基于射頻能量采集的無線結構健康監測節點的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線可充電傳感器網絡技術和結構健康監測技術，尤其涉及一種基于射頻能量收集的能夠監測結構健康的無線傳感器節點。
【背景技術】
[0002]隨著無線傳感器網絡技術(WSN)的快速發展，如今WSN被廣泛應用在國防軍事，環境監測，工業控制，結構健康監測等領域中。在結構健康監測實際應用環境中，傳感器節點常常被部署在結構內部，所以在傳統的結構健康監測技術當中，傳感器節點壽命往往取決于節點電池所攜帶的能量。
[0003]而如果將環境能量收集技術應用于傳感器節點的供能中，使其自發地從其所在的空間環境中獲取外界能量，并且所收集到的能量能夠滿足整個系統的能耗需求，這樣就能夠從根本上解決節點持續供能的難題。目前比較成熟的環境能量收集技術有:太陽能、振動能、風能收集等。
[0004]但以上的環境能量收集技術存在一定的缺陷，例如，太陽光雖然分布廣泛，但受自然條件影響嚴重，而且不能直接照射至結構內部。
[0005]振動能量主要存在于工業環境中，可以通過壓電、電磁、靜電場等原理轉換成電能，但是其應用面非常小。
[0006]風能收集同太陽能一樣，是一種非常清潔的能量來源，而風能是不穩定的、不可預測的，同樣無法進入結構內部。
[0007]而環境中的電磁波無處不在，相比于其它環境能量，電磁能收集不受地域、天氣等自然因素的影響，而很容易穿透結構。

【發明內容】

[0008]為了克服現有結構健康監測技術當中傳感器節點的生命周期問題，提供一種基于射頻能量采集的無線結構健康監測節點。該節點采用電磁輻射的射頻能量收集方式，可以自主收集環境中的射頻能量，并將射頻能量轉換為直流電壓從而為整個節點持續供電，還可以向匯聚節點持續穩定地發送結構內部溫度及應力度傳感器信息。
[0009]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種基于射頻能量采集的無線結構健康監測節點，該節點包括能量天線模塊、能量轉換模塊、傳感器模塊以及微處理器模塊。能量天線模塊由Patch天線構成；能量轉換模塊由RF-DC能量轉換模塊、能量存儲模塊和穩壓模塊組成；傳感器模塊包括溫度傳感器模塊和應力度傳感器模塊；微處理器模塊包括微處理器控制模塊以及ZigBee無線通信模塊。能量天線模塊接收空間環境中的電磁波，并與RF-DC能量轉換模塊相連，能量存儲模塊分別與RF-DC能量轉換模塊和穩壓模塊相連，穩壓模塊分別與微處理器模塊以及傳感器模塊相連，溫度、應力度兩個傳感器模塊以及ZigBee通信模塊分別與微處理器控制模塊相連。
[0010]進一步地，所述Patch天線采用中心頻率為915MHz指向性天線，RF-DC能量轉換模塊主要由能量轉換芯片U1、探針J2組成，能量存儲模塊主要由超級電容C1、C2和開關SI組成，穩壓模塊主要由低壓差穩壓芯片U2、電容C3和C4、電阻R6、發光二極管Dl組成，溫度傳感器模塊由溫度傳感器芯片U5以及電容C21、C20組成，應力度傳感器模塊主要由應變片U4，運算放大器U6，電阻R5、R7?R11，電容C22?C24組成；其中Patch天線與PCB板上的SM底座連接，Patch天線信號輸出引腳連接至能量轉換芯片Ul的信號輸入引腳，置地引腳直接與PCB板的地線連接；超級電容C2的I腳與2腳分別與撥動開關SI的I號腳連接，超級電容Cl的正引腳與撥動開關SI的3腳連接，能量轉換芯片Ul的能量存儲引腳與撥動開關SI的2腳連接，能量轉換芯片Ul的置地引腳分別與地相連，能量轉換芯片Ul的輸出引腳與探針J2連接；低壓差穩壓芯片U2的信號輸入引腳分別與探針J2、電容C3正極連接，穩壓芯片U2的信號輸入引腳與使能引腳連接，穩壓芯片U2的置地引腳連接至地，穩壓芯片U2的信號輸出引腳與電容C4相連，電容C4與撥動開關S2的I腳連接，撥動開關S2的2號引腳與排座Pl的I腳連接，電阻R6的兩端分別與排座Pl的2腳和發光二極管Dl正極相連；超級電容Cl的負引腳、超級電容C2的3腳與4腳、電容C3的負極、電容C4另一端和發光二極管Dl負極均接地；
[0011]溫度傳感器芯片U5的第一置地引腳和模擬輸出引腳分別與電容C21兩端連接，溫度傳感器芯片U5的模擬輸出引腳與微處理器U3的第7通道模擬輸入引腳連接，溫度傳感器芯片U5的供電引腳和第二置地引腳分別與電容C20兩端連接，溫度傳感器芯片U5的供電引腳與SI的2腳連接；第一置地引腳和第二置地引腳均接地；應變片U4的2腳與地連接，I腳分別與R5、R7和儀表放大器U6的信號正輸入引腳連接，R5的另一端與可調電阻R8中間端連接，R9 一端與可調電阻R8連接，R9另一端與儀表放大器U6的信號負輸入引腳連接，RlO與儀表放大器U6的信號負輸入引腳連接，R7、R8、RlO的另一端都與SI的2腳連接，Rll的兩端分別與儀表放大器U6的參考電阻引腳連接，C22與儀表放大器U6的供電引腳連接，儀表放大器U6的信號輸出引腳與微處理器U3的第6通道模擬輸入引腳連接，同時與C23和C24的一端連接，儀表放大器U6的負電源引腳、參考電壓引腳以及電容C22?C24的另一端與地連接；
[0012]所述微處理器模塊由微控制器與通信模塊集成芯片U3、貼片晶振Yl?Y2、電容C5?C19、電阻R3?R4、電感LI?L3、SMA天線底座J3、排座P2組成；微處理器置地引腳與地相連，時鐘信號引腳、信號使能引腳分別與排座P2的6、5腳連接，第7通道模擬輸入引腳與溫度傳感器芯片U5的模擬輸出引腳連接，第6通道模擬輸入引腳與儀表放大器U6的信號輸出引腳連接，復位引腳分別與排座P2的7腳、電容C18以及電阻R4連接，模擬電源引腳分別與鉭電容C7正端、電容C6、磁珠LI連接，電容C6、鉭電容C7、電容C18的另一端都與地連接，第一高頻晶振引腳與晶振Yl的I腳和電容CS連接，第一高頻晶振引腳與晶振Yl的2腳和電容C9連接，電容C8、C9的另一端都與地連接，RF信號負引腳與電容Cll連接，RF信號正引腳與電容ClO連接，電容ClO的另一端分別與電感L3、電容C12連接，電容Cll的另一端分別與電容C13、電感L2連接，電容C12、電感L2的另一端同時與電容C14連接，電容C14的另一端與SMA天線底座J3連接，偏置電阻引腳與電阻R3連接，電容C13、電感L3、電阻R3的另一端與地連接，第一低頻晶振引腳同時與晶振Y2的I腳和電容C15連接，第二低頻晶振引腳同時與晶振Y2的2腳和電容C16連接，電容C15、電容C16的另一端都與地連接，時鐘調試引腳、數據調試引腳分別與排座P2的3、4腳連接，SPI總線主輸入引腳、SPI總線主輸出引腳分別與排座P2的9、8腳連接，數字電源引腳同時與電容C17和撥動開關S2的2腳連接，電阻R4、電感L1、C19的另一端都與撥動開關S2的2腳連接，P2的I腳與SMA底座J3的接地腳與地連接，數字電源退耦引腳與電容C5連接，電容C5、電容C19的另一端與地連接。
[0013]本發明具有的有益效果是:
[0014]I)本發明采用了環境能量收集技術，使傳感器節點能夠在結構內部主動收集可用能量，并將之轉換為電能給自身供電，能夠不斷獲取環境中的可用能量，大大延長了節點的生命周期。
[0015]2)本發明采用了基于電磁輻射的射頻能量收集方式，電磁作為載體的能量發生及收集的系統可以控制收集的能量，并且不受空間環境的限制，在實際使用中其收集裝置安置難度也較低。電磁輻射的輻射范圍更廣，且電磁輻射是無處不在的，地球磁場、太陽光、移動通信基站、W1-Fi等都會發射強度不同的電磁輻射。
[0016]3)超低功耗的微處理器、無線通信協議、穩壓芯片、溫濕度傳感器的引入使無線可充電傳感器網絡節點能夠感知更加微弱的射頻能量。
[0017]4)在結構內部對應力度及溫度的監測可以更加準確直觀的反應出結構的健康狀況。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的整體結構框圖；
[0019]圖2是本發明的能量天線模塊及能量轉換模塊的電路原理圖；
[0020]圖3是本發明的傳感器模塊的電路原理圖；
[0021]圖4是本發明的微處理器模塊電路原理圖；
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0023]如圖1所示，描述了基于射頻能量收集的無線結構健康監測節點的整體結構。該節點包括能量天線模塊、能量轉換模塊、傳感器模塊以及微處理器模塊。能量天線采用中心頻率為915MHz的Patch天線，能量天線模塊接收射頻源發射的電磁波并將其轉換為高頻直流電；能量轉換模塊包括RF-DC能量轉換模塊、能量存儲模塊、穩壓模塊三個部分，進行阻抗匹配后與能量天線模塊連接，將天線所產生的高頻直流電轉換為低頻直流電并存儲在超級電容當中；傳感器模塊通過溫度傳感器和應力傳感器感知并收集結構健康信息；微處理器模塊是整個節點的核心，包括微處理器控制模塊和ZigBee無線通信模塊。能量天線模塊接收空間環境中的電磁波，并與RF-DC能量轉換模塊相連，能量存儲模塊分別與RF-DC能量轉換模塊和穩壓模塊相連，穩壓模塊分別與微處理器模塊以及傳感器模塊相連，溫度、應力度兩個傳感器模塊以及ZigBee通信模塊分別與微處理器控制模塊相連。
[0024]如圖2所示，是該傳感器節點的供能部分的電路原理圖，包括了能量收集天線、能量轉換模塊和能量存儲模塊。能量收集天線與能量轉換模塊進行阻抗匹配后連接，其負載阻抗50歐姆，能量接收方向為定向水平122°、垂直68°，線性增益6.1dBi。RF-DC能量轉換模塊主要由芯片Ul和探針J2組成，其中Ul采用的是美國Powercast公司的P2110B能量轉換芯片，能量存儲模塊主要由AVX Bestcap系列超級電容C1、C2組成，穩壓模塊主要由安森美半導體公司的新型低壓差線性穩壓芯片NCP698SQ30T1G、電容C3和C4、電阻R6、貼片發光二極管Dl組成；其中Patch天線與PCB板上的SM底座連接，Patch天線信號輸出引腳(I號引腳)連接至能量轉換芯片Ul的信號輸入引腳(3號引腳)，置地引腳(2?5號引腳)直接與PCB板的地線連接；超級電容C2的I腳與2腳分別與撥動開關SI的I號腳連接，超級電容Cl的正引腳與撥動開關SI的3腳連接，能量轉換芯片Ul的能量存儲引腳(8號引腳)與撥動開關SI的2腳連接，能量轉換芯片Ul的置地引腳(2、4、11號引腳)分別與地相連，能量轉換芯片Ul的輸出引腳(12號引腳)與探針J2連接；低壓差穩壓芯片U2的信號輸入引腳(2號引腳)分別與探針J2、電容