧光，这样在整个无线传感器网络工作位置形成一个充满光照的空间，使空间内任意位置的无线传感器模块均能获得光能，通过无线传感器模块自带的换能元件将光能转换电能并驱动传感器工作。本发明消除了传感器和激光器通视要求，保持了无线传感器安装的灵活性；改变了现有的激光器和传感器一对一工作模式，实现了一个激光器给多个传感器供能，真正实现了在密闭或遮挡条件下的无线传感器网络的主动光供能。
文档编号H02N6/00GK101286656SQ20081006976
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月29日 优先权日2008年5月29日
发明者文玉梅, 永 朱, 平 李 申请人:重庆大学