一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法与流程

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法。

背景技术：

表面波传感器是基于声表面波谐振的频率随着被测物理量的变化而改变，从而测量物理量的一种新型传感器。用声表面波器件可以做成测量压力、加速度以及温度等参数的传感器。由于采用半导体集成工艺制造，故可以制成微结构，重量轻，又因为其输出频率信号，所以抗干扰能力强，便于实现数值控制。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。WSN节点通常要求尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点。

声表面波传感器满足WSN节点的要求，其尺寸小，能大规模生产、成本低、功耗低。声表面传感器与WSN的结合将带来信息感知的一场变革。

传统的传感器采用直流电源供电，如果在一些无电、供电困难的环境中想对某些设备或环境进行状态监控，则建设状态监控系统十分困难，同时采用有线方式连接系统的各个设备，将会给施工布线带来极大的麻烦。因此，需要一种采用自供电的无线传感器系统，解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控的问题。

一般自供能无线传感电路，仅仅依靠能量收集器收集周围环境中的能量，然而，周围环境的能量一般都是变化的，当周围环境能量较小，即被能量收集器收集的能量不足以驱动传感器时，整个系统便会瘫痪，出现不可预知的后果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法，旨在解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控；现有的自供能无线传感电路，仅仅依靠能量收集器收集周围环境中的能量，然而，周围环境的能量一般都是变化的，当周围环境能量较小，即被能量收集器收集的能量不足以驱动传感器时，整个系统便会瘫痪，出现不可预知的后果的问题。

本发明是这样实现的，一种基于声表面波传感器的自供能传感系统，所述基于声表面波传感器的自供能传感系统包括：

能量收集系统，与信号处理及射频能量控制电路连接，用于将周围能量的振动能量和射频能量转换为稳定电能驱动传感器工作，并利用传感器通过天线将传感器检测的信号传输给信号处理及射频能量控制电路；

信号处理及射频能量控制电路，与云端数据库连接，用于将传感器传输的信号进行一系列处理，传入信号处理及射频能量控制电路的微控制器；微控制器一方面，在振动能量不足却需要传感器工作时，控制信号处理及射频能量控制电路的射频能量发射器发射射频能量，供能量收集系统采集能量；另一方面，微控制器获得传感器信息后，上传至云端数据库；

云端数据库，用于将云端数据与智能终端进行交互。

进一步，所述能量收集系统包括：

振动能量收集器，与能量管理电路连接，用于收集周围的振动能量；

射频能量收集器，与能量管理电路连接，用于将电能在发射端通过天线转为电磁波，在接受端通过天线将电磁波再转为电能；

能量管理电路，与传感器工作电路连接，用于将所收集到的交变、高频、不稳定的电能通过整流、存储、稳压处理后变为直流、稳定的能供传感器使用的电能；

传感器工作电路，将传感器的传感信息转换为振荡信号，通过天线传播至微控制器。

进一步，射频能量收集器采用射频能量收集器超材料天线；所述射频能量收集器超材料天线采用超材料的开口谐振环，作为能量收集单元；所述射频能量收集器超材料天线的基底采用聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料Rogers Duroid RT5880，开口谐振环采用金Au材料。

进一步，振动能量收集器包括：

质量块带动压电材料弯曲，将振动能量转为电能的压电效应部件；

质量块运动带动线圈在磁棒提供的磁场中运动，线圈中磁通量发生变化，产生电能的电磁感应部件；

所述压电效应部件和电磁感应部件均与能量管理电路电连接。

进一步，能量管理电路由交流-直流整流器、MPPT变换器、能量存储电路及稳压电路；

所述交流-直流整流器，与MPPT变换器连接，用于将能量收集器所收集的交流电整流为直流电；该交流-直流整流器由四个二极管构成；

所述MPPT变换器，与能量存储模块连接，该MPPT变换器由电感L1、电容C1、二极管D5、MOS管Q、电阻R1及MPPT控制电路组成；电感L1用于阻挡交流电整流后的直流电含有的交流分量进行滤波；电容C1用于对直流电源上的交流成分滤除；二极管D5用于保证电流方向；电阻R1用于将电路中的电流信号变为电压信号供MPPT控制电路使用；MPPT控制电路由微控制器TIMSP430和可编程脉冲输出芯片LTC6906组成，该MPPT控制电路输入端为R1两端电压信号，输出端为PWM信号；MPPT用于使输入源工作在MPPT的最大功率点附近，使能量收集器能够输出更多电能，将整流器的直流电有效地贮存在超级电容中，以供传感器使用；MOS管Q用于根据MPPT控制电路所输出的PWM信号调节MPPT变换器的输出功率，Q为MPPT变换器的执行元件；

能量存储电路，与稳压电路连接，用于为电路的储能，所述能量存储电路由超级电容组成；

所述稳压电路由稳压器LTC1877及芯片周围外部元件组成；所述稳压电路与传感器工作电路连接。

进一步，所述传感器工作电路由Pierce震荡电路、驱动及匹配电路、天线组成；所述Pierce震荡电路由增益放大器U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C6、电容C7、声表面波传感器SAW、电感L4组成；所述驱动及匹配电路由功率放大器U2、电感L3及C5组成；

所述声表面波传感器SAW用于传感，将温度、压力物理信号转换为振荡的电信号；

增益放大器U1用于增益放大；电阻R4、R5和R6用于调节放大器的静态工作点，使得U1处于放大工作状态；电感L4用于提高振荡电路的频率稳定性；Vin为振荡电路的电源电压；声表面波谐振器SAW一方面与C6、C7两电容构成π型网络形式的带通滤波器，另一方面，在谐振器共振频率上，提供180度相移，从而使得Pierce振荡电路满足幅度平衡和相位平衡振荡的两个条件，进而整个振荡电路振荡起来；

所述驱动及匹配电路用于将传感信号传播至天线；功率放大器U2组成驱动模块；电感L3及C5组成匹配电路，用于将天线的阻抗与放大器的阻抗相匹配。

进一步，信号处理及射频能量控制电路用于将来自传感器的信号经过滤波、放大、零中频解调、模数转换后传入微处理器中，从而达到读取传感器信息的目的；还用于微处理器控制高功率射频发射器发射射频能量供传感器使用，在低外界能量情况下，主动唤醒传感器工作；

所述将来自传感器的信号经过滤波、放大、零中频解调、模数转换后传入微处理器中，从而达到读取传感器信息的目的的方法包括：

1)传感器信号经信号接收天线接收后进入射频滤波器M1，滤掉有用频带外的杂乱信号；

2)再进入低噪声前置放大器G1；

3)再进入零中频接收器Max7033中，所述零中频接收器Max7033由下变频器J1、J2、片上滤波器M2、M3及低噪声放大器G2、G3组成；G1出来的信号与信号源经过正交化的信号在下变频器J1、J2中进行下变频变换，得到的信号进入片上高阶低频滤波器，得到基频信号；由于信号较弱，未达到AD模数转换的量程范围，通过放大器G2、G3加强信号；

4)再进入AD，将模拟信号转变为数字信号；

5)之后数字信号进入微处理器，完成读取传感器信息的任务；

所述微处理器控制高功率射频发射器发射射频能量供传感器使用，在低外界能量情况下，主动唤醒传感器工作的方法包括：

(1)当人为需要主动读取传感器数据时，按下唤醒按钮，微控制器发出启动发射器工作的信号；

(2)信号进入射频发射芯片nRF905中，该nRF905芯片用于成为信号源，产生射频信号；之后，射频信号进入功率放大器RF5110G中，该RF5110G芯片用于增强射频信号的能量；

(3)射频能量通过天线发射出去。从而实现主动唤醒传感器工作。

本发明另一目的在于提供一种基于声表面波传感器的自供能传感系统的控制方法，所述基于声表面波传感器的自供能传感系统的控制方法包括以下步骤：

一)系统开始运转后，接收机处于待机状态，能量收集系统运转收集周围能量；

二)微控制器判断是否传感器有信号传来；

三)有信号传来情况下，微控制器控制接收机接收传感信号，传感器正常工作；

四)若传感器无信号进入接收机，表示周围能量不足或超级电容储存的电能不够，则射频能量发射器处于待机状态；

五)微控制器判断是否有人为主动触发信号，若无触发信号，则返回接收机待机状态，若有触发信号，则进入下一步；

六)微控制器控制射频能量发射器发射射频能量；

七)微控制器判断是否有人为终止发射信号，若无终止发射信号则返回上一步，继续发射射频能量；

八)若有终止发射信号，则微控制器发出信号，关闭射频能量发射器；

九)返回接收机待机转态，重新开始新的循环。

本发明的另一目的在于提供一种安装有上述基于声表面波传感器的自供能传感系统的胎压监控系统。

本发明的另一目的在于提供一种安装有上述基于声表面波传感器的自供能传感系统的火车铁轨温度监测系统。

本发明提供的基于声表面波传感器的自供能传感系统，含能量收集器，可收集振动能量及射频能量供传感器使用，能解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控的问题。此外，本系统含射频(Radio Frequency)能量收集器与射频能量发射器，当外界(振动)能量不够时，可通过射频能量发射器发射射频能量，供射频能量收集器收集能量并给传感器供电。基于此功能，本发明可以在外界能量匮乏工况下主动唤醒传感器工作，消除系统瘫痪的风险。

本发明可用于胎压监控，成为胎压监控系统(TPMS)；用于火车铁轨温度监测；用于发动机温度监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于声表面波传感器的自供能传感系统示意图。

图2是本发明实施例提供的能量收集系统示意图。

图中：1、质量块；2、压电材料；3、线圈与磁棒；4、射频能量收集器超材料天线；5、能量管理电路；6、传感器工作电路；7、天线；8、能量收集系统；9、信号处理及射频能量控制电路；10、云端数据库。

图3是本发明实施例提供的能量管理电路示意图。

图4是本发明实施例提供的传感器工作模块示意图。

图5是本发明实施例提供的信号处理及射频能量控制电路图。

图6是本发明实施例提供的振动能量收集器示意图。

图7是本发明实施例提供的基于声表面波传感器的自供能传感系统的控制方法流程图。

图8是本发明实施例提供的射频能量收集器超材料天线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于声表面波传感器的自供能传感系统，包括：

能量收集系统8，与信号处理及射频能量控制电路连接，用于将周围能量的振动能量和射频能量转换为稳定电能驱动传感器工作，并利用传感器通过天线将传感器检测的信号传输给信号处理及射频能量控制电路；

信号处理及射频能量控制电路9，与云端数据库连接，用于将传感器传输的信号进行一系列处理，传入信号处理及射频能量控制电路的微控制器；微控制器一方面，在振动能量不足却需要传感器工作时，控制信号处理及射频能量控制电路的射频能量发射器发射射频能量，供能量收集系统采集能量；另一方面，微控制器获得传感器信息后，上传至云端数据库；

云端数据库10，用于将云端数据与智能终端进行交互。

本发明实施例提供的基于声表面波传感器的自供能传感系统原理实现声表面波传感系统的自供能功能，具体包括如下：

1)本发明所收集能量包含振动能量与射频能量。

2)振动能量一部分通过压电材料的压电效应转换为电能，另一部分通过电磁感应转换为电能。射频能量通过射频能量采集器转换为电能。

3)所采集的能量经过电源管理电路整流、存储、稳压等处理为传感器供电。传感器将传感信息通过天线信号处理及控制电路。

4)信号处理电路将传感器传过来的信号进行一系列处理，传入微控制器。当振动能量不足却需要传感器工作时，微控制器控制高功率发射器发射射频能量，供射频能量采集电路工作，采集射频能量驱动传感器工作。

5)微控制器获得传感器信息后，上传至云端数据库，云端数据可与终端如手机进行交互，进一步拓展为“物联网”。

本发明的优点体现在：现有技术自供能无线传感电路，仅仅依靠能量收集器收集周围环境中的能量，然而，周围环境的能量一般都是变化的，当周围环境能量较小，即被能量收集器收集的能量不足以驱动传感器时，整个系统便会瘫痪，出现不可预知的后果。本发明含射频(Radio Frequency)能量收集器和射频能量发射器，当外界(振动)能量不够时，可通过射频能量发射器发射射频能量，供射频能量收集器收集能量并给传感器供电。基于此功能，本发明可以在外界能量匮乏工况下主动唤醒传感器工作，消除系统瘫痪的风险。

如图2所示，能量收集系统：

能量收集系统目的为将周围能量(如振动能量和主动发射的射频能量)转换为稳定电能供传感器使用。具体实现过程如下：

1)振动能量会引发线圈与磁棒3中的线圈和磁棒直接的相互运动，进而导致线圈中磁通量发生变化，出现电磁感应现象，从而将振动能量转换为电能。

2)振动能量也会导致质量块1的上下振动，质量块振动会导致压电材料2受力，出现压电效应，将振动能量转换为电能。

3)射频能量收集器是将电能在发射端通过射频能量收集器超材料天线4转为电磁波，在接受端通过射频能量收集器天线将电磁波再转为电能，在转换过程中天线的工作频率必须与所接收到信号的频率相同。

4)能量管理电路5便是将所收集到的交变、高频、不稳定的电能通过整流、存储、稳压等处理变为直流、稳定的能供传感器使用的电能。

5)传感器工作电路6的目的是将声表面波器件的传感信息转换为振荡信号，通过天线7传播至微控制器。

图中压电材料可采取PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)薄膜。此外，射频能量接收天线的工作频率必须与发射射频信号的频率相同。

如图3所示，能量管理电路：

该电路主要目的为将所收集到的交变、高频、不稳定的电能通过整流、存储、稳压等处理变为直流、稳定的能供传感器使用的电能。该电路主要由四部分构成，即交流-直流整流器、MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)变换器、能量存储电路及稳压电路。各元器件具体作用如下：

1)交流-直流整流器：该模块作用为将能量收集器所收集的交流电整流为直流电。该模块由四个二极管构成，由于二极管具有单向导通特性，交流电通过二极管整流后的电流方向便是二极管的导通方向。图3中电流成顺时针方向流动。

2)MPPT变换器：该变换器是整个能量管理电路中较为关键的部分。该变换器由电感L1、电容C1、二极管D5、MOS管Q、电阻R1及MPPT控制电路组成。其中电感L1起滤波的作用，交流电整流后的直流电含有交流分量，使用电感可阻挡交流分量的通过，(让直流通过，不让交流通过)起到滤波的作用。、电容C1起对直流电源上的交流成分滤除的作用、二极管D5为保证电流方向。R1为将电路中的电流信号变为电压信号供MPPT控制电路使用。MPPT控制电路由微控制器TIMSP430和可编程脉冲输出芯片LTC6906，该模块输入为R1两端电压信号，输出为PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调制)信号。MPPT作用为使输入源工作在其的最大功率点附近，使能量收集器能够输出更多电能，将整流器的直流电有效地贮存在超级电容中，以供传感器使用。MOS管Q作用为根据MPPT控制电路所输出的PWM信号调节MPPT变换器的输出功率，Q为MPPT变换器的执行元件。

3)能量存储电路：该电路为电路的储能电路，由超级电容组成。该超级电容的电容数量级为法拉(F)，电压级别为伏(V)。

4)稳压电路：稳压电路由凌力尔特公司稳压器LTC1877及芯片周围外部元件组成。该芯片的输入电压范围为2.65V至10V，输出为3.3V，是一款高效率、单片式、同步降压型稳压器，采用一种恒定频率、电流模式架构。此外，LTC1877的转换效率非常高，最高可达95％，可以降低系统功耗。

如图4所示，传感器工作电路：

该电路目的为使传感器正常工作，并将传感信号放大通过天线传播出去。该电路由增益放大器U1、电阻R1、声表面波传感器SAW、功率放大器U2、天线及匹配电路组成。各元器件具体作用如下：

1)声表面波传感器SAW起传感作用，可将温度、压力等物理信号转换为振荡的电信号，传感器为谐振式声表面波传感器，其谐振频率与待测物理量呈相关关系。

2)传感器振荡电路选择Pierce振荡器电路，优点为可靠性及稳定性高。其中，增益放大器U1起增益放大作用，电阻R4、R5和R6调节放大器的静态工作点，使得U1处于放大工作状态。电感L4的作用为提高振荡电路的频率稳定性，Vin为振荡电路的电源电压，声表面波谐振器一方面与C6、C7两电容构成π型网络形式的带通滤波器，另一方面，在谐振器共振频率上，提供180度相移。从而使得振荡电路满足振荡的两个条件，即①幅度平衡②相位平衡，进而整个振荡电路振荡起来。

3)驱动和匹配电路：该电路目的为将传感信号传播至天线。驱动模块由功率放大器U2组成，匹配电路由电感L3及C5组成，将天线的阻抗与放大器的阻抗相匹配。

在声表面波振荡电路的测量数据中，振荡电路的工作点在434MHz附近。

如图5所示，信号处理及射频能量控制电路：

信号处理及控制电路的目的为：一，将来自传感器的信号经过滤波、放大、零中频解调、模数转换后传入微处理器中，从而达到读取传感器信息的目的。二，微处理器控制高功率射频发射器发射射频能量供传感器使用，在低外界能量情况下，主动唤醒传感器工作。具体实现步骤如下：

目的一实现步骤：

1)传感器信号经信号接收天线接收后进入射频滤波器M1，滤掉有用频带外的杂乱信号。

2)之后进入低噪声前置放大器G1，G1必须采用低噪声放大器，避免带入噪声信号，影响系统信号质量。

3)之后进入零中频接收器Max7033中，零中频接收器Max7033的原理为：由下变频器J1、J2、片上滤波器M2、M3及低噪声放大器G2、G3组成。G1出来的信号与信号源经过正交化的信号在下变频器J1、J2中进行下变频变换，得到的信号进入片上高阶低频滤波器，得到基频信号。由于信号较弱，未达到AD(模数转换)的量程范围，从而增加了放大器G2、G3。零中频解调优点在于中频信号频率为零，不存在镜像频率，因此不存在镜像频率干扰问题，不需要高Q值带通滤波器，能够很好实现单片集成，此外也降低接收机功耗和干扰。

4)之后进入AD，将模拟信号转变为数字信号。

5)之后数字信号进入微处理器，完成读取传感器信息的任务。

目的二实现步骤：

1)当人需要主动读取传感器数据时，按下唤醒按钮，微控制器发出启动发射器工作的信号。

2)信号进入射频发射芯片nRF905中，该芯片作用为成为信号源，产生射频信号。之后，射频信号进入功率放大器RF5110G中，该芯片作用为增强射频信号的能量。

3)射频能量通过天线发射出去。从而实现目标二。

声表面波传感器其组成部分由压电材料、反射栅、叉指电极、衬垫、导线组成。

声表面波器件的反射系数S11的测量数据通过矢量网络分析仪测量所得，该声表面波谐振频率为432MHz附近，振荡电路的设计需要根据该器件的振荡频率来设计。

如图6所示，振动能量收集器：

该能量收集器，压电材料可采用PDMS。该能量收集器可达到收集振动能量的目的。且振动能量分两部分收集，即①质量块1带动压电材料2的弯曲，从而出现压电效应，将振动能量转为电能②质量块运动带动线圈在永磁铁3提供的磁场中运动，线圈中磁通量发生变化，由电磁感应效应可知，将产生电能。

能量收集器的输出电流以及输出电压的数据通过数据采集卡所采集得到，为能量收集器的输出参数。

如图7所示，基于声表面波传感器的自供能传感系统的控制方法；

具体描述如下：

1)系统开始运转后，接收机(含微控制器、信号处理电路)处于待机状态，能量收集系统运转收集周围能量；

2)微控制器判断是否传感器有信号传来；

3)有信号传来情况下，微控制器控制接收机接收传感信号，传感器正常工作；

4)若传感器无信号进入接收机，表示周围能量不足或超级电容储存的电能不够，则射频能量发射器处于待机状态；

5)微控制器判断是否有人为主动触发信号，若无触发信号，则返回接收机待机状态，若有触发信号，则进入下一步；

6)微控制器控制射频能量发射器发射射频能量；

7)微控制器判断是否有人为终止发射信号，若无终止发射信号则返回上一步，继续发射射频能量；

8)若有终止发射信号，则微控制器发出信号，关闭射频能量发射器；

9)返回接收机待机转态，重新开始新的循环。

如图8所示，射频能量收集器超材料天线应用优点：当射频信号发射源与天线的距离较远时，普通天线的能量收集效率不高。而采用超材料的开口谐振环，作为能量收集单元，单位面积的收集效率更高。(超材料(meta-material)是具有奇异电磁特性的人工材料，一般由远小于波长的结构单元周期性排列构成，如同时具有负折射率和负磁导率的左手材料。)该天线的基底可采用聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料Rogers Duroid RT5880。开口谐振环可采用金(Au)作为材料。

采用仿真软件对超材料天线的开口谐振环进行有限元分析而得到的电场分配，在开口谐振环的开口处电场较强，可以从此处采集电能。

本发明提供的基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法，含能量收集器，可收集振动能量及射频能量供传感器使用，能解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控的问题。此外，本系统含射频(Radio Frequency)能量收集器与射频能量发射器，当外界(振动)能量不够时，可通过射频能量发射器发射射频能量，供射频能量收集器收集能量并给传感器供电。基于此功能，本发明可以在外界能量匮乏工况下主动唤醒传感器工作，消除系统瘫痪的风险。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。