[发明专利]一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法。

背景技术

表面波传感器是基于声表面波谐振的频率随着被测物理量的变化而改变，从而测量物理量的一种新型传感器。用声表面波器件可以做成测量压力、加速度以及温度等参数的传感器。由于采用半导体集成工艺制造，故可以制成微结构，重量轻，又因为其输出频率信号，所以抗干扰能力强，便于实现数值控制。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。WSN节点通常要求尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点。

声表面波传感器满足WSN节点的要求，其尺寸小，能大规模生产、成本低、功耗低。声表面传感器与WSN的结合将带来信息感知的一场变革。

传统的传感器采用直流电源供电，如果在一些无电、供电困难的环境中想对某些设备或环境进行状态监控，则建设状态监控系统十分困难，同时采用有线方式连接系统的各个设备，将会给施工布线带来极大的麻烦。因此，需要一种采用自供电的无线传感器系统，解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控的问题。

一般自供能无线传感电路，仅仅依靠能量收集器收集周围环境中的能量，然而，周围环境的能量一般都是变化的，当周围环境能量较小，即被能量收集器收集的能量不足以驱动传感器时，整个系统便会瘫痪，出现不可预知的后果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声表面波传感器的自供能传感系统及控制方法，旨在解决在无电或供电困难、不易采用有线供能的环境中对目标进行状态监控；现有的自供能无线传感电路，仅仅依靠能量收集器收集周围环境中的能量，然而，周围环境的能量一般都是变化的，当周围环境能量较小，即被能量收集器收集的能量不足以驱动传感器时，整个系统便会瘫痪，出现不可预知的后果的问题。

本发明是这样实现的，一种基于声表面波传感器的自供能传感系统，所述基于声表面波传感器的自供能传感系统包括：

能量收集系统，与信号处理及射频能量控制电路连接，用于将周围能量的振动能量和射频能量转换为稳定电能驱动传感器工作，并利用传感器通过天线将传感器检测的信号传输给信号处理及射频能量控制电路；

信号处理及射频能量控制电路，与云端数据库连接，用于将传感器传输的信号进行一系列处理，传入信号处理及射频能量控制电路的微控制器；微控制器一方面，在振动能量不足却需要传感器工作时，控制信号处理及射频能量控制电路的射频能量发射器发射射频能量，供能量收集系统采集能量；另一方面，微控制器获得传感器信息后，上传至云端数据库；

云端数据库，用于将云端数据与智能终端进行交互。

进一步，所述能量收集系统包括：

振动能量收集器，与能量管理电路连接，用于收集周围的振动能量；

射频能量收集器，与能量管理电路连接，用于将电能在发射端通过天线转为电磁波，在接受端通过天线将电磁波再转为电能；

能量管理电路，与传感器工作电路连接，用于将所收集到的交变、高频、不稳定的电能通过整流、存储、稳压处理后变为直流、稳定的能供传感器使用的电能；

传感器工作电路，将传感器的传感信息转换为振荡信号，通过天线传播至微控制器。

进一步，射频能量收集器采用射频能量收集器超材料天线；所述射频能量收集器超材料天线采用超材料的开口谐振环，作为能量收集单元；所述射频能量收集器超材料天线的基底采用聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料Rogers Duroid RT5880，开口谐振环采用金Au材料。

进一步，振动能量收集器包括：

质量块带动压电材料弯曲，将振动能量转为电能的压电效应部件；

质量块运动带动线圈在磁棒提供的磁场中运动，线圈中磁通量发生变化，产生电能的电磁感应部件；

所述压电效应部件和电磁感应部件均与能量管理电路电连接。

进一步，能量管理电路由交流-直流整流器、MPPT变换器、能量存储电路及稳压电路；

所述交流-直流整流器，与MPPT变换器连接，用于将能量收集器所收集的交流电整流为直流电；该交流-直流整流器由四个二极管构成；