CN101286853A - 一种无线网络传感器节点的能量供装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线网络传感器节点的能量供给装置和方法，装置由能量挖掘模块、能量存储模块、后备能源供给模块以及能量管理控制模块构成。方法步骤如下：能量挖掘模块负责从环境中采集能量，能量存储模块存储能量挖掘模块从环境中采集的能量，后备能源供给模块提供当环境能源无法满足系统能量消耗时的能量供应，能量管理控制模块负责控制能量存储模块以及后备能源供给模块向系统提供能量。本发明实现了无线传感器网络节点能量供给，可以大大延长无线网络传感器节点的能量供给系统的寿命，降低其成本，增加无线网络传感器节点的布设灵活性。

Description

一种无线网络传感器节点的能量供装置和方法

技术领域

本发明属于环境能量利用技术领域，涉及一种无线传感器网络节点的能量供给装置和方法。

背景技术

基于电池供电的传感器网络节点电源无法替换或者可以替换却成本很高，导致能量消耗问题直接影响网络的生命周期。获得环境能量的方法可以使低功耗设计免除传统电力线和电池的束缚。

很多系统如小型无线连网传感器节点和消费市场上的低成本计算器对电源有严格限制，这涉及到远程位置、成本考虑、便携程度的需求以及其他因素。另外，转向无线通信的大趋势淘汰了系统中很多有线电缆，因而设计师希望能使系统脱离电源线和充电器的束缚，而采用能量采集器(Energy harvester)。这种小型模块可将大多数工作环境中的能量转化为适宜的电能。最常用的能量采集器是小型太阳能电池，或将机械振动转化为电能的电磁模块等。

当然，电池也可以使系统免除电源线的麻烦，但由于成本的原因限制了系统的工作寿命。在两年使用期以后，振动能量采集器便能优于锂电池。如果你的设备寿命在10年以上，则振动能源或太阳能能源就要好于任何电池技术。在系统整个生命周期的拥有成本中，劳动力成本也会增添一种起抑制使用作用的额外费用，因此最好能免除更换电池的工作。

从不利的一面来看，依赖于采集能量的系统其功耗必须尽量低。系统的功耗涉及传感器网络软件、硬件各个层面的能量消耗问题，功耗问题甚至决定了网络生命周期。从网络构成及其运行过程而言，节点各个子系统的能量消耗又相互影响，此消彼长，针对单一子系统的能量消耗控制策略并不能从根本上解决问题。因此必须结合网络的应用环境，从器件选择、数据处理算法的有效性和复杂性、数据通信量和网络运行机制等方面兼顾各个子系统的功能特点和性能要求，整体上评估能量消耗问题，必要时甚至适当降低性能标准，以设计相应的消耗控制策略，有效延长网络生命周期。总体上而言，传感器网络能量消耗控制策略应着重从器件本身的功耗特殊性、休眠进入原则、缩短通信距离和减少网络流量这几个方面进行量化和设计。然而到目前为止，传感器网络的能量有效性还没有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的标准，需要更进一步地深入研究。

除了研究系统的低功耗技术外，就要尽可能多的从环境汲取能量。为了达到这一目的，可以用几种能量采集器获得不同形式的能源，包括光开关致动器、直线运动变换器、机械振动、热梯度，以及阳光等。

随着越来越多的设计工程师采用能量采集器作为电源，设计低耗能系统与选择能源同等重要的事情，本发明主要针对能源供应方面的设计。

发明内容

本发明的目的在于给无线网络传感器节点提供一个连续供电的系统，为此，本发明提供一种无线网络传感器节点的能量供装置和方法。

为达到上述目的，本发明的第一方面，是提供一种无线网络传感器节点的能量供给装置包括：

能量挖掘模块、能量存储模块、后备能源供给模块和能量管理控制模块，其中：

能量挖掘模块，用于采集环境中的能量，能量挖掘模块输出的能量由能量管理控制模块进行管理；

能量存储模块，用于存储能量挖掘模块采集到的能量；

后备能源供给模块，用于在环境能量不满足系统能量消耗的情况下负责系统的能量供给，实现无线网络传感器节点的能量供应；

能量管理控制模块，用于控制能量存储模块和后备能源供给模块为系统供电。

根据本发明的实施例，所述的能量挖掘模块是采用将各种形式的环境能源转化为电能的模块。

根据本发明的实施例，所述的能量存储模块有一个或多个层次，根据具体需要确定层次的数目，每个层次的能量存储模块分别给系统供电，每个层次的能量存储模块能重复储存和释放能量。

根据本发明的实施例，所述的后备能源供给模块是长期保持自身能量的模块，即在不使用后备能源供给模块中的能量时，后备能源供给模块中的能量重复为自身补充能量。

根据本发明的实施例，所述的能量管理控制模块监控能量存储模块和后备能源供给模块的能量状态，根据监控所得的能量状态数据，控制能量存储模块和后备能源供给模块给系统供电。

根据本发明的实施例，所述的能量管理控制模块的能量状态监控端I/O分别与能量存储模块和后备能源供给模块的被监控输出端连接，用于监控能量存储模块和后备能源供给模块的能量，根据监控所得的能量数据，自动控制能量存储模块和后备能源供给模块给系统供电；所述的能量管理控制模块包括：开关模块和微控制器，开关模块的一输入端与微控制器的开关控制端I/O连接，用于控制开关模块的闭合和断开。

为了实现所述的目的，本发明的第二方面，提供的一种无线网络传感器节点的能量供给的方法，步骤如下：

能量采集步骤：利用能量挖掘模块采集环境中的能量，将其转化为电能；

能量存储步骤：将电能存储到能量存储模块中；

能量供给步骤：利用能量管理控制模块监控能量存储模块和后备能源供给模块的能量状态，根据监控能量状态得到的数据控制能量供给系统为无线网络传感器节点供电。

根据本发明的实施例，所述能量采集步骤还包括：

S1：启动能量供给系统；

S2：当能量存储模块中能量无法满足能量供给系统的能量消耗时，先由后备能源供给模块为系统提供能量；

S3：能量挖掘模块开始采集环境能量。

根据本发明的实施例，所述能量供给步骤还包括：

S1：为能量存储模块存储能量；

S2：能量管理控制模块监控每一级能量存储模块以及后备能源供给模块的能量大小状态；

S3：由能量管理控制模块监测到某级能量存储模块是否被充满能量；如果被充满，执行步骤S4；如果没有被充满，则执行步骤S1；

S4：一旦有任何一级能量存储模块被充满，则由能量管理控制模块控制被充满的能量存储模块为系统供电，减少使用后备能源供给模块中的能量；

S5：由能量管理控制模块控制，为没有充满能量的能量存储模块补充能量；

S6判断所有能量存储模块是否被充满能量，如果有被充满能量，执行步骤S7；如果有未被充满能量，执行步骤S5；

S7由能量管理控制模块控制，使能量挖掘模块为任一层级的能量存储模块存储能量；

S8：实时监控后备能源供给模块的能量，如果能量不是满状态，执行步骤S9，对后备能源供给模块实施补充能量，使后备能源供给模块始终保持满能量状态；如果能量是满状态，则直接执行步骤S10；

S10：当环境能量稀缺时，则消耗能量存储模块中的能量；

S11：判断能量存储模块中的能量是否消耗完毕，如果能量消耗完毕，执行步骤13；如果能量未消耗完毕，则执行步骤12；

S12：能量存储模块中的能量未消耗完毕，判断环境能量是否充足；如果环境能量充足，执行步骤S1；如果环境能量不充足，执行步骤S10；

S13：能量存储模块中的能量消耗完毕，使用后备能源供给模块中的能量；

S14：判断后备能源供给模块中的能量是否耗尽，如果是耗尽，则执行步骤S16；如果没耗尽，则执行步骤S15；

S15：能源供给模块中的能量未耗尽，判断环境能量是否充足，如果环境能量充足，执行步骤S1；如果环境能量不充足，执行步骤S13；

S16：后备能源供给模块中的能量耗尽后，无线网络传感器节点的能量供给装置进入死机状态；

S17：无线网络传感器节点的能量供给装置死机状态后，如果环境能量又一次充足，执行步骤S1，无线网络传感器节点的能量供给装置利用环境能量再次启动；如果环境能量不充足，则无线网络传感器节点的能量供给装置继续步骤S16的处于死机状态；

以上步骤周而复始，实现系统的自动供电。

本发明将能量挖掘技术和能量管理和控制技术进行有效结合，提供了一种能量供给装置，形成一整套无线网络传感器节点的能量供给系统，克服传统能量供给方案的不足，具有实用性和先进性的优势，对无线网络传感器的节点可发挥很好的作用。

本发明的特点在于：

通过能量挖掘技术、能量存储技术和能量管理控制技术的结合，实现了无线网络传感器节点的供电。通过能量存储模块的储能作用以及能量管理控制模块的管理作用，可以实现永久的无人干预式的供电。

本发明具有如下有益效果：

(1)实现了无线网络传感器的永久供电，使得无线网络传感器节点的布设更为灵活。

(2)大大降低了无线网络传感器节点的供电成本。

附图说明

图1是本发明的实施方案结构框图。

图2是本发明无线网络传感器节点的能量供给的流程图

图3是本发明能量采集流程图

图4是本发明能量供给流程图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示的本发明提供的装置涉及如下：

图中粗箭头代表能量流，细箭头代表控制流。环境能量受能量管理控制模块的控制，可以为能量存储模块2和后备能源供给模块3补充能量；同时能量管理控制模块4可以控制能量存储模块2和后备能源供给模块3给系统供电。能量管理控制模块4监控各级能量存储模块2和后备能源供给模块4的能量状态，以作为控制的依据。

(1)能量挖掘模块1：能量挖掘模块1负责采集环境能量，将采集到的能量存储到能量存储模块2。所述的能量挖掘模块1是采用将各种形式的环境能源转化为电能的模块，譬如，振动能，风能，太阳能等等形式的环境能源，假定系统采用太阳能电池板作为能量挖掘模块1。

(2)能量存储模块2：能量存储模块2负责存储能量挖掘模块1采集的能量，作为系统的供电电源，譬如1.2级电容能量存储器，超级电容。假定我们的系统有两级能量存储模块2。能量存储模块2有一个或多个层次，根据具体需要确定层次的数目，每个层次的能量存储模块2分别给系统供电，每个层次的能量存储模块2能重复储存和释放能量。

(3)后备能源供给模块3：后备能源供给模块3负责在能量存储模块2里的能量耗尽，而且还无法得到补充的情况下负责系统的供电，后备能源供给模块3可以是可充电电池等可以较长时间保持能量并且可以多次补充能量的模块。假定系统采用锂电池。所述的后备能源供给模块是长期保持自身能量的模块，即在不使用后备能源供给模块中的能量时，后备能源供给模块中的能量不会由于漏电流而很快损失殆尽，并且在其能量丧失的情况下，可以重复为其补充能量。

(4)能量管理控制模块4：能量管理控制模块4负责控制监控不同能量设备的能量状况，例如监控能量存储模块2和后备能源供给模块3的能量状况，根据监控所得的能量状况数据，控制能量存储模块2和后备能源供给模块3给系统供电，控制不同的能量设备给系统供电。能量管理控制模块4采用譬如微控制器(MCU)42和可控开关组成的开关模41块。

所述的能量管理控制模块4的能量状态监控端I/O分别与能量存储模块2和后备能源供给模块3一输出端连接，用于监控能量存储模块和后备能源供给模块3的能量，根据监控所得的能量数据，自动控制能量存储模块2和后备能源供给模块3给系统供电。

所述的能量管理控制模块的开关模块41的一输入端与微控制器42的开关控制端I/O连接，用于控制开关模块41的闭合和断开。

系统分成三个等级：能量挖掘模块1是与环境最为接近的层级，能量存储模块2和后备能源供给模块3构成一个层级，最高层级是能量管理控制模块4。

系统处于初始启动状态，能量存储模块2中没有能量，系统使用后备能源供给模块3供电；太阳能电池板采集太阳能，将采集到的能量存储到超级电容组成的能量存储模块2中；微控制器42MCU通过监控超级电容的电压来判断其能量水平，如果一个层级的能量存储模块2充满能量后，则使该层级为系统供电，同一时间只能有一个能量存模块2为系统供电，同时为下一层级存储能量；当第二级能量存储模块2充满能量后，再次为第一级能量存储模块2充电，同时使第一级能量存储模块2为系统供电；42MCU通过能量监控电路，定时读取后备能源供给模块3的能量状态，发现其能量水平低于阀值，则为其补充能量，同时由第一或第二层级能量存储模块2为系统供电；当太阳光照消失后，第一和第二层级的能量存储模块2的能量是满的，能量存储模块2中的能量在夜晚为系统供电。白天有光照情况下继续使用环境能量供能。

锂电池中的能量可以维持系统几个月的运行，因此，可以使系统度过雨季或太阳能较长时间段内的短缺。

本发明提供的方法是无线网络传感器节点的能量供给装置的整体工作方法。这种方法可以有效地为无线网络传感器节点供电。

如图2本发明无线网络传感器节点的能量供给的流程图所示：

本发明一种无线网络传感器节点的能量供给的方法，由能量挖掘模块1采集环境中的能量，将其转化为电能，存储到能量存储模块2中，由能量管理控制模块4监控能量状态，根据监控能量状态得到的数据控制系统的供电。

如图3本发明能量采集流程图所示，

S1：启动能量供给系统；

S2：当能量存储模块中能量无法满足能量供给系统的能量消耗时，先由后备能源供给模块为系统提供能量；

S3：能量挖掘模块开始采集环境能量。

如图4是本发明能量供给流程图所示，其具体步骤如下：

S1：为能量存储模块存储能量；

S2：能量管理控制模块监控每一级能量存储模块以及后备能源供给模块的能量大小状态；

S3：由能量管理控制模块监测到某级能量存储模块是否被充满能量；如果被充满，执行步骤S4；如果没有被充满，则执行步骤S1；

S4：一旦有任何一级能量存储模块被充满，则由能量管理控制模块控制被充满的能量存储模块为系统供电，减少使用后备能源供给模块中的能量；

S5：由能量管理控制模块控制，为没有充满能量的能量存储模块补充能量；

S6判断所有能量存储模块是否被充满能量，如果有被充满能量，执行步骤S7；如果有未被充满能量，执行步骤S5；

S7由能量管理控制模块控制，使能量挖掘模块为任一层级的能量存储模块存储能量；

S8：实时监控后备能源供给模块的能量，如果能量不是满状态，执行步骤S9，对后备能源供给模块实施补充能量，使后备能源供给模块始终保持满能量状态；如果能量是满状态，则直接执行步骤S10；

S10：当环境能量稀缺时，则消耗能量存储模块中的能量；

S11：判断能量存储模块中的能量是否消耗完毕，如果能量消耗完毕，执行步骤13；如果能量未消耗完毕，则执行步骤12；

S12：能量存储模块中的能量未消耗完毕，判断环境能量是否充足；如果环境能量充足，执行步骤S1；如果环境能量不充足，执行步骤S10；

S13：能量存储模块中的能量消耗完毕，使用后备能源供给模块中的能量；

S14：判断后备能源供给模块中的能量是否耗尽，如果是耗尽，则执行步骤S16；如果没耗尽，则执行步骤S15；

S15：能源供给模块中的能量未耗尽，判断环境能量是否充足，如果环境能量充足，执行步骤S1；如果环境能量不充足，执行步骤S13；

S16：后备能源供给模块中的能量耗尽后，无线网络传感器节点的能量供给装置进入死机状态；

S17：无线网络传感器节点的能量供给装置死机状态后，如果环境能量又一次充足，执行步骤S1，无线网络传感器节点的能量供给装置利用环境能量再次启动；如果环境能量不充足，则无线网络传感器节点的能量供给装置继续步骤S16的处于死机状态；

以上步骤周而复始，实现系统的自动供电。

具体实施如图1所示：

(白天)启动整个系统，太阳能电池板开始采集能量，并为第一层级的超级电容器充电，此时由于两级超级电容构成的能量存储模块2的能量无法满足系统的能量消耗，因此系统现由锂电池提供能量。

微控制器42(MCU)通过监控每一级能量存储模块2、后备能源供给模块3锂电池的电压以判断其能量状态，以及后备能源供给模块3的能量大小的状态；

当第一层级的超级电容被充满能量后，由微控制器42(MCU)控制开关模块41，切换到下一层级的超级电容继续存储能量，同时使第一级能量存储模块2为系统供电，并切断后备能源供给模块3给系统的供电通路。

第二级超级电容被充满，重新为第一级超级电容充电；

随时监控锂电池，根据能量状态，为其补充能量，尽可能随时保持满能量状态；

在夜间无光照情况下，则使用超级电容中的能量，两级超级电容中的能量足够系统度过夜间。

白天有光照后，继续采集能量，为超级电容补充能量，两级超级电容一级补充能量时，另一级为系统供电，基本可以不用锂电池的能量。

锂电池的能量足够系统工作几个月，因此可以使系统渡过雨季。即使系统死机，等待环境能量丰富后，又可以利用环境能量重新启动。以上步骤周而复始，即可实现系统的连续供电。

以上所述仅为本发明较佳的主要实施过程而已，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明所作的等效变化与修改，皆为本发明专利保护范围所涵盖。

Claims (9)

1、 一种无线网络传感器节点的能量供给装置，其特征在于，包括能量挖掘模块(1)、能量存储模块(2)、后备能源供给模块(3)和能量管理控制模块(4)，其中：

能量挖掘模块(1)，用于采集环境中的能量，能量挖掘模块输出的能量由能量管理控制模块(4)进行管理；

能量存储模块(2)，用于存储能量挖掘模块采集到的能量；

后备能源供给模块(3)，用于在环境能量不满足系统能量消耗的情况下负责系统的能量供给，实现无线网络传感器节点的能量供应；

能量管理控制模块(4)，用于控制能量存储模块(2)和后备能源供给模块(3)为系统供电。

2、 根据权利要求1所述的能量供给装置，其特征在于，所述的能量挖掘模块(1)是采用将各种形式的环境能源转化为电能的模块。

3、 根据权利要求1所述的能量供给装置，其特征在于，所述的能量存储模块(2)有一个或多个层次，根据具体需要确定层次的数目，每个层次的能量存储模块(2)分别给系统供电，每个层次的能量存储模块(2)能重复储存和释放能量。

4、 根据权利要求1所述的能量供给装置，其特征在于，所述的后备能源供给模块(3)是长期保持自身能量的模块，即在不使用后备能源供给模块中的能量时，后备能源供给模块(3)中的能量重复为自身补充能量。

5、 根据权利要求1所述的能量供给装置，其特征在于，所述的能量管理控制模块(4)监控能量存储模块(2)和后备能源供给模块(3)的能量状况，根据监控所得的能量状况数据，控制能量存储模块(2)和后备能源供给模块(3)给系统供电。

6、 根据权利要求1所述的能量供给装置，其特征在于，所述的能量管理控制模块(4)的能量状态监控端I/O分别与能量存储模块(2)和后备能源供给模块(3)的被监控输出端连接，用于监控能量存储模块(2)和后备能源供给模块(3)的能量，根据监控所得的能量数据，自动控制能量存储模块(2)和后备能源供给模块(3)给系统供电；所述的能量管理控制模块(4)包括：开关模块(41)和微控制器(42)，开关模块(41)的一输入端与微控制器(42)的开关控制端I/O连接，用于控制开关模块(41)的闭合和断开。

7、 一种无线网络传感器节点的能量供给的方法，其特征在于，步骤如下：

能量采集步骤：利用能量挖掘模块采集环境中的能量，将其转化为电能；

能量存储步骤：将电能存储到能量存储模块中；

能量供给步骤：利用能量管理控制模块监控能量存储模块和后备能源供给模块的能量状态，根据监控能量状态得到的数据控制能量供给系统为无线网络传感器节点供电。

8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述能量采集步骤还包括：

S1：启动能量供给系统；

S2：当能量存储模块中能量无法满足能量供给系统以及传感器节点的能量消耗时，先由后备能源供给模块为系统提供能量；

S3：能量挖掘模块开始采集环境能量。

9、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述能量供给步骤还包括：

S1：为能量存储模块存储能量；

S2：能量管理控制模块监控每一级能量存储模块以及后备能源供给模块的能量大小状态；

S3：由能量管理控制模块监测到某级能量存储模块是否被充满能量；如果被充满，执行步骤S4；如果没有被充满，则执行步骤S1；

S4：一旦有任何一级能量存储模块被充满，则由能量管理控制模块控制被充满的能量存储模块为系统供电，减少使用后备能源供给模块中的能量；

S5：由能量管理控制模块控制，为没有充满能量的能量存储模块补充能量；

S6判断所有能量存储模块是否被充满能量，如果有被充满能量，执行步骤S7；如果有未被充满能量，执行步骤S5；

S7由能量管理控制模块控制，使能量挖掘模块为任一层级的能量存储模块存储能量；

S8：实时监控后备能源供给模块的能量，如果能量不是满状态，执行步骤S9，对后备能源供给模块实施补充能量，使后备能源供给模块始终保持满能量状态；如果能量是满状态，则直接执行步骤S10；

S10：当环境能量稀缺时，则消耗能量存储模块中的能量；

S11：判断能量存储模块中的能量是否消耗完毕，如果能量消耗完毕，执行步骤13；如果能量未消耗完毕，则执行步骤12；

S12：能量存储模块中的能量未消耗完毕，判断环境能量是否充足；如果环境能量充足，执行步骤S1；如果环境能量不充足，执行步骤S10；

S13：能量存储模块中的能量消耗完毕，使用后备能源供给模块中的能量；

S14：判断后备能源供给模块中的能量是否耗尽，如果是耗尽，则执行步骤S16；如果没耗尽，则执行步骤S15；

S15：能源供给模块中的能量未耗尽，判断环境能量是否充足，如果环境能量充足，执行步骤S1；如果环境能量不充足，执行步骤S13；

S16：后备能源供给模块中的能量耗尽后，无线网络传感器节点的能量供给装置进入死机状态；

S17：无线网络传感器节点的能量供给装置死机状态后，如果环境能量又一次充足，执行步骤S1，无线网络传感器节点的能量供给装置利用环境能量再次启动；如果环境能量不充足，则无线网络传感器节点的能量供给装置继续步骤S16的处于死机状态；

以上步骤周而复始，实现系统的自动供电。

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