一种无源负载监测方法及系统与流程

本发明涉及无源负载监测，更具体的说是涉及一种无源负载监测方法及系统。

背景技术：

1、在基础设施的监测技术中，无线无源传感器以无需布线及无需设置电源模块的优势，为结构健康监测提供了高可靠性、低成本和长寿命的解决方案。

2、但；

3、目前通常采用无线射频信号进行能量采集，以为无线无源传感器进行供电。这些研究主要集中在从环境中获取能量，如无线电、电视和移动通信信号，并将其转化为电能。

4、然而，无线无源传感器的运行依赖于稳定的能量供应，当前能量的采集方法无法实现稳定传输、供应；主要表现为：

5、(1)负载初始化启动电流大；如果不采取一定的方法，就会导致系统不停地启动-失败-启动-失败，每次的电量都不足以供给启动和初始化的整个过程。常规的方法是配置启动电池，仅用于启动瞬间，其余时间不提供电量。如此，当停电时间较长，电池放完电，或者电池损坏就无法启动了，因此，该种方法并未实现真正意义上的无源监测，仍然存在检修维护的需求；

6、(2)现有的环境能源采集与微功率供电系统中，电源管理问题成为阻碍其大规模应用的重要因素之一，由此导致采集的能量无法得到高效利用；如对于相同的射频采集器件，一个距离信号源5米，另一个距离信号源10米；那么在相同的休眠时长情况下，5米的可以正常工作，10米的就会出现还没充满电就启动，从而陷入启动即失败的无限循环中。

7、因此，为确保负载长期稳定运行，本发明致力于对能量进行管理，以提供足够的启动电流，同时提供动态的运行调节机制，以在运行出错时能够及时回归正轨。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种无源负载监测方法及系统，具体提出了一种智能电源管理方案，即采用自适应电源管理技术和智能待机技术，实现电能最优的利用效果以及更为稳定的传输效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、首先，本发明公开了一种无源负载监测方法，包括，

4、采集射频能量，转化为电能后进行存储，当存储的电能输出电压上升至第一阈值时向负载供电，下降至第二阈值时停止向负载供电；

5、监测电能输出电压下降过程，当降至第三阈值时输出控制信号；

6、根据控制信号对所述负载进行能耗控制。

7、进一步地，第三阈值大于第二阈值，小于第一阈值。

8、进一步地，通过天线和频率震荡器件，采集射频中的电能。

9、优选的，应用时，使天线和频率震荡器件的频率相同，且频率震荡器件设置成外接的形式，以便于根据需要调整震荡频率。

10、进一步地，存储的电能输出端连接第一施密特触发器，通过第一施密特触发器对负载的供电进行控制，包括以所述第一施密特触发器的上阈值电压为第一阈值电压，下阈值电压为第二阈值电压。

11、优选的，第一施密特触发器的输出端连接pmos管，用于进一步控制供电通断；具体为第一施密特触发器的输出端连接pmos管的栅极，第一施密特触发器的输入端连接pmos管的源极，以pmos管漏极作为输出端，连接负载。

12、进一步地，通过如下电路输出控制信号：

13、存储的电能输出端通过第二施密特触发器连接至与门输入端；以及依次通过反向连接的稳压二极管和非门连接至所述与门的另一输入端；

14、所述与门的输出端连接放大器的反向输入端，所述放大器的正向输入端通过第一电阻接地；同时，所述放大器的输出端通过并联的第二电阻和第一电容与反向输入端相连。

15、进一步地，所述放大器的输出端还连接dc-dc稳压芯片，用于对高电平信号进行修正和稳压，防止射频信号弱，输入电压低时，信号产生畸变，从而影响控制信号的有效输出。

16、进一步地，所述负载根据控制信号进行能耗控制的过程包括：

17、s1、接收控制信号后，读取上次关机状态，并判断是否多次因电量过低导致关机，若否结束能耗控制；若是，执行s2；

18、s2、判断每次开机电压是否足够，若是，提示电能存储容量过小；若否，延长休眠时间。

19、进一步地，考虑负载的休眠时长，按如下公式对负载进行评分，用于供协议栈根据评分结果选举网络主节点，并利用能量充沛的节点完成网络转发功能；

20、f＝f1*f2

21、

22、f2＝10*ln(rt/fn)

23、式中，f为负载的分值，f1为休眠时长分值，t为休眠时长，f2为健康状态分值，rt为运行时长，fn为异常断电次数。

24、其次，本发明还公开了一种无源负载监测系统，主要应用如上所述的一种无源负载监测方法，其中，系统包括射频能量采集模块，用于采集射频能量，转化为电能存储至电能存储单元中；

25、负载供电控制模块，用于当电能存储单元的输出电压上升至第一阈值时向负载供电，当下降至第二阈值时停止向负载供电；

26、电量预警模块，用于监测电压下降过程，当电压将至第三阈值时输出控制信号；

27、能耗控制模块，用于根据控制信号对负载的能耗进行控制。

28、进一步地，所述负载供电控制模块为第一施密特触发器；

29、所述电量预警模块包括：

30、电能存储单元输出端通过第二施密特触发器连接至与门输入端；以及依次通过反向连接的稳压二极管和非门连接至所述与门的另一输入端；

31、所述与门的输出端连接放大器的反向输入端，所述放大器的正向输入端通过第一电阻接地；同时，所述放大器的输出端通过并联的第二电阻和第一电容与反向输入端相连。

32、经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种无源负载监测方法及系统，通过采集基础设施环境中发射出的射频能量，结合负载管理和配套的电源管理方法，为无线无源负载提供稳定的电能供应，实现负载长期稳定运行，能量高效采集和信号稳定传输的同时，能够驱动启动电流比较大的mcu，扩大使用范围，此外，还提高了结构健康监测系统的可靠性，为基建设施监测等领域提供了新的可能性。

33、与现有技术相比，本发明的方案不需要附加启动电池，可有效降低成本，延长使用寿命，并避免了当前利用附加电池进行初始化时，启动电池的自放电问题；另外，本发明不仅能够驱动启动电流比较大的mcu，还可避免因长时间未获取射频能量导致电池电量耗尽的问题，从而确保了负载能够长期稳定运行；且本发明在长时间闲置的情况下仍能轻易完成自启动。同时，本发明通过智能电源管理系统的设计，可以根据实际需求自动调整供电策略，从而实现最佳的性能和效率。

34、本发明提供了一种更加稳定、可靠、低成本的无线无源传感器供电方案，可广泛应用于各种环境和应用场景，具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种无源负载监测方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种无源负载监测方法，其特征在于，第三阈值大于第二阈值，小于第一阈值。

3.根据权利要求1所述的一种无源负载监测方法，其特征在于，通过天线和频率震荡器件，采集射频中的电能。

4.根据权利要求1所述的一种无源负载监测方法，其特征在于，存储的电能输出端连接第一施密特触发器，通过第一施密特触发器对负载的供电进行控制，包括以所述第一施密特触发器的上阈值电压为第一阈值电压，下阈值电压为第二阈值电压。

5.根据权利要求4所述的一种无源负载监测方法，其特征在于，通过如下电路输出控制信号：

6.根据权利要求5所述的一种无源负载监测方法，其特征在于，所述放大器的输出端还连接dc-dc稳压芯片，用于对高电平信号进行修正和稳压。

7.根据权利要求1所述的一种无源负载监测方法，其特征在于，所述负载根据控制信号进行能耗控制的过程包括：

8.根据权利要求7所述的一种无源负载监测方法，其特征在于，考虑负载的休眠时长，按如下公式对负载进行评分，以及根据评分结果确定主节点，用于负载网络的转发；

9.一种无源负载监测系统，其特征在于，应用权利要求1-8任一所述的一种无源负载监测方法，其中，系统包括：

10.根据权利要求9所述的一种无源负载监测系统，其特征在于，所述负载供电控制模块为第一施密特触发器；

技术总结
本发明公开了一种无源负载监测方法及系统，属于无源负载监测技术领域。其中，方法包括采集射频能量，转化为电能后进行存储，当存储的电能输出电压上升至第一阈值时向负载供电，下降至第二阈值时停止向负载供电；监测电能输出电压下降过程，当降至第三阈值时输出控制信号；根据控制信号对所述负载进行能耗控制。本发明可实现负载长期稳定运行，能量高效采集和信号稳定传输，以及能够驱动启动电流比较大的MCU，扩大使用范围，提高结构健康监测系统的可靠性。

技术研发人员：邵彦超,王晟,张牧宇,李晓东,范晓琨,姚齐洋,周珍伟
受保护的技术使用者：中冶建筑研究总院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11