一种射频能供能的自驱动无线传感节点及其能量管理方法
阅读说明：本技术 一种射频能供能的自驱动无线传感节点及其能量管理方法 (Self-driven wireless sensing node powered by radio frequency energy and energy management method thereof ) 是由 张宇峰 刘小强 王天聪 刘建文 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种射频能供能的自驱动无线传感节点及其能量管理方法,属于无线传感技术领域。该方法包括以下步骤：PMIC转换射频能量输入,通过PMIC的阈值检测输出PGOOD和MCU的控制输出EN1、EN2共同控制与门、或门输出,进而控制两个负载开关通断实现PMIC能量输出为MCU、传感器和无线通信模块供能。本发明实现了射频能供能的无线传感节点自驱动,保证了在通信异常、或射频能量输入不稳定的情况下,MCU能够持续不断电工作,避免了数据丢失,当MCU检测到PGOOD为低时,不再采样传感器温度,并进入休眠模式,等待PGOOD上升沿唤醒,唤醒后发送上次采集的数据,避免了数据漏发。(The invention discloses a self-driven wireless sensing node powered by radio frequency energy and an energy management method thereof, and belongs to the technical field of wireless sensing. The method comprises the following steps: the PMIC converts radio frequency energy input, and the threshold detection output PGOOD of the PMIC and the control outputs EN1 and EN2 of the MCU jointly control the output of an AND gate and an OR gate, so that the on-off of the two load switches is controlled to realize the energy output of the PMIC to supply energy to the MCU, the sensor and the wireless communication module. The invention realizes the self-driving of the wireless sensing node powered by the radio frequency energy, ensures that the MCU can continuously work without power failure under the condition of abnormal communication or unstable radio frequency energy input, avoids data loss, does not sample the temperature of the sensor when the MCU detects that the PGOOD is low, enters a sleep mode, waits for awakening of the rising edge of the PGOOD, sends the data acquired last time after awakening, and avoids data missing.)
技术领域
本发明涉及一种射频能供能的自驱动无线传感节点及其能量管理方法，属于无线传感技术领域。
背景技术
近年来随着微电子、无线通信和低功耗传感器的发展，无线传感网络技术得到了极大的发展。无线传感网络覆盖范围广，传感器节点数量多，传统的电池供电方式具有寿命有限，更换电池人工成本高昂，废旧电池环境污染问题等。因此一种能够从环境中获取能量的自驱动无线传感节点具有广泛的应用场景。自然界中的能量有太阳能、温差能、射频能、风能、振动能等，其中射频能不受环境变化影响和布线影响，且在空间中无处不在。
常见的无线传感节点分为供能模块、传感器模块、微控制器模块和无线通信模块。其中无线通信模块的收发能耗远远高于其他模块的能耗，因此需要一种能量管理方法，区分管理供能模块为能耗低的传感器模块、微控制器模块和能耗高的无线通信模块供能。
射频能量微弱，且受网络通量、信号质量影响较大，无线通信模块在通信时也会受通信质量影响，存在误码重发等情况，反复发送带来的巨大能耗和射频能输入的不稳定可能导致射频能供能的自驱动无线传感节点停止工作、信息丢失和漏发等问题。
综上所述，对于射频能供能的自驱动无线传感节点，现有技术存在的问题是：射频能的能量微弱，受网络通量、信号质量影响较大，无线通信模块受通信质量影响误码重发会带来巨大能耗，无线通信模块的收发能耗远远高于其他模块的能耗。需要一种能量管理方法协调以上问题，使射频能能够稳定可靠的驱动无线传感节点工作。
发明内容
本发明的目的在于提出一种射频能供能的自驱动无线传感节点及其能量管理方法，以解决现有技术存在的问题。
一种射频能供能的自驱动无线传感节点，无线传感节点包括射频能量输入模块、PMIC、或门、与门、第一负载开关、第二负载开关、传感器、MCU和无线通信模块，射频能量输入模块与PMIC电连接，PMIC分别与或门、第一负载开关、与门、第二负载开关电连接，第一负载开关分别与传感器和MCU电连接，第二负载开关与无线通信模块电连接，
PMIC分别与或门、与门和MCU信号连接，MCU分别与或门、与门和无线通信模块信号连接，或门与第一负载开关信号连接，与门与第二负载开关信号连接，传感器与MCU双向信号连接。
进一步的，射频能量输入模块包括能量采集天线、整流电路和滤波电路，其中，采集天线用于采集环境中的射频无线能量，整流电路和滤波电路用于对射频无线能量进行整流和滤波，最后输出直流电流。
一种射频能供能的自驱动无线传感节点的能量管理方法，基于上述的一种射频能供能的自驱动无线传感节点，
S1、电源管理芯片PMIC对射频能量输入进行电压转换，PMIC的输出电压Vout分别输出到或门和与门，PMIC的阈值检测输出信号PGOOD与MCU共同控制与门和或门输出，PGOOD同时还作为信号输入到MCU；
S2、随着PMIC转化射频能量输入，Vout逐渐上升，超过高压阈值后，PGOOD置高，或门输出置高，第一负载开关导通，MCU和传感器得电；
S3、MCU得电后，将控制信号EN1置高；
S4、MCU清空采集数据存放数组，之后周期性采集传感器数据，直到数据采集完成；
S5、MCU通过控制信号EN2控制第二负载开关导通使无线通信模块得电并通过无线通信模块将采集到的传感器数据发出，之后关闭第二负载开关；
S6、MCU检测PGOOD为高，则回到步骤S4，若检测到PGOOD为低，则进入休眠模式等待PGOOD上升沿中断触发，中断触发后执行步骤S5。
进一步的，在S1中，具体的，MCU的控制输出EN1和PMIC的阈值检测输出PGOOD取或控制第一负载开关通断为MCU和传感器供能，PMIC输出电压Vout达到预设高压阈值PGOOD输出高，或门输出高，第一负载开关导通，MCU得电。
进一步的，当存在射频能量输入不稳定，或无线通信模块传输不稳定因素导致PMIC输出电压Vout降低到PMIC低压阈值时，PMIC阈值检测输出置低，MCU控制脚EN1一直置高，第一负载开关依旧导通，当MCU检测到PGOOD置低时，不再对传感器采样，而是进入休眠模式，等待PMIC的PGOOD输出上升沿中断唤醒，保证MCU不断电。
进一步的，PMIC和MCU通过做与控制第二负载开关的导通，当无线通信模块通信异常导致功耗过高，PMIC输出电压下降到低压阈值时，与门输出低，第二负载开关关闭，无线通信模块断电，不再消耗电能，MCU在执行发送无线数据的指令后，会检测PGOOD电平，如果为低，则说明当前功耗过高，不再采集传感器数据，而是进入休眠模式，等待PMIC的PGOOD输出上升沿中断唤醒，唤醒后MCU重新发送上次的数据，避免数据漏发。
本发明的有以下有益效果：
(1)通过PGOOD与EN1取或，控制第一负载开关通断，EN1在MCU上电后一直置高，当PMIC输出电压过低，PGOOD置低，EN1置高可以保证单片机不断电，提升了PMIC的输出电压阈值范围，避免了数据丢失，提升了系统可靠性。
(2)PGOOD与EN2通过与门共同控制第二负载开关通断，保证了在瞬间能耗过大的情况下及时关断第二负载开关，避免了不必要的功耗。
(3)MCU在每次数据发送完后，都会检测PGOOD高低，若检测到PGOOD为高，则清空采集信息，并进行数据采集，采集完成后将数据发出；若检测到PGOOD为低，则不会清空采集信息，而是进入休眠状态并等待PGOOD高电平唤醒，之后重发上次采集的数据，通过这种运行机制避免了数据漏发。
附图说明
图1为本发明提出的一种射频能供能的自驱动无线传感节点的结构框图；
图2为本发明提供的一种射频能供能的自驱动无线传感节点的能量管理方法的方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种射频能供能的自驱动无线传感节点，无线传感节点包括射频能量输入模块、PMIC、或门、与门、第一负载开关、第二负载开关、传感器、MCU和无线通信模块，射频能量输入模块与PMIC电连接，PMIC分别与或门、第一负载开关、与门、第二负载开关电连接，第一负载开关分别与传感器和MCU电连接，第二负载开关与无线通信模块电连接，
PMIC分别与或门、与门和MCU信号连接，MCU分别与或门、与门和无线通信模块信号连接，或门与第一负载开关信号连接，与门与第二负载开关信号连接，传感器与MCU双向信号连接。
进一步的，射频能量输入模块包括能量采集天线、整流电路和滤波电路，其中，采集天线用于采集环境中的射频无线能量，整流电路和滤波电路用于对射频无线能量进行整流和滤波，最后输出直流电流。
一种射频能供能的自驱动无线传感节点的能量管理方法，基于上述的一种射频能供能的自驱动无线传感节点，
S1、电源管理芯片PMIC对射频能量输入进行电压转换，PMIC的输出电压Vout分别输出到或门和与门，PMIC的阈值检测输出信号PGOOD与MCU共同控制与门和或门输出，PGOOD同时还作为信号输入到MCU；
S2、随着PMIC转化射频能量输入，Vout逐渐上升，超过高压阈值后，PGOOD置高，或门输出置高，第一负载开关导通，MCU和传感器得电；
S3、MCU得电后，将控制信号EN1置高；
S4、MCU清空采集数据存放数组，之后周期性采集传感器数据，直到数据采集完成；
S5、MCU通过控制信号EN2控制第二负载开关导通使无线通信模块得电并通过无线通信模块将采集到的传感器数据发出，之后关闭第二负载开关；
S6、MCU检测PGOOD为高，则回到步骤S4，若检测到PGOOD为低，则进入休眠模式等待PGOOD上升沿中断触发，中断触发后执行步骤S5。
具体的，由S3和S6可知，当MCU上电后，EN1置高，此后即使PMIC输出电压下降到低压阈值，PGOOD变低，或门依旧输出高，第一负载开关依旧导通，MCU不断电，保证了MCU持续工作，避免数据丢失。
由S4可知，在PGOOD为高，且MCU采集传感器数据完成后，MCU控制EN2置高，第二负载开关导通，无线通信模块得电。之后MCU将采集数据通过无线通信模块发出。若无线通信异常，数据重发，或射频能量输入不稳定，导致PMIC输出电压下降到低压阈值，PGOOD置低，与门会关闭，第二负载开关关断，无线通信模块不再耗电。因此，在每个工作循环中，只要PGOOD为低，说明PMIC后级储存的能量不足，第二负载开关不会导通，无线通信模块不会工作，避免了不必要的能量消耗。
在每个工作循环中，MCU发送完无线数据之后，检测PGOOD电平，若PGOOD电平为低，则认定本次数据发送存在问题，在该次工作循环中不再采样传感器，而是进入休眠，等待PGOOD重新置高，上升沿中断唤醒MCU，将上次采样的无线数据发出，重新进入正常工作循环。这种工作机制避免了因为PMIC后级电容能量不足导致的数据漏传。
进一步的，在S1中，具体的，MCU的控制输出EN1和PMIC的阈值检测输出PGOOD取或控制第一负载开关通断为MCU和传感器供能，PMIC输出电压Vout达到预设高压阈值PGOOD输出高，或门输出高，第一负载开关导通，MCU得电。
具体的，所述射频能量输入连接PMIC，PMIC的电压输出Vout到或门、与门及第一负载开关、第二负载开关，并由第二负载开关。或门、与门由Vout供电工作，第一负载开关和第二负载开关分别由或门和与门的输出信号控制通断。
第一负载开关的能量输出接到传感器和MCU，第二负载开关的能量输出接到无线通信模块，MCU分别连接到传感器和无线通信模块。
在系统工作之初，射频能量输入到PMIC，经PMIC转换，Vout上升，之后Vout达到PMIC预设高压阈值，PMIC检测输出信号PGOOD置高，或门输出高，第一负载开关导通，PMIC的能量传递到传感器和MCU，之后MCU配置EN1为高。
MCU开始采集传感器数据，采集完成后配置EN2为高，此时PGOOD也为高，与门输出高，第二负载开关导通，无线通信模块得电，之后MCU通过无线通信模块将数据发出。之后MCU重新进入采集传感器数据的工作循环。
MCU在每次采集传感器数据之前，都要对PGOOD进行电平检测，若检测到PGOOD为高，则继续采集传感器数据，若检测到PGOOD为低，则进入休眠，等待PGOOD上升沿中断触发，之后开启第二负载开关发送上次采集的数据。
进一步的，当存在射频能量输入不稳定，或无线通信模块传输不稳定因素导致PMIC输出电压Vout降低到PMIC低压阈值时，PMIC阈值检测输出置低，MCU控制脚EN1一直置高，第一负载开关依旧导通，当MCU检测到PGOOD置低时，不再对传感器采样，而是进入休眠模式，等待PMIC的PGOOD输出上升沿中断唤醒，保证MCU不断电，避免数据丢失。
进一步的，PMIC和MCU通过做与控制第二负载开关的导通，当无线通信模块通信异常导致功耗过高，PMIC输出电压下降到低压阈值时，与门输出低，第二负载开关关闭，无线通信模块断电，不再消耗电能，MCU在执行发送无线数据的指令后，会检测PGOOD电平，如果为低，则说明当前功耗过高，不再采集传感器数据，而是进入休眠模式，等待PMIC的PGOOD输出上升沿中断唤醒，唤醒后MCU重新发送上次的数据，避免数据漏发。
具体的，通过第一负载开关和第二负载开关区分能耗高的无线通信模块和能耗低的MCU、传感器。当PMIC输出电压达到高压阈值时，MCU和传感器先工作，采集完成后再导通第二负载开关，驱动无线通信模块发送无线数据。
PMIC的高低压阈值可以通过外围电路配置，但一般可配置电压范围很小，为0.1～0.4V。通过引入EN1，使其在MCU上电后一直置高。存在能量极低，PMIC输出电压下降到MCU正常工作电压以下的情况，MCU会因此停止工作，除此之外，EN1保持高电平，第一负载开关一直导通，PMIC可一直为MCU供电。
以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。