CN102055212B - 太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源及供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源及供电方法，其供电电池包括控制模块、由控制模块控制的可充电电池、太阳能电池板、与控制模块相接的光照传感器和无线通信模块、电压/电流检测电路和与控制模块双向通信的终端计算机。其供电方法包括步骤：终端计算机输入预设值并存入EEPROM，读取EEPROM中Vflag并判断Vflag是否等于1：当Vflag＝1时，进入充电模式；当Vflag＝0时，根据电压/电流检测电路周期性检测可充电电池的输出电压值相应调整采样周期。本发明设计合理、成本低、功耗小且工作性能可靠，保证供电电池在不同状态下都可以为无线传感器节点提供尽可能长的工作时间。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络节点供电技术领域，尤其是涉及一种太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源及供电方法。
背景技术
近年来，随着移动电话、便携式电脑以及各种便携式电子产品的普及，人们对电池的需求大幅度增加。作为嵌入式设备的唯一能量来源，如何利用有限的电能为嵌入式设备提供最高性能，是嵌入式设备中电源管理的主要目标。传统的电源管理策略对系统即时功耗、电池充电控制、充放电判别及电池容量的检测不够理想，常常造成电池寿命及性能降低。
目前，对电池的研究较注重于充电器研制及功率转换效率的改良，对于电池的充电控制策略及充电状态检测的研究较少。电池充电技术的发展重点包括：残电容量检测、快速充电技术、智能电池检测、可延长电池寿命及保护电池的充电技术等，而许多应用必须能兼顾能量密度与电池寿命且不受快速充电及深度放电的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、安装方便、成本低、智能化程度高、工作性能可靠且功耗小的太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源，其特征在于：包括无线传感器网络节点的控制模块、为控制模块供电且由控制模块进行控制的可充电电池、与可充电电池相接的太阳能电池板、对无线传感器网络节点周侧光照强度进行检测的光照传感器、通过无线通信模块与控制模块进行双向通信的终端计算机以及与可充电电池相接且对可充电电池的输出电压和/或输出电流进行检测的电压/电流检测电路，所述光照传感器接控制模块，所述可充电电池与控制模块相接，所述无线通信模块与控制模块相接。
本发明还提供了一种设计合理、控制严谨且使用效果好的太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源的供电方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、通过终端计算机向控制模块输入Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger的预设值且将所输入的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值均存入与控制模块相接的数据存储模块中；
电压/电流检测电路对可充电电池的输出电压和/或输出电流进行检测并将所检测信号同步上传至控制模块，控制模块对电压/电流检测电路所传送的检测信号进行分析判断并相应得出可充电电池的输出电压值V，控制模块根据可充电电池的输出电压值V以及所输入的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值相应对数据存储模块中的电压标识值Vflag进行赋值：当可充电电池的输出电压值V≥Vmax时，控制模块将电压标识值Vflag保存为“0”后输出；当可充电电池的输出电压值V＜Vlow时，控制模块将电压标识值Vflag修改为“1”后输出；其中Vmax为可充电电池的充电电压峰值，Vlow为所述无线传感器网络节点进行稀疏采样时可充电电池的最低输出电压值且当V＜Vlow时所述无线传感器网络节点停止采样，Vhigh为所述无线传感器网络节点进行正常采样时可充电电池的最低输出电压值V＜Vhigh时所述无线传感器网络节点进入稀疏采样状态，Vdanger为无线传感器节点处于危险状态的供电电压值即警告电压；
步骤二、控制模块读取数据存储模块中所存储的电压标识值Vflag；
步骤三、控制模块判断Vflag的数值是否等于“1”，具体包括以下步骤：
第一步：当Vflag=1时，控制模块将可充电电池调整为充电模式，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能后逐步为可充电电池充电，充电过程中控制模块通过电压/电流检测电路检测判断可充电电池的输出电压值V且当输出电压值V≥Vmax时，充电过程结束，控制模块将电压标识值Vflag修改为“0”后进行重启，并返回步骤一；
第二步、当Vflag=0时，控制模块将可充电电池调整为供电模式且通过电压/电流检测电路周期性检测可充电电池的输出电压值V并对输出电压值V进行分析比较和判断，具体过程如下：
第1步、当输出电压值Vhigh≤V≤Vmax时，说明无线传感器网络节点工作在正常采集及正常上报状态，控制模块告知与所述无线传感器网络节点进行双向通信的网关节点按照预设的采样及上报周期进行正常的数据采集和上报；
第2步、当输出电压值Vlow≤V＜Vhigh时，说明无线传感器网络节点工作在稀疏采集及稀疏上报状态，控制模块告知所述网关节点按照延长的采样周期进行稀疏的数据采集和上报；
第3步、当输出电压值V＜Vlow时，说明无线传感器网络节点处于停止采样状态，控制模块控制所述无线传感器网络节点停止采样并启动光照传感器对该无线传感器网络节点周侧的光照强度进行检测并分析判断此时的光照强度是否满足预设的强度要求：当光照强度足够时，控制模块将电压标识值Vflag修改为“1”，同时控制模块将可充电电池调整为充电模式，进入第一步；反之，当光照强度不足够时，控制模块告知所述网关节点按照极低的采样周期进行数据采集和上报；
第4步：当输出电压值V≤Vdanger时，说明无线传感器网络节点的供电电压过低且已处于危险状态，此时控制模块启动光照传感器对该无线传感器网络节点周侧的光照强度进行检测并分析判断此时的光照强度是否满足预设的强度要求：当光照强度足够时，控制模块将电压标识值Vflag修改为“1”，同时控制模块将可充电电池调整为充电模式，进入第一步；反之，当光照强度不足够时，控制模块将所述无线传感器节点调整进入休眠状态。
上述第3步和第4步所述的控制模块将电压标识值Vflag修改为“1”时，控制模块切断与其相接外围电路的供电回路且将自身工作模式调整为休眠状态；相应地，第二步中所述的当Vflag=0时，控制模块将自身的工作工作模式调整为工作状态，并接通且与其相接外围电路的供电回路。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、所用供电电源结构简单、体积小、安装方便且成本低。
2、智能化程度高且工作性能可靠。
3、使用操作简便，设计合理、控制严谨且功能完善、使用效果好、功耗小，首先能智能确定充放电门限值，且能使可充电电池一直保证最大供电能力，同时还能在某些不利情况下保持可充电电池对整个无线传感器节点的供电能力；其次是根据当前电池的不同电压电流值，智能切换无线传感器节点的工作状态，保证可充电电池在不同状态下都可以为无线传感器节点提供尽可能长的工作时间。
综上所述，本发明设计合理、成本低、智能化程度高、功耗小且工作性能可靠、控制严谨，保证供电电池在不同状态下都可以为无线传感器节点提供尽可能长的工作时间。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源的工作原理图。
图2为本发明对无线传感器网络节点进行供电的方法流程图。
附图标记说明:
1—可充电电池； 2—控制模块； 3—太阳能电池板；
5—数据存储模块； 6—无线通信模块； 7—终端计算机；
8—电压/电流检测电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源，包括无线传感器网络节点的控制模块2、为控制模块2供电且由控制模块2进行控制的可充电电池1、与可充电电池1相接的太阳能电池板3、对无线传感器网络节点周侧光照强度进行检测的光照传感器、通过无线通信模块6与控制模块2进行双向通信的终端计算机7以及与可充电电池1相接且对可充电电池1的输出电压和/或输出电流进行检测的电压/电流检测电路8，所述光照传感器接控制模块2，所述可充电电池1与控制模块2相接，所述无线通信模块6与控制模块2相接。
实际应用过程中，所述无线传感器节点包括控制模块2以及分别与控制模块2相接的数据存储模块5、无线通信模块6、传感器模块和供电电源，所述控制模块2通过无线通信模块6与终端计算机7进行双向通信。多个无线传感器节点以自组网方式组成无线传感器网络，并且网关节点将多个传感器节点所采集数据打包后上传至终端计算机7。
如图2所示，本发明所述的太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源的供电方法，包括以下步骤：
步骤一、通过终端计算机7向控制模块2输入Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger的预设值且将所输入的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值均存入与控制模块2相接的数据存储模块5中；
电压/电流检测电路8对可充电电池1的输出电压和/或输出电流进行检测并将所检测信号同步上传至控制模块2，控制模块2对电压/电流检测电路8所传送的检测信号进行分析判断并相应得出可充电电池1的输出电压值V，控制模块2根据可充电电池1的输出电压值V以及所输入的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值相应对数据存储模块5中的电压标识值Vflag进行赋值：当可充电电池1的输出电压值V≥Vmax时，控制模块2将电压标识值Vflag保存为“0”后输出；当可充电电池1的输出电压值V＜Vlow时，控制模块2将电压标识值Vflag修改为“1”后输出；其中Vmax为可充电电池1的充电电压峰值，Vlow为所述无线传感器网络节点进行稀疏采样时可充电电池1的最低输出电压值且当V＜Vlow时所述无线传感器网络节点停止采样，Vhigh为所述无线传感器网络节点进行正常采样时可充电电池1的最低输出电压值V＜Vhigh时所述无线传感器网络节点进入稀疏采样状态，Vdanger为无线传感器节点处于危险状态的供电电压值即警告电压。
步骤二、控制模块2读取数据存储模块5中所存储的电压标识值Vflag；
步骤三、控制模块2判断Vflag的数值是否等于“1”，具体包括以下步骤：
第一步：当Vflag=1时，控制模块2将可充电电池1调整为充电模式，通过太阳能电池板3将太阳能转换为电能后逐步为可充电电池1充电，充电过程中控制模块2通过电压/电流检测电路8检测判断可充电电池1的输出电压值V且当输出电压值V≥Vmax时，充电过程结束，控制模块2将电压标识值Vflag修改为“0”后进行重启，并返回步骤一。
第二步、当Vflag=0时，控制模块2将可充电电池1调整为供电模式且通过电压/电流检测电路8周期性检测可充电电池1的输出电压值V并对输出电压值V进行分析比较和判断，具体过程如下：
第1步、当输出电压值Vhigh≤V≤Vmax时，说明无线传感器网络节点工作在正常采集及正常上报状态，控制模块2告知与所述无线传感器网络节点进行双向通信的网关节点按照预设的采样及上报周期进行正常的数据采集和上报；
第2步、当输出电压值Vlow≤V＜Vhigh时，说明无线传感器网络节点工作在稀疏采集及稀疏上报状态，控制模块2告知所述网关节点按照延长的采样周期进行稀疏的数据采集和上报；
第3步、当输出电压值V＜Vlow时，说明无线传感器网络节点处于停止采样状态，控制模块2控制所述无线传感器网络节点停止采样并启动光照传感器对该无线传感器网络节点周侧的光照强度进行检测并分析判断此时的光照强度是否满足预设的强度要求：当光照强度足够时，控制模块2将电压标识值Vflag修改为“1”，同时控制模块2将可充电电池1调整为充电模式，进入第一步；反之，当光照强度不足够时，控制模块2告知所述网关节点按照极低的采样周期进行数据采集和上报。
第4步：当输出电压值V≤Vdanger时，说明无线传感器网络节点的供电电压过低且已处于危险状态，此时控制模块2启动光照传感器对该无线传感器网络节点周侧的光照强度进行检测并分析判断此时的光照强度是否满足预设的强度要求：当光照强度足够时，控制模块2将电压标识值Vflag修改为“1”，同时控制模块2将可充电电池1调整为充电模式，进入第一步；反之，当光照强度不足够时，控制模块2将所述无线传感器节点调整进入休眠状态。
本实施例中，第3步和第4步所述的控制模块2将电压标识值Vflag修改为“1”时，控制模块2通过与其相接的无线通信模块6向终端计算机7发出一无线传感器节点进入充电状态的状态信息；反之，当光照强度不足够时，控制模块2将所述无线传感器节点调整进入休眠状态，并且控制模块2通过与其相接的无线通信模块6向终端计算机7发出一告警信息。另外，第3步和第4步所述的控制模块2将电压标识值Vflag修改为“1”时，控制模块2切断与其相接外围电路的供电回路且将自身工作模式调整为休眠状态；相应地，第二步中所述的当Vflag=0时，控制模块2将自身的工作工作模式调整为工作状态，并接通且与其相接外围电路的供电回路。
实际使用前，可以通过控制模块2输入预先设定的Vhigh、Vlow和Vdanger数值，其中Vmax为可充电电池1的充电电压峰值，略小于可充电电池1的最大电压值，且Vmax会随着充电次数的增加而逐渐降低。Vmin为可充电电池1为新充电电池时的最小电压值，但是为了保护电池一般不为0。正常工作状态下，可充电电池1的输出电压值V处于Vhigh和Vlow之间，其中Vhigh是一个接近于Vmax的电压值，Vlow是一个接近于Vmin的电压值，Vdanger是警告电压。
采用本发明所述的太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源进行供电时，控制模块2根据可充电电池1的输出电压值V相应调整无线传感器节点的工作模式，具体而言，可充电电池1的输出电压值V不同时，无线传感器节点以不同的采样周期进行工作。
1）、当可充电电池1的输出电压值V∈（Vhigh,Vmax]时，无线传感器节点工作在正常状态，按照预设采样周期进行数据采集并上报；
2）、当可充电电池1的输出电压值V∈（Vlow,Vhigh]时，无线传感器节点工作在稀疏状态，此时将延长采样周期然后上报数据；
3）、当可充电电池1的输出电压值V≤Vlow时，无线传感器节点不再进行采样，而是判断当前光照条件：
ⅰ、如果光照足够，则控制模块2发送一条状态信息至终端计算机7，表示无线传感器节点进入充电状态，直至可充电电池1的电量充满；
ⅱ、如果光照很低，则控制模块2发送一条预警信息至终端计算机7，表示无线传感器节点进入极低工作状态，此时无线传感器节点以非常低的频率采样并上报，或者只上报部分状态数据；
ⅲ、当光照很低，且无线传感器节点的电量继续下降至Vdanger时，无线传感器节点相应发送一条警告信息至终端计算机7，此时无线传感器节点进入休眠状态。
本发明还具有日志记录功能，无线传感器节点的控制模块2会自动记录可充电电池1充电至Vhigh的时刻及Vhigh值，放电至Vlow的时刻及Vlow值，放电至Vdanger的时刻及Vdanger值。每进行数次充放电过程后，无线传感器节点的控制模块2将此日志信息上报至终端计算机7，供后台进行分析。
所述Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger数值具有自适应校准，可充电电池1经过一段时间的充放电后，可充电电池1的最大电压会逐渐变小，如果不更改Vmax和Vhigh的值，就会造成可充电电池1的过充，极大缩短可充电电池1的使用寿命。这种情况下终端计算机7会向无线传感器节点的控制模块2发送一条命令，向数据存储模块5即EEPROM写入新的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger的数值。无线传感器节点的控制模块2向数据存储模块5写入新的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值后，向终端计算机7发送一条反馈消息并重启，此后控制模块2就会按照新的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值控制可充电电池1的充电过程。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (2)
1.一种太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源的供电方法，所用的供电电源包括无线传感器网络节点的控制模块（2）、为控制模块（2）供电且由控制模块（2）进行控制的可充电电池（1）、与可充电电池（1）相接的太阳能电池板（3）、对无线传感器网络节点周侧光照强度进行检测的光照传感器、通过无线通信模块（6）与控制模块（2）进行双向通信的终端计算机（7）以及与可充电电池（1）相接且对可充电电池（1）的输出电压和/或输出电流进行检测的电压/电流检测电路（8），所述光照传感器接控制模块（2），所述可充电电池（1）与控制模块（2）相接，所述无线通信模块（6）与控制模块（2）相接；该方法包括以下步骤：
步骤一、通过终端计算机（7）向控制模块（2）输入Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger的预设值且将所输入的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值均存入与控制模块（2）相接的数据存储模块（5）中；
电压/电流检测电路（8）对可充电电池（1）的输出电压和/或输出电流进行检测并将所检测信号同步上传至控制模块（2），控制模块（2）对电压/电流检测电路（8）所传送的检测信号进行分析判断并相应得出可充电电池（1）的输出电压值V，控制模块（2）根据可充电电池（1）的输出电压值V以及所输入的Vmax、Vhigh、Vlow和Vdanger值相应对数据存储模块（5）中的电压标识值Vflag进行赋值：当可充电电池（1）的输出电压值V≥Vmax时，控制模块（2）将电压标识值Vflag保存为“0”后输出；当可充电电池（1）的输出电压值V＜Vlow时，控制模块（2）将电压标识值Vflag修改为“1”后输出；其中Vmax为可充电电池（1）的充电电压峰值，Vlow为所述无线传感器网络节点进行稀疏采样时可充电电池（1）的最低输出电压值且当V＜Vlow时所述无线传感器网络节点停止采样，Vhigh为所述无线传感器网络节点进行正常采样时可充电电池（1）的最低输出电压值V＜Vhigh时所述无线传感器网络节点进入稀疏采样状态，Vdanger为无线传感器节点处于危险状态的供电电压值即警告电压；
步骤二、控制模块（2）读取数据存储模块（5）中所存储的电压标识值Vflag；
步骤三、控制模块（2）判断Vflag的数值是否等于“1”，具体包括以下步骤：
第一步：当Vflag=1时，控制模块（2）将可充电电池（1）调整为充电模式，通过太阳能电池板（3）将太阳能转换为电能后逐步为可充电电池（1）充电，充电过程中控制模块（2）通过电压/电流检测电路（8）检测判断可充电电池（1）的输出电压值V且当输出电压值V≥Vmax时，充电过程结束，控制模块（2）将电压标识值Vflag修改为“0”后进行重启，并返回步骤一；
第二步、当Vflag=0时，控制模块（2）将可充电电池（1）调整为供电模式且通过电压/电流检测电路（8）周期性检测可充电电池（1）的输出电压值V并对输出电压值V进行分析比较和判断，具体过程如下：
第1步、当输出电压值Vhigh≤V≤Vmax时，说明无线传感器网络节点工作在正常采集及正常上报状态，控制模块（2）告知与所述无线传感器网络节点进行双向通信的网关节点按照预设的采样及上报周期进行正常的数据采集和上报；
第2步、当输出电压值Vlow≤V＜Vhigh时，说明无线传感器网络节点工作在稀疏采集及稀疏上报状态，控制模块（2）告知所述网关节点按照延长的采样周期进行稀疏的数据采集和上报；
第3步、当输出电压值V＜Vlow时，说明无线传感器网络节点处于停止采样状态，控制模块（2）控制所述无线传感器网络节点停止采样并启动光照传感器对该无线传感器网络节点周侧的光照强度进行检测并分析判断此时的光照强度是否满足预设的强度要求：当光照强度足够时，控制模块（2）将电压标识值Vflag修改为“1”，同时控制模块（2）将可充电电池（1）调整为充电模式，进入第一步；反之，当光照强度不足够时，控制模块（2）告知所述网关节点以非常低的频率采样并上报，或者只上报部分状态数据；
第4步：当输出电压值V≤Vdanger时，说明无线传感器网络节点的供电电压过低且已处于危险状态，此时控制模块（2）启动光照传感器对该无线传感器网络节点周侧的光照强度进行检测并分析判断此时的光照强度是否满足预设的强度要求：当光照强度足够时，控制模块（2）将电压标识值Vflag修改为“1”，同时控制模块（2）将可充电电池（1）调整为充电模式，进入第一步；反之，当光照强度不足够时，控制模块（2）将所述无线传感器节点调整进入休眠状态。
2.按照权利要求1所述的太阳能供电无线传感器网络节点用供电电源的供电方法，其特征在于：第3步和第4步所述的控制模块（2）将电压标识值Vflag修改为“1”时，控制模块（2）切断与其相接外围电路的供电回路且将自身工作模式调整为休眠状态；相应地，第二步中所述的当Vflag=0时，控制模块（2）将自身的工作工作模式调整为工作状态，并接通且与其相接外围电路的供电回路。
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| YU Hong-yun等.Design of a micro photovoltaic system for w ireless sensor network.《功能材料与器件学报》.2008,第14卷(第2期),第476-480页. |
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