具有振动能量回收功能的无线传感器及其数据传输方法与流程

本申请涉及传感器的领域，特别涉及利用能量回收功能降低功耗的无线传感器及其数据传输方法。

背景技术：

无线传感器结合了微型传感器技术、通信技术和集成电路技术等，能够对环境或对象进行实时监测、感知和信息采集，并具有远程传输的功能，无需布设连接线，降低了整个监测系统搭建的复杂程度和维护成本，在各个领域都有巨大的应用前景，得到了广泛关注和研究。然后，在绝大多数的应用场合，无线传感器都需要采用便携式电源供电。当电能耗尽后，如果不能及时更换电源，无线传感器就无法进行工作，可以说其工作寿命基本取决于电源的寿命，因而提高无线传感器的使用寿命是一个迫切需要解决的技术难题。

在电池容量一定的情况下，提高无线传感器的工作寿命无非有有这么两种方式：开源和节流。在开源方面，由于电池是无线传感器供电的主要手段，且寿命非常有限，通常几个月就需要更换，在实际应用中频繁更换电池不仅工作量大，而且成本也很高，基于此利用能量回收方式对便携式电源进行充电是一个不错的选择。与太阳能、热能等能量回收方式相比，机械振动能普遍存在，且具有不受环境因素（光照、温度等）变化的影响、易于被微机电系统集成等优势，成为目前主要的能量回收方式，将振动的机械能回收主要有三种方式：电磁式、静电式和压电式，而压电式因其具有较高的机电耦合性能，且无需外部供电、结构简单、不发热、无电磁干扰、寿命几乎无限，近年来得到了普遍的关注。

在节流方面，由于有源传感器发送器组合的功率需求可能达到100mw-250mw，即使通过能量回收方式对便携式电源进行充电，通常能量回收可产生的功率也仅为1mw-10mw，仍然不能满足无线传感器长期实时在线的能量需求，因而必须考虑进一步降低无线传感器的功耗。常见的一种方式就是采用定长时间唤醒的方式，例如每隔半小时进行一次唤醒，传送所需的采集数据后再次休眠，如此循环往复。但采用定长时间唤醒的方式依然存在以下两个问题：一是传感器会在设备状态明显良好的情况下传输数据，而监控系统常常只需要获取设备异常时的相关数据，因而耗费了大量不必要的能量；二是故障发生时刻的数据可能由于间断性传输的原因而错过，导致丢失了重要的有效数据。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种具有振动能量回收功能的无线传感器及其数据传输方法，至少能够部分的解决现有技术中存在的问题，为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种具有振动能量回收功能的无线传感器，包括机械模块和电路控制模块，机械模块同电路控制模块相连，所述的机械模块包括压电晶体和封装壳体，所述的电路控制模块包括能量回收单元、判断单元、控制单元、发射单元、电池单元和采样单元，压电晶体和能量回收单元的输入端连接，封装壳体和采样单元的输入端连接，能量回收单元的输出端同时连接电池单元和判断单元的输入端，电池单元的输出端同时连接判断单元、采样单元、控制单元和发射单元，判断单元和采样单元的输出端与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端连接发射单元的输入端。

更进一步地，所述的能量回收单元采用的是基于essh技术的接口电路，包括带电感的电子开关、全波整流电路、超级电容、稳压电路和极值检测电路，压电晶体分别与带电感的电子开关和极值检测电路的输入端连接，极值检测电路的输出端连接带电感的电子开关的控制输入端，带电感的电子开关的输出端依次通过全波整流电路、超级电容连接稳压电路的输入端。

更进一步地，所述的判断单元包括延迟比较器、恒值比较器和逻辑或门电路，延迟比较器包括延迟电路和第一比较电路，能量回收单元通过其稳压电路分别接入延迟电路和第一比较电路的输入端，延迟电路的输出端连接第一比较电路的另一输入端，恒值比较器包括电阻分压恒压源和第二比较电路，能量回收单元通过其稳压电路接入第二比较电路的输入端，电阻分压恒压源的输出端连接第二比较电路的另一输入端，第一和第二比较电路的输出端分别连接逻辑或门电路的输入端。

优选的，所述的控制单元由超低功耗armcortex-m4核的32位浮点处理器stm32l496rgt3构成的最小系统组成。

优选的，所述的电池单元是基于ltc4071和两个串联的可充电锂电池设计的可充电回路。

优选的，所述的发射单元采用的是基于安信可科技开发的esp-07swifi模块，该模块采用uart口进行数据传输，并支持标准的ieee802.11b/g/n协议，有完整的tcp/ip协议栈，并可以通过gpio口在睡眠/唤醒模式之间的快速切换。

优选的，所述的采样单元采用的是基于kionix公司的三轴数字加速度mems传感器设计的采集模块，通过spi总线进行控制和数据获取。

一种无线传感器的数据传输方法，其特征在于，包含上述的具有振动能量回收功能的无线传感器，且数据传输的步骤如下：

s1、将传感器安装到设备的指定位置；

s2、传感器正常工作，能量回收单元持续输出电能对电池单元进行充电，控制单元处于低功耗的深度睡眠模式，且采样单元和发射单元均不工作；

s3、实时进行第一比较电路和第二比较电路的判断，若第一比较电路获取的实时电压值ureal和延迟电路输出电压值unomal满足条件：ureal>nunomal，n为设定的参数，且n>1，则第一比较电路输出为高电平，否则输出低电平，若第二比较电路获取的实时电压值ureal和恒压源的基准值ubasic满足条件：ureal>ubasic，则第二比较电路输出为高电平，否则输出低电平；

s4、实时获取逻辑或门电路的输出值，若逻辑或门电路输出产生上升沿跳变，控制单元产生故障中断，将其从休眠状态唤醒，控制单元启动采样单元进行数据采集，并通过发射单元将数据传输出去，警示有故障产生，并对振动数据进行分析，此过程中不断检测逻辑或门电路输出，如果持续为高电平，将持续采样振动数据并传输；

s5、当逻辑或门电路的输出值为低电平时，控制单元停止采样和传输数据，回到正常的低功耗休眠状态。

优选的，上述n的取值为1.2~1.5。

本申请相比现有技术具有以下明显的优点：

1、只有当设备发生异常或故障时，才会触发数据记录和传输，大大提高数据传输的有效性；

2、相比定时唤醒的工作模式，不会丢失关键的数据信息，同时唤醒的总体时间更少，进一步降低了系统的功耗，提高了传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本申请的实施例的总体结构原理框图；

图2为图1中能量回收单元的结构原理框图；

图3为图1中判断单元的结构原理框图；

图4为图1中控制单元的结构原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，一种具有振动能量回收功能的无线传感器，包括机械模块和电路控制模块，机械模块同电路控制模块相连，机械模块包括压电晶体和封装壳体，电路控制模块包括能量回收单元、判断单元、控制单元、发射单元、电池单元和采样单元，压电晶体通过两根导线的软连接方式，将振动能转换为电能传递给能量回收单元，而封装壳体与采样单元则是通过螺钉固定的硬连接方式进行固定，这样刚性足够的机械结构可以将振动信号以较低的损失传递给采样单元，使其可以采集到有效可靠的振动数据信息，能量回收单元的输出端同时连接电池单元和判断单元的输入端，电池单元的输出端同时连接判断单元、采样单元、控制单元和发射单元，判断单元和采样单元的输出端与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端连接发射单元的输入端。

如图2所示，能量回收单元采用的是基于essh技术的接口电路，包括带电感的电子开关、全波整流电路、超级电容、稳压电路和极值检测电路，压电晶体分别与带电感的电子开关和极值检测电路的输入端连接，极值检测电路的输出端连接带电感的电子开关的控制输入端，带电感的电子开关的输出端依次通过全波整流电路、超级电容连接稳压电路的输入端。

该电路不仅与标准接口相比回收功率得到了极大的提升，同时克服了原有串联同步开关电感方法回收功率随负载变化而变化的缺点。压电晶体上的电压经过同比缩放的调理电路输入到极值检测电路中，检测到振动极值的方波信号控制带电感的电子开关，再通过全波整流电路、超级电容、稳压电路输出高质量的电能。

如图3所示，判断单元包括延迟比较器、恒值比较器和逻辑或门电路，延迟比较器包括延迟电路和第一比较电路，能量回收单元通过其稳压电路分别接入延迟电路和第一比较电路的输入端，延迟电路的输出端连接第一比较电路的另一输入端，恒值比较器包括电阻分压恒压源和第二比较电路，能量回收单元通过其稳压电路接入第二比较电路的输入端，电阻分压恒压源的输出端连接第二比较电路的另一输入端，恒压源的具体数值由出厂时设定好，第一和第二比较电路的输出端分别连接逻辑或门电路的输入端。从而该判断单元不仅可以通过和原有状态进行比较，也可以通过和固定状态进行比较，当任意一个比较条件满足时均可触发数据采样并传输数据。

如图4所示，优选的，所述的控制单元由超低功耗armcortex-m4核的32位浮点处理器stm32l496rgt3构成的最小系统组成，且电池单元采用的是基于ltc4071和两个串联的可充电锂电池设计的可充电回路。控制单元由电池单元对其进行供电，电池供电模式工作电流仅320na，处于关断模式时电流低至25na，可以通过与判断单元相连的管脚唤醒。该处理器具有丰富的外围接口，满足与其它单元间的连接，本发明中控制单元通过spi接口对采样单元进行控制和数据读写，通过uart接口对发射单元进行控制和数据读写，并且具有1mb的flash空间。

优选的，发射单元是基于安信可科技开发的esp-07swifi模块进行设计的，该模块通过简单易行的uart口进行数据传输，支持标准的ieee802.11b/g/n协议，有完整的tcp/ip协议栈，可以通过gpio口在睡眠/唤醒模式之间的快速切换，深度睡眠保持电流仅为10ua。

优选的，采样单元采用的是基于kionix公司的三轴数字加速度mems传感器设计的采集模块，该模块集成了2048字节缓冲、方向、点击/双击、活动检测和自由落体算法，并提供信号调节和智能用户可编程应用算法，通过spi总线进行控制和数据获取。

采用本申请的传感器的工作原理如下：

将无线传感器安装于动设备振动特征明显的外壳上，无线传感器的封装壳体与被测设备紧密接触。动设备运行时，会产生周期性压力作用于无线传感器的压电晶体上，压电晶体将振动信息及振动能量转化为电压信号和电能输出，能量回收单元将振动作用下产生的电能通过调理电路对电池单元进行充电，电池单元供判断单元、控制单元、发射单元和采样单元正常工作时使用。

在动设备正常工作时，振动量平稳且基本稳定，不会产生较为剧烈的振动，电路控制模块中的能量回收单元产生的电压值也处于正常水平，判断单元中第一比较电路获取的实时电压值ureal和延迟电路输出电压值unomal不会满足条件：ureal>nunomal，n为设定的参数，且n>1，n的取值优选为1.2~1.5。所以第一比较电路的输出值为低电平，此时第二比较电路获取的实时电压值ureal和恒压源的基准值ubasic一般不会也不会满足条件：ureal>ubasic，所以第二比较电路的输出值也为低电平，从而逻辑或门电路输出为低电平，即不产生故障中断信号。此时能量回收单元持续输出电能对电池单元进行充电，控制单元处于低功耗的深度睡眠模式，且采样单元和发射单元均不工作。

当动设备出现偏心、碰磨、喘振等异常状态时，振动强度明显增加，能量回收单元产生的电压峰值明显大于正常情况下的电压峰值，判断单元中的第一比较电路或第二比较电路只要有一个满足条件，就会触发逻辑或门电路输出产生上升沿跳变并持续保持为高电平。判断单元的输出端与控制单元的中断管脚相连，该上升沿触发了控制单元产生故障中断，将其从休眠状态唤醒，控制单元启动采样单元进行数据采集，并通过发射单元将数据传输出去，警示有故障产生，并对振动数据进行分析。此过程中判断单元将不断检测逻辑或门电路输出，如果持续为高电平，则说明振动状态始终是异常的，将持续采样振动数据并传输，在设备停机或者维修进行故障排除后，其判断单元输出信号又转变为低电平，控制单元停止采样和传输数据，回到正常的低功耗休眠状态。

采用本申请的传感器进行数据传输的步骤如下：

s1、将传感器安装到设备的指定位置；

s2、传感器正常工作，能量回收单元持续输出电能对电池单元进行充电，控制单元处于低功耗的深度睡眠模式，且采样单元和发射单元均不工作；

s3、实时进行第一比较电路和第二比较电路的判断，若第一比较电路获取的实时电压值ureal和延迟电路输出电压值unomal满足条件：ureal>nunomal，n为设定的参数，且n>1，则第一比较电路输出为高电平，否则输出低电平，若第二比较电路获取的实时电压值ureal和恒压源的基准值ubasic满足条件：ureal>ubasic，则第二比较电路输出为高电平，否则输出低电平；

s4、实时获取逻辑或门电路的输出值，若逻辑或门电路输出产生上升沿跳变，控制单元产生故障中断，将其从休眠状态唤醒，控制单元启动采样单元进行数据采集，并通过发射单元将数据传输出去，警示有故障产生，并对振动数据进行分析，此过程中不断检测逻辑或门电路输出，如果持续为高电平，将持续采样振动数据并传输；

s5、当逻辑或门电路的输出值为低电平时，控制单元停止采样和传输数据，回到正常的低功耗休眠状态。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。