一种物联网智能感知终端的制作方法

本发明涉及物联网终端技术，尤其涉及一种物联网智能感知终端。

背景技术：

由于物联网终端大都采用电池供电且能源受限的装置，如何降低终端的功耗对于电池续航能力的提升起到十分重要的作用。除了主控芯片运行能量损耗外，终端中耗电大户就是传感器及无线通信模块，在固定的电池供电能力的前提下，传感器及无线通信模式的工作电流的大小及工作窗口的长短将密切影响着终端的电池续航能力。

现有技术中，通常采用固定采样速率采集传感器输出信号或数据，固定采样速率仅适用于变化缓慢的监测对象的感知场合，对于特定突发事件的捕获则存在较大时延，而采用较高采样频率则需要模数转换器及主控模块高频介入处理，缩短主控模块及模数转换器的休眠时间，提高终端的平均功耗，进而影响电池的续航能力。

同时，现有技术中，无线通信模块通常采用固定通信速率、功率将应用数据传输到特定的平台或设备上，对于大规模部署的物联网应用场景，不变的通信速率、类同的发射功率及固定的无线信道，将会增加无线信道的拥挤度，降低数据交互的成功率，提高终端的整体功耗，缩短电池的使用年限。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种物联网智能感知终端，以降低功耗，提升电池续航能力。

本发明所述的一种物联网智能感知终端，其包括：一主控模块、分别与所述主控模块连接的一信息采集模块和一无线通信模块、一与所述主控模块、信息采集模块和无线通信模块连接的供电模块，以及一与所述供电模块连接并与所述信息采集模块和/或无线通信模块连接的能量回收模块，其中，所述能量回收模块包括：

一与所述信息采集模块和/或无线通信模块连接的剩余能量收集装置，其回收所述信息采集模块和/或无线通信模块在关断时存储于内部的剩余能量；

一环境震动能量感应装置，其收集所述终端所处环境中产生的震动能量；

一环境磁场能量感应装置，其收集所述终端所处环境中产生的电磁场能量；以及

一与所述剩余能量收集装置、环境震动能量感应装置和环境磁场能量感应装置连接的升降压电源调理单元，其将所述剩余能量、震动能量和电磁场能量转换为电压，并输出至所述供电模块。

在上述的物联网智能感知终端中，所述信息采集模块包括：分别与所述主控模块连接的一传感器电源开关和一接口单元，以及一与所述传感器电源开关和接口单元连接的传感器单元。

在上述的物联网智能感知终端中，所述传感器电源开关包括：

一nmos管，其栅极与所述主控模块连接；以及

一pmos管，其栅极与所述nmos管的漏极连接，其漏极与所述传感器单元连接，其源极通过一电阻与其栅极连接。

在上述的物联网智能感知终端中，所述传感器单元包括：模拟传感器、数字传感器以及开关量传感器；所述接口单元包括：与所述模拟传感器连接的模拟接口、与数字传感器连接的数字接口以及与开关量传感器连接的开关量接口。

在上述的物联网智能感知终端中，所述模拟接口包括：依次连接在所述主控模块与模拟传感器之间的一模数转换器以及一低功耗运算放大器或比较器。

在上述的物联网智能感知终端中，所述模拟接口包括：依次连接在所述主控模块与模拟传感器之间的一低功耗数字电位器或数模转换器以及一低功耗运算放大器或比较器。

在上述的物联网智能感知终端中，所述供电模块包括：相互连接的一电池和一蓄电单元。

在上述的物联网智能感知终端中，所述蓄电单元包括：依次连接的一单向充电电路、一电容阵列以及一单向放电电路。

在上述的物联网智能感知终端中，所述蓄电单元包括：所述电容阵列为钽电容并联阵列。

在上述的物联网智能感知终端中，还包括：一与所述无线通信模块连接的天线。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明主要通过采用能量回收模块一方面收集终端所处环境的能量，另一方面收集信息采集模块和/或无线通信模块在关断时存储于内部的剩余能量，并将这些能量转化特定的电压，补充提供至终端，从而确保了终端能量损耗的最少化，并提高了终端的续航能力。

附图说明

图1是本发明一种物联网智能感知终端的结构示意图；

图2是本发明中信息采集模块的结构示意图；

图3a是图2中模拟接口的一种实施例的结构示意图；

图3b是图2中模拟接口的另一种实施例的结构示意图；

图4是本发明中供电模块的结构示意图；

图5是本发明中能量回收模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明，即一种物联网智能感知终端，包括：主控模块1、分别与主控模块1连接的信息采集模块2和无线通信模块3、与主控模块1、信息采集模块2和无线通信模块3连接的供电模块4、与信息采集模块2、无线通信模块3和供电模块4连接的能量回收模块5，以及与无线通信模块3连接的天线6。

如图2所示，信息采集模块2包括：分别与主控模块1连接的传感器电源开关21和接口单元22，以及与传感器电源开关21和接口单元22连接的传感器单元23，其中，

传感器电源开关21由低功耗的主控模块1控制，从而为传感器单元23提供按需可控的能源，由此减免不必要的能量损耗；

传感器单元23通过接口单元22与主控模块1进行数据交互，以将感知到的信息传输至主控模块1中进行本地运算和存储。

在本实施例中，传感器电源开关21包括：内阻较小且由电压控制的pmos管及nmos管组成电子开关电路(图中未示)；该电子开关电路由主控模块1的输出口控制nmos管的栅极电平变化，从而实现各类传感器的电源启闭；也就是说，通过主控模块1的输出口可实现3.3v-24v电压范围内的传感器工作电流控制，当nmos管的栅极电平为高电平时为传感器供电，为低电平时则关闭传感器能量供给；具体来说，选取的nmos管的开启电压vgs不大于2.5v，且其栅极g与主控模块1的输出口相连并受其控制；pmos管的栅极g与nmos管的漏极d相连，pmos管的漏极d与传感器单元23中各传感器的供电端连接，且其源极s与栅极g之间接入有电阻，以确保接入pmos源极s的电源与传感器的供电端之间的电气连接能可靠启闭，从而对于业务需求不频繁的感知对象，可根据感知对象的业务特性，确保业务需求不频繁的传感器处于间歇式工作模式，由此确保传感器能耗最优化。

在本实施例中，传感器单元23包括：模拟传感器231、数字传感器232以及开关量传感器233，这些传感器可以可具备电平阶跃跳变触发模式，以便唤醒主控模块1实现对传感器信号的快速鉴别及无线数据通道的启闭，从而确保传感器整体功耗最优化。

对应地，在本实施例中，接口单元22包括：模拟接口221、数字接口222和开关量接口223，其中，模拟接口221可以是电压与电流(4-20ma)模拟量输出接口，数字接口222可以是iic集spi的标准数字接口，开关量接口223可以为干式或湿式的开关量接口；进一步地，模拟接口221可以包括：依次连接在主控模块1与模拟传感器231之间的模数转换器2211和低功耗运算放大器或比较器2212(如图3a所示)，或者也可以包括：依次连接在主控模块1与模拟传感器231之间的低功耗数字电位器或数模转换器2213和低功耗运算放大器或比较器2212(如图3b所示)；此处，通过由低功耗运算放大器或比较器2212搭建的比较电路，并由主控模块1通过数字接口获取及控制低功耗数字电位器或数模转换器2213实现比较电路参考电位的动态调整与快速修正，从而实现感知对象特定事件的快速监测和对特定状态的精准相应，并实现主控模块1的唤醒功能，减少主控模块1对传感器感知信号处理的频次，提升主控模块1的整体休眠时长，降低终端功耗。

为了满足传感器部分能耗最优化，主控模块1在传感器没有业务请求的时间窗口内尽量保持休眠状态，只有在传感器特定状态触发的状况下唤醒，从而确保主控模块休眠时间足够长。一旦传感器单元23感知到异常状况而将主控模块1从休眠模式触发唤醒，主控模块1将以较低的运行主频对传感器单元23提供的传感器感知数据进行甄别及判断，并将结果与预存于主控模块1中特定存储区域内指定的预警阈值或特定状态比较，一旦识别到特定的事件(例如，设定报警温度是100度，超过100度则为一个特定事件)，主控模块1将切换至高速主频对上述数据进行计算、存储或转发，同时提高传感器单元23的采样率，实现监测对象的精准感知，当处理完成上述流程且没有传感器新业务请求后，主控模块1自动进入休眠状态等待下一次的传感器触发。

无线通信模块3与天线6构成了整个终端的数据传输通道，实现本地上传感知结果以及远端下发配置参数。无线通信模块3与主控模块1的数字接口连接，从而在无线通信模块3与主控模块1之间实现压缩后的用户数据流及控制数据流的双向交互；该无线通信模块3中内置有现有的智能算法，可实现无线信道的自主加载、传输速率及功率的自适应调整，从而确保整个终端在数据传输部件能量损耗最小化。由此可见，无线通信模块3具备多频点、通信速率及发送功率可调等特征。

主控模块1通过数字接口获取及设置无线通信模块3的信道、发射功率、通信速率、接收信号强度及信噪比等参数，并根据这些参数在其内部加载特定通信协议栈，从而根据无线信道及通信链路的忙闲状况自适应调整无线通信模块3的频点、通信速率及发射功率等参数，确保无线通信数据交互的成功率，降低终端功耗；当主控模块1对于传感器感知的特定事件进行精准识别之后，将通过无线通信模块3和天线6将数据发送到用户指定装置或平台，或者根据用户需求，定时将特定数据进行压缩并打包，再进行数据传输，以减少数据传输时间，提高信道利用率，同时，主控模块1能根据业务需求切换无线通信模块3工作模式，从而确保无线通信模块3在没有数据发送请求的时间点内进入休眠状态。

如图4所示，供电模块4为整个终端提供能量供应，从而确保整个终端在传感器数据采集及无线数据发送的时间尺度内电源电压的稳定性；供电模块4包括：相互连接的电池41和蓄电单元42，其中，蓄电单元42将在电池41电量供给比较充足的状况下进行自我充电，而在于无线通信模块3和/或信息采集模块2工作能耗需求较大且电池41能量输出不足而无法稳定提供无线通信模块3及传感器单元23工作能耗需求的状况下，将自身存储的一部分能量补充到终端中，从而确保电路系统的电压维持相对恒定及终端各个模块工作正常，由此提高终端运行的稳定性。

在本实施例中，电池41为一次性锂亚电池，蓄电单元42由漏电流比较小且低esr的钽电容并联阵列及陶瓷电容组成，以确保整个终端漏电流最小，或者也可以采用具有电容特性的其他装置。具体来说，蓄电单元42包括：依次连接的单向充电电路421、电容阵列422以及单向放电电路423。

如图5所示，能量回收模块5用于对终端所处的环境中的能量进行收集利用(例如，终端所处环境中的光能、风能、电磁场能及动能等)，同时也用于对终端中电路部分能量进行回收，对于具有关断特性的传感器单元和/或无线通信模块，关断时存储其中的能量将被及时的回收，从而可确保终端能耗最优化；也就是说，能量回收模块5具备环境能量收集及终端工作能量回收特征，其可以根据终端的工作特征(当电池41的能量不足以供应电路上所有模块时，蓄电单元42会自动提供能力以补偿电池放电能力上的不足，同时也回收各类环境能力及电路切换时候的能量，例如，混动汽车在刹车的时候，其内部会把发动机的能力回收至电池，而在启动的时候补偿进去)，自主决定能量收集的对象，同时对于关断特征的传感器单元或无线通信模块，具备能量回收的功能，从而提高终端的续航能力。

具体来说，能量回收模块5包括：与传感器单元23和无线通信模块3连接的剩余能量收集装置51、环境震动能量感应装置52、环境磁场能量感应装置53、同时与剩余能量收集装置51、环境震动能量感应装置52、环境磁场能量感应装置53连接的升降压电源调理单元54，其中，剩余能量收集装置51用于回收传感器单元23和/或无线通信模块3关断时存储于内部的剩余能量，环境震动能量感应装置52和环境磁场能量感应装置53用于对光能、震动、电磁波等信号进行采集，并将采集对象所感应出来的电信号通过特定电子元器件转化成稳定的电压，升降压电源调理单元54用于将上述能量和电压转化为特定的电压输出至供电模块，以为终端提供能量。

综上所述，本发明通过主控模块启停和触发传感器电源开关及传感器单元，从而控制电源消耗，并根据信息采集模块获取的信号优先级进行主频切换；同时通过无线通信模块根据信息采集模块工作状态及电池容量，调整射频发送功率；另外还通过能量回收模块收集环境中电磁波及振动等能量及保存，并回收信息采集模块关闭工作时存储于电容中的剩余能量，从而保证了终端负载电流处于较低水平，提升电池续航能力。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。