一种远场无线能量传输系统的制作方法

本发明涉及无线能量传输，特别是涉及一种远场无线能量传输系统。

背景技术：

1、如今，无线传感器网络(wireless sensornetwork，wsn)技术发展迅速，在生产生活的各种场景中均有涉及。小到一个家庭的健康监测、智能家居，大到一间工厂的智能生产、智慧质检，这其间都离不开wsn所提供的感知信息。目前，wsn大多采用锂电池供电，但是这种供电方式由于传感器大小等限制，难以满足实际情况中wsn长时间、稳定工作的需求。因此，如何为wsn供能，尽可能延长网络工作时间成为了一个急需解决的问题。

2、近几年，无线能量传输(wireless powertransfer，wpt)由于其传输距离较远、部署限制较小等优势，成为了解决wsn供能问题最有效的方式之一。基于射频能量传输的远场无线充电技术相比于传统的电场耦合式、电磁感应式等无线充电方式，具有更远的传输距离，布置更加灵活。射频能量并不能直接为wsn所用，需要经过射频接收天线收集、射频-直流转换后才能将其转化成wsn可直接使用的能量。当下，进行此项研发的仅有powercast一家，但是它们的产品价格昂贵，且只能用于理论研究，与实际应用的需求相差较大。因此，研发一款低成本且实用的远场无线能量传输系统是十分必要的。

3、此外，射频能量虽然可以解决wsn的供能问题，但是射频能量的传输效率会随着距离的增加而迅速衰减，并且wsn数量已经达到了百亿级别，若使用棕色能源(brown energy)为射频发射源供电，则会额外产生数十万吨碳排放，给环境带来严重的负面影响，有悖于低碳发展理念。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种远场无线能量传输系统，能够低成本实现远场无线能量传输并有效降低环境污染。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种远场无线能量传输系统，包括：能源收集模块、射频信号生成和发射模块以及微能量接收模块；

4、所述能源收集模块包括光伏板、风力发电机和双电池储能单元，所述光伏板和风力发电机分别与所述双电池储能单元连接，用于分别收集太阳能和风能并转化成电能存储在所述双电池储能单元中；

5、所述射频信号生成和发射模块包括降压稳压电路、电源开关、有源晶振、锁相环、衰减器、放大器组、mcu(micro controllerunit，微控制器单元)、第一低功耗通信芯片以及高增益定向天线；

6、所述双电池储能单元与所述降压稳压电路连接，所述降压稳压电路用于对所述双电池储能单元的输出电压进行降压稳压；

7、所述降压稳压电路通过所述电源开关与所述锁相环、所述衰减器以及所述放大器组连接；所述锁相环、所述衰减器以及所述放大器组之间互相连接；所述放大器组还与所述高增益定向天线连接；所述有源晶振与所述锁相环连接，用于产生所述锁相环的参考输入频率；所述衰减器用于改变所述锁相环的射频输出信号的功率大小；所述放大器组用于对所述衰减器输出的射频信号进行功率放大；所述高增益定向天线用于接收放大后的射频信号并发射，同时进行能量传输；所述电源开关还分别与所述衰减器以及所述放大器组直接连接；

8、所述mcu分别与所述降压稳压电路、所述电源开关、所述锁相环、所述衰减器以及所述第一低功耗通信芯片连接，所述mcu用于控制所述电源开关的通断、所述锁相环的寄存器配置和锁定检测、所述衰减器的衰减范围以及所述第一低功耗通信芯片的信号接收并进行数字化处理；

9、所述微能量接收模块包括高增益天线、巴伦转换器、低压倍压整流电路、电源管理单元、储能器件、低功耗传感器以及第二低功耗通信芯片；

10、所述高增益天线依次与所述巴伦转换器、所述低压倍压整流电路、所述电源管理单元、所述低功耗传感器以及所述第二低功耗通信芯片连接；所述高增益天线用于接收所述高增益定向天线发射的射频能量；所述巴伦转换器用于将射频信号转换为两路振幅相同、相位相反的信号经所述低压倍压整流电路后输入所述电源管理单元；所述电源管理单元与所述储能器件连接；所述电源管理单元用于对所述储能器件进行充放电管理，还用于为所述低功耗传感器和所述第二低功耗通信芯片进行供能；所述第二低功耗通信芯片用于将所述低功耗传感器采集的数据发送给所述第一低功耗通信芯片。

11、可选地，双电池储能单元串联一个自恢复保险丝进行过流保护，同时并联一个压敏电阻作过压保护。

12、可选地，所述射频信号生成和发射模块还包括人体检测传感器；所述人体检测传感器分别与所述降压稳压电路和所述mcu连接；当所述人体检测传感器检测到有人体在辐射范围内时，发送检测信号给所述mcu，所述mcu关断除所述mcu、所述人体检测传感器以及所述第一低功耗通信芯片以外其他器件的电源。

13、可选地，所述射频信号生成和发射模块还包括上位机串口通信接口；所述上位机串口通信接口与所述mcu连接，用于直接对所述mcu进行读写控制。

14、可选地，所述降压稳压电路输出电源1和电源2两种不同大小的电源；所述电源1用于供所述mcu、所述锁相环、所述有源晶振以及所述第一低功耗通信芯片使用；所述电源2用于供所述衰减器以及所述放大器组使用。

15、可选地，在所述电源1和电源2的输入和输出位置增加不同容值的滤波电容。

16、可选地，所述锁相环的输出脚采用单端输出，并在所述锁相环不用的另一端依次串联电容和51欧姆电阻接地。

17、可选地，所述放大器组包括依次连接的第一级低噪声放大器和第二级高增益高饱和功率放大器。

18、可选地，所述低压倍压整流电路通过低至0.2v前向导通电压的肖特基二极管进行整流，然后通过电容的充放电进行倍压，输出电压为两个半波整流电压之和，实现2倍压的全波整流。

19、可选地，所述储能器件为超级电容或者超级电容和钽电容的组合根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

20、本发明提供了一种远场无线能量传输系统，该系统主要包括搭载双电池且由风光互补绿色能源驱动的能源收集模块、带有安全保护的射频信号生成和发射模块以及高效的微能量接收模块这三部分。具体地，在能量来源部分，本发明使用绿色能源来驱动整个远场无线能量传输系统；在能量发射部分，本发明将电信号转化为射频信号并通过高增益定向天线发射出去；在能量接收部分，本发明收集空间中的微弱射频信号并存储于储能器件中，从而达到为wsn供电的目的，有效提高射频能量的利用效率。此外，本发明引入绿色能源，采用太阳能、风能等清洁能源为发射端供电，能够显著降低成本并减少由于传输射频能量而产生的环境污染，具备保护环境、节约资源的优势，有助于保护环境和可持续发展，从生态环保的角度为社会经济效益做出贡献。本发明提供的一种远场无线能量传输系统包含一整套软硬件具体解决方案，在高效安全地完成远场无线能量传输的同时实现可再生能源的利用，为实现“双碳”目标提供了有效助力。

技术特征：

1.一种远场无线能量传输系统，其特征在于，包括：能源收集模块、射频信号生成和发射模块以及微能量接收模块；

2.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述双电池储能单元串联一个自恢复保险丝进行过流保护，同时并联一个压敏电阻作过压保护。

3.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述射频信号生成和发射模块还包括人体检测传感器；所述人体检测传感器分别与所述降压稳压电路和所述mcu连接；当所述人体检测传感器检测到有人体在辐射范围内时，发送检测信号给所述mcu，所述mcu关断除所述mcu、所述人体检测传感器以及所述第一低功耗通信芯片以外其他器件的电源。

4.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述射频信号生成和发射模块还包括上位机串口通信接口；所述上位机串口通信接口与所述mcu连接，用于直接对所述mcu进行读写控制。

5.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述降压稳压电路输出电源1和电源2两种不同大小的电源；所述电源1用于供所述mcu、所述锁相环、所述有源晶振以及所述第一低功耗通信芯片使用；所述电源2用于供所述衰减器以及所述放大器组使用。

6.根据权利要求5所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，在所述电源1和电源2的输入和输出位置增加不同容值的滤波电容。

7.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述锁相环的输出脚采用单端输出，并在所述锁相环不用的另一端依次串联电容和51欧姆电阻接地。

8.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述放大器组包括依次连接的第一级低噪声放大器和第二级高增益高饱和功率放大器。

9.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述低压倍压整流电路通过低至0.2v前向导通电压的肖特基二极管进行整流，然后通过电容的充放电进行倍压，输出电压为两个半波整流电压之和，实现2倍压的全波整流。

10.根据权利要求1所述的远场无线能量传输系统，其特征在于，所述储能器件为超级电容或者超级电容和钽电容的组合。

技术总结
本发明公开了一种远场无线能量传输系统，涉及无线能量传输技术领域。该系统包括：能源收集模块、射频信号生成和发射模块以及微能量接收模块；所述能源收集模块包括光伏板、风力发电机和双电池储能单元；所述射频信号生成和发射模块包括降压稳压电路、电源开关、有源晶振、锁相环、衰减器、放大器组、MCU、第一低功耗通信芯片以及高增益定向天线；所述微能量接收模块包括高增益天线、巴伦转换器、低压倍压整流电路、电源管理单元、储能器件、低功耗传感器以及第二低功耗通信芯片。本发明公开的远场无线能量传输系统能够低成本实现远场无线能量传输并有效降低环境污染。

技术研发人员：刘夕龙,马雄波,宋伟,李嘉煊
受保护的技术使用者：刘夕龙
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16