一种无源无线传感器系统及用电方法

本发明涉及一种无源无线传感器系统及用电方法，属于无线传感器网络。

背景技术：

1、无线传感器网络物理感知层前端，一般由各种传感器和无线通信收发模块构成，实现传感信息的采集与无线收发。从传感信息采集的维度区分，有如温度、湿度、电压与电流等多维信息；从无线通信收发模式区分，又可分为蓝牙、rfid、lora等多种通信模式。典型无线传感器网络应用案例如运动手环，其首先是通过传感器贴近人体手臂采集生命体征信息之后，再通过蓝牙无线通信将信息传输给手机，由手机完成传感信息的存储、处理与显示，这其中运动手环的能量供给一般由内置电池定期充电完成，但是，伴随泛在物联网技术的不断推进，信息感知需求将“无处不在、无时不有”，导致传感探测对象海量倍增，并且传感器节点日趋呈现信息多维、类型多样、结构日趋微型化等特征，传感器节点数量巨大、布置分散的特点，导致传感器节点供电愈加困难，甚至许多场合下几乎无法给传感器逐一手工更换电池，此种状况也反过来严重影响了传感器节点的进一步推广运用，所以近年来，远距离远场无线电磁充电储能逐渐成为技术发展趋势，该技术成熟后有望实现远距离、大面积、远场区域覆盖性充电，可以极大程度拓展无线无源传感器节点应用领域。

2、但是，目前远距离远场无线充电储能技术方面尚存在诸多不足，包括：由于空间电磁功率有限，充电转换电路效率整体偏低；无线传感器用电耗能方面，多为“即充即用”用电模式，所以传感器节点整体储能功率低、储能电压稳定性不足，直接影响传感器电源供电可靠性，另外，当无线传感器节点大规模密集应用时，空间散射的大量电磁辐射波若不加管控，首先会产生大量能耗造成能量浪费，同时也产生大量电磁泄漏污染，合并存在电磁空间暴露风险，在对抗性强的场合很容易被敌方侦测定位并予以摧毁。

3、现有微小型传感器节点能量供给方面，已有的远场射频充电技术，充电与用电方案相对简单，其结果会导致一是能量存储转换效率低，二是节点用电浪费损耗大，主要具体体现在以下方面： （1）充电频率单一且功率小，充电动态范围受限。充电与通信二者共用相同空间电磁波，表现在传感器充电与通信多为同频率、同功率，但是实际需求中，通信功率需求相比充电功率需求普遍要低，所以，能满足通信需求的电磁波未必能够确保有效电磁充电，导致目前远场电磁充电转换效率整体不高，另外，目前无线充电电路设计针对的频率大多与通信频率同频，导致其他不同频率的大功率电磁辐射源无法给其兼容充电，充电电路适应性不强，这也是导致目前远场电磁充电转换效率不高的另外一个原因。（2）充电模式优化不够，充电时间短储能不足。目前多数无源无线传感器节点远场电磁充电技术，其内置传感器多为“即充即用”工作模式，即：有通信需求时同时充电，无通信需求时则不充电，而实际应用中多数传感器是按需间歇式通信工作，所以现有传感器节点充电也往往被设计成间歇式充电，因充电时间有限，充电储能不足，往往难以维持采样时间较长的传感器工作，而其他大量的通信时间间隙中，即便存在可充电电磁波，由于没有设计储能电路无法储能，造成能量浪费。因此，目前无源无线传感器多为温度传感等能耗较少的类型，能耗较大的传感器类型目前很少用无源无线方案，而且，即便是现有无源无线温度传感器方案，由于其能量储存不足原因，传输距离与可靠性指标还是不高。

4、（3）用电方案管控不精，能耗大且易电磁泄漏。 目前无源无线传感器节点电源电压充电到一定程度能够满足电路工作时，传感器即刻利用回波反射回传信息，回传时刻不受控、且敌我识别不分，导致能耗大且易被电磁侦测定位，容易被摧毁。

5、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无源无线传感器系统及用电方法，一方面，增设了电磁充电储能电路，不同于传统传感器“即充即用”模式，采用“持续充电、充用分离” 模式，能够获取电磁充电信号进行充电储能，提高了储能效率和供电可靠性；另一方面，基于传感信息收发电路，传感器能够通过控制能量开关从而控制信息发射模块的信号发射，信息发射模块的用电时间压缩，传感器能耗下降，待机时间进一步增长。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、一方面，本发明公开了一种无源无线传感器系统，包括电磁充电储能电路和传感信息收发电路；

4、所述电磁充电储能电路包括射频整流模块和充电储能模块；所述射频整流模块用于获取电磁充电信号；根据所述电磁充电信号，进行整流滤波处理，得到射频整流输出电压；所述充电储能模块，用于根据所述射频整流输出电压进行充电储能，以实现传感信息收发电路的供电；

5、所述传感信息收发电路包括信息发射模块、信息接收模块、控制与存储模块、传感器和能量开关，所述能量开关设于信息发射模块的供电端；所述信息接收模块用于获取己方设备的握手信号；所述控制与存储模块，用于根据所述握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关的开启与闭合，以实现信息发射模块的供电；根据所述握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；所述传感器，用于根据所述第二控制指令进行传感信息采集，得到传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

6、进一步的，还包括宽频带天线，所述宽频带天线分别连接射频整流模块、信息发射模块和信息接收模块；

7、所述宽频带天线包括充电与通信各自独立的多天线，和/或充电通信一体化天线；

8、所述宽频带天线的频带范围包括30mhz~87.975mhz、433mhz、915mhz、2.4ghz和5ghz。

9、进一步的，所述电磁充电信号包括传感器本身通信用频率信号、恶意施加的干扰频率信号和其他设备专供的充电信号。

10、进一步的，所述射频整流模块包括宽频带多通道匹配电路单元、宽功率多级整流电路单元、取样负载和能量反馈控制单元；

11、所述取样负载，用于对射频整流输出电压进行取样，得到取样电压并输出至能量反馈控制单元；

12、所述能量反馈控制单元，用于根据所述取样电压，基于预设的内部基准电压，输出频率控制信号，和/或功率控制信号；

13、所述宽频带多通道匹配电路单元，用于根据所述频率控制信号，配置相应的匹配电路，以实现不同输入频率的电磁充电信号的自动匹配；

14、所述宽功率多通道匹配电路单元，用于根据所述功率控制信号，配置相应的整流电路级数，以实现不同输入功率的电磁充电信号的自动匹配。

15、进一步的，所述充电储能模块包括充电单元和储能电池，

16、所述充电单元用于识别所述射频整流输出电压；其中，当所述射频整流输出电压高于所述储能电池的电压，则直接将所述射频整流输出电压传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能；当所述射频整流输出电压低于或等于所述储能电池的电压，则将所述射频整流输出电压进行升压处理后再传输至储能电池，以实现储能电池的充电储能。

17、进一步的，所述储能电池包括化合物充电电池，和/或超级电容。

18、进一步的，所述储能电池分别连接信息接收模块、能量开关、控制与存储模块和传感器，以实现信息接收模块、能量开关和传感器的供电；

19、所述能量开关的控制端连接控制与存储模块，所述控制与存储模块用于输出第一控制指令以控制能量开关闭合，从而实现信息发射模块的供电和信息发射。

20、另一方面，本发明还公开了一种无源无线传感器系统的用电方法，适用于上述的控制与存储模块，其特征是，包括如下步骤：

21、通过信息接收模块获取己方设备的握手信号；

22、根据所述握手信号，输出第一控制指令以控制能量开关闭合，以实现信息发射模块的供电；

23、根据所述握手信号，输出第二控制指令以控制传感器完成传感信息采集；其中，所述传感器采集得到的传感信息经由控制与存储模块和信息发射模块发射至己方设备。

24、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

25、本发明，一方面，增设了电磁充电储能电路，不同于传统传感器“即充即用”模式，采用“持续充电、充用分离”模式，能够获取电磁充电信号进行充电储能，提高了储能效率和供电可靠性；另一方面，基于传感信息收发电路，控制与存储模块能够通过控制能量开关从而控制信息发射模块的信号发射，能够管控住信息发射模块的回波反射，降低无用发射功率，提高无线传输可靠性和防止电磁侦测；同时信息发射模块的用电时间压缩，传感器能耗下降，待机时间进一步增长。

26、本发明还设置了宽频带天线，以便于接收宽频率范围的电磁充电信号；此外，本发明的电磁充电信号不仅局限于传感器本身通信用频率信号，还包括恶意施加的干扰频率信号、其他设备专供的充电信号等一系列信号，极大拓展了充电频率来源。

27、本发明还改进了射频整流模块，通过能量反馈控制单元输出频率控制信号或功率控制信号，以实现不同输入频率或不同输入功率的电磁充电信号的自动匹配。