[发明专利]基于射频能量采集的无线结构健康监测节点

说明书

技术领域

本发明涉及无线可充电传感器网络技术和结构健康监测技术，尤其涉及一种基于射频能量收集的能够监测结构健康的无线传感器节点。

背景技术

随着无线传感器网络技术(WSN)的快速发展，如今WSN被广泛应用在国防军事，环境监测，工业控制，结构健康监测等领域中。在结构健康监测实际应用环境中，传感器节点常常被部署在结构内部，所以在传统的结构健康监测技术当中，传感器节点寿命往往取决于节点电池所携带的能量。

而如果将环境能量收集技术应用于传感器节点的供能中，使其自发地从其所在的空间环境中获取外界能量，并且所收集到的能量能够满足整个系统的能耗需求，这样就能够从根本上解决节点持续供能的难题。目前比较成熟的环境能量收集技术有：太阳能、振动能、风能收集等。

但以上的环境能量收集技术存在一定的缺陷，例如，太阳光虽然分布广泛，但受自然条件影响严重，而且不能直接照射至结构内部。

振动能量主要存在于工业环境中，可以通过压电、电磁、静电场等原理转换成电能，但是其应用面非常小。

风能收集同太阳能一样，是一种非常清洁的能量来源，而风能是不稳定的、不可预测的，同样无法进入结构内部。

而环境中的电磁波无处不在，相比于其它环境能量，电磁能收集不受地域、天气等自然因素的影响，而很容易穿透结构。

发明内容

为了克服现有结构健康监测技术当中传感器节点的生命周期问题，提供一种基于射频能量采集的无线结构健康监测节点。该节点采用电磁辐射的射频能量收集方式，可以自主收集环境中的射频能量，并将射频能量转换为直流电压从而为整个节点持续供电，还可以向汇聚节点持续稳定地发送结构内部温度及应力度传感器信息。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于射频能量采集的无线结构健康监测节点，该节点包括能量天线模块、能量转换模块、传感器模块以及微处理器模块。能量天线模块由Patch天线构成；能量转换模块由RF-DC能量转换模块、能量存储模块和稳压模块组成；传感器模块包括温度传感器模块和应力度传感器模块；微处理器模块包括微处理器控制模块以及ZigBee无线通信模块。能量天线模块接收空间环境中的电磁波，并与RF-DC能量转换模块相连，能量存储模块分别与RF-DC能量转换模块和稳压模块相连，稳压模块分别与微处理器模块以及传感器模块相连，温度、应力度两个传感器模块以及ZigBee通信模块分别与微处理器控制模块相连。

进一步地，所述Patch天线采用中心频率为915MHz指向性天线，RF-DC能量转换模块主要由能量转换芯片U1、探针J2组成，能量存储模块主要由超级电容C1、C2和开关S1组成，稳压模块主要由低压差稳压芯片U2、电容C3和C4、电阻R6、发光二极管D1组成，温度传感器模块由温度传感器芯片U5以及电容C21、C20组成，应力度传感器模块主要由应变片U4，运算放大器U6，电阻R5、R7～R11，电容C22～C24组成；其中Patch天线与PCB板上的SMA底座连接，Patch天线信号输出引脚连接至能量转换芯片U1的信号输入引脚，置地引脚直接与PCB板的地线连接；超级电容C2的1脚与2脚分别与拨动开关S1的1号脚连接，超级电容C1的正引脚与拨动开关S1的3脚连接，能量转换芯片U1的能量存储引脚与拨动开关S1的2脚连接，能量转换芯片U1的置地引脚分别与地相连，能量转换芯片U1的输出引脚与探针J2连接；低压差稳压芯片U2的信号输入引脚分别与探针J2、电容C3正极连接，稳压芯片U2的信号输入引脚与使能引脚连接，稳压芯片U2的置地引脚连接至地，稳压芯片U2的信号输出引脚与电容C4相连，电容C4与拨动开关S2的1脚连接，拨动开关S2的2号引脚与排座P1的1脚连接，电阻R6的两端分别与排座P1的2脚和发光二极管D1正极相连；超级电容C1的负引脚、超级电容C2的3脚与4脚、电容C3的负极、电容C4另一端和发光二极管D1负极均接地；