自供能无线传感系统

1.本公开涉及传感器技术领域，更具体地，涉及一种自供能无线传感系统、 一种识别多个自供能无线传感装置的方法、一种确定传感器的电特征的方法 以及一种自供能无线传感平台。例如，本公开还可以应用于涉及人工智能的 智能传感器领域。


背景技术：

2.随着物联网、智能工厂、自动驾驶、可穿戴设备以及智能家居等领域中 技术的应用与发展，需要实时并且准确地获取上述领域种各种设备或设备使 用者的各种参数。只有实现对各种参数的准确可靠的采集，才能为上述领域 中的后续数据处理、自动控制提供可靠的数据来源。因此，在上述领域中， 传感器所起到的作用愈发突出。
3.在传感器领域中，通常将传感器与外部的供电单元(例如，电池或外部 电网)电气连接以实现对传统的传感器的能量供应。在此，一方面，外部的 供电单元的存在增大了传感器系统的空间体积，这使得传感器系统不利于应 用到传感器使用空间较为紧凑的领域、例如可穿戴设备领域；并且另一方面， 由于现有技术中电池寿命及其容量所限，使用电池作为外部的供电单元将导 致传感器系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制，而将外部电网作为外 部的供电单元亦会导致供电线缆布线复杂等问题。
4.此外，在上述领域中，通常需要布置大量的传感器。为避免有线传感器 所带来的线缆布线复杂且布置区域受线缆所限的问题，通常使用无线传感器。 然而，大量无线传感器的使用将导致测量空间中存在由大量无线传感器所发 射的多个无线电信号。因此，还需将接收到的多个无线电信号与发射其的无 线传感器正确对应。现有技术中，通常使用fm等调制方法以区分不同的无 线传感器所发射的无线电信号。然而，这种调制需要使用额外的调制设备来 实现，并且其也需要与外部供电单元电气连接以对其进行供能。如上所述， 这同样导致传感器系统空间体积增大、整体寿命或使用时间受限以及线缆布 线复杂的问题。
5.因此，需要一种能够区分不同的无线传感器所发射的无线电信号的自供 能无线传感系统、一种识别多个自供能无线传感装置的方法、一种确定传感 器的电特征的方法以及一种自供能无线传感平台。


技术实现要素：

6.因此，本公开提供一种自供能无线传感系统、一种识别多个自供能无线 传感装置的方法，其能够在无需外部的供电单元的情况下(即在自供能的情 况下)使得自供能无线传感装置所发射的无线电信号能够彼此区分，并且能 够将其与发射其的自供能无线传感装置对应。
7.此外，本公开还提供了一种确定传感器的电特征的方法以及一种自供能 无线传感平台，其结合了传统的非自供能非无线的传感器，并且能够在无需 外部的供电单元的情况下(即在自供能的情况下)实现对传统的非自供能或 非无线的传感器的输出信号的供能和/或无线传输。
8.根据本公开实施例，提供了一种自供能无线传感系统，其中，所述自供 能无线传感系统包括多个自供能无线传感装置以及无线电信号接收装置，其 中所述多个自供能无线传感装置包括：第一自供能无线传感装置和第二自供 能无线传感装置，所述第一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感 装置均包括用于将机械能转换为电能的纳米发电机，以及用于将所述电能转 换为无线电信号的击穿放电器，其中，所述第一自供能无线传感装置和所述 第二自供能无线传感装置具有不同的结构参数，其中所述自供能无线传感装 置的结构参数与所述无线电信号的特征相对应；以及所述无线电信号接收装 置被配置为接收由一个或多个自供能无线传感装置所发送的一个或多个无线 电信号，并且基于所述一个或多个无线电信号的特征和所述多个自供能无线 传感装置的结构参数，确定所述多个自供能无线传感装置中与一个或多个无 线电信号对应的一个或多个自供能无线传感装置。
9.根据本公开的自供能无线传感系统的一种实施方式，所述自供能无线传 感系统可以被包括在自供能无线键盘，所述自供能无线键盘包括用作键盘按 键的多个自供能无线传感装置，其中，所述多个自供能无线传感装置均包括： 纳米发电机，其被配置为将自供能无线键盘垂直方向上按压纳米发电机的机 械能转换为电能，其中，用作键盘按键的多个自供能无线传感装置具有互不 相同的结构参数，所述自供能无线传感装置的结构参数与所述无线电信号的 特征相对应。
10.根据本公开的自供能无线传感系统的一种实施方式，在用作键盘按键的 多个自供能无线传感装置中，所述纳米发电机具有第一摩擦层和第二摩擦层， 所述用作键盘按键的多个自供能无线传感装置具有由柔性可压缩材料制成的 运动特性转换器，以将键盘垂直方向上按压运动的机械能转换为使第一摩擦 层和第二摩擦层相互摩擦的水平方向上的机械能，其中，所述无线电信号接 收装置被配置为，在按压用作键盘按键的多个自供能无线传感装置中任一个 的情况下，接收由所按压的自供能无线传感装置所发送的无线电信号，并且 基于所发送的无线电信号的特征和用作键盘按键的多个自供能无线传感装置 的结构参数，确定与所发送的无线电信号相关联的所按压的自供能无线传感 装置。
11.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，所述 纳米发电机包括摩擦起电薄膜，所述摩擦起电薄膜用于产生与机械运动相对 应的电荷量；所述击穿放电器包括：电荷积累结构，所述电荷积累结构具有 彼此绝缘隔离第一电极和第二电极，用于累积所述摩擦起电薄膜产生的电荷； 以及击穿放电结构，所述击穿放电结构具有第一放电尖端和第二放电尖端， 在所述第一放电尖端与第二放电尖端之间具有放电间隙，所述第一放电尖端 与所述第一电极电气连接，所述第二放电尖端与所述第二电极电气连接。
12.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，基于 对多个自供能无线传感装置的无线电信号的信号频谱与所述多个自供能无线 传感装置的结构参数的关系的机器学习，确定所述多个无线电信号中与第一 自供能无线传感装置对应的无线电信号。
13.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，基于 多个自供能无线传感装置的无线电信号的信号频谱中的特征峰的频率值和所 述多个自供能无线传感装置的结构参数，确定所述多个无线电信号中与第一 自供能无线传感装置对应的无线电信号。
14.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，基于 多个自供能无线传感装置的无线电信号的信号频谱中的特征峰的频率值和所 述多个自供能无线传感装置的结构参数，确定所述多个无线电信号中与第一 自供能无线传感装置对应的无线电信号。
15.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，基于 多个自供能无线传感装置的无线电信号的脉冲衰减时间和所述多个自供能无 线传感装置的结构参数，确定所述多个无线电信号中与第一自供能无线传感 装置对应的无线电信号。
16.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，所述 多个自供能无线传感装置的外部分别设置有附加的导体/半导体结构，所述 电荷积累结构与所述导体/半导体结构之间设置有介电材料层，以在自供能 无线传感装置中在附加的导体/半导体结构与电荷积累结构之间构建附加的 寄生电容。并且所述第一自供能无线传感装置的介电材料层与所述第二自供 能无线传感装置的介电材料层分别具有不同的厚度和/或介电常数，使得所 述第一自供能无线传感装置与所述第二自供能无线传感装置具有不同的结构 参数，即，具有不同的装置电容。由此，能够使得由所述第一自供能无线传 感装置和所述第二自供能无线传感装置所输出的无线电信号具有互不相同的 特性、例如不同的信号频谱或信号频谱中的特征峰的不同频率值。由此，可 以区分由第一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置所输出的 无线电信号，并确定所述多个无线电信号中与第一自供能无线传感装置对应 的无线电信号。
17.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，所述 第一自供能无线传感装置与所述第二自供能无线传感装置在其第一电极与第 二电极之间具有不同的距离和/或介电常数。由此，同样能够实现所述第一 自供能无线传感装置与所述第二自供能无线传感装置具有不同的结构参数， 即，具有不同的装置电容。如上所述，所述第一自供能无线传感装置和所述 第二自供能无线传感装置的不同的装置电容导致其输出的无线电信号具有互 不相同的特性、例如不同的信号频谱或信号频谱中的特征峰的不同频率值。 由此，可以区分由第一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置 所输出的无线电信号，并确定所述多个无线电信号中与第一自供能无线传感 装置对应的无线电信号。
18.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，所述 多个自供能无线传感装置的击穿放电器分别具有环绕的蚊香状结构，以在击 穿放电器上构建附加的电感。并且所述第一自供能无线传感装置中的击穿放 电器的蚊香状结构与所述第二自供能无线传感装置中的击穿放电器的蚊香状 结构分别具有不同的圈数，使得所述第一自供能无线传感装置与所述第二自 供能无线传感装置具有不同的结构参数，即，具有不同的装置电感。所述第 一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置的不同的装置电感同 样能够导致其输出的无线电信号具有互不相同的特性、例如不同的信号频谱 或信号频谱中的特征峰的不同频率值。由此，可以区分由第一自供能无线传 感装置和所述第二自供能无线传感装置所输出的无线电信号，并确定所述多 个无线电信号中与第一自供能无线传感装置对应的无线电信号。
19.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，所述 第一自供能无线传感装置的第一电极和/或所述第二电极的材料与所述第二 自供能无线传感装置的第一电极和/或所述第二电极的材料分别具有不同的 电导率，使得所述第一自供能无线
传感装置与所述第二自供能无线传感装置 具有不同的结构参数，即，具有不同的装置电阻。所述第一自供能无线传感 装置和所述第二自供能无线传感装置的不同的装置电阻同样能够导致其输出 的无线电信号具有互不相同的特性、例如不同的信号频谱或信号频谱中的特 征峰的不同频率值或无线电信号的不同脉冲衰减时间。由此，可以区分由第 一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置所输出的无线电信号， 并确定所述多个无线电信号中与第一自供能无线传感装置对应的无线电信号。
20.根据本公开的自供能无线传感系统的另外可选地设计方案，其中，所述 第一自供能无线传感装置的第一电极和/或所述第二电极的材料与所述第二 自供能无线传感装置的第一电极和/或所述第二电极分别具有不同的碳纳米 管参杂浓度。如上所述，这同样使得所述第一自供能无线传感装置与所述第 二自供能无线传感装置具有不同的结构参数，即，具有不同的装置电阻。这 导致其输出的无线电信号具有互不相同的特性、例如不同的信号频谱或信号 频谱中的特征峰的不同频率值或无线电信号的不同脉冲衰减时间。由此，可 以区分由第一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置所输出的 无线电信号，并确定所述多个无线电信号中与第一自供能无线传感装置对应 的无线电信号。
21.本公开的第二方面涉及一种识别多个自供能无线传感装置的方法，其中， 所述多个自供能无线传感装置包括第一自供能无线传感装置和第二自供能无 线传感装置，所述第一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置 均包括用于将机械能转换为电能的纳米发电机，以及用于将所述电能转换为 无线电信号的击穿放电器，其中，所述第一自供能无线传感装置和所述第二 自供能无线传感装置具有不同的结构参数，其中，所述方法包括：从一个或 多个自供能无线传感装置中，接收一个或多个无线电信号，基于一个或多个 无线电信号的特征和所述多个自供能无线传感装置的结构参数，确定所述多 个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的一个或多个自供能 无线传感装置。
22.根据本公开的识别多个自供能无线传感装置的方法的另外可选地设计方 案，所述自供能无线传感装置的结构参数与所述自供能无线传感装置的装置 电阻或装置电感或装置电容相对应，并且所述无线电信号的特征为所述无线 电信号的信号频谱或所述无线电信号中的特征峰的频率值或无线电信号的脉 冲衰减时间。
23.本公开的第三方面涉及一种确定传感器的电特征的方法，所述传感器与 无线自供能装置的击穿放电器电气连接，所述无线自供能装置包括：用于将 机械能转换为电能的纳米发电机和用于将电能转换为无线电信号的击穿放电 器。
24.在此，所述方法包括：从所述无线自供能装置，接收无线电信号，基于 所述无线电信号，确定与所述传感器相对应的电特征，其中所述传感器的电 特征与所述无线电信号的特征相对应。
25.本公开的第四方面涉及一种自供能无线传感平台，所述自供能无线传感 平台包括：用于将机械能转换为电能的纳米发电机、用于将电能转换为无线 电信号的击穿放电器、与所述击穿放电器电气连接的传感器以及无线电信号 接收装置，其中，所述无线电信号接收装置被配置为接收由所述击穿放电器 所发送的无线电信号，并且基于所述无线电信号的特征，确定所述传感器的 电信号。
26.综上所述，本公开提供一种自供能无线传感系统、一种识别多个自供能 无线传感装置的方法，其中，自供能无线传感装置中使用了纳米发电机，并 且多个自供能无线传感
装置具有互不相同的结构参数，使得多个自供能无线 传感装置能够在无需外部的供电单元的情况下(即在自供能的情况下)发送 多个无线电信号。并且所述多个无线电信号具有与互不相同的结构参数对应 的互不相同的特征，使得在不适用额外的调制设备的条件下多个自供能无线 传感装置所发射的无线电信号能够彼此区分，并且能够将其与发射其的自供 能无线传感装置对应。综上，根据本公开的自供能无线传感系统具有环保、 所需空间尺寸小并且无需排布输出线缆亦无需更换供电单元等优点，能够方 便灵活地放置在使用空间紧凑、不方便更换供电单元以及不方便布线以进行 有线输出的领域。
27.此外，本公开还提供了一种确定传感器的电特征的方法以及一种自供能 无线传感平台，其结合了传统的非自供能非无线的传感器。在此，与上述自 供能无线传感装置原理相同的无线自供能装置用于对非自供能非无线的传感 器供能，并利用其所发送的无线电信号来无线地发送传统的非自供能非无线 的传感器的测量结果。由此，能够实现在无需外部的供电单元的情况下(即 在自供能的情况下)实现对传统的非自供能非无线的传感器的输出信号的无 线传输。综上，根据本公开的自供能无线传感平台能够将传统的非自供能的 非无线的传感器扩展为自供能的无线的传感平台，使其能够方便灵活地放置 在使用空间紧凑、不方便更换供电单元以及不方便布线以进行有线输出的领 域。
附图说明
28.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中 所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 公开的一些示例性实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性 劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
29.在此，附图中：
30.图1示出了根据本公开的自供能无线传感系统的示意图；
31.图2中示出了根据本公开的自供能传感装置的等效电路模型；
32.图3示出了根据本公开的用作自供能无线键盘的自供能无线传感系统 的示意图；
33.图4示出了根据本公开的用作自供能无线键盘的自供能无线传感系统的 实施方式；
34.图5示出了根据本公开的自供能无线传感系统的一种实施例；
35.图6a-图6c示出了根据本公开的自供能无线传感装置在不同结构参数 下所输出的无线电信号的信号频谱；
36.图7中示出了基波特征峰的频率值与装置电感的关系；
37.图8示出了用于使多个自供能传感装置分别具有不同的装置电容的实施 方式；
38.图9示出了用于使多个自供能传感装置分别具有不同的装置电感的实施 方式；
39.图10示出了用于使多个自供能传感装置分别具有不同的装置电阻的实 施方式；
40.图11示出了根据本公开的识别多个自供能无线传感装置的方法的流程 图；
41.图12示出了根据本公开的自供能无线传感平台；
42.图13示出了根据本公开的自供能无线传感平台的等效电路模型；
43.图14示出了根据本公开的确定传感器的电特征的方法的流程图。
具体实施方式
44.为了使得本公开的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详 细描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一 部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的 示例实施例的限制。
45.此外，在本说明书和附图中，具有基本上相同或相似步骤和元素用相同 或相似的附图标记来表示，且对这些步骤和元素的重复描述将被省略。
46.此外，在本说明书和附图中，根据实施例，元素以单数或复数的形式来 描述。然而，单数和复数形式被适当地选择用于所提出的情况仅仅是为了方 便解释而无意将本公开限制于此。因此，单数形式可以包括复数形式，并且 复数形式也可以包括单数形式，除非上下文另有明确说明。
47.此外，在本说明书和附图中，所涉及的术语“第一\第二”仅仅是是区 别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可理解地，“第一\第二”在允 许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本公开实施例 能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
48.此外，在在本说明书和附图中，所使用的“上”、“下”、“垂直”、“水平
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等涉及方位或位置关系的术语仅用于方便描述根据本公开的实施例，而无意 将本公开限制于此。因此不应理解为对本公开的限制。
49.此外，在本说明书和附图中，除非另有明确说明，“连接”并不意味着 必须“直接连接”或“直接接触”，在此，“连接”既可表示固定作用也可表 示电学意义上的连通。
50.作为一个示例，本公开可以应用于与人工智能(artificial intelligence,ai) 相结合的智能传感器领域。其中，人工智能是利用数字计算机或者数字计算 机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识 获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算 机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人 类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器 的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。
51.随着人工智能技术研究和进步，人工智能技术在多个领域展开研究和应 用，例如常见的智能家居、智能穿戴设备、虚拟助理、智能音箱、智能营销、 无人驾驶、自动驾驶、无人机、机器人、智能医疗、智能客服等，相信随着 技术的发展，人工智能技术将在更多的领域得到应用，并发挥越来越重要的 价值。本公开实施例提供的方案涉及人工智能的传感器技术，具体通过如下 实施例进行说明。
52.图1示出了根据本公开的自供能无线传感系统的示意图。
53.根据本公开的一方面，提供了一种自供能无线传感系统。图1中示例性 地示出了根据本公开的自供能无线传感系统100的一种实施方式。在此，所 述自供能无线传感系统100包括多个自供能无线传感装置111、112、
……
、 11n以及无线电信号接收装置121。如图所示，多个自供能无线传感装置中 的每一个输入有相应的输入信号is1、is2、
……
、isn，对应于多个自供能 无线传感装置中的每一个所执行相应传感功能，其例如可以对应于待测对象 机械运动的速度、加速度等待测物理量。
54.根据本公开的实施例，多个自供能无线传感装置包括第一自供能无线传 感装置111和第二自供能无线传感装置112。
55.为实现自供能无线传感装置的自供能特性，所述第一自供能无线传感装 置111和所述第二自供能无线传感装置112均包括用于将机械能转换为电能 的纳米发电机1111、1121。在此，纳米发电机例如可以是摩擦纳米发电机 teng(triboelectric nanogenerator)。借助自供能无线传感装置执行传感功 能期间所出现的机械运动、例如待测对象与自供能无线传感装置中的摩擦纳 米发电机的相互摩擦，所述摩擦纳米发电机基于摩擦起电将所述机械运动的 机械能转换为与其对应的电能。在该电能的驱动下，自供能无线传感装置足 以执行其传感功能，而不再需要外部的供电单元对其进行供电。由此，由于 不需要外部的供电单元，不仅避免了使用电池作为外部的供电单元导致传感 器系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制的问题，而且还进一步减小了 自供能无线传感装置的空间体积，使其能够方便灵活并且节能环保地应用到 传感器使用空间较为紧凑的领域、例如可穿戴设备领域、植入医疗器械领域 等。
56.此外，为实现自供能无线传感装置的无线特性，所述第一自供能无线传 感装置111和所述第二自供能无线传感装置112均包括击穿放电器，其用于 将所述电能转换为无线电信号。根据本公开的实施例，击穿放电器积累纳米 发电机所转换的电能，并且在电能超过预先给定的阈值的情况下，以击穿绝 缘气体的方式将击穿电弧所产生的无线电信号用作自供能无线传感装置的输 出信号。该无线电信号的一些特征、例如其信号频谱中特征峰的高度取决于 纳米发电机所转换的电能大小，而电能大小取决于自供能无线传感装置所针 对的待测物理量。因此，通过无线电信号的一些特征可确定待测物理量，即， 有关待测物理量的信息可以借助所述无线电信号rs1、rs2、
……
、rsn来 传输。由此，在不使用额外的调制设备的条件下实现了对待测物理量的无线 传输，解决额外的调制设备所带来的供电、空间尺寸方面的问题以及有线输 出所带来的布线繁琐等问题，使其能够方便灵活地放置在使用空间紧凑且不 方便布线以进行有线输出的领域、例如植入医疗器械领域。
57.根据本公开的实施例，所述第一自供能无线传感装置111和所述第二自 供能无线传感装置112具有不同的结构参数。为更清楚地阐述自供能传感装 置111、112、
……
、11n的结构参数，在图2中示意性地示出了自供能传感 装置111、112、
……
、11n的等效电路模型。其中，电压源vi，等效电容 ci为自供能传感装置111、112、
……
、11n中摩擦纳米发电机的等效电路模 型，r、l、c为自供能传感装置111、112、
……
、11n的非摩擦纳米发电机 部分的装置电阻或装置电感或装置电容。基于电路理论已知，rlc网络的不 同的电气/结构参数(即，其不同的电阻值、电感值或电容值)对应于该 rlc网络的不同的幅频响应。因此类似地，在本公开的实施例中，所述自供 能无线传感装置的结构参数同样与所述无线电信号的特征相对应，所述第一 自供能无线传感装置111和所述第二自供能无线传感装置112所具有的不同 的结构参数将导致所述第一自供能无线传感装置111和所述第二自供能无线 传感装置112所发送的无线电信号具有不同的幅频响应，即，不同的无线电 信号的特征。
58.因此，根据本公开的实施例，自供能无线传感系统100还具有无线电信 号接收装置121。所述无线电信号接收装置121被配置为接收由所述多个自 供能无线传感装置所发送的多个无线电信号，并且通过观察多个所接收的无 线电信号的特征，可以确定所述多个无线电信号中哪个无线电信号与第一自 供能无线传感装置的结构参数对应。由于所述第一自供能无线传感装置111 和所述第二自供能无线传感装置112分别具有不同的结构参数，由此还可以 进一步确定所述多个无线电信号中的哪个无线电信号与第一自供能无线
传感 装置对应。
59.由此，根据本公开的自供能无线传感系统100，通过自供能无线传感装 置中的纳米发电机，在对待测对象进行传感测量的同时能够提供电能以实现 自供能传感；通过击穿放电器，能够借助无线电信号无线地发送测量信号； 并且基于所述第一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置具有 不同的结构参数，能够在不借助额外的调制设备的条件下确定所述多个无线 电信号中与第一自供能无线传感装置对应的无线电信号。
60.故，在需要使用多个自供能无线传感装置的环境下，例如在自动驾驶领 域中需要在方向盘上的多个位置(例如，方向盘的左、右部以及上、下面共 四个位置)设置多个触摸传感器以判读驾驶员是否离手的使用环境下，亦或 是例如在体感互动技术领域中需要在对象四肢等多个位置设置多个自供能无 线传感装置的使用环境下，根据本公开的自供能无线传感系统100都能够被 方便灵活并且节能环保地使用，并且能够准确地确定接收到的多个无线电信 号与系统中哪个自供能无线传感装置对应，实现了自供能无线且准确的多源 传感。
61.图3示出了根据本公开的用作自供能无线键盘200的自供能无线传感系 统的示意图。
62.在将自供能无线传感系统包括在自供能无线键盘200中的示例中，自供 能无线传感系统可以被构建为自供能无线键盘200的一部分。其中，所述自 供能无线键盘包括用作键盘按键的多个自供能无线传感装置。为清楚起见， 在此仅标记出第一自供能无线传感装置211和第二自供能无线传感装置212 及其发送的无线电信号rs1和rs2。如根据图1所阐述的，用作键盘按键的 多个自供能无线传感装置均包括用于将机械能转换为电能的纳米发电机以及 用于将所述电能转换为无线电信号的击穿放电器。在此，纳米发电机被配置 为将自供能无线键盘垂直方向上按压纳米发电机的机械能转换为电能，以便 将自供能无线传感装置用作键盘按键。
63.如根据图1所阐述的，用作键盘按键的多个自供能无线传感装置具有互 不相同的结构参数。由此，每个自供能无线传感装置所发送的无线电信号具 有与其结构参数对应的特征。借助无线电信号接收装置221，接收由一个或 多个自供能无线传感装置所发送的一个或多个无线电信号rs1和rs2，并且 通过观察所接收的无线电信号的特征，可以确定所述一个或多个无线电信号 rs1、rs2所来自的一个或多个自供能无线传感装置211、212。由此，可以 确定键盘使用者按下了哪个或哪些自供能无线传感装置，以确定键盘使用者 所按下的键位。
64.图4示出了根据本公开的用作自供能无线键盘的自供能无线传感系统的 更详细的实施方式。在此为简洁起见，仅示出了多个自供能无线传感装置中 的一个，其余自供能无线传感装置可以以类似方式进行构造。
65.根据本公开的实施例，用作键盘按键的多个自供能无线传感装置中的每 一个400的纳米发电机420具有第一摩擦层421和第二摩擦层422。此外， 所述用作键盘按键的多个自供能无线传感装置中的每一个400还具有由柔性 可压缩材料制成的运动特性转换器410，并且所述运动特性转换器例如覆盖 在所述第一摩擦层421上。
66.由此，当使用者按压键盘按键、即在键盘的垂直方向上按压多个自供能 无线传感装置中的一个或多个时，如图4中垂直方向上的箭头所示，所述运 动特性转换器410首先将
发生垂直方向上的形变。由于所述运动特性转换器 410由柔性可压缩材料制成，因此如图4中水平方向上的箭头所示，该垂直 方向上的形变将导致其在水平方向上亦发生形变。由此，所述运动特性转换 器410将带动所述第一摩擦层421在水平方向上与所述第二摩擦层422发生 摩擦，即，在按压自供能无线传感装置400时，所述运动特性转换器410能 够将键盘垂直方向上按压运动的机械能转换为使所述第一摩擦层421和所述 第二摩擦层422相互摩擦的水平方向上的机械能。如上所述，所述纳米发电 机420将该机械能转换为电能，并且所述击穿放电器430将所述电能转换为 无线电信号。
67.在此，按压所产生的无线电信号通过无线电信号接收装置来接收。根据 本公开的实施例，所述无线电信号接收装置被配置为，在按压用作键盘按键 的多个自供能无线传感装置中任一个的情况下，接收由所按压的自供能无线 传感装置所发送的无线电信号，并且根据无线电信号的特征峰的频率值与自 供能无线传感装置的结构参数之间的对应关系，基于所发送的无线电信号的 特征和用作键盘按键的多个自供能无线传感装置的结构参数，确定与所发送 的无线电信号相关联的所按压的自供能无线传感装置。由此，可以确定键盘 使用者按下了哪个或哪些自供能无线传感装置，以确定键盘使用者所按下的 键位。
68.图5示出了根据本公开的自供能无线传感系统的更详细的实施例。为清 楚起见，在此仅示出了第一自供能无线传感装置511，所述第二自供能无线 传感装置以相同方式进行构造，其余自供能无线传感装置也可以以相同方式 进行构造。
69.例如，在更详细的实施例中，所述第一自供能无线传感装置511中的纳 米发电机包括摩擦起电薄膜5111。如图5所示，在所述第一自供能无线传感 装置511被配置为运动传感器的情况下，即，在待测物理量为待测对象机械 运动的速度、加速度的情况下，由于所述待测对象在其机械运动时与所述摩 擦起电薄膜5111接触并发生摩擦，基于摩擦起电，所述摩擦起电薄膜5111 将产生与机械运动相对应的电荷量。
70.由此，一方面，由于该电荷量的大小与机械运动相对应，实现了自供能 无线传感装置对待测对象机械运动的速度、加速度等待测物理量进行测量的 传感功能；并且另一方面，该电荷量的产生并不需要借助任何附加的外部供 电单元，即传感功能的实现不需要借助任何附加的外部供电单元，由此实现 了如上所述的自供能无线传感装置的自供能特性。
71.在更详细的实施例中，所述第一自供能无线传感装置511所包括的穿放 电器5112包括电荷积累结构。如图5所示，所述电荷积累结构具有彼此绝 缘隔离第一电极5112a和第二电极5112b，用于累积所述摩擦起电薄膜5111 产生的电荷。例如，当所述待测对象从左向右运动，即首先摩擦所述第一电 极5112a上的摩擦起电薄膜而后再摩擦所述第二电极5112b上的摩擦起电薄 膜时，由于所述第一电极5112a和所述第二电极5112b上所累积电荷的电荷 量存在差异，由此，在所述第一电极5112a与所述第二电极5112b之间形成 电场。在此，所述第一自供能无线传感装置511所包括的穿放电器5112还 包括击穿放电结构，所述击穿放电结构具有第一放电尖端5112c和第二放电 尖端5112d。
72.在所述第一放电尖端与第二放电尖端之间具有放电间隙，并且所述第一 放电尖端与所述第一电极电气连接，所述第二放电尖端与所述第二电极电气 连接。由于所述第一放电尖端5112c和所述第二放电尖端5112d处物体表面 曲率较大，等电位面较密，导致所述第一放电尖端5112c与所述第二放电尖 端5112d之间电场强度剧增。所述第一放电尖端5112c与所述第二放电尖端 5112d之间的电场导致其间自由电子的加速，并发生电子碰撞
装置的装置电感、装置电容或装置电阻的关系的机器学习，能够确定所述多 个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的一个或多个自供能 无线传感装置。
80.此外，如图6a-图6c所示，如果自供能无线传感装置的装置电感、装 置电容或装置电阻不同，则其所输出的无线电信号的信号频谱中的特征峰的 频率值也不相同。换言之，所述自供能无线传感装置的装置电感、装置电容 或装置电阻与所述无线电信号的特征、即无线电信号的信号频谱中的特征峰 的频率值相对应。由此可知，如果多个自供能无线传感装置分别具有不同的 装置电感、装置电容或装置电阻，则根据无线电信号的信号频谱中的特征峰 的频率值与装置电感、装置电容或装置电阻之间的对应关系，基于多个自供 能无线传感装置的无线电信号的信号频谱中的特征峰的频率值和所述多个自 供能无线传感装置的装置电感、装置电容或装置电阻，能够确定所述多个自 供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的一个或多个自供能无线 传感装置。
81.在根据本公开的更具体的实施方式中，所述特征峰可以是基波特征峰。 根据电路理论知识可知，所述基波特征峰的频率值与所述自供能无线传感装 置的装置电感、装置电容的关系如下：
[0082][0083]
在此，l为整个自供能无线传感装置的装置电感，c为整个自供能无线传感 装置的装置电容。
[0084]
图7中示出了基波特征峰的频率值与装置电感的关系。图7的横坐标表 示以μh为单位的装置电感的电感值，纵坐标表示以mhz为单位的基波特 征峰的频率值。图7中以点示出了实际测量数据，并且以曲线示出了根据公 式(1)所得的基波特征峰的频率值与装置电感的关系。
[0085]
如图7所示，根据实测所得的基波特征峰的频率值与装置电感的关系与 由公式(1)所得的基波特征峰的频率值与装置电感的关系基本一致。由此， 进一步表明，如果知晓自供能无线传感装置的装置电感或装置电容的大小， 则可以根据上述公式方便且准确地推算该自供能无线传感装置所发送的无线 电信号的基波特征峰的频率值。据此，可以方便且准确地将具有特定的基波 特征峰的频率值的无线电信号与具有对应于该频率值的装置电感或装置电容 的自供能无线传感装置相关联。
[0086]
此外，如表1所示，如果自供能无线传感装置的装置电阻不同，则其所 输出的无线电信号的脉冲衰减时间也不相同。在此，可以将无线电信号信号 从峰值衰减到1/e峰值所需的时间定义为脉冲衰减时间。因此同理，如果多 个自供能无线传感装置分别具有不同的装置电阻，则基于多个自供能无线传 感装置的无线电信号的脉冲衰减时间和所述多个自供能无线传感装置的装置 电阻，能够确定所述多个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对 应的一个或多个自供能无线传感装置。
[0087]
表1：不同装置电阻对应的无线电信号脉冲衰减时间
[0088]
装置电阻(ω)脉冲衰减时间(ms)00.07170.560.12767.50.1335
680.16196200.163127k0.2047
[0089]
综上，通过使多个自供能传感装置分别具有不同的结构参数(例如，不 同的装置电感、装置电容或装置电阻)，并且借助多个自供能传感装置所发 送的无线电信号的特征(例如，基波特征峰的频率值、脉冲衰减时间等)与 其结构参数的对应关系，能够确定所述多个自供能无线传感装置中与一个或 多个无线电信号对应的一个或多个自供能无线传感装置。
[0090]
根据本公开的实施例还阐述了使多个自供能传感装置分别具有不同的结 构参数的实施方式。
[0091]
图8示出了用于使多个自供能传感装置分别具有不同的装置电容的实施 方式。
[0092]
根据本公开的实施例，所述多个自供能无线传感装置的外部分别设置有 附加的导体/半导体结构4。此外，所述附加的导体/半导体结构4与所述电 荷积累结构2之间设置有介电材料层。由此，对于所述多个自供能无线传感 装置，在所述附加的导体/半导体结构4与所述电荷积累结构2之间构建了附 加的电容。
[0093]
在此，为使所述多个自供能无线传感装置、例如所述第一自供能无线传 感装置与所述第二自供能无线传感装置分别具有不同的装置电容，可以使所 述多个自供能无线传感装置、例如所述第一自供能无线传感装置的介电材料 层与所述第二自供能无线传感装置的介电材料层分别具有不同的厚度和/或 介电常数。由此，具有不同电容大小的附加的电容分别附接到所述多个自供 能无线传感装置。由此使得所述多个自供能无线传感装置、例如所述第一自 供能无线传感装置与所述第二自供能无线传感装置分别具有不同的装置电容。
[0094]
如在图6b中所阐述的，不同的装置电容对应于无线电信号的不同特征 (例如，无线电信号的信号频谱的走向、基波特征峰的频率值等)，由此， 基于对所述多个自供能无线传感装置的无线电信号的信号频谱与所述多个自 供能无线传感装置的装置电容的关系的机器学习，或者基于多个自供能无线 传感装置的无线电信号的信号频谱中的特征峰的频率值和所述多个自供能无 线传感装置的装置电容，能够确定所述多个自供能无线传感装置中与一个或 多个无线电信号对应的一个或多个自供能无线传感装置。
[0095]
在根据本公开的另外的实施方式中，如图5所示，所述多个自供能无线 传感装置、例如所述第一自供能无线传感装置与所述第二自供能无线传感装 置在其击穿放电器的放电气隙方面、即例如其第一电极与第二电极之间具有 不同的距离和/或介电常数。由此，同样能够使所述多个自供能无线传感装 置、例如所述第一自供能无线传感装置与所述第二自供能无线传感装置分别 具有不同的装置电容。由此，基于多个自供能无线传感装置的无线电信号的 信号频谱中的特征峰的频率值和所述多个自供能无线传感装置的装置电容， 能够确定所述多个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的一 个或多个自供能无线传感装置。
[0096]
图9示出了用于使多个自供能传感装置分别具有不同的装置电感的实施 方式。
[0097]
如图9所示，所述自供能传感装置具有第一电极910和第二电极920， 所述第一电极910与所述第二电极920以放电气隙940彼此绝缘隔离。根据 本公开的实施方式，所述多
个自供能无线传感装置的击穿放电器分别具有环 绕的蚊香状结构。例如，可以将所述第一电极910和/或所述第二电极920的 部分构建为蚊香状结构930a和/或930b。由此，可以使自供能传感装置具有 附加的电感。
[0098]
在此，所述多个自供能无线传感装置、例如所述第一自供能无线传感装 置中的击穿放电器的蚊香状结构与所述第二自供能无线传感装置中的击穿放 电器的蚊香状结构分别具有不同的圈数。如在图6a中所阐述的，不同的装 置电感对应于无线电信号的不同特征，例如无线电信号的信号频谱的走向、 基波特征峰的频率值等，由此，基于对所述多个自供能无线传感装置的无线 电信号的信号频谱与所述多个自供能无线传感装置的装置电感的关系的机器 学习，或者基于多个自供能无线传感装置的无线电信号的信号频谱中的特征 峰的频率值和所述多个自供能无线传感装置的装置电感，能够确定所述多个 自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的一个或多个自供能无 线传感装置。
[0099]
图10示出了用于使多个自供能传感装置分别具有不同的装置电阻的实 施方式。在此为清楚起见，仅示出了第一自供能无线传感装置和第二自供能 无线传感装置。
[0100]
如图10所示，所述第一自供能无线传感装置和第二自供能无线传感装 置分别具有第一电极1011a、1021a和第二电极1011b、1021b。根据本公开 的实施方式，所述第一自供能无线传感装置的击穿放电器的材料(即例如其 第一电极和/或第二电极的材料)与所述第二自供能无线传感装置的击穿放 电器的材料(即例如其第一电极和/或第二电极的材料)分别具有不同的电 导率σ1和σ2。由此，所述第一自供能无线传感装置和所述第二自供能无线 传感装置分别具有不同的装置电阻。
[0101]
如在图6c中所阐述的，不同的装置电阻对应于无线电信号的不同特征， 例如无线电信号的信号频谱的走向、基波特征峰的频率值、脉冲衰减时间等， 由此，在所述多个自供能无线传感装置分别具有不同的装置电阻的情况下， 基于对所述多个自供能无线传感装置的无线电信号的信号频谱与所述多个自 供能无线传感装置的装置电阻的关系的机器学习，或者基于多个自供能无线 传感装置的无线电信号的信号频谱中的特征峰的频率值和所述多个自供能无 线传感装置的装置电感，或者基于多个自供能无线传感装置的无线电信号的 脉冲衰减时间和所述多个自供能无线传感装置的装置电阻，能够确定所述多 个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的一个或多个自供能 无线传感装置。
[0102]
根据本公开的更详细的实施例，为实现所述第一自供能无线传感装置的 击穿放电器的材料(即例如其第一电极和/或第二电极的材料)与所述第二 自供能无线传感装置的击穿放电器的材料(即例如其第一电极和/或第二电 极的材料)分别具有不同的电导率σ1和σ2，可以使所述第一自供能无线传 感装置的击穿放电器的材料(即例如其第一电极和/或第二电极的材料)与 所述第二自供能无线传感装置的击穿放电器的材料(即例如其第一电极和/ 或第二电极的材料)分别具有不同的碳纳米管参杂浓度。由此，所述第一自 供能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置能够分别具有不同的装置 电阻。由此，如上所述，借助所述无线电信号的特征与所述自供能无线传感 装置的装置电阻之间的对应关系，能够确定分别具有不同的装置电阻的所述 多个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的一个或多个自供 能无线传感装置。
[0103]
根据本公开的第二方面涉及一种识别多个自供能无线传感装置的方法。 如针对图1所作的阐述，所述多个自供能无线传感装置同样包括第一自供能 无线传感装置和第二
自供能无线传感装置，所述第一自供能无线传感装置和 所述第二自供能无线传感装置均包括用于将机械能转换为电能的纳米发电机， 以及用于将所述电能转换为无线电信号的击穿放电器。在此，所述第一自供 能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置可以按照图4或者图5中所 描述的实施方式进行构建，为简洁起见在此不再赘述。此外，所述第一自供 能无线传感装置和所述第二自供能无线传感装置具有不同的结构参数，例如 不同的装置电感、装置电容或装置电阻。使多个自供能传感装置分别具有不 同的结构参数的实施方式参见针对图8至图10所作的阐述，为简洁起见在 此同样不再赘述。
[0104]
图11示出了根据本公开的识别多个自供能无线传感装置的方法的流程 图。
[0105]
根据本公开的实施例，首先在步骤s111，从一个或多个自供能无线传 感装置中，接收一个或多个无线电信号。由于所述多个自供能无线传感装置 分别具有不同的结构参数，并且如上所述不同的结构参数还将导致所发送的 无线电信号具有不同的无线电信号的特征，因此在步骤s112中，能够基于 所述一个或多个无线电信号的特征和所述多个自供能无线传感装置的结构参 数，确定所述多个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电信号对应的自 供能无线传感装置。
[0106]
根据本公开的更详细的实施方式，所述自供能无线传感装置的结构参数 与所述自供能无线传感装置的装置电阻或装置电感或装置电容相对应，使多 个自供能传感装置分别具有不同的上述结构参数的实施方式参见针对图8至 图10所作的描述，在此不再赘述。
[0107]
根据本公开的更详细的实施方式，所述无线电信号的特征为所述无线电 信号的信号频谱或所述无线电信号中的特征峰的频率值或无线电信号的脉冲 衰减时间。所述无线电信号的特征与自供能无线传感装置的结构参数的对应 关系参见针对图6a-图6c所作的描述，在此不再赘述。
[0108]
综上所述，借助根据本公开的自供能无线传感系统以及识别多个自供能 无线传感装置的方法，自供能无线传感系统中的多个自供能无线传感装置能 够在无需外部的供电单元的情况下、即在自供能的情况下发送多个无线电信 号；并且基于多个无线电信号具有与互不相同的结构参数并且结构参数与无 线电信号的特性之间存在对应关系，能够在不使用附加的调制设备或解调设 备的条件下，据此确定所述多个自供能无线传感装置中与一个或多个无线电 信号对应的一个或多个自供能无线传感装置。由此，一方面能够在省去对传 统的非自供能非无线传感器的外部的供电单元的条件下实现多个自供能无线 传感装置本身已具有例如气体传感、运动传感等传感功能，大大减小了每个 自供能无线传感装置所需的空间尺寸，并且避免了使用电池作为外部的供电 单元导致传感器系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制的问题；并且另 一方面多个自供能无线传感装置能够分别利用无线电信号无线地发送其传感 结果，并且利用无线电信号能够在不使用额外的调制设备的条件下确定所述 多个自供能无线传感装置中与所发送的一个或多个无线电信号对应的那一个 或多个自供能无线传感装置，省去了额外的调制设备以及对额外的调制设备 供电单元，大大减小了所需的空间尺寸，并且解决了额外的有线输出所带来 的布线繁琐等问题，使自供能无线传感系统能够方便灵活地放置在使用空间 紧凑、不方便更换供电单元以及不方便布线以进行有线输出的领域、例如可 穿戴设备领域或植入医疗器械领域。
[0109]
根据本公开的第三方面涉及一种自供能无线传感平台。
[0110]
图12以框图示出了根据本公开的自供能无线传感平台。
[0111]
如图12所示，根据本公开的自供能无线传感平台1200包括：用于将机 械能转换为电能的纳米发电机1201、用于将电能转换为无线电信号的击穿 放电器1202、与所述击穿放电器电气连接的传感器1203，以及无线电信号 接收装置1204。
[0112]
类比于先前所述的自供能无线传感装置，所述自供能无线传感平台的结 构参数、即平台电感、平台电容以及平台电阻同样与其发送的无线电信号的 特征具有对应关系。因此，结合图13中所示出的包括传感器1203的自供能 无线传感平台的等效电路模型，将所述自供能无线传感装置与另外的传感器 串接，即可得到所述自供能无线传感平台1200。
[0113]
在图13中，电压源vi、等效电容ci为无线自供能装置中摩擦纳米发电 机的等效电路模型，r、l、c为无线自供能装置的非摩擦纳米发电机部分的 电阻或电感或电容。此外，传感器串接到自供能无线传感平台的等效电路模 型中。
[0114]
如图13所示，在此，平台电感、平台电容以及平台电阻包括与先前所 描述的自供能无线传感装置相同的部分(即，纳米发电机1201、击穿放电 器1202)的电感l、电容c、电阻r以及所述传感器的电感、电容以及电阻。 因此，如针对图6a-图6c所阐述的，在与先前所描述的自供能无线传感装 置相同的部分(即，纳米发电机1201、击穿放电器1202)的结构参数保持 不变的情况下，所述传感器的电感、电容以及电阻与自供能无线传感平台所 发送的无线电信号的特征同样具有对应关系。由此，如果所述传感器的被测 量对应于所述传感器的电感值、电容值或电阻值(即，所述传感器为电感式、 电容式或电阻式传感器)，则所述传感器的被测量与自供能无线传感平台所 发送的无线电信号的特征也因此具有了对应关系。故，同样可以基于所发送 的无线电信号的特征来反推或确定所述传感器的电感值、电容值或电阻值， 并且可以进一步确定所述传感器的被测量的大小。
[0115]
因此，在该自供能无线传感平台中，所述无线电信号接收装置1204被 配置为接收由所述击穿放电器1202所发送的无线电信号，由此，基于所述 无线电信号的特征，能够确定所述传感器的电信号。
[0116]
根据本公开的第四方面涉及一种确定传感器的电特征的方法。在本公开 的实施例中，如针对图13所作的阐述，所述传感器与无线自供能装置的击 穿放电器电气连接，并且所述无线自供能装置包括：用于将机械能转换为电 能的纳米发电机，以及用于将电能转换为无线电信号的击穿放电器。由此， 为传统的非自供能非无线的传感器扩展了无线自供能装置的自供能与无线输 出的特性。
[0117]
图14示出了根据本公开的确定传感器的电特征的方法的流程图。
[0118]
根据本公开的实施例，首先在步骤s141，从所述无线自供能装置，接 收无线电信号。由于传感器的测量时的电特征(即，所述传感器的电阻值、 电容值或电感值)与自供能无线传感平台所发送的无线电信号的特征同样具 有对应关系，因此在步骤s142中，能够基于所述无线电信号，确定与所述 传感器相对应的电特征。所述方法的具体原理参见针对图13所作的阐述， 在此不再赘述。
[0119]
综上所述，在根据本公开的自供能无线传感平台以及确定传感器的电特 征的方法中，利用与上述自供能无线传感装置原理相同的无线自供能装置， 可以实现对传统的非自供能非无线传感器的自供能；并且由于无线自供能装 置所发送的无线电信号的特征与传统的非自供能非无线传感器的被测量之间 存在对应关系，可以实现利用无线电信号来
确定传统的非自供能非无线传感 器的被测量，即确定所述传感器的电信号，由此实现为传统的非自供能非无 线传感器扩展了无线功能。由此，一方面省去了对传统的非自供能非无线传 感器的外部的供电单元，大大减小了所需的空间尺寸并避免了使用电池作为 外部的供电单元导致系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制的问题，并 且另一方面能够利用无线电信号在不使用额外的调制设备的条件下确定所述 传统的非自供能非无线传感器的电信号，即确定所述传统的非自供能非无线 传感器的被测量，省去了额外的调制设备以及对额外的调制设备供电单元， 大大减小了所需的空间尺寸，并且解决了额外的调有线输出所带来的布线繁 琐等问题，使传统的非自供能非无线传感器也能够方便灵活地放置在使用空 间紧凑、不方便更换供电单元以及不方便布线以进行有线输出的领域、例如 可穿戴设备领域或植入医疗器械领域。
[0120]
在上面详细描述的本公开的示例实施例仅仅是说明性的，而不是限制性 的。本领域技术人员应该理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下，可 对这些实施例或其特征进行各种修改和组合，这样的修改应落入本公开的范 围内。