本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著能量采集技術(shù)和低功耗電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上也提出了多種多樣的自供能無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)方案。較早的范例是1992年出現(xiàn)的“智能灰塵”概念。這一概念于1999年由美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校研制實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目用大量智能傳感/運(yùn)算節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由太陽(yáng)能供電，通過(guò)激光實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。由于激光通信對(duì)凈空的要求以及太陽(yáng)能受天候的局限，后起的自供能傳感節(jié)點(diǎn)方案主流的通訊方式是射頻收發(fā)，而能源方面也在尋求可與太陽(yáng)能互補(bǔ)或者可以獨(dú)立使用的供能新方式，振動(dòng)能量采集就是其中的研究重點(diǎn)。2004年，美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的Leland等開(kāi)發(fā)出一種自供能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)間歇性的溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)發(fā)送。該節(jié)點(diǎn)采用一個(gè)諧振頻率為27Hz的壓電懸臂梁式能量采集器供電，在諧振狀態(tài)、0.05g加速度激勵(lì)下，能夠提供29.3μW的功率。由于采用的是低諧振頻率的能量采集器，故整個(gè)節(jié)點(diǎn)尺寸較大，為70×54×47mm。2009年，IMEC的Elfrink等研制出體積僅1cm³的自供能無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，能夠做到每15秒發(fā)送一次當(dāng)前溫度。該節(jié)點(diǎn)由一個(gè)諧振頻率353Hz的壓電式能量采集器供電，在諧振狀態(tài)、0.64g加速度激勵(lì)下，毛輸出功率17μW。電源管理電路效率60％，在間歇工作模式下整個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均功耗低于10μW。南安普頓大學(xué)的Beeby研究組于2008年和2011年分別研制出了由電磁式能量采集器和壓電式能量采集器供電的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。前者能夠在0.06g，52Hz的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)下每隔3.28秒發(fā)送一次加速度數(shù)據(jù)，且能夠根據(jù)能量采集器發(fā)電情況調(diào)整工作循環(huán)時(shí)間；而后者則在一張信用卡大小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了每隔800秒測(cè)量和傳輸一次溫度、加速度和氣壓數(shù)據(jù)，其激勵(lì)振動(dòng)為0.4g，67Hz。一些傳感器企業(yè)和新興的能量采集器企業(yè)也推出了一系列自供能無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)解決方案。MEMSIC和EnOcean都推出了太陽(yáng)能供電的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)建筑家居環(huán)境及微氣候變化等。鑒于太陽(yáng)能供電存在著陰雨天氣和室內(nèi)工作受限的弊端，EnOcean也提供運(yùn)動(dòng)能量采集供電的方案，但其能量采集器是按鈕式的，即必須專門按下采集器上的按鈕才能為傳感器供電，雖然這樣能夠提供較高的功率，但是使用并不方便，僅適用于家居等小空間場(chǎng)合。MicroStrain和Perpetuum提供無(wú)人值守的振動(dòng)能量采集器供電無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)方案，但是由于其能量采集器都是諧振式的，故在出廠時(shí)需要針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的諧振頻率預(yù)先調(diào)諧，因此應(yīng) 用范圍主要限制在振動(dòng)頻率比較穩(wěn)定的機(jī)電設(shè)備上?？偠灾?，自供能無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)尚未形成成熟的市場(chǎng)，為了進(jìn)一步推廣，仍有許多科學(xué)技術(shù)上的問(wèn)題需要解決。

“事件驅(qū)動(dòng)(event-driven)”機(jī)制是無(wú)線傳感網(wǎng)部署中的重要技術(shù)。所謂事件驅(qū)動(dòng)，是指僅在某些特定事件(例如地震、火災(zāi)、溫度/濕度等達(dá)到某一閾值)發(fā)生時(shí)，傳感器才被喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，在其他時(shí)刻則保持低功耗休眠狀態(tài)。這一機(jī)制對(duì)于有效利用能源、延長(zhǎng)傳感網(wǎng)壽命、降低使用成本等有著重要意義。所謂“事件”，指的就是“一個(gè)變量值的變化”。在傳感器的物理層，我們關(guān)心的就是一些關(guān)鍵物理量的變化，例如地震一定會(huì)引起加速度的巨大變化，火災(zāi)則會(huì)引起溫度的顯著變化。這些變化完全可以用于在物理層對(duì)傳感器進(jìn)行喚醒，從而進(jìn)一步減少傳感網(wǎng)的能量和網(wǎng)絡(luò)資源消耗，提高工作效率。更進(jìn)一步，這些物理量的變化(震動(dòng)/加速度突變、溫度升高)也蘊(yùn)含著可觀的能量，這就為將能量采集和傳感功能實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)器件上提供了可能性。這一思路在國(guó)際上得到了初步探索。日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)的Itoh等開(kāi)發(fā)出一種直接數(shù)字輸出的壓電式加速度傳感器，用于探測(cè)禽流感導(dǎo)致的家禽運(yùn)動(dòng)狀態(tài)異常。該傳感器在一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)上制作了多個(gè)壓電條，每個(gè)壓電條后級(jí)連接閾值電壓不同的CMOS開(kāi)關(guān)，因此檢測(cè)到不同加速度時(shí)，開(kāi)啟的是不同數(shù)目的CMOS開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字輸出而不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。加速度傳感器本身并不需要電源，但是后級(jí)電路仍需要靠電池供電，并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自供能。

在很多“事件驅(qū)動(dòng)”的場(chǎng)合，我們只關(guān)心監(jiān)測(cè)的物理量是否達(dá)到閾值，比如輸油管道受到的沖擊是否達(dá)到了足以破壞其結(jié)構(gòu)的程度。在這樣的背景中，持續(xù)、精確的加速度數(shù)據(jù)顯然是冗余的，要維持精確的測(cè)量需要消耗較多的能源，增加維護(hù)難度和維護(hù)成本，而“事件驅(qū)動(dòng)”傳感機(jī)制則可以壓縮信息，節(jié)省能源。仍以輸油管道為例，將“事件驅(qū)動(dòng)”型能量采集器安裝在管道上，管道不受到外界作用時(shí)，采集器幾乎沒(méi)有任何輸出；當(dāng)外界破壞行為在管道上造成一定程度的振動(dòng)/沖擊時(shí)，達(dá)到某一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，采集器產(chǎn)生的電能即迅速大幅提升，后級(jí)電路只需檢測(cè)到電能積累到一定程度，即可通過(guò)射頻發(fā)射電路發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)。這個(gè)信號(hào)可以非常簡(jiǎn)單，在上述例子中，只需包含受破壞管道的位置信息。在這種工作模式下，傳感器和能量采集器融為一體，而電路并不需要處理振動(dòng)頻率、幅度等信息，也不需要為傳感器單獨(dú)提供電源，這就大大簡(jiǎn)化了傳感節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。直接利用能量采集器實(shí)現(xiàn)“事件驅(qū)動(dòng)”的發(fā)電行為，則能夠在單個(gè)器件上同時(shí)做到能量采集和傳感，形成傳感/能量采集一體的新型自供電傳感系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有無(wú)線振動(dòng)傳感器架構(gòu)復(fù)雜、不能有效利用環(huán)境能源的不足，提供一種自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警系統(tǒng)及方法。

該系統(tǒng)包括至少一個(gè)利用驅(qū)動(dòng)閾值發(fā)電的能量采集器、與所述能量采集器連接用于整流和存儲(chǔ)能量的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路、與能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路連接用于檢測(cè)并判斷所述能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路中電壓是否超過(guò)其預(yù)設(shè)電壓閾值的控制電路以及與該控制電路連接的無(wú)線發(fā)射電路；

所述能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路包括整流電路以及存儲(chǔ)所述能量采集器輸出的儲(chǔ)能元件；所述無(wú)線發(fā)射電路用于發(fā)射預(yù)存的報(bào)警/提示信號(hào)；

當(dāng)外界激勵(lì)振動(dòng)閾值達(dá)到或高于所述驅(qū)動(dòng)閾值以及所述控制電路檢測(cè)到儲(chǔ)能元件上的電壓超過(guò)所述預(yù)設(shè)電壓閾值時(shí)，所述無(wú)線發(fā)射電路發(fā)出預(yù)存報(bào)警/提示信號(hào)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述能量采集器為排布成陣列的能量采集器。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述儲(chǔ)能元件為電容或者儲(chǔ)能電池。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述控制電路和無(wú)線發(fā)射電路包含用于預(yù)存報(bào)警/提示信號(hào)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述能量采集器至少包括：

用于感應(yīng)外界振動(dòng)的第一級(jí)振子；所述第一級(jí)振子自由端上下表面分別固定長(zhǎng)方體磁鐵和長(zhǎng)方體質(zhì)量塊；

用于發(fā)電的第二級(jí)振子；所述第二級(jí)振子自由端上表面固定長(zhǎng)方體磁鐵；所述第二級(jí)振子固定端上表面依次粘接下電極、壓電薄膜、上電極；

第一級(jí)振子和第二級(jí)振子固定端都固定在基座上；

第一級(jí)振子磁鐵和第二級(jí)振子磁鐵的間距可調(diào)節(jié)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述控制電路為包括MCU的間歇檢測(cè)電路或者無(wú)MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述包括MCU的間歇檢測(cè)電路至少包括：

保證MCU順利開(kāi)啟的開(kāi)關(guān)電路；該電路有電壓檢測(cè)的功能；該電路所控制的開(kāi)關(guān)控制MCU的地；該電路中電壓檢測(cè)器的閾值電壓高于MCU啟動(dòng)并進(jìn)入低功耗模式的電壓；

實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)的超低功耗控制器MCU或?qū)Ｓ眉呻娐稟SIP；MCU間歇性地檢測(cè)電壓；MCU間歇工作周期隨程序固定或通過(guò)檢測(cè)判斷確定；RF模塊開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)控制RF模塊的電源端。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述無(wú)MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路至少包括：

由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和MOS管組成的高閾值檢測(cè)電路；該電路通過(guò)調(diào)節(jié)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)阻值之比確定最高閾值；當(dāng)輸入電壓高于高閾值時(shí)，該電路MOS管打開(kāi)；

由MOS管和電壓檢測(cè)器組成低閾值檢測(cè)電路；電壓檢測(cè)器的閾值就是低閾值；當(dāng)輸入電壓低于于低閾值時(shí)，該電路MOS管、電壓檢測(cè)器等關(guān)閉；

RF模塊開(kāi)關(guān)；該開(kāi)關(guān)控制RF模塊的電源端。

本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)自主報(bào)警的方法，該方法包括以下步驟：

利用驅(qū)動(dòng)閾值發(fā)電的能量采集器采集外界激勵(lì)振動(dòng)幅度；當(dāng)外界激勵(lì)振動(dòng)幅度低于能量采集器的驅(qū)動(dòng)閾值時(shí)，所述能量采集器輸出功率在所述能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存電路中消耗完；當(dāng)外界激勵(lì)振動(dòng)幅度達(dá)到或高于能量采集器的驅(qū)動(dòng)閾值時(shí)，所述整流電路將所述能量采集器輸出的交流電進(jìn)行整流并向儲(chǔ)能元件充電；

所述控制電路用于檢測(cè)所述儲(chǔ)能元件上的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓閾值時(shí)，控制電路對(duì)所述無(wú)線發(fā)射電路上電；

所述無(wú)線發(fā)射電路上電后，無(wú)線發(fā)送報(bào)警/提示信號(hào)；

當(dāng)所述控制電路檢測(cè)到所述儲(chǔ)能元件上的電壓下降到不足以支持所述無(wú)線發(fā)射電路工作時(shí)，中止對(duì)所述無(wú)線發(fā)射電路的供電，直到所述儲(chǔ)能元件上的電壓再次達(dá)到預(yù)設(shè)電壓閾值。

本發(fā)明涉及一種自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警系統(tǒng)及方法，可以監(jiān)測(cè)外界環(huán)境的機(jī)械振動(dòng)，并在振動(dòng)幅度高于特定預(yù)設(shè)閾值時(shí)自主無(wú)線發(fā)送報(bào)警/提示信號(hào)，屬于傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域領(lǐng)域。本發(fā)明所述的自主報(bào)警微系統(tǒng)由振動(dòng)自感知能量采集器、能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)單元、控制電路和無(wú)線發(fā)射電路組成。振動(dòng)自感知能量采集器具有驅(qū)動(dòng)閾值，在環(huán)境振動(dòng)幅度低于閾值時(shí)不發(fā)電，只在環(huán)境振動(dòng)幅度高于閾值時(shí)將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。發(fā)出的交流電在能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)單元中轉(zhuǎn)化為直流并存儲(chǔ)起來(lái)?？刂齐娐窓z測(cè)到電能積攢到一定程度時(shí)，控制無(wú)線發(fā)射電路上電并發(fā)射報(bào)警/提示信號(hào)，報(bào)告事件的發(fā)生。

附圖說(shuō)明

圖1顯示為本發(fā)明涉及的的自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警微系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖2a和2b顯示為本發(fā)明采用的的能量采集器的俯視圖(正面和背面)。

圖3a和3b顯示為本發(fā)明采用的的能量采集器的截面圖(圖2a和2b中所示截面A和截面B)

圖4a和4b顯示為當(dāng)外界振動(dòng)幅度小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，能量采集器的兩級(jí)振子在平衡位置作小幅度振動(dòng)的兩種振動(dòng)模式的示意圖。

圖5顯示為當(dāng)外界振動(dòng)達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，能量采集器的兩級(jí)振子的振動(dòng)模式示意圖。

圖6a和6b顯示為能量采集器兩種磁鐵安裝方式的示意圖。

圖7顯示為本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)單元的示意圖。

圖8顯示為本發(fā)明控制電路中基于MCU的間歇檢測(cè)電路的示意圖。

圖9顯示為本發(fā)明那個(gè)控制電路中不依賴MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路的示意圖。

圖10顯示為本發(fā)明基于MCU的系統(tǒng)示意圖。

圖11顯示為本發(fā)明不依賴MCU的最簡(jiǎn)系統(tǒng)示意圖。

圖12顯示為本發(fā)明電容和射頻模塊的電壓電流時(shí)域圖。

圖13a和13b顯示為本發(fā)明能量采集器封裝的示意圖。

元件符號(hào)說(shuō)明

1 能量采集器

11 第一級(jí)振子(又稱為感應(yīng)振子)

111 第一磁鐵

112 質(zhì)量塊

12 第二級(jí)振子(又稱為發(fā)電振子)

121 第二磁鐵

123 壓電薄膜

124 下電極

125 上電極

d 第一磁體與第二磁體的間距

2 能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路

21 整流電橋兩輸入端

22 二極管

23 電容

24 電容兩輸出端

3 控制電路

31 基于MCU的間歇檢測(cè)電路

311 MCU

312 MCU 啟動(dòng)電路

313 RF 模塊開(kāi)關(guān)

32 不依賴MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路

321 高閾值檢測(cè)電路

322 低閾值檢測(cè)電路

323 RF 模塊開(kāi)關(guān)

4 無(wú)線發(fā)射電路

41 RF模塊

42 天線

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請(qǐng)參閱附圖所示。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

本發(fā)明摒棄傳統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o線節(jié)點(diǎn)的電池供能、傳感器監(jiān)控、MCU判斷等冗長(zhǎng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了一種全新的自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警微系統(tǒng)。在振動(dòng)未達(dá)到閾值時(shí)，系統(tǒng)休眠(即能量采集器不工作或只產(chǎn)生可忽略的電能)，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到或超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始工作(即能量采集器工作，產(chǎn)生可觀的電能來(lái)觸發(fā)后續(xù)電路工作)。

本發(fā)明包含能量采集器、能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、控制電路和無(wú)線發(fā)射電路四個(gè)單元。其中能量采集器單元為二級(jí)振動(dòng)式能量采集器，不但能為后續(xù)單元提供能量，而且具有振動(dòng)閾值判斷的功能。能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)整流和電能儲(chǔ)存的功能?？刂齐娐防秒妷簷z測(cè)，使儲(chǔ)能單元間歇性的為無(wú)線發(fā)射電路供電，起到閾值開(kāi)關(guān)的作用。無(wú)線發(fā)射電路能發(fā)射特定的信號(hào)實(shí)現(xiàn)自主報(bào)警，如地址編碼。

本發(fā)明能量采集器單元為二級(jí)振動(dòng)懸臂梁結(jié)構(gòu)的能量采集器，利用磁鐵的相互作用，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)間力的耦合和能量的傳遞。感應(yīng)振子(第一級(jí)振子)諧振頻率較低，可以有效感應(yīng)外界低頻振動(dòng)激勵(lì)。當(dāng)外界振動(dòng)激勵(lì)高于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，感應(yīng)振子越過(guò)磁排斥力形成的勢(shì)壘，自由端產(chǎn)生較大的位移，并利用磁力，使發(fā)電振子(第二級(jí)振子)產(chǎn)生振動(dòng)。發(fā)電振子以較高的諧振頻率自由振動(dòng)，并利用壓電材料，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。能量采集器的工作閾值可以 通過(guò)改變兩級(jí)振子上磁鐵的間距來(lái)預(yù)先設(shè)定。利用磁鐵的相互作用，不發(fā)生碰撞、摩擦、劃撥等接觸，提高能量采集器的可靠性和耐久性。

本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)單元包含整流電橋和儲(chǔ)能電容。整流電橋?yàn)槎O管全波整流電橋，對(duì)能量采集器輸出的交流電進(jìn)行整流。儲(chǔ)能電容實(shí)現(xiàn)了濾波和電能的存儲(chǔ)。

本發(fā)明控制電路單元實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)閾值開(kāi)關(guān)的功能，包含兩種電路方案：基于MCU的間歇檢測(cè)電路和不依賴MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路?；贛CU的間歇檢測(cè)電路需要預(yù)先給超低功耗MCU編寫監(jiān)控程序，只有在電容電壓高于MCU啟動(dòng)電壓才開(kāi)始工作，所以需要附加開(kāi)啟電路保證MCU順利啟動(dòng)。電路工作后間歇性地檢測(cè)電容兩端的電壓，其余時(shí)間工作在低功耗模式下，如果電壓高于高閾值MCU控制開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，電容放電，當(dāng)電壓下降到低閾值MCU控制開(kāi)關(guān)關(guān)閉。電容開(kāi)始充電，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。不依賴MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路由分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓檢測(cè)電路組成，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)高閾值和低閾值的檢測(cè)。和基于MCU的電路相似，只有電容電壓到達(dá)高閾值時(shí)電路才能開(kāi)啟，電容放電，反之關(guān)閉，電容充電。

本發(fā)明無(wú)線發(fā)射電路單元發(fā)射包含該系統(tǒng)特有信息的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自主報(bào)警。該單元的電能由電容提供，電路的啟動(dòng)關(guān)閉受控制電路控制，發(fā)射的信號(hào)需要事先設(shè)定(例如地址編碼和校驗(yàn)碼)。信號(hào)很簡(jiǎn)短，可以減少冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送，縮短射頻電路工作時(shí)間，降低整個(gè)無(wú)源系統(tǒng)的能耗要求。

請(qǐng)參閱附圖所示，本發(fā)明提供一種自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警系統(tǒng)，請(qǐng)參閱圖1，顯示為該系統(tǒng)框圖，至少包括：能同時(shí)從環(huán)境振動(dòng)中獲取能量和信息的能量采集器1；該能量采集器不但能為后續(xù)電路單元提供能量，而且具有振動(dòng)閾值判斷的功能；與所述能量采集器單元1連接用于實(shí)現(xiàn)整流和電能儲(chǔ)存的功能的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路2；與所述能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路2連接并具有電壓檢測(cè)閾值開(kāi)關(guān)的功能的控制電路單元3；與所述控制電路3連接用于可發(fā)射包含該系統(tǒng)特有報(bào)警信息的無(wú)線發(fā)射電路單元4。

具體的，本發(fā)明的能量采集器1的結(jié)構(gòu)示意圖，請(qǐng)參閱圖2a、2b和圖3a和3b，至少包括：

用于感應(yīng)外界振動(dòng)的第一級(jí)振子11；所述第一級(jí)振子11自由端上下表面分別固定長(zhǎng)方體磁鐵111和長(zhǎng)方體質(zhì)量塊112；

用于發(fā)電的第二級(jí)振子12；所述第二級(jí)振子12自由端上表面固定長(zhǎng)方體磁鐵121；所述第二級(jí)振子12固定端上表面依次粘接下電極124、壓電薄膜123、上電極125；

第一級(jí)振子11和第二級(jí)振子12固定端都固定在基座13上；

第一級(jí)振子11磁鐵111和第二級(jí)振子12磁鐵121的間距d可調(diào)節(jié)；

請(qǐng)參閱圖4a和4b以及圖5，顯示為本發(fā)明的能量采集器的工作過(guò)程。

本發(fā)明的能量采集器1在外界振動(dòng)小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)的振動(dòng)模式，參閱圖3a和3b；在外界振動(dòng)達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)的振動(dòng)模式，參閱圖4a和4b。本發(fā)明的能量采集器1工作原理為：

外界振動(dòng)沒(méi)有達(dá)到振動(dòng)閾值時(shí)，第一級(jí)振子11振動(dòng)的能量不足以克服相互作用的磁力勢(shì)壘，只能在靜態(tài)平衡位置附近做小幅振動(dòng)，振動(dòng)頻率為外界振動(dòng)激勵(lì)的頻率。第二級(jí)振子12受到磁力作用，同樣產(chǎn)生受迫振動(dòng)，頻率和第一級(jí)振子11一樣。該頻率遠(yuǎn)小于第二級(jí)振子12的諧振頻率，所以彈性系數(shù)很大的第二級(jí)振子12自由端位移很小。壓電薄膜上應(yīng)力也很小，能夠用于轉(zhuǎn)化的機(jī)械能很少，顧可以認(rèn)為能量采集器不發(fā)電。第一級(jí)振子11有兩個(gè)靜態(tài)平衡位置，只有外界振動(dòng)達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，第一級(jí)振子11的振動(dòng)才會(huì)經(jīng)過(guò)兩個(gè)靜態(tài)平衡位置。由于此時(shí)第一級(jí)振子11的振幅顯著增加，對(duì)第二級(jí)振子12的磁力作用的最終效果可以等效成周期脈沖激勵(lì)。第二級(jí)振子12在每次脈沖激勵(lì)后，保持有阻尼的自由振動(dòng)。阻尼包括機(jī)械阻尼、空氣阻尼和電阻尼，電阻尼表示機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明使用的第一級(jí)振子11頻率約為50Hz，第二級(jí)振子12頻率約為300Hz；

本發(fā)明第一磁體與第二磁體間距(0.4mm-0.8mm)的增加使得振動(dòng)閾值單調(diào)地減小(4.5g-1g)。

根據(jù)磁極朝向不同，磁鐵安裝有兩種不同的方式，請(qǐng)參閱圖6a和6b。本發(fā)明采用第一種方式。第二種方式同樣有上述功能。

本發(fā)明采用的壓電薄膜材料為PZT。PVDF除了發(fā)電效率稍低，同樣有上述功能。

本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路2，請(qǐng)參閱圖7，至少包括：

和上電極124、下電極125直接相連的整流電橋兩輸入端21；

構(gòu)成全波整流橋的四個(gè)整流二極管22；二極管22宜使用高速、低導(dǎo)通壓降、低反向漏電流的二極管；本發(fā)明使用的二極管是二極管1N4148；

儲(chǔ)存能量的電容23；電容23宜使用大容值、低漏電流、低短路電阻的電容；本發(fā)明使用的電容是TAJ系列鉭電容；本發(fā)明使用電容的容值為470μF，除了該阻值電容漏電流相對(duì)低、充電效率高，而且充分利用了射頻模塊工作電壓范圍寬的特點(diǎn)(1.8V-3.6V)，還減少電容上無(wú)法利用能量的比例(電容<1.8V的能量)；

為后續(xù)電路提供電能的電容兩輸出端23；

本發(fā)明的控制電路3，有基于MCU的間歇檢測(cè)電路31和不依賴MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路32兩種電路方案，請(qǐng)分別參閱圖8和圖9。

基于MCU的間歇檢測(cè)電路31至少包括：

保證MCU能順利開(kāi)啟的開(kāi)關(guān)電路；該電路有電壓檢測(cè)的功能；該電路所控制的開(kāi)關(guān)控制MCU的地；該電路中電壓檢測(cè)器的閾值電壓高于MCU啟動(dòng)并進(jìn)入低功耗模式的電壓；本發(fā)明使用的電壓檢測(cè)器是XE61C系列芯片；

實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)的超低功耗控制器MCU(或?qū)Ｓ眉呻娐稟SIP)；MCU間歇性地檢測(cè)電壓，；MCU間歇工作周期可以隨程序固定也可以通過(guò)檢測(cè)判斷確定；MCU正常工作模式下的功耗盡量小，電流應(yīng)在mA量級(jí)；MCU低功耗模式功耗盡量小，低功耗模式下電流宜小于1μA；本發(fā)明使用MCU為MSP430系列單片機(jī)；

RF模塊開(kāi)關(guān)313；該開(kāi)關(guān)控制RF模塊的電源端；

電路中電阻應(yīng)選較大阻值電阻，宜大于1MΩ；本發(fā)明使用的電阻都是2MΩ；

MOS管為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，宜選漏電流小的；本發(fā)明使用的MOS管都是SI2302；

不依賴MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路32至少包括：

由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和MOS管組成的高閾值檢測(cè)電路321；該電路通過(guò)調(diào)節(jié)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)阻值之比確定最高閾值；當(dāng)輸入電壓高于高閾值時(shí)，該電路MOS管打開(kāi)；

由MOS管和電壓檢測(cè)器組成低閾值檢測(cè)電路；電壓檢測(cè)器的閾值就是低閾值；當(dāng)輸入電壓低于于低閾值時(shí)，該電路MOS管、電壓檢測(cè)器等關(guān)閉；

MOS管為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，宜選漏電流小的；本發(fā)明使用的NMOS管都是SI2302；本發(fā)明使用的PMOS管都是SI2303；

本發(fā)明使用的電壓檢測(cè)器是XE61C系列芯片；

RF模塊開(kāi)關(guān)323；該開(kāi)關(guān)控制RF模塊的電源端；

本發(fā)明的無(wú)線發(fā)射電路4至少包括：

RF模塊41；本發(fā)明使用CC1110f系列RF模塊；

天線42；本發(fā)明使用的天線為PCB板級(jí)天線；

本發(fā)明的能量采集器的整個(gè)系統(tǒng)，包括基于MCU的系統(tǒng)和不依賴MCU的最簡(jiǎn)系統(tǒng)，請(qǐng)分別參閱圖10和圖11。

本發(fā)明的自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警微系統(tǒng)正常工作時(shí)，儲(chǔ)能電容兩端和RF模塊的電壓電流時(shí)域圖，請(qǐng)參閱圖12。

本發(fā)明的能量采集器封裝的示意圖，請(qǐng)參閱圖13a和13b。能量采集器封裝在殼體13中。殼體13由夾具131通過(guò)螺絲132和螺母133栓接緊固而成。

本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)自主報(bào)警的方法，該方法包括以下步驟：

利用驅(qū)動(dòng)閾值發(fā)電的能量采集器采集外界激勵(lì)振動(dòng)幅度；當(dāng)外界激勵(lì)振動(dòng)幅度低于能量采集器的驅(qū)動(dòng)閾值時(shí)，所述能量采集器輸出功率在所述能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存電路中消耗完；當(dāng)外界激勵(lì)振動(dòng)幅度達(dá)到或高于能量采集器的驅(qū)動(dòng)閾值時(shí)，所述整流電路將所述能量采集器輸出的交流電進(jìn)行整流并向儲(chǔ)能元件充電；

所述控制電路用于檢測(cè)所述儲(chǔ)能元件上的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓閾值時(shí)，控制電路對(duì)所述無(wú)線發(fā)射電路上電；

所述無(wú)線發(fā)射電路上電后，無(wú)線發(fā)送報(bào)警/提示信號(hào)；

當(dāng)所述控制電路檢測(cè)到所述儲(chǔ)能元件上的電壓下降到不足以支持所述無(wú)線發(fā)射電路工作時(shí)，中止對(duì)所述無(wú)線發(fā)射電路的供電，直到所述儲(chǔ)能元件上的電壓再次達(dá)到預(yù)設(shè)電壓閾值。

發(fā)明的自供電無(wú)線振動(dòng)自主報(bào)警微系統(tǒng)具有以下有益效果：(1)能量采集器是磁耦合二級(jí)振動(dòng)懸臂梁結(jié)構(gòu)，具有可設(shè)定的振動(dòng)閾值。第一級(jí)感應(yīng)振子感應(yīng)外界振動(dòng)激勵(lì)并以較低頻率振動(dòng)，第二級(jí)發(fā)電振子受到感應(yīng)振子的磁力作用以高頻振動(dòng)并產(chǎn)生電能。(2)系統(tǒng)在外界振動(dòng)低于閾值時(shí)處于休眠狀態(tài)，只有外界振動(dòng)到達(dá)或超過(guò)閾值時(shí)，能量采集器才產(chǎn)生足量電能，使系統(tǒng)激活，實(shí)現(xiàn)自供能的“事件驅(qū)動(dòng)”傳感功能。(3)控制電路起到了電壓檢測(cè)帶閾值特性開(kāi)關(guān)的功能。當(dāng)電容電壓到達(dá)高閾值時(shí)，控制電路導(dǎo)通，電容放電，發(fā)射電路發(fā)射報(bào)警信號(hào)。當(dāng)電容電壓下降到低閾值時(shí)，控制電路關(guān)閉，發(fā)射電路關(guān)閉。電容開(kāi)始充電，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。(4)基于MCU的間歇檢測(cè)電路，利用超低功耗MCU間歇性地檢測(cè)電壓并判斷是否啟動(dòng)射頻模塊。(5)不依賴MCU的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路通過(guò)改變電路元件參數(shù)，調(diào)節(jié)閾值范圍，以極低的功耗實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警。(6)發(fā)射電路間歇性地發(fā)射自主無(wú)線報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)很簡(jiǎn)短，通常只包含該系統(tǒng)特有信息(例如輸油管道的地址編碼)。

綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。