作者/葛明，张翔，杨春宇，李金蕾( 西安电子科技大学 微电子学院射频体系芯片研讨组，陕西 西安 710071)
摘要：针对库房火灾发生的原因中：私拉线路，下班、夜间预警才能低，该著作做了针对性的规划为，具有无线供电功用的夜间火灾报警体系，白日天线经过无线供电模块为电池充电存储电能，夜间发动低功耗的传感器模块，检测温度和光照强度，进行对周围环境温度和光强的监测，并经过MCU判别是否超越阈值以发动警示灯进行火灾预警。该著作适用于库房的夜间防火，因为库房特色，不便利布线，也不具备条件搭载其他动力体系，运用该规划时减少了布线本钱，漂亮便利，无源状况下的实测无限供电间隔为1.4
m，因为传感器模块功耗极低，备用电池单次充电后的有用作业时间至少为11个月。
要害词：无线供电;boost电路;单片机;温度/光强传感模块;智能警报
0 导言
本规划为具有无线供电功用的夜间火灾报警体系，白日天线经过无线供电模块为电池充电存储电能，夜间发动低功耗的传感器模块，检测温度和光照强度，进行对周围环境温度和光强的监测，并经过MCU判别是否超越阈值以发动警示灯进行火灾预警。
体系经过接纳射频能量，经过整流、升压、能量存储，将射频能量搜集在电容中。在RF-DC电路中运用L型阻抗匹配网络对电路进行阻抗匹配，经过整流和滤波电路，将电荷存储在电容器中。因为此刻的电路输出电压较小，所以需求DC-DC升压电路，本文选用boost(升压)电路对电压进行升高。经过射频能量搜集技能来搜集环境中的能量以此来为他们本身供电，或许完结在没有电池的状况下作业，比方经过给小电容充电。环境中射频能量的搜集是经过天线和整流器来完结的。在环境能量较大，间隔较近时，能量获取的转化功率较高，可是跟着环境能量的减小，间隔的增大，能量获取的转化功率不断下降。这些问题经过添加多级的整流电路和对器件功能参数进行补偿等办法得到了开端的改善，但仍需求进一步的研讨改善。
1 规划电路的根本结构及首要原理
1.1 无线充电模块的根本结构
天线模块部分，为了试验便利及下降本钱，运用试验室器件：某品牌射频信号发生源发射30 dBi的射频信号，运用两块功率为9.2
dBi的天线作为发射天线和接纳天线，在信号发生源与无线充电模块之间传递能量。
无线充电模块对环境中的能量进行获取，首要要将能量经过天线搜集传输到电路中，经过RF-DC电路，将射频能量转化为直流能量，然后储存在一个电容器中。因为此刻的直流能量较小，输出电压较低且不安稳，所以需求一个DC-DC电路，来对前级电路的输出电压进行升压操作，以确保输出电压能够正常运用。
为一个环境射频能量搜集体系的大致框图，由图1能够看出，一个环境射频能量搜集体系首要是由四部分组成。首要环境中的射频能量被天线接纳，天线在输出端发生一个沟通信号，信号经过整流器进行整流操作，输出一个直流信号，抵达RF转DC的意图。天线和整流器一般一同组成一个整流天线。DC-DC模块将直流信号进行升压操作。升压转化器的要害点在于，在超低的输入电压状况下处于冷发动状况。并且要高效输出一个可用的输出电压。终究，输出的直流能量存储在一个电容器中进行带载操作。
1.1.1 RF-DC电路的电路结构
如图2所示，为RF-DC的电路结构图。能够看出，射频能量经过天线接纳后，发生一沟通信号进入电路，电容C1起到必定的隔直流转沟通的效果。沟通信号抵达节点N时，当N处的电压的绝对值小于二极管的导通电压时，两个二极管处于截止状况。当节点N处的正电压大于2号二极管的导通电压时，2号二极管导通，1号二极管截止，再输出得到一个负电压。当抵达节点N的负电压绝对值大于1号二极管的导通电压时，1号二极管导通，2号二极管截止，节点N的负电压抵达输出端。经过整流网络整流的信号经过C2和C3组成的滤波网络。大电容C3在较低频率时能够供给很好的通路，在高频时因为寄生电感的存在将无法供给滤波通路。而小电容C2在较低频率时阻抗太大无法供给滤波通路，在高频时能够供给很好的滤波通路。终究将直流能量存储在较大的电容C3中。
1.1.2 DC-DC电路的电路结构
前级RF-DC电路的输出电压较低，无法正常驱动负载，并且输出电压不安稳。所以需求后级的升压电路对前级电路输出电压进行电压的升高操作。本文的升压模块选用的是boost(升压)电路。如图3所示为DC-DC电路的详细电路结构。
图4 中的DC-DC电路的测验成果暗示如图所示。
对被压电路的测验如图所示中，能够看出在必定规模的内升压效果为扩展13倍左右，但当升压电路的输入电压超越2
V之后，升压效果变差。因为咱们后续模块的作业电压大致在3 V左右，因此处在倍压效果比较好的规模内。
终究由上述两部分电路构成了能量获取模块的全体电路，如下图5所示。
1.1.3 能量获取体系的理论核算
天线理论中最重要的公式—Friis公式，它将发射功率、天线增益、间隔、波长和接纳功率联系起来。Friis公式是用来核算从发射天线传输到接纳天线的功率：
其间，PTX、PRX分别是发射和接纳功率，分别是发射和接纳天线增益，λ是射频波的波长，r是发射天线和接纳天线间隔。
要核算最远充电间隔，有必要知道接纳端需求的最小输入功率，参阅RF-DC电路，在满意后级最小供电电压1.8 V的条件时，接纳功率需求5
dB。试验运用发射机发射功率 PTX=3 dBm，发射天线增益GTX=6 dB，接纳天线增益GRX=6 dB，发射频率900
MHz，理论核算得到最远充电间隔为1.87 m。
2 能量获取电路的PCB什物有线与无线测验
经过PCB的制作，终究完结能量获取体系的什物如图6所示。该体系中现已加入了L型阻抗匹配网络。在频率为920 MHz，输入射频信号从30
dB开端顺次下降的状况下，对电路的输出电压进行有线测验。测验成果如表1所示。
在完结了对能量获取体系的有线测验，测验成果如表2，对其无线功能进行测验。注意到无线状况空间中能量衰减，为确保安全性，射频源及发射天线的输出信号功率和操控为36
dB，改动天线接纳间隔丈量经过电路后的电压输出值并列表进行比照。已知单片机模块作业所需的最小供电电压为1.8
V，列表查找满意无线充电电压要求的最大间隔。
2.1 电池组
关于该规划能够有两种形式进行：经过无线充电模块直接为传感模块供电进行作业;也可先为预制的电池组充电，当射频源无法正常作业时发动电池组为传感操控模块供电。
预制的电池组模块由两枚3.7 V的蓄电池组成，对无线充电模块发生的电能进行搜集。实践中，MCU静态均匀功耗为20
μA，光照传感器MAX44009静态功耗1 μA。若将总功耗按25 μA核算，在运用该电池组时，单次为电池充满电体系在有源形式能够接连作业11个月。
2.2 温度传感模块
在该模块中，咱们利用了主芯片“MSP430G2553”的偏上温度传感器和外接设备的光照传感器“max44009”进行温度和光强的检测，一起抵达下降功耗的意图。
2.2.1 规划流程图
全体掌握该模块的完结方法之后，规划合理的流程图，如图7所示。
首要对各部分进行初始化，包含：显现屏的初始化、时钟初始化、监控模块的初始化、I/O端口的初始化及温度传感器和光照传感器的初始化。进行温度传感器和光照传感器的数据读取和转化，并经过接口传入OLED
屏幕进行显现。一起将数据传入MCU判别是否高于设定阈值，是则点亮LED灯进行预警，不然完毕该次循环。
2.2.2 模块的规划完结
该模块的体系原理图如图8所示：包含了六个首要部分：电源部分，阈值报警LED部分，OLED
屏幕显现部分，光照传感器部分，MCU最小体系及温度传感器部分及下载、调试接口部分。
电源部分首要对整个体系前端电池组的输出电压和输出电流进行稳压和整流效果，使该模块对前端电路的电压电流安稳度的依靠下降，因此该模块的输入电压在 3.3
V~6.5 V之间即可正常作业。阈值报警LED部分，首要效果在温度传感器和光强传感器的传输数据高于设置的阈值温度或光强时，发动LED常亮，发生预警效果。OLED
屏幕显现部分操控字符显现、显现温度和光强数据。光照传感器和温度传感器对外界温度光强做出反响，读取数据、转化数据并传输数据到MCU。MCU最小体系对传输的数据进行判别并作出应对和反应。经过下载及调试接口对该模块进行代码编写烧录和运转。
2.2.3 代码及板级完结
将各部分模块代码编译完结，经过顶层模块进行调用，并对所设阈值进行断定，如图所示，为了便于演示和丈量，咱们将阈值设为当温度大于28摄氏度或许光照强度大于1000
Lux时使电路操控LED灯点亮，以起到警示和下降功耗的两层意图。
为便利演示和丈量检测，后期对电路进行规划布局，将各部分的电路集成到一块PCB上，构成完好安稳的传感器模块，并可经过预留的接口对阈值进行调理和更改。完结的终究PCB地图如下。
3 定论
至此，该著作的解说完毕，现在仍旧存在一些问题有待处理，比方无线供电间隔不行长;为下降传感器模块功耗所测数据较少，有待期望添加其他传感数据，例如烟雾传感器等。
跟着科技的前进与开展，越来越多的设备变得智能化，高效的运用能量获取技能替代电池来为传感器供电变得越来越被大众所重视。依据环境中射频能量的散布特色，规划运用多频段的能量获取电路能够有用进步电路的输出功率，进步对环境中射频能量的利用率。一起，能量获取电路可获取的最低输入功率也有望会越来越小，经过对射频整流器功能的提高，能够有用下降能量获取电路在充电阶段的功耗，进而使能量获取电路的最低输入功率进一步减小。期望之后有时机将该著作愈加完善，运用愈加安稳，并扩展适用规模，习惯更多的运用场景。
参阅文献
[1]Feldmeier M,Paradiso J A.Personalized HVAC System[R/OL].Internet of
Things (IOT),
IEEE,Tokyo,(2010-12).http://dblp.uni-trier.de/db/conf/iot/iot2010.html#FeldmeierP10.
[2]Kim S,Vyas R,Bito J,et al.Ambient RF energy-harvesting technologies for
self-sustainable standalone wireless sensor platforms.Proc. IEEE,
2014(11):1649–1666.
[3]Parks A N,Sample A P,Zhao Y,et al.A wireless sensing platform utilizing
ambient rf energy)[C].Proc. IEEE Conf on Biom. Wireless Tech., Networks and
Sensing Systems. (BioWireleSS.Austin, TX, Jun. 2013, pp. 154–156.
[4]Gudan K,Shao S,Hull J J,et al.Ultra-low Power 2.4 Ghz RF Energy
Harvesting and Storage System with -25 dBm Sensitivity[C].IEEE RFID Conference,
San Diego, California, 2015.
[5]毛景魁,李晓慧.锂电池并联的Boost升压电路规划与仿真[J].试验室研讨与探究,2012, 31(9):214-218.
[6]王伟印.用于射频能量搜集的集成RF-DC转化器的开发[D].杭州：浙江大学, 2017.
[7]边莉.Vivaldi超宽带天线规划及FDTD研讨[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006.
[8]王光奇.根据ARM的远间隔双频读卡器体系的研讨[D].成都：西华大学,2008.
[9]胡汉才.单片机原理及体系规划[M].北京：清华大学出版社, 2002.
作者简介：
葛明(1994-)，男，研讨生，首要研讨方向：射频电路/体系验证/数字IC电路规划方面学习研讨。
张翔(1995-)，女，研讨生，首要研讨方向：数字IC前端规划方面的学习研讨。
杨春宇(1994-)，男，研讨生，首要研讨方向：模仿IC电路规划/体系验证方面的学习研讨。
李金蕾(1996-)，女，研讨生，首要研讨方向：数字IC后端规划方面的学习研讨。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第53页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
