An Energy-Autonomous and Battery-Free Resistive Sensor using a Time-Domain to Digital Conversion with Bluetooth Low Energy connectivity

📄 arXiv: 2507.17011v1 📥 PDF

作者: Mario Costanza, Antonino Pagano, Samuel Margueron, Ilenia Tinnirello, Roberto La Rosa

分类: eess.SY

发布日期: 2025-07-22

备注: 5 pages, 6 figures. This work has been accepted for publication in IEEE ISCAS 2024. The final version is available at: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10558483/authors#authors

DOI: 10.1109/ISCAS58744.2024.10558483

💡 一句话要点

提出一种能量自给自足的无线电阻传感器节点，采用时域-数字转换和低功耗蓝牙连接。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 能量收集 无线传感节点 时域-数字转换 低功耗蓝牙 电阻传感器

📋 核心要点

  1. 现有无线传感节点依赖电池供电，存在寿命限制和维护成本，限制了其在偏远或难以维护环境中的应用。
  2. 该论文提出一种能量自给自足的无线传感节点，通过环境光收集能量，并采用时域-数字转换技术提高测量效率。
  3. 实验结果表明，该传感器在工作范围内，测试电阻与测量时钟脉冲数之间具有良好的线性关系，验证了方案可行性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种创新的能量自给自足无线传感节点（EAWSN），它通过利用环境光进行能量收集来解决电源约束问题。它将这种能量收集能力与时域-数字转换（TDDC）技术相结合，以实现对电阻传感器的有效和精确测量。低功耗蓝牙（BLE）通信确保数据可以无线传输到基站，为各种应用提供了一个有希望的解决方案，特别是在有线电源受限的环境中，通过消除电池来实现长期、免维护运行。实验结果表明，在传感器的操作范围内，测试电阻R_m与测量的时钟脉冲数N_m之间存在线性关系。

🔬 方法详解

问题定义：传统无线传感器节点依赖电池供电，存在寿命有限、需要定期更换电池的问题，这限制了它们在偏远地区或难以维护的环境中的应用。因此，需要一种能够自主供电并长期稳定运行的无线传感节点。

核心思路：该论文的核心思路是利用环境光进行能量收集，实现能量自给自足。同时，采用时域-数字转换（TDDC）技术，将电阻传感器的阻值变化转换为时间信号，再将时间信号转换为数字信号，从而实现高效、精确的电阻测量。这种方法避免了传统模数转换器（ADC）的功耗，进一步降低了整体功耗。

技术框架：该EAWSN节点主要包含以下几个模块：1) 能量收集模块：利用光伏电池将环境光转换为电能，并进行能量管理；2) 电阻传感模块：电阻传感器将物理量转换为电阻值的变化；3) 时域-数字转换模块（TDDC）：将电阻值变化转换为时间信号，再转换为数字信号；4) 低功耗蓝牙（BLE）通信模块：将数字信号通过BLE无线传输到基站。整个系统由能量收集模块供电，TDDC模块负责高效测量，BLE模块负责无线通信。

关键创新：该论文的关键创新在于将能量收集、TDDC技术和BLE通信相结合，实现了一种能量自给自足、低功耗、无线电阻传感器节点。与传统电池供电的传感器节点相比，该节点无需更换电池，具有更长的使用寿命和更低的维护成本。此外，采用TDDC技术避免了传统ADC的功耗，进一步降低了整体功耗。

关键设计：论文中未明确给出关键参数设置、损失函数或网络结构等技术细节。但可以推断，能量收集模块的光伏电池选型、TDDC模块的电路设计以及BLE通信模块的参数配置（如发射功率、数据速率）是关键的设计因素。TDDC模块的精度和线性度直接影响电阻测量的准确性。BLE通信模块的功耗直接影响节点的整体功耗和续航能力。

📊 实验亮点

实验结果表明，该能量自给自足无线传感节点在电阻传感器的操作范围内，测试电阻R_m与测量的时钟脉冲数N_m之间存在线性关系。这表明该节点能够准确测量电阻值，并将其转换为数字信号进行无线传输。虽然论文中没有给出具体的性能数据（如测量精度、功耗等），但该实验结果验证了该方案的可行性。

🎯 应用场景

该能量自给自足无线传感节点可广泛应用于环境监测、农业、工业自动化等领域。例如，在智能农业中，可用于监测土壤湿度、温度等参数，实现精准灌溉和施肥；在工业自动化中，可用于监测设备状态，实现故障预警和预测性维护；在环境监测中，可用于监测空气质量、水质等参数，实现环境污染的实时监控。该节点无需外部电源，可部署在偏远或难以维护的区域，具有重要的应用价值和广阔的发展前景。

📄 摘要（原文）

This paper introduces an innovative Energy-Autonomous Wireless Sensing Node (EAWSN) that addresses power constraints by harnessing ambient light for energy. It combines this energy harvesting capability with the Time Domain to Digital Conversion (TDDC) technique for efficient and accurate measurements of resistive sensors. Bluetooth Low Energy (BLE) communication ensures data can be transmitted wirelessly to a base station, providing a promising solution for various applications, particularly in environments with limited access to wired power sources, enabling long-term, maintenance-free operation by eliminating batteries. Experimental results showed a linear relationship between the test resistance R_m and the measured number of clock pulses N_m within the sensor's operating range.