利用反向散射获取能量的WiFi数据传输系统及方法与流程

本发明涉及电子与无线通信领域，更具体地，涉及一种利用反向散射获取能量的WiFi数据传输系统及方法。

背景技术：

最近已经有较多的研究着眼于利用WiFi设备所发射的信号进行能量获取，之后利用所得到的能量为设备充电或者驱动较为简单的应用，并取得了一定范围内的成果；其中有一大类基于反向散射技术，利用特殊阵列天线和无线能量获取装置对WiFi信号进行处理，将RF信号所携带的能量通过转换、整流、存储、管理、稳压之后输出阶段性稳定直流电压。反向散射天线针对能量获取进行优化，且配备的存储单元和管理单元本身需要消耗一部分能量。值得注意的是，在此类设备中，WiFi信号本身所携带和传递的信息将会被丢弃，仅有能量被利用。

同时，另一类无源射频信息传递系统，如射频身份识别技术RFID等，设备将被区分为主动器件和被动器件。主动器件一般为阅读器端，可以认为其能量供应不受限，负责主动发射数据并向被动设备通过电磁场的形式传递能量；而被动器件功能一般为无源的，能量需要从主动设备通过电磁场的形式获取。此类技术的不足之处在于其通讯形式为应答式，由主动设备发起轮询之后，才会向主动设备报告状态、传送信息，因此，在实时性、传输速率要求较高的应用场景中存在较大限制。其次，RFID系统较为封闭，主动设备与被动设备之间进行交换的主要用户端数据，一般储存位于被动设备的存储部件；而作为数据传输接口，RFID则有诸多不便。如果部署基于RFID的传感器数据传输系统，在系统集成上也具有一定局限。

技术实现要素：

本发明提供一种利用反向散射获取能量的WiFi数据传输系统，该系统传输速度较快，部署较为方便。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种利用反向散射获取能量的WiFi数据传输系统，包括顺次连接的WiFi 天线、RF-DC转换模块、能量存储管理模块和WiFi数据处理芯片，WiFi数据处理芯片还与WiFi天线连接。

进一步地，所述RF-DC转换模块包括的预整流滤波器，整流电路、后整流滤波器和状态编码器；预整流滤波器，整流电路、后整流滤波器顺次连接，整流电路还与状态编码器连接，预整流滤波器还与WiFi天线连接，后整流滤波器与能量存储管理模块连接，状态编码器与WiFi数据处理芯片连接。

进一步地，所述能量存储管理模块能量存储单元，能量管理单元和稳压电路；能量存储单元和稳压器均与能量管理单元连接，能量存储单元与后整流滤波器连接，稳压器与WiFi数据处理芯片连接。

优选地，所述能量存储单元是电容。

优选地，所述WiFi天线是阵列天线。

一种利用反向散射获取能量的WiFi数据传输方法，包括以下步骤：

S1：WiFi天线接收WiFi信号，进行能量收集；

S2：利用RF-DC转换模块将收集到的能量进行转换和整流，得到第一直流信号Vdc1和WiFi控制信息；

S3：利用能量存储管理模块对第一直流信号Vdc1的能量进行存储以及管理，并输出第二恒定直流电压信号Vdc2，输送到WiFi数据处理芯片；

S4：WiFi数据处理芯片接收第二恒定直流电压信号Vdc2和WiFi控制信息，并以第二恒定直流电压信号Vdc2为能量来源来对WiFi控制信息进行调制和编码形成标准格式的上行WiFi包再发送到WiFi天线；

S5：WiFi天线发送标准格式的上行WiFi包，与其他WiFi设备进行通信。

本发明中，WiFi天线由馈电微带线、介质基板和衬底基板构成，为WiFi能量收集的第一入口；本发明的WiFi天线针对WiFi的2.4GHz载波信号附近较窄的频段内进行优化，使其谐振中心在2.4GHz，在2.4GHz反射系数较小，使天线有效传递能量。

本发明的RF-DC转换模块把射频能量整流成一个幅度可变的直流电流，由预整流滤波器，整流电路和后整流滤波器组成；预整流滤波器为一个带通滤波器，提供低插损的同时输出选频后的高频信号到后级整流电路，并防止整流二极管产生的高次谐波反射到天线。后级整流对高频信号进行能量转换，输出为电压可变的第一直流信号Vdc1，WiFi基频信号被滤除，后整流滤波器为Dc Pass结构， 将高频信号与负载路径进行隔离。

本发明的能量存储管理模块对前级输出Vdc1所携带的能量进行存储以及管理，内含能量存储单元，能量管理单元和稳压电路。能量管理单元根据当前负载决定并计算能量输出脉冲长度和输出电流强度。稳压后输出恒定直流电压Vdc2，输送到后级WiFi数据处理芯片中。

其中，WiFi数据处理芯片的功耗控制在100μW以内。WiFi数据处理芯片仅使用数字电路进行数据的调制和编码。低频率的基频信号由低功耗PLL即可完成，因此以上所述功能可以由所述WiFi数据处理芯片完成。WiFi数据处理芯片的能量来源为前级输出的Vdc2。

同时WiFi数据处理芯片需要接收简单的控制信号，此功能使用RF-DC转换的能量状态进行编码；WiFi数据处理芯片进行简单处理后得到命令字，如设备ID轮询、准备传输、当前可用信道Channel等，之后将回应WiFi数据以上述方式进行调制和编码后形成标准上行WiFi包。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明不依赖于任何外部电源供电系统，仅利用WiFi数据包所包含的能量进行数据的发送，从硬件系统的部署方面来讲就比较方便，并通过WiFi数据处理芯片对要输出的信息进行调制后形成标准格式的上行WiFi包后发送到天线，数据格式统一，数据传输速率也比较高。

附图说明

图1为本发明系统图的整体结构和能量信号流图；

图2是本发明系统的RF-DC转换模块的结构框图；

图3是本发明系统的能量存储管理模块的结构框图；

图4是本发明系统的WiFi数据处理芯片的结构框图；

图5是本发明方法的流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种利用反向散射获取能量的WiFi数据传输系统，包括顺次连接的WiFi天线、RF-DC转换模块、能量存储管理模块和WiFi数据处理芯片，WiFi数据处理芯片还与WiFi天线连接。

本实施例中，RF-DC转换模块包括的预整流滤波器，整流电路、后整流滤波器和状态编码器；预整流滤波器，整流电路、后整流滤波器顺次连接，整流电路还与状态编码器连接，预整流滤波器还与WiFi天线连接，后整流滤波器与能量存储管理模块连接，状态编码器与WiFi数据处理芯片连接。

能量存储管理模块能量存储单元，能量管理单元和稳压电路；能量存储单元和稳压器均与能量管理单元连接，能量存储单元与后整流滤波器连接，稳压器与WiFi数据处理芯片连接。

其中，能量存储单元是电容；WiFi天线是阵列天线。

本实施例中，该发明系统使用高增益、高效率微带WiFi天线对WiFi信号进行接收。该WiFi天线由馈电微带线、介质基板和衬底基板构成，为WiFi能量收集的第一入口。微带WiFi天线针对WiFi的2.4GHz载波信号附近较窄的频段内进行优化，使其谐振中心在2.4GHz，在2.4GHz反射系数较小，使天线有效传递能量。WiFi天线的传输功率Pt由发射功率Pr，阵列微带天线的增益Gt和Gr以及电磁波的波长λ以及传输距离R决定。WiFi微带天线在较小体积的基础上具有较大增益指标GtGr。由于WiFi发射功率被标准限制，因此WiFi天线部分，为进一步提高能量转换效率，使用阵列天线的形式对其进行增强。

RF-DC转换模块整流成一个幅度可变的直流电流，即DC转换，RF-DC转换模块由预整流滤波器，整流电路和后整流滤波器组成，DC转换过程必定有一部分能量转换为热能，Pdc1代表转换成后的电能，整体效率可以用η₁来衡量。

预整流滤波器由无源器件电感L和电容C组成，为一个带通滤波器，其设计目的是最大化整体转换效率η，并输出选频后的高频信号到后级整流电路。后 级整流电路内含若干肖特基二极管和若干无源网络，即电阻器件Rx，电容器件Cx和电感器件Lx。整流电路对高频信号进行能量转换，输出为电压可变的第一直流信号Vdc1。WiFi基频信号被滤除。

能量存储管理模块对前级输出Vdc1所携带的能量进行存储以及管理，内含能量存储电容，能量管理单元和稳压电路，能量管理单元根据当前负载决定并计算能量输出脉冲长度PW和输出电流强度I。稳压后输出恒定直流电压Vdc2，输送到后级WiFi数据处理芯片中。能量存储和管理的过程也有一部分能量被消耗掉，Pdc2代表最终输出的功率，整体效率可以用η₂来衡量。

WiFi数据处理芯片的能量来源相对发射功率比例为η。

得益于CMOS工艺进步，WiFi数据处理芯片的功耗可以控制在100μW以内。由于WiFi接收机中需要ADC、LNA和高频锁相环等耗能部件，因此WiFi数据处理芯片可以在必要的情况下舍弃以上模拟部件，仅使用数字电路进行数据的调制和编码。例如IEEE 802.11b使用DBPSK和DQPSK在物理层进行调制，DSSS和CCK编码。基频11MHz，此频率信号的产生由结构相对简单的低功耗PLL即可完成，因此以上所述功能可以由所述WiFi数据处理芯片完成。WiFi数据处理芯片的能量来源为前级输出的Vdc2。

同时所述WiFi数据处理芯片需要接收简单的控制信号，此功能使用RF-DC转换得到的Vdc1状态分别表示‘1’与‘0’，此编码方式仅需要对RF-DC模块做简单修改，并添加一个状态编码器；其主要构成为电压比较器：如Vdc1大于有效值时，认为WiFi控制包的单个Bit位为‘1’，否则为‘0’。WiFi芯片进行简单处理后得到命令字，如准备传输、当前可用信道Channel等，之后将回应数据以上述方式进行调制和编码后形成标准格式的上行WiFi包。

最后天线以WiFi频段和信道发送标准WiFi包，与其他WiFi设备进行通信。

实施例2

一种利用反向散射获取能量的WiFi数据传输方法，包括以下步骤：

S1：WiFi天线接收WiFi信号，进行能量收集；

S2：利用RF-DC转换模块将收集到的能量进行转换和整流，得到第一直流信号Vdc1和WiFi控制信息；

S3：利用能量存储管理模块对第一直流信号Vdc1的能量进行存储以及管理，并输出第二恒定直流电压信号Vdc2，输送到WiFi数据处理芯片；

S4：WiFi数据处理芯片接收第二恒定直流电压信号Vdc2和WiFi控制信息，并以第二恒定直流电压信号Vdc2为能量来源来对WiFi控制信息进行调制和编码形成标准格式的上行WiFi包再发送到WiFi天线；

S5：WiFi天线发送标准格式的上行WiFi包，与其他WiFi设备进行通信。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。