可充电无线传感网络的能量采集与消耗性能测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可充电无线传感网络的实际性能测试，尤其涉及一种基于射频能量采集的可充电无线传感网络的能量采集与消耗性能测试系统。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的关键技术之一。可充电无线传感网络是一种无需外接电池，通过采集环境中的太阳能、风能、振动能、热能、射频能等能量为自身提供能量的无线传感器网络。可充电无线传感器网络节点的能量采集与消耗对整个网络能否正常工作起着至关重要的作用。
[0003]目前，在科研领域，针对可充电无线传感网络的能量优化已有大量的理论研宄成果，但对能量优化算法的评估均以仿真为主。由于仿真是基于多种理想的假设，实际工作的可充电无线传感网络能量采集与能量消耗性能受多种因素影响，仿真的结果并不十分可信。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可充电无线传感网络的能量采集与消耗性能测试系统，旨在为可充电无线传感网络能量优化相关理论研宄提供实验支持，更好的实现可充电无线传感网络的能量管理与规划。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种可充电无线传感网络的能量采集与消耗性能测试系统，它由若干可充电无线传感节点、射频能量源、数据采集与分析模块构成，所述的可充电无线传感节点包括射频前端、微处理计算控制模块、传感器外围模块三个部分；其中，所述射频前端包括偶极子天线、倍压模块、整流模块、节点储能电容、解调模块和调制模块；微处理计算控制模块包括微处理器模块和电压检测模块；外围传感器模块包括发光二极管模块、三轴加速度计模块和温度传感器模块；所述偶极子天线、倍压模块、整流模块、节点储能电容、电压检测模块依次相连；节点储能电容、解调模块、调制模块、电压检测模块、发光二极管模块、三轴加速度计模块和温度传感器模块均与微处理器模块相连；所述的数据采集与分析模块包括接收天线、接收解调模块、节点信息分析模块。
[0006]射频能量源发射经ASK调制的载波频率为915MHz的电磁波，可充电无线传感节点的偶极子天线接收来自射频能量源的电磁波，通过倍压模块、整流模块将电磁波能量转换为直流电储存在节点储能电容中，供微处理计算控制模块和传感器外围模块工作，解调模块将电磁波携带的信息读入节点的微处理器模块中；微处理器模块读取传感器外围模块上的传感信息和接收到的电磁波信息，将当前工作的传感器模块和当前电压检测模块采集到的节点储能电容两端的电压，即节点总电压Vout编成EPC编码，通过调制模块将这些信息调制到915MHz的载波上并经偶极子天线发出。
[0007]数据采集与分析模块的接收天线接收偶极子天线发出的携带EPC编码的电磁波，经过接收解调模块解码得到当前工作的传感器模块及当前可充电无线传感节点采集到的总电压Vout，节点信息分析模块根据节点储能电容的参数和总电压Vout计算并保存节点当前时刻消耗的能量和采集的能量，并以能量采集曲线和能量消耗曲线的形式显示；数据采集与分析模块对可充电无线传感网络中所有的可充电无线传感节点信息进行无优先级的采集，得到全部节点信息后，累加得到可充电无线传感网络消耗的总能量和采集的总能量。
[0008]进一步地，通过调节射频能量源的位置、可充电无线传感节点的工作时长、节点储能电容参数和传感器外围模块工作情况，使得可充电无线传感网络的能量采集性能与能量消耗性能发生变化，根据测得的可充电无线传感网络消耗的总能量和采集的总能量，绘制随条件改变的能量采集曲线和能量消耗曲线。
[0009]本发明的有益效果是:本发明系统可对大规模任意组网的可充电无线传感网络的能量采集性能与能量消耗性能进行实时的、无线的测量并直观显示，并评价大规模的可充电无线传感网络的能量优化算法的性能，能量采集与能量消耗同时测量、分别显示，无线测量无需部署电源线，使用十分方便，实时测量及数据保存，直观可靠，便于后续数据分析。通过改变可充电无线传感网络节点的耗能模式、节点储能设备和传感器外围模块工作情况，使整个可充电无线传感网络的能量采集性能与能量消耗性能的发生变化，根据测得的可充电无线传感网络能量采集性能和能量消耗性能来评价条件的改变对可充电无线传感网络性能的影响，验证并评价现有的可充电无线传感网络能量优化算法，并提供如能量存储设备容量、能量源位置等优化参数。
【附图说明】
[0010]图1是本发明的整体结构框图；
图2是本发明的可充电无线传感节点电路原理图；
图3是本发明的数据采集与分析模块的结构图；
图4是本发明的上位机界面显示的可充电无线传感网络能量采集与能量消耗图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0012]如下图1所示，本发明一种可充电无线传感网络的能量采集与消耗性能测试系统，它由若干可充电无线传感节点、射频能量源、数据采集与分析模块构成，其特征在于，所述的可充电无线传感节点包括射频前端、微处理计算控制模块、传感器外围模块三个部分；其中，所述射频前端包括偶极子天线、倍压模块、整流模块、节点储能电容、解调模块和调制模块；微处理计算控制模块包括微处理器模块和电压检测模块；外围传感器模块包括发光二极管模块、三轴加速度计模块和温度传感器模块；所述偶极子天线、倍压模块、整流模块、节点储能电容、电压检测模块依次相连；节点储能电容、解调模块、调制模块、电压检测模块、发光二极管模块、三轴加速度计模块和温度传感器模块均与微处理器模块相连；所述的数据采集与分析模块包括接收天线、接收解调模块、节点信息分析模块。
[0013]射频能量源发射经ASK调制的载波频率为915MHz的电磁波，可充电无线传感节点的偶极子天线接收来自射频能量源的电磁波，通过倍压模块、整流模块将电磁波能量转换为直流电储存在节点储能电容中，供微处理计算控制模块和传感器外围模块工作，解调模块将电磁波携带的信息读入节点的微处理器模块中；微处理器模块读取传感器外围模块上的传感信息和接收到的电磁波信息，将当前工作的传感器模块和当前电压检测模块采集到的节点储能电容两端的电压，即节点总电压Vout编成EPC编码，通过调制模块将这些信息调制到915MHz的载波上并经偶极子天线发出。
[0014]如图3所示，数据采集与分析模块的接收天线接收偶极子天线发出的携带EPC编码的电磁波，经过接收解调模块解码得到当前工作的传感器模块及当前可充电无线传感节点采集到的总电压Vout，节点信息分析模块根据节点储能电容的参数和总电压Vout计算并保存节点当前时刻消耗的能量和采集的能量，并以能量采集曲线和能量消耗曲线的形式显示；数据采集与分析模块对可充电无线传感网络中所有的可充电无线传感节点信息进行无优先级的采集，得到全部节点信息后，累加得到可充电无线传感网络消耗的总能量和采集的总能量。通过调节射频能量源的位置、可充电无线传感节点的工作时长、节点储能电容参数和传感器外围模块工作情况，使得可充电无线传感网络的能量采集性能与能量消耗性能发生变化，根据测得的可充电无线传感网络消耗的总能量和采集的总能量，绘制随条件改变的能量采集曲线和能量消耗曲线。
[0015]实际的测试系统由Impinj RlOOO阅读器+天线作为射频能量源与射频信息源，电脑+阅读器充当数据采集与分析模块，可充电无线传感网络由可编程计算平台WISP节点组成的网络。射频能量源的发射天线与数据采集模块的接收天线可以共用一个面状天线。阅读器可与电脑处于同一局域网内通过交换机连接，也可以通过一根网线直接连接。
[0016]如图2所示为可充电无线传感节点电路原理图；可充电无线传感节点的偶极子天线由915MHz偶极子天线Antenna、可变电容CVl和电感LI组成，倍压模块和整流模块主要由电容Csl~Cs5、Cpl~Cp4、射频检波器D1~D5组成，稳压模块主要由稳压芯片U3和电容C14组成，节点储能电容主要由二极管D6、电容Cl和稳压二极管ED组成，解调模块主要由二极管D7、电容C2、电压比较器Ul、电平转换芯片U2、场效应管Q2组成，调制模块主要由场效应管Q4组成；
其中偶极子天线的一端与可变电容CVl —端、电感LI的一端、场效应管Q4的集电极连接，电感LI的另一端分别与电容Csl、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5的一端相连，射频检波器Dl、D2、D3、D4、D5的3号引脚分别与电容Csl、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5的一端连接，射频检波器Dl的I脚与地连接，2脚与射频检波器D2的I脚、电容Cpl的一端连接，3脚与电容Csl的另一端连接；射频检波器D2的2脚与射频检波器D3的I脚、电容Cp2的一端连接，3脚与电容Cs2的另一端连接；射频检波器D3的2脚与射频