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无源传感装置及一种无源式无线传感系统.pdf

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无源 传感 装置 一种 无线 系统
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摘要
申请专利号:

CN201611134083.9

申请日:

2016.12.10

公开号:

CN106683387A

公开日:

2017.05.17

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G08C 17/04申请日:20161210|||公开
IPC分类号: G08C17/04; H02J50/00(2016.01)I; H04W84/18(2009.01)I 主分类号: G08C17/04
申请人: 杭州鸿雁智能科技有限公司
发明人: 董森; 郭启军
地址: 310013 浙江省杭州市西湖区天目山路248号华鸿大厦2号楼611室
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 杭州华鼎知识产权代理事务所(普通合伙) 33217 代理人: 项军
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611134083.9

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.06.09|||2017.05.17

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及无源传感装置及一种无源式无线传感系统,无源传感装置包括:无源传感器,?#28304;?#22806;部电磁信号获取电力的方式感测家居环境指标并转换为数字化参数数据;电磁耦接该无源传感器的传感器控制电路,用于向该无源传感器发射上述电磁信号以及接收上述数字化参数数据。解决了目前有源传感网络存在的一些弊端,提高了传感器的适用范围,特别是恶劣环境?#28304;?#24863;网络的诉求。

权利要求书

1.无源传感装置,其特征在于包括:
无源传感器,?#28304;?#22806;部电磁信号获取电力的方式感测家居环境指标并转换为数字化参
数数据;
电磁耦接该无源传感器的传感器控制电路,用于向该无源传感器发射上述电磁信号以
及接收上述数字化参数数据。
2.根据权利要求1所述的无源传感装置,其特征在于,无源传感器还包括:
天线收发电路,用于预设频率发射和接收电磁信号;
耦接该天线收发电路的第二数据调制电路,用于接收来?#28304;?#24863;器控制电路的电磁信号
或向传感器控制电路发送电磁信号,并设定该预设频?#21097;?br />
耦接该天线收发电路的能量存储电路,用于接收电磁信号所传递的能量并加?#28304;?#20648;;
耦接该能量存储电路的能量管理电路,用于检测所传递能量的积累;以及
用于感测家居环境指标并转换为数字化参数数据的传感电路,所述传感电路耦接上述
的第二调制电路和能量存储电路,以在该能量管理电路设定的阈值下获得驱动电力。
3.根据权利要求2所述的无源传感装置,其特征在于,该第二数据调制电路包括了:
容/频转换器,用于将无源传感器感知的物理信号转换成数字频率信号;
耦接该容/频转换器的?#21046;?#22120;,用于处理转换后的数字频率信号。
4.根据前述权利要求之任一项所述的无源传感装置,其特征在于,该无线传感装置是
?#24230;?#24335;安装在建筑面内。
5.根据权利要求1或2所述的无源传感装置,其特征在于,上述的家居环境指标包含温
?#21462;?#28287;?#21462;?#21387;力值。
6.一种无源式无线传感系统,包括:
若干个按权利要求1所述的无源传感装置;
耦接上述无线传感装置的数据采集装置,用于接收该无源传感装置发送的数字化参数
数据;以及
与该数据采集装置通讯的网关,用于对接收的数字化参数数据进行分析并可视化显
示。
7.根据权利要求6所述的一种无源式无线传感系统,其特在在于,所述的传感器控制电
路包括:
振荡器;用于产生载波信号;
功率放大器;用于将振荡器产生的载波信号进行放大;
天线;用于将放大的载波信号通过其进行发射;
检波电路;从已调制的高频振荡中?#25351;?#20986;目标调制信号;
第一数据调制电路;以及
电源电路。
8.根据权利要求7所述的一种无源式无线传感系统,其特征在于,所述的无源传感器与
传感器控制电路之间通过分散式电磁耦?#31995;?#26041;式来进行能量传输。
9.根据权利要求6所述的一种无源式无线传感系统,其特征在于,所述的无源式无线传
感系统基于MESH网络,所述的MESH网络采用平面距离矢量路由协议。
10.根据权利要求6所述的一种无源式无线传感系统,其特征在于,数据采集装置可包
括微处理器、电源电路、状态指示电路、射频收发电路、存储介质。

说明书

无源传感装置及一种无源式无线传感系统

【技术领域】

本发明涉及智能家居领域,尤其涉及无源传感装置及一种无源式无线传感系统。

【背景技术】

无线传感网络的兴起,使得传感器网络的研究和应用越来越广泛,而无源无线传
感器作为一种新型的传感器,具有极端环境适应力强、自主能源供电、可靠性高等特点。在
传统工业化生产中,为了实时保持正常的工业化生产,利用?#29575;已?#20256;感器测试工业环境中
的温?#21462;?#28287;度与气压,但在实?#35270;?#29992;中高温高压的密闭环境因素改变了传统有源有线传感
器的电学特性,导致测量数据不准确,影响了工业生产,易?#23478;?#29190;强高电压等一些特殊应用
场合,现场环境无法提供安全可靠的电源,导致传感器无法正常使用。

因此,传感器的供电问题已在一定程度上阻碍其应用的步伐和大规模的推广。传
感器采集信息是将被测数据信息转化为电信号进行传输,如果在采集数据信息的同时,将
电信号同?#24330;?#20026;传感器的能源供应,可以彻底解决系统的供电难题,进而实现传感器网络
的无源化。

【发明内容】

为解决前述问题,本发明提出无源传感装置及一种无源式无线传感系统。所述的
无线传感系统的传感部分采用无源方式,此外,无线传感系统中的传感器与控制电路采用
分散式电磁耦合方式来进行电源能量的?#25442;唬?#20943;少了目前有源传感器的对电源要求的局限
性,解决了一些恶劣环境?#28304;?#24863;器的需求。

为达到前述目的,本发明采用的方案为:无源传感装置,其特征在于包括:

无源传感器,?#28304;?#22806;部电磁信号获取电力的方式感测家居环境指标并转换为数字
化参数数据;

电磁耦接该无源传感器的传感器控制电路,用于向该无源传感器发射上述电磁信
号以及接收上述数字化参数数据。

可选的,无源传感器还包括:

天线收发电路,用于预设频率发射和接收电磁信号;

耦接该天线收发电路的第二数据调制电路,用于接收来?#28304;?#24863;器控制电路的电磁
信号或向传感器控制电路发送电磁信号,并设定该预设频?#21097;?br />

耦接该天线收发电路的能量存储电路,用于接收电磁信号所传递的能量并加?#28304;?br />储;

耦接该能量存储电路的能量管理电路,用于检测所传递能量的积累;以及

用于感测家居环境指标并转换为数字化参数数据的传感电路,所述传感电路耦接
上述的第二调制电路和能量存储电路,以在该能量管理电路设定的阈值下获得驱动电力。

可选的,该第二数据调制电路包括了:

容/频转换器,用于将无源传感器感知的物理信号转换成数字频率信号;

耦接该容/频转换器的?#21046;?#22120;,用于处理转换后的数字频率信号;

可选的,该无线传感装置是?#24230;?#24335;安装在建筑面内。

可选的,上述的家居环境指标包含温?#21462;?#28287;?#21462;?#21387;力值。

另一种方案,一种无源式无线传感系统,包括:

若干个按权利要求1所述的无源传感装置;

耦接上述无线传感装置的数据采集装置,用于接收该无源传感装置发送的数字化
参数数据;以及

与该数据采集装置通讯的网关,用于对接收的数字化参数数据进行分析并可视化
显示。

可选的,所述的传感器控制电路包括:

振荡器;用于产生载波信号;

功率放大器;用于将振荡器产生的载波信号进行放大;

天线;用于将放大的载波信号通过其进行发射;

检波电路;从已调制的高频振荡中?#25351;?#20986;目标调制信号;

第一数据调制电路;以及

电源电路。

可选的,所述的无源传感器与传感器控制电路之间通过分散式电磁耦?#31995;?#26041;式来
进行能量传输。

可选的,所述的无源式无线传感系统基于MESH网络,所述的MESH网络采用平面距
离矢量路由协议。

可选的,数据采集装置可包括微处理器、电源电路、状态指示电路、射频收发电路、
存储介质。

本发明可达到如下技术效果:解决了目前有源传感网络存在的一些弊端,提高了
传感器的适用范围,特别是恶劣环境?#28304;?#24863;网络的诉求。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。本发
明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现,但并非是对本发明技术方案的限制。另
外,在每个下文?#36879;?#22270;中出现的这些特征、要素和组件是具有多个,并且为了表示方便而标
记了不同的符号或数字,但均表示相同或相似构造或功能的部件。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的一种无线传感网络的系统框图;

附图标记说明:

1-无源传感装置;11-传感器控制电路;12-无源传感器;111-电源电路;112-振荡
器;113-功率放大器;114-第一数据调制电路;115-检波电路;116-天线;121-能量管理电
路;122-能量存储电路;123-天线收发电路;124-传感电路;125-第二数据调制电路;

2-数据采集装置;201-电源电路;202-状态指示电路;203-射频收发电路;204-微
处理器;205-RAM;206-FLASH;

3-网关。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方?#38468;?#34892;解释和说明,但下
述实施例仅为本发明的优选实施例,并非全部。基于实施方式中的实施例,本领域技术人员
在没有做出创造性劳动的前提?#28388;?#33719;得其他实施例,?#38469;?#20110;本发明的保护范围。

在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子?#24065;?#25351;结合实施例本身描述
的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例
中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。

在本说明书所附的附图中?#22659;?#30340;处理步骤是由包括硬件(例如电路、专用逻辑单
元等)、固件(诸如在通用计算装置或专用机器上运行)或这二者的组?#31995;?#22788;理逻辑执行的。
尽管以下各个实施例是依据一些顺序操作描述了处理,但应该理解的是,某些描述的步骤
操作可按不同次序执行。此外,一些步骤操作可被并?#26800;?#25191;行而非顺序地执行。

实施例1。

参看图1,一种无源式无线传感系统主要可包括无源传感装置1、数据采集装置2以
及网关3。

无源传感装置1可包括无源传感器12和传感器控制电路11。

传感器控制电路11是通过外部电源供电进行工作的,主要包括电源电路111、振荡
器112?#36824;?#29575;放大器113;第一数据调制电路114;检波电路115;天线116。工作时,振荡器112
产生的载波信号经过功率放大器113放大后,通过天线116发射,为无源传感器12提供能量。

无源传感器12通过与传感器控制电路间11的非接触式电磁耦合方式来获取所需
的能量,通过非直接供电,实现无源化。

无源传感器12主要包括能量管理电路121;能量存储电路122;天线收发电路123;
传感电路124;第二数据调制电路125。第二数据调制电路125包括容/频转换器和?#21046;?#22120;。

数据采集装置2可包括微处理器204、电源电路201、状态指示电路202、射频收发电
路203、存储介质(例如RAM205、FLASH206)。射频收发电路203用于无线传感器节点之间进行
无线通信,实?#32440;?#28857;入网、数据收发以及智能自组网。

网关3用于对接收的装置2的数据进行分析和显示。

具体工作时:

传感器控制电路11中的振荡器112产生的载波信号经过功率放大器113放大后,通
过天线116发射,无源传感器12的天线收发电路123将载波信号所传递的能?#23458;?#36807;能量存储
电路122进行存储,当储存的能量满足使用阈值后,将驱动第二数据调制电路125?#28304;?#24863;信
息进行采集。第二数据调制电路125中的容/频转换器,将传感电路124感知的物理信号转换
成数字频率信号;利用?#21046;?#22120;,通过反向散射调制将数据帧加载到载波中。传感器控制电路
11利用检波电路115、第一数据调制电路114,得到最终的传感器信息。

传感器控制电路11将获取的数据通过外围接口电路传输到数据采集装置2中。传
感器信息的输出格式是多参数的混合输出,并且是一段连续的矩形波。数据输出格式是从
同步信号开始,然后?#26469;?#20026;温?#21462;?#28287;?#21462;?#21387;力值信息;无源传感器的输出信号决定了其采集
方式是基于定时计数原理的信号采集;根据同步信号和采样周期以及定时器的计数可以实
现传感器信息温?#21462;?#28287;?#21462;?#21387;力值信息的分离,将采集到的经过信号分离的数据再次做发送
前的处理工作,包括数据帧格式、WSN协议,然后将数据发送到数据采集装置2中的无线发送
缓冲区内。

在进行数据采集过程中,如果采集数据没有进入无线发送缓冲区,则数据采集失
败,重新进行数据采集,直至缓冲区有待发送数据产生?#27426;源?#21457;送数据进行打包发送处理,
若状态指示电路202未?#20102;福?#21017;表明数据未发?#32479;?#21435;。对发送?#25910;?#36827;行处理,并且对出现故
?#31995;?#25968;据采集装置2重新初始化,直至数据发?#32479;?#21151;。

在无源式无线传感系统的传感器节点进行通讯过程中,节点与节点之间传输基于
平面距离矢量路由协议。平面距离矢量路由协议使用路由请求、路由应答和路由出错作为
控制信息。如果终端节点要与目的节点进行通信时,如果路由表中已经存在目的节点通信
的路由路径时,不进行任何操作;当与新目的节点进行通信时,就会引起路由发现功能,通
过广播路由请求消息来搜索路径。目的节点通过原路返回给源节点一个路由应答信息来确
定路由的可用性。当出现链路断开时,节点就会使用路由出错消息来通知上级节点,每个节
点都保留一个前驱列表来帮助完成错误报告。

网关3收到数据后,进行进一步的可视化显示和处理。

如果网关3的接收缓冲区内未接收到数据,则应检查通信协议,排除?#25910;希?#30452;至接
收缓冲区内有数据产生,并且将数据在网关系统3中进行分析和处理,显示传感器的数据信
息给目标用户。

实施例2。

如图1,源传感装置1可包括无源传感器12和传感器控制电路11。

传感器控制电路11是通过外部电源供电进行工作的,主要包括电源电路111、振荡
器112?#36824;?#29575;放大器113;第一数据调制电路114;检波电路115;天线116。工作时,振荡器112
产生的载波信号经过功率放大器113放大后,通过天线116发射,为无源传感器12提供能量。

无源传感器12通过与传感器控制电路间11的非接触式电磁耦合方式来获取所需
的能量,通过非直接供电,实现无源化。

无源传感器12主要包括能量管理电路121;能量存储电路122;天线收发电路123;
传感电路124;第二数据调制电路125。第二数据调制电路125包括容/频转换器和?#21046;?#22120;。

传感器控制电路11中的振荡器112产生的载波信号经过功率放大器113放大后,通
过天线116发射,无源传感器12的天线收发电路123将载波信号所传递的能?#23458;?#36807;能量存储
电路122进行存储,当储存的能量满足使用阈值后,将驱动第二数据调制电路125?#28304;?#24863;信
息进行采集。第二数据调制电路125中的容/频转换器,将传感电路124感知的物理信号转换
成数字频率信号;利用?#21046;?#22120;,通过反向散射调制将数据帧加载到载波中。传感器控制电路
11利用检波电路115、第一数据调制电路114,得到最终的传感器信息。

传感器控制电路11将获取的数据通过外围接口电路传输到数据采集装置2中。传
感器信息的输出格式是多参数的混合输出,并且是一段连续的矩形波。数据输出格式是从
同步信号开始,然后?#26469;?#20026;温?#21462;?#28287;?#21462;?#21387;力值信息;无源传感器的输出信号决定了其采集
方式是基于定时计数原理的信号采集;根据同步信号和采样周期以及定时器的计数可以实
现传感器信息温?#21462;?#28287;?#21462;?#21387;力值信息的分离,将采集到的经过信号分离的数据再次做发送
前的处理工作,包括数据帧格式、WSN协议,然后将数据发送到数据采集装置2中的无线发送
缓冲区内。

在进行数据采集过程中,如果采集数据没有进入无线发送缓冲区,则数据采集失
败,重新进行数据采集,直至缓冲区有待发送数据产生?#27426;源?#21457;送数据进行打包发送处理,
若状态指示电路202未?#20102;福?#21017;表明数据未发?#32479;?#21435;。对发送?#25910;?#36827;行处理,并且对出现故
?#31995;?#25968;据采集装置2重新初始化,直至数据发?#32479;?#21151;。

另外,如在本申请中使用的,术语“模块”、“系统”是指下面各项的全部:

(1)仅硬件的电路实施方式(诸如以仅模拟和/或数字电路设备的实施方式);

(2)电路和软件的组合,诸如:(i)控制电路的组合或(ii)控制电路/软件(包括数
字信号控制电路)、软件和存储器的部分,其共同工作以引起诸如移动电话或服务器之类的
设备执行各种功能;以及

(3)诸如微控制电路或微控制电路部?#31181;?#31867;的电路,其需要用于操作的软件或固
件,即使软件或固件并没有物理地呈现。

“单元”或“装置”的定义适用于所有在以上实施例中(包括在任何权利要求中)对
该术语的使用。作为另一示例,术语“模块?#24065;部?#20197;涵盖仅一个控制电路或控制电路部分以
及它的附属的软件和/或固件的实施例方式。术语“装置”还可涵盖例如类集成电路、蜂窝网
络设备或其他网络设备中的基带集成电路或应用控制电路集成电路。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程
图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、?#24230;?#24335;处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中的功能的装置。

尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造
性概念,则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精
神和范围。这样,?#28909;?#26412;发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内,则本发明也意?#21450;?#21547;这些改动和变型在内。

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