一种环境电磁波能量采集系统

1.本发明属于能量采集技术领域，尤其涉及一种环境电磁波能量采集系统。


背景技术：

2.目前：随着社会和科学技术的不断发展，目前在智能建筑中，每个建筑物都至少有上百个的传感器节点分布于建筑体中的各个部位，用于监测温度、亮度、人流量等参数，特别是疫情爆发后，智能检测设备也遍布在各种公共场合，这是普遍的趋势。通过布线为这些传感器节点提供电源是十分昂贵的。
3.目前常用的环境能源有太阳能、振动能、风能、温差热能等，但是在这些能源有的受到气候条件限制不能稳定的提供能量。而空间环境中广播电视塔、无线通讯设备等几乎全天候辐射电磁波，因此电磁波有较好的稳定性，可以利用电磁波来提供能源。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)现有的能源如太阳能不稳定，不能持续的供能。
6.(2)利用现有的技术为庞大的监测设备提供电源是十分昂贵的。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种环境电磁波能量采集系统。
8.本发明是这样实现的，一种环境电磁波能量采集系统，所述环境电磁波能量采集系统包括：
9.电磁波频谱检测模块，与中央控制和处理模块连接，用于检测空间环境中电磁波的分布情况；
10.电磁波能量采集模块，与中央控制和处理模块连接，用于利用天线对辐射场较强的波段进行能量的收集；
11.射频匹配模块，与中央控制和处理模块连接，利用频谱特性测试仪将采集到的能量中相适应的频谱能量进行转换；
12.能量转换模块，与中央控制和处理模块连接，用于将收集到的相适应电磁波能量转换为谐振电压能量；
13.电压提升模块，与中央控制和处理模块连接，用于将能量转换模块中得到的谐振电压进行提升用于为设备提供电能；
14.电能存储模块，与中央控制和处理模块连接，用于将转换来的多余的电能进行存储；
15.充电模块，与中央控制和处理模块连接，用于为能量采集器设备自身进行充电；
16.照明模块，与中央控制和处理模块连接，用于为能采集器设备自身进行照明；
17.供电模块，与中央控制和处理模块连接，用于将转换的能量为其他设备设施或者电路供电；
18.数据线传输模块，与中央控制和处理模块连接，利用数据线插口为其他电子设备
充电；
19.中央控制和处理模块，与电磁波频谱检测模块、电磁波能量采集模块、射频匹配模块、能量转换模块、电能存储模块、充电模块、照明模块、供电模块、数据线传输模块、电压提升模块连接，用于对各个模块的功能以及数据的传输进行控制和及时的处理；
20.所述中央控制和处理模块计算接收信号s(t)的广义二阶循环累积量通过计算接收信号s(t)的特征参数和利用最小均方误差分类器，并通过检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数识别出bpsk信号和msk信号；计算接收信号s(t)的广义二阶循环累积量按如下公式进行：
[0021][0022]
接收信号s(t)的特征参数m2的理论值具体计算公式为：
[0023][0024]
经过计算可知，bpsk信号和msk信号的均为1，qpsk、8psk、16qam和64qam信号的均为0，由此可以用最小均方误差分类器将bpsk、msk信号与qpsk、8psk、16qam、64qam信号分开；对于bpsk信号而言，在广义循环累积量幅度谱上仅在载频位置存在一个明显谱峰，而msk信号在两个频率处各有一个明显谱峰，由此可通过特征参数m2和检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数将bpsk信号与msk信号识别出来；
[0025]
检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数的具体方法如下：
[0026]
首先搜索广义循环累积量幅度谱的最大值max及其位置对应的循环频率α0，将其小邻域[α0‑
δ0,α0+δ0]内置零，其中δ0为一个正数，若|α0‑
f
c
|/f
c
＜σ0，其中δ0为一个接近0的正数，f
c
为信号的载波频率，则判断此信号类型为bpsk信号，否则继续搜索次大值max1及其位置对应的循环频率α1；若|max
‑
max1|/max＜σ0，并且|(α0+α1)/2
‑
f
c
|/f
c
＜σ0，则判断此信号类型为msk信号；
[0027]
计算接收信号s(t)的广义四阶循环累积量通过计算接收信号s(t)的特征参数和利用最小均方误差分类器，识别出qpsk信号、8psk信号、16qam信号和64qam信号；计算接收信号s(t)的广义二阶循环累积量按如下公式进行：
[0028][0029]
接收信号s(t)的特征参数m3的理论值具体计算过程如下：
[0030][0031]
经过计算可知，qpsk信号的为1，8psk信号的为0，16qam信号的为0.5747，64qam信号的为0.3580，由此通过最小均方误差分类器将qpsk、8psk、16qam和64qam信号识别出来。
[0032]
进一步，所述电磁波频谱检测模块检测空间环境中电磁波的分布情况包括：
[0033]
(1)天线接收空间电磁辐射信号，通过分路器分为两路宽带射频信号输出；将其中一路宽带射频信号进行信号放大、检波，得到表征信号强度的检波电压值；
[0034]
(2)对电压值进行a/d变换后通过检波电压值对电磁辐射信号强度进行判断，若小于规定阈值，则输出相应信息，结束检测；
[0035]
(3)若电磁辐射信号强度大于规定阈值，则输出某一规定频点的射频信号作为本振信号给混频器，由混频器对分路器输出的另一路宽带射频信号进行混频；
[0036]
(4)将混频后的混合中频信号进入滤波器滤波，得到表征宽带射频信号中某一子频段频谱的窄带中频信号；对窄带中频信号进行信号放大、检波，得到表征某一子频段频谱信号强度的检波电压值；
[0037]
(5)将电压值进行a/d变换后，利用微控器改变其输出频点，重复进行步骤(3)至步骤(5)，得到表征另一子频段频谱信号强度的数据，进行迭代检测，直至将整个需要测量的宽带频谱扫描完成；
[0038]
(6)对各子频段频谱信号强度进行记录，并输出整个待测频带内各子频段的信号强度分布信息。
[0039]
进一步，所述将收集到的相适应电磁波能量转换为谐振电压能量包括：
[0040]
接收电磁波信号，将接收的电磁波信号进行频谱转换和信号强度归一化处理；
[0041]
将处理后的信号转换为输出电压，输出电压依次经过调谐回路和倍压整流电路得到较高的谐振电压。
[0042]
进一步，所述得到较高的谐振电压包括：
[0043]
1)通过分频器对输入的电磁波信号进行分频，并获取该输入信号的高频部分和低频部；
[0044]
2)利用谐波生成器将低频部分产生谐波y(t)，通过谐波y(t)变形获取所述的直流分量、基波分量和高次谐波分量组；
[0045]
3)利用基波分量滤除器滤除基波分量；通过直流分量滤除器滤除所述的谐波y(t)中包含的直流分量；
[0046]
4)利用谐波增益器将所述的高次谐波分量组放大；将步骤1)中生成的高频信号h(t)加入放大后的高次谐波分量组并输出。
[0047]
进一步，所述通过分频器对输入的电磁波信号进行分频，并获取该输入信号的高频部分和低频部包括：
[0048]
利用与分频器相连的高通滤波器和低通滤波器对电磁波信号进行分频获取该输入信号的高频部分和低频部。
[0049]
进一步，所述直流分量滤除包括：利用直流分量滤除器中的隔直器滤除所述的直
流分量。
[0050]
进一步，所述高次谐波分量组放大包括：通过谐波增益器中的功率放大器放大所述的高次谐波分量组。
[0051]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明能够利用充斥在空间环境里的电磁波为设备及其电路提供电能，解决了现有的能源如太阳能不稳定，不能持续的供能的问题，同时也合理的利用了环境中存在的电磁波，为电磁波更广泛的应用奠定了基础。
附图说明
[0052]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053]
图1是本发明实施例提供的环境电磁波能量采集系统结构示意图；
[0054]
图中：1、电磁波频谱检测模块；2、电磁波能量采集模块；3、射频匹配模块；4、能量转换模块；5、电压提升模块；6、电能存储模块；7、充电模块；8、照明模块；9、供电模块；10、数据线传输模块；11、中央控制和处理模块。
[0055]
图2是本发明实施例提供的环境电磁波能量采集方法流程图。
[0056]
图3是本发明实施例提供的电磁波频谱检测模块检测空间环境中电磁波的分布情况的方法流程图。
[0057]
图4是本发明实施例提供的将收集到的相适应电磁波能量转换为谐振电压能量的方法流程图。
[0058]
图5是本发明实施例提供的得到较高的谐振电压的方法流程图。
具体实施方式
[0059]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0060]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种环境电磁波能量采集系统，下面结合附图对本发明技术方案作详细的描述。
[0061]
如图1所示，本发明实施例提供的环境电磁波能量采集系统包括：
[0062]
电磁波频谱检测模块1：与中央控制和处理模块连接，用于检测空间环境中电磁波的分布情况；
[0063]
电磁波能量采集模块2：与中央控制和处理模块连接，用于利用天线对辐射场较强的波段进行能量的收集；
[0064]
射频匹配模块3：与中央控制和处理模块连接，利用频谱特性测试仪将采集到的能量中相适应的频谱能量进行转换；
[0065]
能量转换模块4：与中央控制和处理模块连接，用于将收集到的相适应电磁波能量转换为谐振电压能量；
[0066]
电压提升模块5：与中央控制和处理模块连接，用于将能量转换模块中得到的谐振电压进行提升用于为设备提供电能；
[0067]
电能存储模块6：与中央控制和处理模块连接，用于将转换来的多余的电能进行存储；
[0068]
充电模块7：与中央控制和处理模块连接，用于为能量采集器设备自身进行充电；
[0069]
照明模块8：与中央控制和处理模块连接，用于为能采集器设备自身进行照明；
[0070]
供电模块9：与中央控制和处理模块连接，用于将转换的能量为其他设备设施或者电路供电；
[0071]
数据线传输模块10：与中央控制和处理模块连接，利用数据线插口为其他电子设备充电；
[0072]
中央控制和处理模块11：与电磁波频谱检测模块、电磁波能量采集模块、射频匹配模块、能量转换模块、电能存储模块、充电模块、照明模块、供电模块、数据线传输模块、电压提升模块连接，用于对各个模块的功能以及数据的传输进行控制和及时的处理。
[0073]
如图2所示，本发明实施例提供的环境电磁波能量采集方法包括以下步骤：
[0074]
s101，通过电磁波频谱检测电路测量空间环境中电磁波的分布情况，筛选得到其中空间辐射场强较大的波段；
[0075]
s102，利用天线将接收到的信号转变为输出电压，输出电压依次经过调谐回路和倍压整流电路得到较高的谐振电压。
[0076]
s103，将谐振电压经过电压提升模块的提升转化为设备及电路所需的电能。
[0077]
如图3所示，本发明实施例提供的电磁波频谱检测模块检测空间环境中电磁波的分布情况包括：
[0078]
s201，天线接收空间电磁辐射信号，通过分路器分为两路宽带射频信号输出；将其中一路宽带射频信号进行信号放大、检波，得到表征信号强度的检波电压值；
[0079]
s202，对电压值进行a/d变换后通过检波电压值对电磁辐射信号强度进行判断，若小于规定阈值，则输出相应信息，结束检测；
[0080]
s203，若电磁辐射信号强度大于规定阈值，则输出某一规定频点的射频信号作为本振信号给混频器，由混频器对分路器输出的另一路宽带射频信号进行混频；
[0081]
s204，将混频后的混合中频信号进入滤波器滤波，得到表征宽带射频信号中某一子频段频谱的窄带中频信号；对窄带中频信号进行信号放大、检波，得到表征某一子频段频谱信号强度的检波电压值；
[0082]
s205，将电压值进行a/d变换后，利用微控器改变其输出频点，重复进行步骤s203至步骤s205，得到表征另一子频段频谱信号强度的数据，进行迭代检测，直至将整个需要测量的宽带频谱扫描完成；
[0083]
s206，对各子频段频谱信号强度进行记录，并输出整个待测频带内各子频段的信号强度分布信息。
[0084]
如图4所示，本发明实施例提供的将收集到的相适应电磁波能量转换为谐振电压能量包括：
[0085]
s301，接收电磁波信号，将接收的电磁波信号进行频谱转换和信号强度归一化处理；
[0086]
s302，将处理后的信号转换为输出电压，输出电压依次经过调谐回路和倍压整流电路得到较高的谐振电压。
[0087]
如图5所示，本发明实施例提供的得到较高的谐振电压包括：
[0088]
s401，通过分频器对输入的电磁波信号进行分频，并获取该输入信号的高频部分和低频部；
[0089]
s402，利用谐波生成器将低频部分产生谐波y(t)，通过谐波y(t)变形获取所述的直流分量、基波分量和高次谐波分量组；
[0090]
s403，利用基波分量滤除器滤除基波分量；通过直流分量滤除器滤除所述的谐波y(t)中包含的直流分量；
[0091]
s404，利用谐波增益器将所述的高次谐波分量组放大；将步骤1)中生成的高频信号h(t)加入放大后的高次谐波分量组并输出。
[0092]
本发明实施例提供的通过分频器对输入的电磁波信号进行分频，并获取该输入信号的高频部分和低频部包括：
[0093]
利用与分频器相连的高通滤波器和低通滤波器对电磁波信号进行分频获取该输入信号的高频部分和低频部。
[0094]
本发明实施例提供的直流分量滤除包括：利用直流分量滤除器中的隔直器滤除所述的直流分量。
[0095]
本发明实施例提供的高次谐波分量组放大包括：通过谐波增益器中的功率放大器放大所述的高次谐波分量组。
[0096]
本发明实施例提供的中央控制和处理模块计算接收信号s(t)的广义二阶循环累积量通过计算接收信号s(t)的特征参数和利用最小均方误差分类器，并通过检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数识别出bpsk信号和msk信号；计算接收信号s(t)的广义二阶循环累积量按如下公式进行：
[0097][0098]
接收信号s(t)的特征参数m2的理论值具体计算公式为：
[0099][0100]
经过计算可知，bpsk信号和msk信号的均为1，qpsk、8psk、16qam和64qam信号的均为0，由此可以用最小均方误差分类器将bpsk、msk信号与qpsk、8psk、16qam、64qam信号分开；对于bpsk信号而言，在广义循环累积量幅度谱上仅在载频位置存在一个明显谱峰，而msk信号在两个频率处各有一个明显谱峰，由此可通过特征参数m2和检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数将bpsk信号与msk信号识别出来；
[0101]
检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数的具体方法如下：
[0102]
首先搜索广义循环累积量幅度谱的最大值max及其位置对应的循环频率α0，将其小邻域[α0‑
δ0,α0+δ0]内置零，其中δ0为一个正数，若|α0‑
f
c
|/f
c
＜σ0，其中δ0为一个接近0的正数，f
c
为信号的载波频率，则判断此信号类型为bpsk信号，否则继续搜索次大值max1及其位置对应的循环频率α1；若|max
‑
max1|/max＜σ0，并且|(α0+α1)/2
‑
f
c
|/f
c
＜σ0，则判断此信号类型为msk信号；
[0103]
计算接收信号s(t)的广义四阶循环累积量通过计算接收信号s(t)的特征参数和利用最小均方误差分类器，识别出qpsk信号、8psk信号、16qam信号和64qam信号；计算接收信号s(t)的广义二阶循环累积量按如下公式进行：
[0104][0105]
接收信号s(t)的特征参数m3的理论值具体计算过程如下：
[0106][0107]
经过计算可知，qpsk信号的为1，8psk信号的为0，16qam信号的为0.5747，64qam信号的为0.3580，由此通过最小均方误差分类器将qpsk、8psk、16qam和64qam信号识别出来。
[0108]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0109]
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。