一种光纤供能无线传感装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种光纤供能无线传感装置,包括激光器、传能光纤、光伏电池、电源管理模块、低功耗微处理器、低功耗无线传感器模块；其中激光器通过传能光纤和光伏电池相连，光伏电池通过电源管理模块和低功耗微处理器相连，低功耗处理器分别与低功耗无线传感器模块一和低功耗无线传感器模块二相连。本实用新型可解决无线传感器网络技术在不易维护、复杂环境中应用时无法利用人工更换电池的方式来补充电能的问题，同时，增加一根数据光纤还可以解决无线传感网络传输距离较短的问题。具有成本低，传能距离远，能量利用效率高等优点。
【专利说明】一种光纤供能无线传感装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无线传感【技术领域】，尤其涉及一种光纤供能无线传感装置。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络的研究工作始于20世纪90年代的美国，并首先在军方得到应用和推广。2005年，美国自然科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，投资支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，己把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。另外，日本、英国、加拿大等国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。无线传感器网络具有多跳性、能够自组织网络、无需基础设施支持的优点，在军事、民用领域都有着广阔的应用前景。然而，传感器网络节点数目庞大，分布区域广、部署环境复杂或危险，无法利用人工更换电池的方式来补充电能。所以解决无线传感器网络能量问题并对能量进行充分、合理的利用是我们研究的重点。
[0003]目前，无线传感器网络通常采用较大的外带电源或容量有限的电池等方式提供能量，这极大地限制了无线传感器网络技术在不易维护、复杂环境中的应用。
[0004]因此，在电力供应不易的场合，或者传输距离较远的场合，选择一种合适的供能方式成为无线传感网络需要着重解决的问题。
[0005]石英光纤不受高频噪声和激增电压诱导的闪电的影响，这个性质十分有利于光纤应用于特殊环境环境中。在90年代后期，光纤供能系统成功应用于高电压电流传感中。最近，光纤供能装置不断应用于强磁场及强高频噪声环境中，以克服这些特殊环境带来的干扰。
[0006]所谓光纤供能，就是利用激光器，通过光纤传输，经过接收端的光电转换实现供能。由于光纤的使用，基于这种技术的系统具备电磁干扰免疫，耐腐蚀以及高频信号和闪电影响不敏感等性质。此外，光纤的体积远小于铜电缆，因此光纤供能技术适宜长距离传输及操作。
[0007]一般来说，如图1所示，光纤供能装置包括控制基站8，传能光纤2和远端单元9三部分。当然，实际的装置会根据不同的应用而改变。
[0008]由于无线传感网络的传输距离有限，在协调器的数据向基站发送的过程中会导致数据的丢失和错误。2011年，在慕尼黑举行的第五届欧洲zigbee发展会议上，AlexanderKlapproth教授提出用塑料光纤取代这个过程的传输，以达到更远的传输距离。
实用新型内容
[0009]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种光纤供能无线传感装置，其采用的技术方案如下:
[0010]一种光纤供能无线传感装置，包括激光器、传能光纤、光伏电池、电源管理模块、低功耗微处理器、低功耗无线传感器模块；其中激光器通过传能光纤和光伏电池相连，光伏电池通过电源管理模块和低功耗微处理器相连，低功耗处理器分别与低功耗无线传感器模块一和低功耗无线传感器模块二相连。
[0011]光伏电池选用砷化镓光伏电池或聚光光伏电池。
[0012]传能光纤选用多模光纤。
[0013]电源管理模块包括阻抗匹配模块，开关电源，储能模块。
[0014]低功耗微处理器包括MSP430系列单片机和低功耗的FPGA。
[0015]低功耗微处理器包括zigbee和低功耗的FPGA。
[0016]低功耗无线传感器模块一和低功耗无线传感器模块二都包括低功耗无线模块和低功耗传感器模块，低功耗无线模块和低功耗无线模块相连。
[0017]低功耗无线模块可以是zigbee、wif1、蓝牙中任一个。
[0018]本实用新型可解决无线传感器网络技术在不易维护、复杂环境中应用时无法利用人工更换电池的方式来补充电能的问题，同时，增加一根数据光纤还可以解决无线传感网络传输距离较短的问题。具有成本低，传能距离远，能量利用效率高等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是光纤供能装置的结构图。
[0020]图2是光纤供能无线传感装置结构图(为本发明附图)。
[0021 ] 图3是光伏电池的P-V特性曲线。
[0022]图4是本实用新型的一种实施实例结构图。
[0023]附图标记说明:
[0024]1、激光器2、传能光纤3、光伏电池4、电源管理模块5、低功耗微处理器6、低功耗无线传感器一 7、低功耗无线传感器二 8、控制基站9、远端单元10、基站11、zigbee协调器12、zigbee节点一 13、zigbee节点二 14、数据光纤
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图2-4，阐述本实用新型【具体实施方式】:
[0026]如图2所示，本实用新型装置包括激光器I，传能光纤2，光伏电池3，电源管理模块4,低功耗微处理器5,低功耗无线传感器模块一、低功耗无线传感器模块2。其中激光器I通过传能光纤2和光伏电池3相连，光伏电池3通过电源管理模块4和低功耗微处理器5相连，低功耗处理器与低功耗无线传感器模块相连。
[0027]激光器1，工作稳定，功率可调，是整个装置的能量来源。传能光纤2，是远距离传输的能量载体。光伏电池3，实现光能到电能的转换。电源管理模块4包括阻抗匹配模块，开关电源，储能模块，其中开关电源的效率在80%-95%之间。电源管理模块4用于让光伏电池工作在最大功率点附近，并通过DC-DC (直流-直流电源模块)变换为后级电路提供合适的电压轨。
[0028]低功耗微处理器5包括:1.MSP430 (混合信号处理器)系列单片机，zigbee (无线个域网)等，MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI) 1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。;2.低功耗的FPGA (Field Programmable Gata Array现场可编程门阵列)等,是实时无线传感装置的控制中心，驱动无线传感器工作。低功耗无线传感器模由低功耗无线模块和低功耗传感器模块，低功耗无线模块可选用zigbee (无线个域网)，wifi (无线局域网)，蓝牙等，低功耗传感器模块的总功耗小于IOOmW,包括1.低功耗的温度传感器,压力传感器,加速度传感器等；2.低功耗的CO (—氧化碳)传感器，H2 (氢气)传感器等气体传感器；低功耗传感器模块和低功耗无线模块直接相连，其中，低功耗无线模块起驱动低功耗传感器模块的作用。低功耗传感器模块其作用是采集传感信息并发送给低功耗微处理器.低功耗无线传感器模块包括:低功耗无线模块和低功耗传感器模块
[0029]当装置开始运作时，稳定的激光器I输出几瓦至几十瓦的光功率，经过传能光纤2传输后，衰减到数百毫瓦至数瓦。高效的光伏电池3将经过传能光纤2传输后的数百毫瓦至数瓦的光能量转化为电能，为后级电路供电。所述电源管理模块4包括阻抗匹配模块，开关电源模块和储能模块。其中，阻抗匹配模块和开关电源模块能够使光伏电池工作在最大功率点附近，如图3所示的光伏电池P-V曲线，只有当光伏电池的工作电压在6V左右时，获得的功率最大。只有当光伏电池工作在最大功率点附近，才能为后级耗能模块提供更多的能量，从而实现低功耗微处理器5以及低功耗无线传感器模块6、7的实时工作。储能模块则可以储存多余的能量，给可能附加的大功耗传感器模块间歇性地使用。
[0030]按上述方案，激光通过传能光纤传输至光伏电池3，经光电转换和电源管理模块4后驱动无线设备，即协调器，即低功耗微处理器5。低功耗无线传感器6、7将采集到的数据通过射频信号经大气发送给协调器。
[0031]本实用新型应用于低功耗低速率场合，这里的低功耗低速率场合指的是:1.总功耗小于200mW ；2.速率小于10MHZ，或者部分大于10MHZ的场合。本实用新型能够实现实时性不间断工作。
[0032]本实用新型光伏电池可选用砷化镓光伏电池或聚光光伏电池等高效率光伏电池，效率在30%以上。
[0033]本实用新型的传能光纤可选用多模光纤或其他光纤。
[0034]如图4所示，为利用本实用新型构成的一种实施实例，该系统包括控制基站10，激光器I，传能光纤2,光伏电池3,电源管理模块4, zigbee协调器11, zigbee节点12、13,数据光纤14。
[0035]所述控制基站10包括PC机和其它控制系统；
[0036]所述传能光纤2为了更好地传送能量，光纤为多模光纤或其他光纤；
[0037]所述光伏电池3为GaAs光伏电池，聚光光伏电池等效率较高的电池，从而尽可能地利用有限的光功率。
[0038]所述电源管理模块4能够使光伏电池工作在最大功率点附近，为后级耗能模块提供更多的能量；
[0039]所述数据光纤14为了更好地传输数据，光纤为单模光纤；
[0040]所述zigbee是一种低功耗的无线传感网络；
[0041]工作过程为:控制基站10中的人员通过调节激光器I的工作状态，将光能通过传能光纤2传送给光伏电池3。光伏电池3将光能转换为电能，然后，通过阻抗匹配模块，开关电源模块，储能模块给zigbee协调器11供电。zigbee节点一 12和zigbee节点二 13将采集到的模拟信息转换为数字信息发送给zigbee协调器11，经过协调器的初步处理后，通过数据光纤14发送回控制基站做进一步处理。
【权利要求】
1.一种光纤供能无线传感装置，包括激光器、传能光纤、光伏电池、电源管理模块、低功耗微处理器、低功耗无线传感器模块；其中激光器通过传能光纤和光伏电池相连，光伏电池通过电源管理模块和低功耗微处理器相连，低功耗处理器分别与低功耗无线传感器模块一和低功耗无线传感器模块二相连。
2.根据权利要求1所述的一种光纤供能无线传感装置，其特征在于光伏电池选用砷化镓光伏电池或聚光光伏电池。
3.根据权利要求1所述的一种光纤供能无线传感装置，其特征在于传能光纤选用多模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种光纤供能无线传感装置，其特征在于电源管理模块包括阻抗匹配模块，开关电源，储能模块。
5.根据权利要求1所述的一种光纤供能无线传感装置，其特征在于低功耗微处理器包括MSP430系列单片机和低功耗的FPGA。
6.根据权利要求1所述的一种光纤供能无线传感装置，其特征在于低功耗微处理器包括zigbee和低功耗的FPGA。
7.根据权利要求1所述的一种光纤供能无线传感装置，其特征在于低功耗无线传感器模块一和低功耗无线传感器模块二都包括低功耗无线模块和低功耗传感器模块，低功耗无线模块和低功耗无线模块相连。
8.根据权利要求7所属的一种光纤供能无线传感装置，其特征在于低功耗无线模块可以是zigbee、wif1、蓝牙中任一个。
【文档编号】H04B10/80GK203813793SQ201420086097
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】王瑾, 严靖, 高晨, 尹龙, 蒋建, 许吉 申请人:南京邮电大学