一种用于传感器多节点的能量供应系统的制作方法

本实用新型涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种用于传感器多节点的能量供应系统。

背景技术：

无线传感器网络（wireless sensor networks, WSNs）是由部署在监测区域内的大量体积小、成本低的传感器节点（sensor node）组成。这些传感器节点体内集成了信息采集、数据处理和无线通信等多种模块，可以通过无线通信的方式，形成一个多跳自组织的网络系统，能够协作地感知、采集及处理监测区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

无线传感器网络来源于 20 世纪 70 年代美国先进国防研究项目。随着无线通信、微处理器和 MEMS 等技术的发展，无线传感器网络技术取得了飞速发展，以其大规模、免布线、组网灵活等特点，在国防军事、环境监测、医疗救护、生物信息处理、交通管理、及家庭环境智能化应用等领域具有广阔的应用前景和潜力。无线传感器网络被美国麻省理工学院的《Technology Review》杂志评为十大新兴科学技术之首。

随着对无线传感器网络研究的深入和应用的增加，出现了一些亟待解决的问题，如计算和存储能力有限、传输能力有限、时间同步问题及安全性等问题，其中最为关键的是节点能量供应问题。目前大多数无线传感器节点都采用电池供电，一方面，受传感器节点体积小的限制，所配置的电池能量十分有限，无法满足网络长时间工作的需求，导致节点经常失效或报废；另一方面，无线传感器网络节点数目众多，分布广泛，在一些特殊的应用场合，如动物或人体内的传感器、建筑承力结构中的传感器、军事中无人值守地面传感网络等，人员到达不了，想要通过更换电池来补充能量是非常不现实的，这极大的限制了无线传感器网络的使用寿命和应用范围。因此，节点能量供应问题是制约无线传感器网络技术发展的瓶颈。

技术实现要素：

针对现有技术中缺陷与不足的问题，本实用新型提出了一种用于传感器多节点的能量供应系统，采用采用了四谐振体能量传输系统，解决了传统两谐振体能量传输受电源内阻和负载内阻的限制，无法达到较高数量级的品质因数。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于传感器多节点的能量供应系统，包括直流供电网、高频激励装置、能量传输装置、能量变换电路和传感器节点，所述能量传输装置由发射端和接收端组成，包含四个具有相同固有频率的谐振体，发射端包括源线圈和发射线圈，接收端包括接收线圈和负载线圈，所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈这四个谐振体之间无线连接，直流供电网与高频激励装置相连，源线圈接入到高频激励装置的主电路中且与电源相连，负载线圈接入到能量变换电路中且与传感器节点相连接。

进一步的，所述高频激励装置包含信号发生器、功率驱动器和MOS管。

进一步的，所述源线圈和发射线圈采用铜芯漆包线绕制成紧密空心圆柱线圈。

进一步的，所述源线圈半径a1 =8cm，匝数N1 =2，导线半径b1 =1.05mm；发射线圈半径a2 =25cm，匝数N2 =3，导线半径b2 =1.05mm。

进一步的，所述接收线圈和负载线圈采用PCB平面螺旋线作为接收端线圈。

进一步的，所述接收线圈外直径d3=50mm，线宽w3=2.54mm,线间距s3=0.254，匝数N3=6；负载线圈外直径d4=50mm，线宽w4=2.54mm,线间距s4=0.254，匝数N4=4。

进一步的，所述能量变换电路包括整流、滤波和稳压电路，整流电路采用桥式整流，滤波电路采用电容滤波。

进一步的，所述传感器节点两两之间的中心距不小于10cm。

本实用新型具有如下有益效果：本实用新型提出了四谐振体能量传输装置，将负载电阻、电源内阻与传输线圈进行隔离，避免了像传统的两谐振体能量传输系统受到电源内阻和负载电阻的限制，品质因数很难达到较高的数量级；优化了四个能量传输线圈，提高了四谐振系统的能量传输效率；保证传感器各节点在中心距大于或等于10cm时不受影响的工作；通过能量变化电路，稳定输出3.3V直流电供给传感器节点。

附图说明

图1为本实用新型系统结构框图；

图2为本实用新型高频激励装置主电路结构示意图；

图3为本实用新型能量传输装置的电路示意图；

图4为本实用新型能量变换电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图所示：一种用于传感器多节点的能量供应系统，包括直流供电网、高频激励装置、能量传输装置、能量变换电路和传感器节点，所述能量传输装置由发射端和接收端组成，包含四个具有相同固有频率的谐振体，发射端包括源线圈和发射线圈，接收端包括接收线圈和负载线圈，所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈这四个谐振体之间无线连接，直流供电网与高频激励装置相连，源线圈接入到高频激励装置的主电路中且与电源相连，负载线圈接入到能量变换电路中且与传感器节点相连接。

具体的，高频激励装置的主电路中，信号发生器输出标准的TTL 方波信号，经功率驱动放大后用于控制 MOS 管 VD 的开通与关断。当 MOS 的开关频率与源线圈谐振体的固有频率一致时，源线圈谐振体受到激发，产生谐振。

能量传输装置采用了四个具有相同固有频率的谐振体，发射端的源线圈谐振体和发射线圈谐振体相互之间距离很近，源线圈谐振体直接与电源相连，这样可以减小电源内阻对发射线圈谐振体的影响。接收端的负载线圈谐振体直接连接负载，同样起到减小负载内阻对接收线圈谐振体品质因数的影响。

发射端线圈采用铜芯漆包线绕制成紧密空心圆柱线圈，保证每单位体积绕线产生的磁场最大。源线圈半径a1 =8cm，匝数N1 =2，导线半径b1 =1.05mm；发射线圈半径a2 =25cm，匝数N2 =3，导线半径b2 =1.05mm。接收端线圈采用 PCB 平面螺旋线，接收线圈外直径d3=50mm，线宽w3=2.54mm,线间距s3=0.254，匝数N3=6；负载线圈外直径d4=50mm，线宽w4=2.54mm,线间距s4=0.254，匝数N4=4。

能量变换电路包括整流、滤波和稳压三个环节，其中整流选择桥式整流，滤波选择电容滤波，实现了交流到 3.3V 直流能量的变换。

所述各传感器节点中心距保证不小于10cm。

本实用新型以直流作为功率输入，高频信号经功率驱动器放大后形成高频激励源，使与之直接相连接的源线圈产生谐振，并在源线圈周围形成交变磁场。发射线圈感应源线圈的交变磁场，进而与之形成共振，形成更强大的交变磁场。这样，能量通过源线圈传送到发射线圈，再由发射线圈传递出去。接收端的接收线圈接收到发射线圈传递的能量，再传送给负载线圈。负载线圈通过能量变换电路，使高频功率转换成直流功率，然后直接供后面的传感器节点使用或者是存储。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。