专利名称：一种传感器网络节点的无线供电传输系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于无线供电传输技术领域，具体涉及一种传感器网络节点(即传感器网络内的各个微功耗传感器)的无线供电传输系统。
背景技术：
无线供电技术是通过电磁波发射等原理，将电能转换为射频能(即电磁波能量)后以无线的方式传输给负载。这种无线供电技术，能够安全、可靠地给设备供电，而且成本低，应用前景广泛。随着测量和控制所需的超低功率传感器网络节点的激增以及新型能量收集技术的运用，无线供电技术得到了进一步发展，但是，由于供传输的射频能的空间密度非常低，随着与发射端距离的增加射频能不断减少，因此由多个微功耗传感器构成的传感器网络必 须布置在靠近发射端的位置，一般为3 10米。如果要实现远距离射频能传输，势必要以系统的高额成本来换取转换效率，特别是在有人居住的环境，射频功率要求在2-5W以内，利用现有技术进行无线供电，只能支持几米范围，不适用于更远距离的无线供电。现有的关于无线供电的专利主要集中在三个方面一是关于传输原理的专利；采用电波辐射式原理，如CN101908781A采用2. 4GHz的射频段供电以获得更好效果；采用磁场耦合式原理的专利，如申请号为200510030239和200820115859的专利，国内专家朱春波的专利“磁耦合谐振式无线能量传输装置”的专利也是采用此方式，其另一项发明采用增强器磁耦合，在增强型发射源中加入了增强器，由于增强器的加入，该技术的能量传输距离有了较大提高，约为原来的5倍。二是关于能量接收端和发射端的改进的专利；其主要是为了提高转换效率，增加传输距离，而对谐振电路、转换电路、发射电路等方面进行的改进。三是建立能量发射装置与接收端的数据交换，根据接收端的需求提供电能；专利CN1912786B的发明实现的功能是发射端先获得接收端的供电请求，再根据请求的多少限量提供无线电能；专利CN101330230B中收发两端建立专门用于定位的通讯辅助节点，当判断双方处于最佳传输位置，才开始供电。目前，还没有对传感器网络中的微功耗传感器逐个定向、分时进行电能传输的系统。
发明内容本实用新型的目的是提供一种传感器网络节点的无线供电传输系统，以对中等距离范围内(即100米以内)的传感器网络中的微功耗传感器进行逐个定向、分时、循环供电，提高电能转换效率，节省电能。本实用新型所述的传感器网络节点的无线供电传输系统，包括射频能量发射装置和由多个微功耗传感器构成的传感器网络，所述射频能量发射装置包括MCU控制模块，与MCU控制模块输入端连接的能量需求采集模块，与MCU控制模块输出端连接的发射功率控制模块、发射角度控制模块和发射时间控制模块，与发射功率控制模块输出端连接的电能转换模块，与电能转换模块输出端、发射角度控制模块输出端和发射时间控制模块输出端连接的发射模块；所述微功耗传感器包括能量接收转换模块、与能量接收转换模块连接的数据获取处理模块和数据发射模块。射频能量发射装置采集传感器网络中的微功耗传感器的电能需求、位置信息和供电时间需求，为传感器网络中的每个微功耗传感器分配能量发射功率、能量发射角度、无线供电时间和分时供电间隔(即根据上述需求的不同进行发射功率、发射角度和发射时间的调整)，确定供电顺序，并按照供电顺序逐一向传感器网络中的微功耗传感器定向、分时、循环(即逐一对传感器网络内需要供电的微功耗传感器供电完成后，下次仍以同样的方式进行)供电，微功耗传感器接收射频能并将其转换为电能。进一步，所述发射模块采用天线将射频能发射出去，所述天线采用自适应天线阵列或多自由度旋转的集束定向天线。自适应天线阵列能够根据发射角度控制模块的控制将其最大辐射方向对准需要供电的微功耗传感器，多自由度旋转的集束定向天线能够根据发射角度控制模块的控制对准需要供电的微功耗传感器。采用本实用新型中所述的传感器网络节点的无线供电传输系统进行无线供电的方法，包括如下步骤I)信息采集与发送射频能量发射装置中的能量需求采集模块通过人工输入方式或无线通讯方式采集传感器网络中的每个微功耗传感器的电能需求、位置信息和供电时间需求，并将信息发送给MCU控制模块；2)信息处理:MCU控制模块对信息进行计算、分析，为传感器网络中的每个微功耗传感器分配能量发射功率、能量发射角度、无线供电时间和分时供电间隔，确定供电顺序；3)根据信息处理结果进行无线供电控制并发射能量:MCU控制模块驱动发射功率控制模块按照分配的能量发射功率控制电能转换模块将输入的电能转换为射频能，送入发射模块，同时，MCU控制模块驱动发射角度控制模块和发射时间控制模块按照分配的能量发射角度和无线供电时间、分时供电间隔控制发射模块按照供电顺序逐一向传感器网络中的微功耗传感器定向、分时、循环发射射频能；4)接收能量并将其转换为电能微功耗传感器的能量接收转换模块接收射频能，并将其转换为微功耗传感器的电能。采用人工输入方式，即将传感器网络中的每个微功耗传感器的电能需求、位置信息和供电时间需求信息输入到能量需求采集模块；采用无线通讯方式可以由数据发射模块将该微功耗传感器的电能需求、位置信息和供电时间需求发送给能量需求采集模块(微功耗传感器初始化时具有供无线通讯的电能);MCU控制模块中的数据存储模块能将各个微功耗传感器的电能需求、位置信息和供电时间需求存储起来，方便读取。本实用新型采取分时、定向供电方式(即射频能量发射装置按照供电顺序逐一向传感器网络中的微功耗传感器定向、分时、循环供电)，利用狭窄波束集中能量传输(即每次只对一个微功耗传感器进行无线供电，其电磁波的波束较狭窄)，满足了中等距离范围内的传感器网络的能量需求，提高了电能转换效率，节省了电能，可广泛应用于楼宇自动化、无线/自动化仪表计量和前瞻性维护，以及诸多其它的工业、军事、汽车和消费类应用。
图I为本实用新型中无线供电传输系统的示意图；图2为本实用新型中射频能量发射装置的电路框图；[0017]图3为本实用新型中微功耗传感器的电路框图；图4为本实用新型中射频能量发射装置的工作流程框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。实施例I :如图I、图2、图3所示的传感器网络节点的无线供电传输系统，包括射频能量发射装置I和在100米范围内由多个微功耗传感器2构成的传感器网络3 (传感器网络3是一个类似于球面的区域，每个微功耗传感器2在其中随机分布);其中，射频能量发射装置I包括MCU控制模块13，与MCU控制模块13输入端连接的能量需求采集模块11，与MCU控制模块13输出端连接的发射功率控制模块14、发射角度控制模块17和发射时间控制模块18，与发射功率控制模块14输出端连接的电能转换模块16，与电能转换模块16输出端、发射角度控制模块17输出端和发射时间控制模块18输出端连接的发射模块19 ；MCU 控制模块13内含有数据存储模块12，发射模块19采用天线将射频能发射出去，该天线采用 机电控制原理下的多自由度旋转集束定向天线，多自由度旋转集束定向天线可以根据发射角度控制模块17的控制旋转。微功耗传感器2包括能量接收转换模块21、与能量接收转换模块21连接的数据获取处理模块22和数据发射模块23，数据获取处理模块22和数据发射模块23通过能量接收转换模块21获得电能。如图4所示，采用上述传感器网络节点的无线供电传输系统进行无线供电的方法，包括如下步骤I)信息采集与发送射频能量发射装置I中的能量需求采集模块11通过人工输入方式采集传感器网络3中的每个微功耗传感器2的电能需求(即微功耗传感器2需要的工作电压)、位置信息(即微功耗传感器2与射频能量发射装置I之间的距离以及角度)和供电时间需求(即微功耗传感器2什么时候需要工作)，并将这些信息发送给MCU控制模块13 ；2)信息处理:MCU控制模块13对该信息进行计算、分析，为传感器网络3中的每个微功耗传感器2分配能量发射功率、能量发射角度、无线供电时间和分时供电间隔，确定供电顺序；3)根据信息处理结果进行无线供电控制并发射能量:MCU控制模块13驱动发射功率控制模块14按照分配的能量发射功率控制电能转换模块16将输入的电能转换为射频能，送入发射模块19，同时，MCU控制模块13驱动发射角度控制模块17和发射时间控制模块18按照分配的能量发射角度和无线供电时间、分时供电间隔控制发射模块19按照供电顺序逐一向传感器网络3中的微功耗传感器2定向、分时、循环发射射频能；4)接收能量并将其转换为电能微功耗传感器2的能量接收转换模块21接收射频能，并将其转换为微功耗传感器2的电能。实施例2 :本实施例中发射模块19采用的天线为自适应天线阵列，射频能量发射装置I中的能量需求采集模块11通过无线通讯方式采集传感器网络3中的每个微功耗传感器2的电能需求、位置信息和供电时间需求(其中，微功耗传感器初始化时具有供无线通讯的电能)，射频能量发射装置I中的其它部分和无线供电方法中的其它步骤与实施例I相同。虽然以上描述了本实用新型的具体实施例，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范 围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所做的等效的修饰以及变化，都涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。
权利要求1.一种传感器网络节点的无线供电传输系统，包括射频能量发射装置(I)和由多个微功耗传感器(2)构成的传感器网络(3)，其特征是 所述射频能量发射装置(I)包括MCU控制模块(13)，与MCU控制模块输入端连接的能量需求采集模块(11)，与MCU控制模块输出端连接的发射功率控制模块(14)、发射角度控制模块(17)和发射时间控制模块(18)，与发射功率控制模块输出端连接的电能转换模块(16)，与电能转换模块输出端、发射角度控制模块输出端和发射时间控制模块输出端连接的发射模块(19); 所述微功耗传感器(2 )包括能量接收转换模块(21)、与能量接收转换模块连接的数据获取处理模块(22)和数据发射模块(23)。
2.根据权利要求I所述的传感器网络节点的无线供电传输系统，其特征是所述发射模块(19)采用天线将射频能发射出去，所述天线采用自适应天线阵列或多自由度旋转的集束定向天线。
专利摘要本实用新型公开了一种传感器网络节点的无线供电传输系统，包括射频能量发射装置和由多个微功耗传感器构成的传感器网络，所述射频能量发射装置包括MCU控制模块，与MCU控制模块输入端连接的能量需求采集模块，与MCU控制模块输出端连接的发射功率控制模块、发射角度控制模块和发射时间控制模块，与发射功率控制模块输出端连接的电能转换模块，与电能转换模块输出端、发射角度控制模块输出端和发射时间控制模块输出端连接的发射模块；所述微功耗传感器包括能量接收转换模块、与能量接收转换模块连接的数据获取处理模块和数据发射模块。该无线供电传输系统提高了电能转换效率，节省了电能。
文档编号H02J17/00GK202524174SQ20122018872
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者周长春, 尹小庆, 张泽元 申请人:重庆大学