专利名称：自供电的无线双向通讯传感器和控制开关的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传感网及智能楼宇、智能家居等应用技术领域，适用于无线传感器和控制开关。
背景技术：
随着工业控制和传感技术的发展，各种传感器和控制开关应用变得越来越普遍。传统的传感器和开关产品均需要用信号线传输信号和/或电源线供电才能正常工作。可是在许多实际应用中，受环境限制，布线基本不可能或者成本非常贵，这时无线传感和控制技 术，就成为理想选择。然而无线技术只是解决了不需要信号线的问题，但同样需要能量，因此在无法布电源线的场所，常常采用电池为无线传感器和开关供电。电池使用寿命受限，需要经常更换，这既増加了使用和维护成本，也常常由于更换不及时导致系统不能正常工作。由于日常使用的传感器和控制开关的自身体积和功耗都比较小，通常可以考虑收集来自压カ等机械能或周边环境中的光能能量，将其转换成电能来给传感器和控制开关供电。光能收集方面，由于传感器和控制开关所在的室内光照強度可能不足，光能电池板的面积也受到整个传感器和开关的体积大小限制，在部分场所的使用效果并不理想。机械能收集方面，也曾经有人尝试利用压电陶瓷受到外力作用产生变形，从而产生电流和电压的原理来研制无线无源开关。但由于压电陶瓷技术成本较贵，且即使用多层压电陶瓷叠加所产生的电流和电压通常还不足以驱动开关电路，所以压电陶瓷技术也有较多限制。基于导电线圈电磁感应原理的机械能发电技术可以产生足够大的电流或电压，但如果采用传统的线圈和转子结构，其发电机体积则相对较大，一般不适合微型化传感器或扁平状控制开关的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供ー种自供电无线双向通讯传感器，其结构简単、不用电池、无需布线、实现双向通讯、免维护、微型化。为解决以上技术问题，本发明提供了ー种自供电无线双向通讯传感器，所述装置至少包括微控制器単元9，与微控制器単元9相连的电源管理控制单元7，与微控制器単元9相连的无线信号收发单元11，其中的无线信号收发单元11既可以实现双向通信，也可以为了进一歩降低功耗和成本的需要，而仅工作在单向接收或者发送的通信模式。所述装置还至少包括软磁铁I、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4。其中，导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4的位置相对固定。导电线圈2套在软磁铁I上，软磁铁I在导电线圈2内部的支点与导电线圈2相对固定，软磁铁I的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁3的两端内侧空间高度为限。软磁铁I的一端与复位弹簧4相连。软磁铁I、导电线圈
2、永磁铁3和复位弹簧4共同组成自供电能量收集单元20。
本发明的有益效果在于将机械能能量收集技术和无线双向通信技术结合起来，可以实现自供电和各种传感或开关信号的无线收发，以解决无需布线、不用电池、双向通讯、免维护、微型化的实际应用需求。进ー步地，该装置还可以包括与电源管理控制单元7相连的电量存储单元8。电量存储单元8可以是各种储能电池或电容、电感等储能电路，用于存储来自能量收集单元20产生的并经过电源管理控制单元7变压整流过的电能。进ー步地，该装置还可以包括传感信号采集单元10。传感信号采集单元10可以是温度、气体、液体、风速、移动、振动和声光 电等各种信号传感器，用于将自然界的各种物理、化学和生物等信号转换成电信号，交给微控制器単元9处理。进ー步地,移动或振动传感器单元10可以集成在能量收集单元20中。软磁铁I一端受外力作用所产生的位移量大小与导电线圈输出电流和电压值直接相关，微控制器单元9可以根据此电流电压值计算出该位移量。进ー步地，无线收发单元11具备双向通讯功能，不但可以将经过微控制器単元9处理后的传感或开关信号通过无线方式发送出去，而且还可以接受来自上位机、网关、执行器或其它传感节点的信号，收到此类无线信号后交给微控制器単元9处理或执行。
图I是本发明实施例所述自供电能量收集单元结构图；图2是本发明实施例所述带弹簧片的自供电能量收集单元结构图；图3是本发明实施例所述带双复位弹簧的自供电能量收集单元结构图；图4是本发明实施例所述自供电无线开关结构图；图5是本发明实施例所述自供电无线传感器结构图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进ー步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明。本发明将机械能能量收集技术和无线双向通信技术结合起来，可以实现自供电和各种传感或开关信号的无线收发，以解决无需布线、不用电池、双向通讯、免维护、微型化的实际应用需求。图I为本发明第一实施例所提供的自供电能量收集单元20结构图，为了便于说明，图中仅示出了与此功能相关的部分。该部分包括软磁铁I、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4。其中，导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4的位置相对固定。导电线圈2套在软磁铁I上，软磁铁I在导电线圈2内部的支点与导电线圈2相对固定，软磁铁I的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁3的两端内侧空间高度为限。软磁铁I的一端与复位弹簧4相连。初始没有外力作用的状态时，在永磁铁3的吸引力作用下，软磁铁I的E、G端分别与永磁铁3的B、D接触点靠在一起，此时软磁铁I的E端为N磁极，G端为S磁极。当在外力F的瞬间作用下，如果力量大于磁铁吸カ和弹簧的阻力，软磁铁I的E、G端则运动到永磁铁3的A、C接触点，此时软磁铁I的磁极性反转成E端为S扱，G端为N扱。在此过程中，导电线圈将感应到软磁铁I的瞬间磁极性变化而产生电能并通过Pl和P2电压正负极接触点向外输出。随后，当外力F的瞬间作用消失后，复位弹簧4的弾力作用使软磁铁I的E、G端摆脱永磁铁3的吸引力，分别运动到初始位置并与永磁铁3的B、D接触点靠在一起，此时软磁铁I的磁极性再次发生反转，E端变为N磁极，G端则为S磁极。在此返回初始位置的过程中，导电线圈将再次感应到软磁铁I的瞬间磁极性变化而产生电能并由Pl和P2电压正负极接触点输出，不同的是此时Pl和P2的电压正负极与外力F作用时产生的电压正负极相反。
该实施例的关键创新是，采用扁平化的电磁感应发电结构。此结构大大减少对高度和体积要求，从而满足了微型传感器和/或控制开关的紧凑型、扁平化自供电要求。在外力F作用下，软磁铁I的E、G两端只需要位移很短的距离，外力消失后软磁铁I的两端自动返回到初始位置。在整个过程中，软磁铁I将实现两次瞬间磁极性反转，从而使得导电线圈可以输出双倍的电能。该实施例还可以有如下的进ー步扩展创新a)软磁铁I、导电线圈2和复位弹簧4位置相对固定，复位弹簧4和永磁铁3相连，永磁铁3的中间固定在支点上，两端则可以上下移动。初始位置，仍然是永磁铁3的B、D分别与软磁铁I的E、G端相连，当外力F作用在永磁铁3的一端时，其另一端则向相反方向移动，外力F消失后，永磁铁两端在复位弹簧4的弾力作用下自动复位。整个过程同样可以使软磁铁I产生两次磁极性瞬间反转，从而使得导电线圈能输出双倍的电能。b)如图2所示，可在软磁体的一端装上弹簧片5，复位弹簧4与弹簧片5相连。当外力F按下弹簧片5吋，同样可以由弹簧片5带动软磁铁I工作，产生磁极性反转，并由导电线圈2发生电磁感应并输出电能。由于弹簧片5有一定的弾性，可以很好地改善外力F作用时的手感体验，并降低软磁铁I和永磁铁3等部件之间的磨损。c)如图3所示，还可以在软磁铁I的两端各连接ー个复位弹簧4a和4b，使软磁铁I的两端初始位置与永磁铁3平行，这样外力F就可以从上下两个不同的方向作用，从而增加了该装置的使用灵活性。图4为本发明第二实施例所提供的自供电无线开关结构图，为了便于说明，仅示出了与此实施例相关的部分。该实施例包括软磁铁I、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4、电源管理控制单元7、电量存储单元8、微控制器単元9、无线信号收发单元11、开关按键和电路单元12。当外部压カF作用在开关12的所代表打开或关闭信号的按键区域上时，按键向下运动到X或Y位置，在此过程中按键将带动软磁铁I的两端发生相对位移运动，导电线圈2同时会在感应到软磁铁I的磁极性瞬间反向而产生电压电流并通过Pl和P2输出，经过电源管理控制单元7的变压和整流处理后给电量存储单元8充电，同时供给微控制器単元9和无线信号收发单元11。在此过程中，微控制器9会检测到开关12的按键当前位置X或Y所代表的打开或关闭电子信号，并将此打开或关闭电子信号交给无线信号收发单元11发送出去。当外部压カF消失后，软磁铁I的两端在复位弹簧4的弾力作用下恢复到初始位置，同时带动开关12中的按键机械结构部分复位，此时导电线圈2将再次感应到软磁铁I的磁极性反向而产生电压电流并通过Pl和P2输出，经过电源管理控制单元7的变压和整流处理后给电量存储单元8充电。在没有外部压カF作用的通常状态下，由电量存储单元8给整个无线开关的电路部分供电，其中电源管理控制单元7、微控制器単元9、无线信号收发单元11等大部分器件和电路将进入睡眠状态，仅有负责无线信号侦听的部分电路工作，此时整个电路功耗极低。当远端的中央控制器、执行器或者遥控装置给此无线开关发送无线信号时，该无线开关装置会立即被唤醒并执行相应的状态查询和设置等操作。该实施例的关键创新是自供电能量收集技术和双向无线通讯功能。根据需要，其所对应的远端中央控制器、执行器或者是遥控装置可以给该无线开关发送相应的命令进行远程操作管理，从而使该无线开关成为ー个真正的远程可管理节点。该实施例还可以有如下的进ー步扩展创新a)现有开关按键和电路单元12中用X和Y位置分别代表打开和关闭信号，在实际使用中也可以采用简化设计，将X和Y的位置合ニ为一，通过按键的奇偶次数来表示开关信号。例如，第一次按键如果表示打开，再次按此键时则表示关闭，第三次按键又回到打开。图5为本发明第三实施例所提供的自供电无线传感器结构图，为了便于说明，仅示出了与此实施例相关的部分。该实施例包括软磁铁I、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧
4、电源管理控制单元7、电量存储单元8、微控制器単元9、传感信号采集单元10和无线信号收发单元11。在外力F的作用下，软磁铁I的两端发生相对位移，外力消失后，在复位弹簧的弹力作用下，软磁铁两端恢复的初始位置，此过程中导电线圈将感应到软磁体的两次磁极性反向而产生电压电流并由Pl和P2端输出，经电源管理控制单元7变压和整流后给电路存储单元8、传感信号采集单元10、微控制器単元9和无线信号收发单元11等整个电路供电。在没有外力作用的通常情况下，系统由电量存储单元8负责供电。传感信号采集单元10可以是温湿度、振动、声光电等各种传感器，微控制器単元9负责处理传感信号采集单元10收集到的各种传感信号并将该信号交给无线信号收发单元10发送出去。该无线传感器支持双向通讯功能，当无线信号收发单元11收到来自远端中央控制器、执行器和遥控装置等上位机设备的控制信号时，会及时交给微控制器単元9处理。微控制器単元9将根据该控制信号的具体内容来执行数据采集、參数设置和状态检查等各种操作，并将执行结果返回给中央控制器和遥控装置等上位机设备。该自供电无线传感器实例可广泛应用于桥梁道路检测、门窗移动报警等多种场所，无需布线、不用电池、零维护。本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式
的描述g在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式
用来掲示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的 目的。
权利要求
1.ー种自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，包括 微控制器単元(9)，与微控制器単元(9)相连的电源管理控制单元(7)，与微控制器单元(9)相连的无线信号收发单元(11)，其中的无线信号收发单元(11)既可以采用双向通信模式，也可以采用单向接收或者发送的通信模式；所述装置还包括 软磁铁(I)、导电线圈(2)、永磁铁(3)、复位弹簧⑷； 其中，导电线圈(2)、永磁铁(3)和复位弹簧⑷的位置相对固定，导电线圈⑵套在软磁铁⑴上，软磁铁⑴在导电线圈⑵内部的支点与导电线圈⑵相对固定，软磁铁(I)的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁(3)的两端内侧空间高度为限； 软磁铁(I)的一端与复位弹簧(4)相连，软磁铁(I)、导电线圈(2)、永磁铁(3)和复位弹簧(4)共同组成自供电能量收集单元(20)。
2.如权利要求I所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，该装置还包括与电源管理控制单元(7)相连的电量存储单元⑶；电量存储单元⑶可以是各种储能电池或储能电路，用于存储来自能量收集单元(20)产生的并经过电源管理控制单元(7)变压整流过的电能。
3.如权利要求2所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，该装置还包括传感信号采集单元(10);传感信号采集单元(10)可以是温度、气体、液体、风速、移动、振动和声光电各种信号传感器，用于将各种物理、化学和生物信号转换成电信号，交给微控制器単元(9)处理。
4.如权利要求3所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，移动或振动传感器単元(10)集成在能量收集单元(20)中；软磁铁(I) 一端受外力作用所产生的位移量大小与导电线圈输出电流和电压值直接相关，微控制器単元(9)根据此电流电压值计算出该位移量。
5.如权利要求I所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，无线收发单元(11)不但可以将经过微控制器単元(9)处理后的传感或开关信号通过无线方式发送出去，而且还可以接受来自上位机、网关、执行器或其它传感节点的信号，收到此类无线信号后交给微控制器単元(9)处理或执行。
6.如权利要求I所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在干，软磁铁(I)、导电线圈(2)和复位弹簧(4)位置相对固定，复位弹簧(4)和永磁铁(3)相连，永磁铁(3)的中间固定在支点上，两端则可以上下移动。
7.如权利要求I所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，在软磁体的一端有弹簧片(5)，复位弹簧(4)与弹簧片(5)相连；当外力F按下弹簧片(5)时，同样可以由弹簧片(5)带动软磁铁⑴工作，产生磁极性反转，并由导电线圈⑵发生电磁感应并输出电倉^:。
8.如权利要求I所述的自供电无线双向通讯传感器，其特征在于，在软磁铁(I)的两端各连接有复位弹簧(4a和4b)，使软磁铁(I)的两端初始位置与永磁铁(3)平行。
9.ー种无线开关装置，其特征在于，该装置包括开关按键和电路单元(12);当外部压力F作用在开关(12)的所代表打开或关闭信号的按键区域上时，按键向下运动到X或Y位置，在此过程中按键将带动软磁铁(I)的两端发生相对位移运动，导电线圈(2)同时会在感应到软磁铁(I)的磁极性瞬间反向而产生电压电流并通过Pl和P2输出，经过电源管理控制单元(7)的变压和整流处理后给电量存储单元(8)充电，同时供给微控制器単元(9)和无线信号收发单元(11);在此过程中，微控制器(9)会检测到开关(12)的按键当前位置X或Y所代表的打开或关闭电子信号，并将此打开或关闭电子信号交给无线信号收发单元(11)发送出去。
10.如权利9所述的ー种无线开关装置，其特征在于，将X和Y的位置合ニ为一，通过按键的奇偶次数来表示开关信号。
全文摘要
本发明公开了一种自供电无线双向通讯传感器，包括微控制器单元9，与微控制器单元9相连的电源管理控制单元7，与微控制器单元9相连的无线信号收发单元11，其中的无线信号收发单元11既可以实现双向通信，也可以单向接收或者发送；软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3、复位弹簧4；其中，导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4的位置相对固定；导电线圈2套在软磁铁1上，软磁铁1在导电线圈2内部的支点与导电线圈2相对固定，软磁铁1的两端则可以绕支点有一定的上下位移，位移量以永磁铁3的两端内侧空间高度为限；软磁铁1的一端与复位弹簧4相连；软磁铁1、导电线圈2、永磁铁3和复位弹簧4共同组成自供电能量收集单元20。本发明无需布线、不用电池、免维护、微型化。
文档编号H02J7/02GK102655455SQ20111004971
公开日2012年9月5日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者王大庆 申请人:上海博悦信息科技有限公司