本发明涉及无线传感器网络的技术领域，尤其是涉及一种磁共振式无线充电传感器网络节点设计方法。
背景技术：
无线能量传输技术最早可以追朔于20世纪初，被誉为“无线能量传输之父”的工程师尼古拉·特斯拉所构思和试验远距离大范围电场下实现能量转移，但由于能量转移效率欠佳和实验设备的限制并没有实验出来，而他的设想为后人钻研无线能量传输技术提供了巨大的构想空间。在现有的国内外文献中，无线能量传输的方式可以按不同的工作机理分为电磁感应式、电场耦合式、微波辐射式。而这些方式往往伴随着能量的变换，通常表现为以电磁波的方式产生一个交变的电磁场，再从这个交变的电磁场中获取能量。能量传输根据交变电磁场距离场源的远近，可划分出利用近场传输和利用远场传输，其中电磁感应式以及磁共振式是利用近场传输，微波辐射则利用远场传输。
电磁感应式无线能量传输技术目前已经是一项在全球范围内较为成熟的技术，该技术主要是通过发射线圈中有电流通过，而接收线圈通过电磁感应形式获取能量。电磁感应无线充电技术可将线圈做得很小，近距离转换效率高，特别适合便携式产品开发，但传输距离短、不能实现一对多充电、充电线圈要精确对齐、发热严重等缺点。
电场耦合式无线能量传输技术由两极金属平板电容组成，分为发射极板和接收极板，通过交互电场的耦合作用传输能量。该技术由于使用的是电容极板，两极板传输过程中无须准确平行，位置较为自由，电容极板较薄，其温升较小，克服了电磁感应式无线能量传输的一些缺陷，但由于在接收极板上产生位移电流，影响人体健康。
微波辐射式无线能量传输技术本质是利用发射装置发射出特定方向和强度的电磁波，接收装置运用整流天线技术获取能量。但是就目前来说效率还是太低，而且结合的学科较多，融合的技术较为复杂，微波辐射式无线能量传输技术目前还处于发展阶段。
所以，如何设计出来一种传输技术利用的近电场对人体没有危害，不像微波辐射式这种强电磁波可能对人体造成危害，更不像电场耦合式出现电流容易对人造成触电危害，是本领域技术人员研究的方向。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种磁共振式无线充电传感器网络节点设计方法，利用e类逆变电路和e类等效电路搭建出能量发射模块和能量接收模块，接着利用核心芯片cc2530完成对逆变电路的控制和无线传感器网络节点的功能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种磁共振式无线充电传感器网络节点设计方法，节点包括磁共振式无线充电装置和无线传感器网络构架，所述磁共振式无线充电装置分为能量发射模块和能量接收模块，所述能量发射模块包括24v直流电源模块、稳压模块、mos管驱动模块和e类逆变电路；所述能量接收模块，由接收线圈经磁共振获取能量后经e类整流电路得到直流电输出，给采集节点充电，该能量接收模块包括e类整流电路，所述24v直流电源模块与稳压模块和e类逆变器电路连接，所述稳压模块、mos管驱动模块e类逆变电路顺序连接，所述e类逆变电路和e类整流电路之间通过发射线圈和接收线圈电连接，所述发射线圈和接收线圈以磁共振的方式传输电能；工作时，220v工频交流电经过24v直流电源模块中的适配器转换成直流电，再经过由协调器控制的e类逆变电路，在发射线圈上产生交流电，接收线圈通过磁共振的方式获取能量再经过e类整流电路给采集节点供电，稳压模块将24v直流电转换成5v直流电给hmi屏幕模块和mos管驱动模块供电；而无线传感器网络分为协调器和采集节点，两者均使用zigbee无线通讯模块，协调器用于控制mos管驱动模块、接收采集节点采集的信息并在串口hmi屏幕上显示，采集节点用于向协调器传达节点采集信息。
作为优选的技术方案，所述发射线圈和接收线圈采用垂直螺旋型线圈。
作为优选的技术方案，所述能量发射模块首先经过ac/dc适配器将工频电压220v交流电转换为24v直流电，经自锁开关，再给电路供电；当自锁开关开启时，稳压模块将24v直流电转换为5v直流电，稳压模块上的灯变亮说明电路处于工作状态，并给mos管驱动模块和hmi屏幕供电；而协调器产生的方波传输给mos管驱动模块的芯片，mos管驱动模块将信号放大变成n沟道mos管需要的开关信号，mos管的通断使得e类逆变电路将24v直流电转成交流电，由发射线圈将能量传输给接收线圈。
作为优选的技术方案，所述24v直流电源供电使用24v适配器，该24v适配器选用2410型号；所述稳压模块采用lm2596稳压模块；
协调器是选用了一个cc2530模块，该模块与采集节点进行组网，通过点对点的形式收发信息。
作为优选的技术方案，所述e类逆变电路包括：mosfet、直流电源vcc、扼流电感l1、谐振电感l2、电容c1、电容c2和电阻rl，直流电源vcc为整个e类逆变电路供电，扼流电感l1设置在直流电源vcc和mosfet之间，mosfet又与电容c1和电阻rl并联，谐振电感l2和电容c2，并联；l1用于抑制直流电源间的纹波，故选择足够大的扼流电感，供给稳定的电流，l2为串联谐振电感与c2构成一对lc谐振网络，是电路能否发生谐振的关键所在，同时该谐振网络还兼有滤波功能，利用电容和电感的储能特征，将电能与磁能互相转换，mosfet通过反馈机制将逐渐衰减的信号放大回去，c1是模拟mosfet的等效电容，而mosfet通常集成了续流二极管。
作为优选的技术方案，所述e类逆变电路的工作过程如下：
当mosfet处于关断状态时，mosfet无电流通过，此时电流转而流向mosfet并联的c1等效电容，c1开始充电,两端电压由零逐渐增大到达峰值，符合i1＝ic+i2；电容充满电后开始放电，即ic反向增大，负载电流开始逐渐增大，此时满足i2＝i1+ic，电容放电过程中电压逐渐减少，当降为零时，mosfet开始转换状态，mosfet反向并联的二极管起到续流作用；
当mosfet管处于导通状况时，二极管的钳位作用使得mosfet的漏源极间电压一直维持在零电压，开关管近似看作零电压导通，电流i2由原本的方向逐渐减少，开关管通过的电流不停增大，直到开关管电流is＝i1；当电流i2开始过零并且反向增大的时候，只是满足is＝i1+i2,到达某一时刻i2增大到最大值，即开关管承受最大电流；电流i2开始逐渐降落，is也开始逐渐下降直到等于零，mosfet管又开始转换状态；
开关关断时，c1、l2、c2、rl组成谐振回路，电容c1先充电再放电，l1释放能量起到了维持谐振状态的作用，开关在电压为零时导通，实现了zvs，电流i2经历了从零开始正向逐渐增大再逐渐减小至零的过程；
开关导通时，l2、c2、rl组成谐振回路，在这半个周期内mosfet漏源极间电压一直保持为零，电流i2经历了从零开始反向逐渐增大再逐渐减小至零的过程。
作为优选的技术方案，所述mos管驱动模块选用双路mos管驱动芯片ucc27425，供电电压为4v到15v,最大4a的驱动能力，ttl/cmos兼容输入，内置两个使能引脚enba和enbb。
作为优选的技术方案，所述e类整流电路包括电容c1、一个快速恢复二极管d1、电容c2、电感l1、电容c3以及电感rl，l1和c3组成的是滤波电路也就是常用的l形低通滤波器，交流电源模拟接收线圈感应产生交流电，c1起到了补偿电容，起到了谐振和提高效率的作用，当d1截止关断时，交流电正半轴上的电压经过滤波电路给负载rl提供直流电，当d1导通时，将交流电负半轴上的电压翻转到正半轴上，rl仍然或者方向不变的电压，而c2是d1的等效电容，这个电容的值直接影响d1是否工作在软开关状态。
作为优选的技术方案，所述zigbee无线通讯模块选用cc2530的zigbee通讯模块，该模块由cc2530芯片和外围电路组成，外围电路包括rf射频部分、32.768khz外部晶振电路、32.768khz、时钟源、去耦电路以及锂电池充电管理电路；所述rf射频部分通过电容c21、c23和电感l3、l4来优化不平衡天线，并且满足天线匹配阻抗50欧姆的要求；32.768khz外部晶振电路由电容c24、c25和振荡器y2组成，为系统提供一个精确稳定的时钟信号；32mhz外部晶振电路由电容c26、c27和振荡器y1组成，用于rf收发器或是为主系统提供时钟源；去耦电路由电容c28为1.8v稳压器运行时提供去耦作用；锂电池充电管理电路是以tp4056为核心。
作为优选的技术方案，所述采集节点由cc2530模块和温度采集传感器ds18b20构成，负责通过zigbee通讯方式向协调器传递温度数值；
hmi屏幕显示模块选用tjc4024k032_011r，通过单片机封装好hmi底层功能后，经过串口通讯的形式与单片机进行交互，单片机通过串口指令控制屏幕的显示状况。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明利用e类逆变电路和e类等效电路搭建出能量发射模块和能量接收模块，接着利用核心芯片cc2530完成对逆变电路的控制和无线传感器网络节点的功能，将电路控制和传感器信息的采集、传输和显示于一体，避免了过于复杂的电路，搭建出简洁有效的装置。
2、本发明设计搭建出良好的人机界面，使用者可以更加简单地获取传感器采集信息，并添加一些人性化的功能，完善了操作界面。
3、本发明通过一些测试验证了磁共振式无线能量传输的一些特点，并实现整个设计的功能，磁共振式无线充电传感器网络有望使用在一些中短距离的场所，例如智能家居领域、医疗等领域。
附图说明
图1是本发明无线传感器网络节点的电路原理图；
图2是本发明e类逆变电路的原理图；
图3是本发明mos管驱动电路图；
图4是本发明e类整流电路的原理图；
图5是本发明整体仿真原理图；
图6是本发明电路仿真结果图；
图7是本发明cc2530芯片及外围电路的原理图；
图8是本发明tp4056引脚图；
图9是本发明ds18b20传感器电路图；
图10是本发明zigbee协议栈的工作流程图；
图11是本发明协调器工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例一种磁共振式无线充电传感器网络节点设计方法，节点包括磁共振式无线充电装置和无线传感器网络构架，所述磁共振式无线充电装置分为能量发射模块和能量接收模块，所述能量发射模块包括24v直流电源模块、稳压模块、mos管驱动模块和e类逆变电路；所述能量接收模块，由接收线圈经磁共振获取能量后经e类整流电路得到直流电输出，给采集节点充电，该能量接收模块包括e类整流电路，所述24v直流电源模块与稳压模块和e类逆变器电路连接，所述稳压模块、mos管驱动模块e类逆变电路顺序连接，所述e类逆变电路和e类整流电路之间通过发射线圈和接收线圈电连接，所述发射线圈和接收线圈以磁共振的方式传输电能；工作时，220v工频交流电经过24v直流电源模块中的适配器转换成直流电，再经过由协调器控制的e类逆变电路，在发射线圈上产生交流电，接收线圈通过磁共振的方式获取能量再经过e类整流电路给采集节点供电，稳压模块将24v直流电转换成5v直流电给hmi屏幕和mos管驱动模块供电；而无线传感器网络分为协调器和采集节点，两者均使用zigbee无线通讯模块，协调器用于控制mos管驱动模块、接收采集节点采集的信息并在串口hmi屏幕上显示，采集节点用于向协调器传达节点采集信息。
磁共振式无线能量传输系统的效率与线圈的互感系数m有密切联系，磁共振式无线能量传输技术传输线圈的设计至关重要，线圈间的耦合系数、品质因数、内阻、分布电容等各项参数的设计对无线传输系统的传输距离、传输功率、传输效率有决定性的作用。
本实施例发射线圈和接收线圈将使用垂直螺旋型线圈，垂直型螺旋线圈每单位体积绕线所产生的磁场较大，磁场自轴心线处沿半径方向逐步减小，螺旋型轴心线处磁场强度最强，能量传输较为集中。磁共振式无线能量传输系统在实际使用中传输线圈之间往往存在不对准，或者说两线圈方向不一致的情况，垂直型螺旋线圈则能大大提高了传输线圈位置对齐的容错性。
能量发射模块首先经过ac/dc适配器将工频电压220v交流电转换为24v直流电，经自锁开关，再给电路供电。当自锁开关开启时，lm2596稳压模块将24v直流电转换为5v直流电，该模块上的灯变亮说明电路处于工作状态，并给mos管驱动芯片和hmi屏幕供电。而协调器产生1mhz的方波给mos管驱动芯片，mos管驱动电路将信号放大变成n沟道mos管需要的开关信号，mos管的通断使得e类逆变电路将24v直流电转成1mhz交流电，由发射线圈将能量传输给接收线圈。
电源供电是使用24v适配器，本实施例我选用的是型号为2410的24v适配器，该适配器的输入范围是100v-240v,工作频率是50/60hz，输出是24v，可承受的电流为1a。可见这是一种具有较高输入范围的适配器，避免因电压波动对后续电路造成危害。同时该适配器获得ce和ccc的认证，说明该适配器符合国家标准，对安全特低电压(selv)电路有一定的隔离和保护功能，防止因误操作等人为因素造成的电路故障、触电等事故，保证用电安全，降低后续电路的风险。而一般的n沟道mos管能承受的电压范围是电源电压的2-3倍，因本实施例旨在设计出简洁有效的无线充电装置，所以并没有选择较高电压和较高功率的适配器，降低对后续器件的选型要求，防止出现发热严重的状况。
稳压模块是使用lm2596可调降压模块，该模块的输入电压最高可达40v,输出1.5v至35v连续可调，最大输出电流为3a。该模块具有输出线性好且负载可调的特点，方便在设计过程中进行调试，符合5v稳压供电的设计要求，同时具备过热保护和限流保护功能，降低其他元器件的风险。
如图2所示的e类逆变电路，该电路的功率器件只有一个并且工作在软开关状态，所谓的软开关状态就是在零电压下功率器件导通(或关断)，在零电流下功率器件关断(或导通)，实现零电压开关(zvs)。与此同时，功率器件在导通瞬间电压为零，关闭瞬间电压也为零，在这期间电流一直为零，即不出现电流和电压的交叠状况，这将大大降低损耗。更进一步，开关管开通时，mosfet恰好谐振到零并且维持一小段时间等于零，即其导数为零，内部的续流二极管不参与导通，可以认为实现了零电压导数开关(zds)，由于开关管内阻小，近似的认为mosfet内部损耗为零,转换效率达到100％。
图2中，vcc为直流源供电给整个电路；l1为扼流电感，l2为谐振电感，他们的作用有所不同，l1主要是起到抑制直流电源间的纹波，所以要选择足够大的扼流电感，供给稳定的电流，l2为串联谐振电感与c2构成一对lc谐振网络，是电路能否发生谐振的关键所在，同时该网络还兼有滤波功能，是负载上得到的近似等于正弦波的交流电。利用电容和电感的储能特征，将电能与磁能互相转换，两种能量都有最大最小值，即为振荡，当这种振荡不会衰减并维持在一定频率时则产生谐振，在这个能量转换的过程中必然伴同着能量的损失和外漏。而磁共振无线能量传输系统这种工作在高频状况下达到mhz的电路往往需要mosfet这种功率放大器件通过反馈机制将逐渐衰减的信号放大回去。c1是模拟mosfet的等效电容，而mosfet通常集成了续流二极管，不像三级管那样需要外加。
下面对e类逆变电路的基本工作过程进行阐述，当mosfet处于关断状态时，mosfet无电流通过，此时电流转而流向mosfet并联的c1等效电容，c1开始充电,两端电压由零逐渐增大到达峰值，电流流向如图2所示，符合i1＝ic+i2。电容充满电后开始放电，即ic反向增大，负载电流开始逐渐增大，此时满足i2＝i1+ic，电容放电过程中电压逐渐减少，当降为零时，mosfet开始转换状态，mosfet反向并联的二极管起到续流作用。
当mosfet管处于导通状况时，二极管的钳位作用使得mosfet的漏源极间电压一直维持在零电压，开关管近似看作零电压导通，电流i2由原本的的方向逐渐减少，开关管通过的电流不停增大，直到开关管电流is＝i1。当电流i2开始过零并且反向增大的时候，只是满足is＝i1+i2,到达某一时刻i2增大到最大值，即开关管承受最大电流。电流i2开始逐渐降落，is也开始逐渐下降直到等于零，mosfet管又开始转换状态。
开关关断时，c1、l2、c2、rl组成谐振回路，电容c1先充电再放电，l1释放能量起到了维持谐振状态的作用，开关在电压为零时导通，实现了zvs，电流i2经历了从零开始正向逐渐增大再逐渐减小至零的过程。开关导通时，l2、c2、rl组成谐振回路，在这半个周期内mosfet漏源极间电压一直保持为零，电流i2经历了从零开始反向逐渐增大再逐渐减小至零的过程。
通过合理的电路设计，e类逆变电路mosfet管工作在高频开关状态下，一个周期内电流i2接近于正弦波，可以让电路在一定范围内工作在电阻性，负载电阻除外的电路作为磁共振式无线能量传输系统的发射模块，但是负载电阻不能发生变化太大，它是控制和调节谐振峰值的关键器件，否则将使得输出正弦波幅值变化太大，电路失去谐振。此外在工程上还用品质因素q作为一个分析和比较谐振电路。
当mosfet断开时，定义c1、l2、c2、rl组成谐振回路的频率和品质因素是：
同理当mosfet导通时，l2、c2、rl组成谐振回路的频率和品质因素是：
由式(1.1)和(1.2)可知，两谐振回路品质因数的关系是：
从上面三条公式可以看出品质因数与谐振频率、电感l2、负载rl有莫大的关系，我们在追求高品质因数可以减少谐波分量，但是电感和负载的损耗会更高，再者要保持关闭和导通时的频率相符，在选择mosfet的时候有必要考量极间电容的值，恰当地并联电容。
综合上面的分析，在设计磁共振式无线充电系统时，选用较高的谐振频率可以减少电感和电容的功率损耗，提升品质因数，可是过高的频率也会导致工作效率的降低，下面将以1mhz谐振频率、占空比为0.5设计电路，避免因为不正确的占空比而导致开关工作在硬开关状态下，同时也降低对mosfet的要求。
mos管即为集成电路中不导电性场效应管。它是metal(金属)—oxid(氧化物)—semiconductor(半导体)场效应晶体管，本实施例主要用到的是增强型n沟道mos管。
该设计选用了mos管而不是三极管主要原因是mos管比三极管的功耗低。mos管导通电阻较小了，导通压降小，栅极驱动属于电压型，用于高频控制的电路，自身拥有二极管保护，有很好的热阻特性，在大电流场合表现较好。
本实施例选用apt公司的n沟道射频功率mos管arf466ag,该mos管工作电压可达200v,工作频率可达45mhz，输出功率为300w，具有很高的耐击穿强度，可靠性高，效率可达75％，同时具有低热阻的优点。缺点是体积较大，需要一定空间散热，价格较高。
另一种常用的mos管irf840体积较小，较为便宜，最高耐压500v,导通电流为8a。由于本实施例是在24v直流供电，适配器上的输出电流为1a，属于小功率充电系统，
本实施例选用了ti公司的双路mos管驱动芯片ucc27425,供电电压为4v到15v,最大能有4a的驱动能力，ttl/cmos兼容输入，内置两个使能引脚enba和enbb使设计和编程更加灵活，开通关断和传输延迟时间比较短，价格较为便宜，电路如图3所示。
由于本实施例的cc2530单片机i/o口是3.3v输出，驱动电流过小，mos管无法正常工作，而mos管驱动电路实际上是将单片机产生的pwm方波信号，放大到mos管能辨认的ttl电平信号，这就要求驱动芯片较短的上升时间和下降时间，同时兼顾隔离功能以免控制芯片被反向电流烧坏。ucc27425正符合上述要求，直插式的封装使得更换更加方便。由于ucc27425数据手册里面的逻辑表中讲到两个使能引脚不能悬空，所以这两个引脚都连接5v，电容c9起到滤除纹波的作用，电阻r1避免mos管因静电导通而耗损，一般选取的阻值为10k。
能量接收模块由接收线圈经磁共振获取能量后经e类整流电路得到直流电输出，给采集节点充电。e类整流电路由一个快速恢复二极管构成，实际上是利用二极管的等效电容进行充放电，与e类逆变电路相似，工作在软开关状态，电路原理如图4所示。由图4可以知道l1和c3组成的是滤波电路也就是常用的l形低通滤波器。交流电源模拟接收线圈感应产生交流电，c1起到了补偿电容，起到了谐振和提高效率的作用。当d1截止关断时，交流电正半轴上的电压经过滤波电路给负载rl提供直流电,当d1导通时，实际上是将交流电负半轴上的电压翻转到正半轴上，rl仍然或者方向不变的电压，而c2是d1的等效电容，这个电容的值直接影响d1是否工作在软开关状态。
本实施例还进行了磁共振式无线能量传输整体仿真实验，具体如下：首先需要确定传输线圈的参数，本实施例的发射线圈和接收线圈都是10匝直径2mm,线圈半径10cm的垂直螺旋型线圈，使用ansysmaxwell软件进行建模并求解线圈中的参数。
传输线圈的模型是选择软件自带的模型修改成本实施例的参数而形成的，但是需要对线圈进行首尾相接以保证电流有回路，线圈材料选择铜(copper)，两线圈距离为8cm，然后需要将线圈设置在静态场(magnetostatic)进行求解，并且添加电流激励、求解域、矩阵、迭代次数和步长，最后运行仿真得到发射线圈l11的自感为0.0339mh，接收线圈l22自感为0.03394mh，互感l12为0.00638mh。
接着根据文献对e类逆变电路添加数值分别为430pf和300pf的谐振网络c1和c2，在e类整流电路中添加数值为800pf的谐振补偿网络和l形滤波电路，使用psim软件仿真，图5整体仿真原理图，图6为电路仿真结果。
由电路仿真结果可以看到v2为方波信号发生器vsq1产生的方波波形，频率为1mhz，占空比为0.5，可以明显看到当频率较高时，开关信号的上升时间和下降时间不能忽略，这也符合实际器件的波形状况。v1为mos管两端的波形、i1为mos管的导通电流波形，可以看到mos管近似的在零电压时关断和导通，电流和电压交叠的波形较小，开关管近似工作在软开关状态，实现zvs。v3是接收线圈得到近似于正弦波的电压波形，v4得到4.76v的直流电压，说明整个电路完成了24v直流电通过逆变电路在发射线圈两端产生交流电，接收线圈通过耦合获得交流电在通过整流电路得到了接近5v的可用直流电。
为了更加直观的反映磁共振无线能量的传输过程，本实施例还使用了ansyssimplorer与ansysmaxwell进行联合仿真。联合仿真需要将整体电路图重新在simplorer里面绘制，然后将maxwell里面的线圈改成瞬态场求解，使用外部激励并添加进simplorer中，最后在simplorer里面输入与maxwell相应的步长就可以运行得出结果。
本实施例选用的无线传感器网络模块是使用了zigbee短距离通讯技术，该技术具有低功耗、低成本、灵活性强的特点，能在短时间内将各个节点通过自组网的方式搭建一个通讯桥梁，使各个节点信息交互畅通无阻。下面将首先介绍模块的功能，然后再讲，协调器和采集节点的具体设计。
本实施例选用的是网蜂科技制作的zigbee开发平台，实物部分是以目前较为主流和成熟的ti公司cc2530芯片为核心的模块，编程平台是iar，协议栈是z-stack2007pro，该模块分为cc2530核心板和功能底板，核心板使用了2.4g全向天线，传输距离可达250米，而功能底板有锂电池充电电路、稳压模块、按键、各种接口、led指示灯等，核心板和功能底板是可以拼接的，底板上引出了cc2530的i/o口。
cc2530芯片实质上是一款集成了工业增强型8051mcu、rf收发器、256kbflashrom和8kbram的单片机，具有高性能、低功耗、高接收灵敏度、抗干扰性强的特点。同时它具有强大的外围设备：21个通用i/o口，i/o口上可以配置为通用数字i/o口或者外设i/o口，8路输入并且可以配置为12位adc，可配置为3个定时器(2个8位、1个16位通用定时器)或者2个usart；5通道dma功能；硬件支持csma/ca；支持接收信号强度指示器(rssi)和链路质量指示(lqi)；具有电池监视器和温度传感器功能；收发电流损耗小仅有24ma和29ma，符合低功耗场景使用，尤其实在无线传感器网络上，芯片及外围电路如图7所示。
由图7可以看出rf射频部分通过电容c21、c23和电感l3、l4来优化不平衡天线，并且满足天线匹配阻抗50欧姆的要求。在该电路中，由电容c24、c25和振荡器y2组成的32.768khz外部晶振电路，为系统提供一个精确稳定的时钟信号；由电容c26、c27和振荡器y1组成的32mhz外部晶振电路，用于rf收发器或是为主系统提供时钟源，而电容c28为1.8v稳压器运行时提供去耦作用。
该模块里面的锂电池充电管理电路是以tp4056为核心制作的，芯片引脚图如8所示。该芯片特别适合给单节锂电池提供恒电流、恒电压充电，集成度较高，外围电路简单，具有欠压保护、电池温度检测、自动再充电、故障输出的功能。
当电源输入电压大于电源低电压检测阀值而且引脚8接高电平时，tp4056开始对电池充电，此时引脚7输出低电平，若是低于涓流充电门限3v时，芯片会对电池进行小电流充电，慢慢恢复电池。一般情况下电池电压超过3v,芯片采用衡流模式进行充电，充电电流取决于引脚2外接电阻，这里选用4k电阻对应的是300ma的充电电流，当电池电压靠近4.2v时，采用恒压模式充电，充电周期结束时引脚6输出低电平。
该模块使用了ht7533作为获取3.3v电压的转换芯片，该芯片只有三个引脚分别是输入、输出、电源地，只需在输入和输出脚接滤波电容即可，该芯片最高能承受24v输入电压，输出能达到100ma，较宽的输入电压能够很好的保护好电路，防止接收端整流电压过大而烧坏模块。
cc2530片上嵌入了一个基于ieee802.15.4/zigbee协议栈的操作系统，该操作系统是通过抽象层的osal协议栈程序进行调度。通俗的讲cc2530的zigbee协议栈是将ieee802.15.4定义了phy(物理层)和mac(介质访问层)，与zigbee联盟定义了nwk(网络层)、aps(应用程序支持子层)、apl(应用层)都集合在一起，以函数形式呈现，用户只需关心应用层的函数，对应用层进行改动即可实通讯，无须关注底层的代码。
协调器的作用类似于中转基站，是连接各个采集节点和上位机的桥梁，同时它也是组建网络者负责传输和储存节点信息。本实施例的协调器是选用了一个cc2530模块，该模块与采集节点进行组网，通过点对点的形式收发信息。
协调器在引脚p1.0上产生1mhz方波给mos管驱动动芯片ucc27425的输入引脚ina，并与该芯片共地；引脚p0.2(rx)和引脚p0.3(tx)连接hmi串口显示屛的tx和rx实现串口通讯，协调器将采集节点采集到的传感器信息发送到串口屏幕上显示。
本实施例采集节点由cc2530模块和温度采集传感器ds18b20构成，负责通过zigbee通讯方式向协调器传递温度数值。采集节电的引脚p0.6连接ds18b20的dq端，模块为传感器提供3.3v电压，并且与单片机共地，传感器电路如图9所示。
ds18b20可以与单片机进行单总线双向通讯，r1为上拉电阻使传感器在空闲时候保持高电平，它能测量的温度范围为-55摄氏度到+125摄氏度，而且精度较高，可对分辨率进行编程。
hmi(humanmachineinterface)，也称人机界面，它是用户和系统进行信息交互的媒介。本实施例采用的串口hmi屏幕型号是tjc4024k032_011r,是一款电阻触摸式屏幕，该屏幕的像素是400×240，工作电压为5v，如果工作电压不足5v,触摸屏幕将会失灵，所以需要lm2596给屏幕提供一个稳定的5v电压。
该屏幕实际上是通过单片机封装好hmi底层功能后，经过串口通讯的形式与单片机进行交互，单片机可以通过串口指令控制屏幕的显示状况。该屏幕最大的好处是集成度高，对外围电路没有过分要求，界面显示是屏幕内部实现，单片机只是通过简单的指令就可以实现控制，无须通过控制屏幕上的点阵进行图片显示，大大减少对单片机内存的占用，同时提升了屏幕显示速度。该屏幕还配套上位软件，是一款面向对象编程的软件，类似于vb的操作风格，大大减少了开发周期，缺点就是比较贵，而且电阻触摸屛长期使用容易出现触摸不灵的状况，如果出现裂屛现象，屏幕就无法使用，触摸时需要一定的压力没有像电容式触摸屛触感好。
本实施例串口hmi屏幕可以实现的功能：开机动画；采样温度显示，掉电保存温度上限和下限值；充电状态显示；显示和设置rtc时钟；设置和保存屏幕亮度值；睡眠模式和触摸唤醒。
本实施例从总体上提出磁共振式无线充电传感器网络节点的框架，再具体介绍和分析各个模块的功能；各功能模块通过与常用方案的对比，分析它们的优缺点，对硬件设计的要点进行验证，为各个模块的选型提供依据。根据设计方案的详细介绍给出各个模块关键的芯片选型和参数特点，并说明其原理设计外围电路，阐述了模块间的关系，并通过仿真验证了相关电路的可行性，设计出一款简洁有效的无线充电传感器网络节点。
对于本发明传感器节点的软件设计，前面已经提到cc2530软件开发环境是iar，它是一款完全兼容c语言，针对不同的芯片高效可靠的完成程序的编译，同时他具有仿真和调试的功能，使用起来非常方便。本发明将在iar开发环境下对无线传感器网络节点进行代码编写，选用的是ti公司基于zigbee2007的协议栈z-stack-cc2530-2.3.0，打开软件可以在工作空间看到整个协议栈的结构。
zigbee协议栈的工作流程：首先进行硬件检测和对芯片进行初始化，以确保系统能够正常工作；接着进行操作系统抽象层osal的初始化；然后执行osal实现任务轮询。
在这里需要关注两个函数osal初始化函数osal_init_system()和osal执行函数osal_start_system()。在osal_init_system()函数里有6个初始化函数分别是初始化内存系统函数osal_mem_init()、初始化消息队列osal_qhead＝null、初始化时钟函数osaltimerinit()、初始化电源管理函数osal_pwrmgr_init()、初始化系统任务函数osalinittasks()、初始化堆栈osal_mem_kick()。其中与用户息息相关的是osalinittasks()函数。
任务id号从0开始每初始化一个函数执行自增，共6个函数被初始化，这6个函数当中用户需要根据自己的硬件设备进行初始化，其中zdapp_init(taskid++)函数是用来组建网络、注册系统消息和zdo消息，最为关键的是sampleapp_init(taskid)函数，可以在工程目录里面的app文件夹sampleapp.c内看到这个，而app就是应用层，说明该函数是用户需要操作的函数，用户根据自己的硬件设备，将初始化配置写入该函数中。
在osal初始化完毕后，进入osal执行函数里面是一个osal_run_system()函数，该函数通过轮询方式实现多任务调度，在短时间内同时，当多个事件发生时，osal按照优先级分配给各个事件处理函数，如果没有事件登记发生，系统就进入睡眠状态，永远不会返回到主函数中。
在轮询机制中判断获取最高优先级的任务号然后进入临界区，实际上是中断暂停，然后提取事件，找到相应的处理事件，通过结构体tasksarr[idx]进行处理事件，在这个结构体中能够看到事件处理函数sampleapp_processevent()，它同样是在app文件夹sampleapp.c里面，用户可将事件处理程序写在这个函数里面。
zigbee协议栈具有很好的可读性，用户只需关心应用层里面的sampleapp.c，再进行一些配置即可对协议栈进行开发，整个zigbee协议栈的工作流程如图10所示。
本发明中协调器起到产生1mhz、占空比为0.5的pwm方波信号控制驱动mos管和接收采集节点温度信息并且完成上位机(屏幕)显示的功能，整个工作的流程如图11所示。
前面已经提到用户要进行外设配置的时候，需要进入sampleapp_init()函数进行编程，在这里我们需要进行两种配置，一种是pwm配置，产生合适的方波，另一种是串口配置，使屏幕能够与单片机进行通讯。
将p1.0做为普通i/o口输出，而pwm用到的是定时器1，并将其设置为最高优先级，由于需要工作在rf收发状态，因此系统时钟为32mhz，这个配置可以在主函数hal_board_init()看到。而本设计需要产生1mhz的pwm，在一个周期内选择合适的方式产生各占比50％的高低电平。这里选择的是正计数/倒计数的方式，即t1cc2与t1cc0进行比较，当等于t1cc0烧入的数值时，输出高电平；当等于t1cc2的数值时，输出低电平。
串口配置需要看mt_uartinit()函数，因为串口hmi屏幕默认波特率是9600，所以需要将该函数里面的mt_uart_default_baudrate定义成hal_uart_br_9600，关闭流控只使用tx/rx通讯，再选择使用usart0，即引脚p0.2(rx)和引脚p0.3(tx)。
串口配置完后需要进行串口发送处理，向上位机串口屏幕发送数据的时候需要加三个0xff的结束符，屏幕才能识别和使用数据，而图中发送的3条字符串意思是将控件t0里面的值改成转换后的字符型温度值，就可以将温度实时显示在屏幕上。
对于节点的采集，本发明为搭建一个简易的无线传感器网络使用了一个采集节点，采用了点播的方式发送给协调器，避免因为广播和组播造成的数据冗余，使信号传输更加稳定。
当判断发生了发送事件时，进行温度发送处理函数，而osal_start_timerex是将其设置为每隔5s发送温度。温度发送处理函数是将从ds18b20温度传感器采集到的值转为字符型发送，比整型更加节省空间。
完成所有代码后选择coodinatoreb,下载到协调器上；选择enddeviceeb，下载到采集节点上即可完成cc2530的软件设计。
本发明的上位机为串口hmi屏幕，该屏幕的配套开发软件是usarthmi，其中该软件最大特点是使用字符串指令，不但避免了繁琐的16进制指令，还提高了屏幕的刷新速度，同时控件属性的赋值支持简易的运算，提高了程序的可读性，抛弃繁琐的地址配置。
本发明的串口hmi屏幕以蓝色为主色调，展现出较强的科技感，上电时会有开机动画，具有充电显示、温度显示、设置三个功能，只需要点击相应图标即可进入各个功能界面。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。