CN102263420A - 无线传感器网络节点电源管理中的电池电压均衡输出优化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感器网络节点电源管理系统中的多电池电压均衡输出优化系统。该系统包括电池放置模块，程控矩阵开关模块、后继充电及稳压模块；电池放置模块用于多个电池的放置串联以达到无线传感器网络节点的正常工作电压；程控矩阵开关模块用于控制与改变电池之间的连接方式，电池放置模块中的每一节电池的正负端与程控矩阵开关系统相联；程控矩阵开关模块由超低功耗场效应管阵列所组成，其开关状态构成不同的电池连接方式，程控矩阵开关系统的运行由单片机控制，同时输出串联电池组中的高电压和某一节或几节串联电压，并且周期性改变某一节或者几节串联电池所承受的电压，达到均匀消耗每一节电池电量的目的；矩阵开关系统的电压输出端并行连接到后继充电及稳压模块，该模块由大电容或者短时充电电池组成，用以在程控矩阵开关系统切换时能保证后级传感器设备有连续稳定的可靠电源供应。

Description

无线传感器网络节点电源管理中的电池电压均衡输出优化系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域的电源供应，特别是涉及一种高效率多电池电压输出方法及系统

背景技术

无线传感器网路是由一组分布在设定位置的多个传感器节点以无线自组织方式构成的无线网络，用于传感器节点协作地感知采集和处理该网络覆盖的地理区域中感知对象信息并及时向用户发布感测结果的网络。

无线传感器网络一个重要的特点就是能量的局限性，很多情况下无线传感器网路中节点都是采用电池供电，能量有限，并且传感器节点本身采用软件或者硬件的方法减少自身和网络的耗电量，使得采用电池供电的节点较长时间甚至几年的工作寿命成为了可能。

无线传感器节点本身大多采用3V甚至更低的电源电压供电，为两节干电池的串联电压。而许多传统的传感器，如烟雾传感器、超声波传感器、红外人体探头等大多都超过3V电压，虽然可以通过软件控制这些外围传感器模块工作周期从而达到使得外围模块功耗降低，但是却很难用使得不同电压供应的方法得到解决。传统的方法有两种：一种是将多节干电池串联得到较高电压，然后通过线形稳压的方式获得传感器网络芯片所需的3V甚至更低的电压。这种方法的弊端是采用线形稳压芯片降压，大部分的能量在降压中损耗，如9V的电压降为3V，能量利用率仅仅为33％，给本来能量紧缺的节点带来巨大的能量损耗；第二种方法是从3V的电压通过非线性升压的形式升到外围传感器所需电压值，这种方式依托于升压芯片，升压芯片大多成本较高，并且绝大多数的升压芯片静态电流就已经超过整个节点的功耗，使得大量的能量流失。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种传感器网络节点中高效率多电池电压输出方法及其应用系统，实现节点电池电能的高效率应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

电池的放置系统由多节电压相同的电池组成，两种或多种输出电压皆是每节电池电压的整数倍。每节电池的正负两端同时引出到后级的程控矩阵开关系统，以改变各节电池之间的连接方式；程控矩阵开关系统在受到单片机的控制下切换电池的连接方式，输出不同的电压，并通过切换连接方式使得各个电池在使用时间上平均分配；程控矩阵开关的输出端连接到备用电容或者短时充电电池上，为后级设备提供短时供电电源。

由于采用了以上的技术方案，本发明具有如下优点：

(1)本发明的实用范围为电池供电的多电压传感器系统，能够供给两路或者两路以上的电池串并联电压。

(2)本发明基于低功耗无线传感器网络，在提供外围传感器电压和传感器网络芯片电压的同时能够保证在微电流的情况下能量的利用率在80％以上。

(3)本发明采用程控开关矩阵控制电池的连接方式，能够输出所有电池串联的和电压，也能够输出某一节或者某几节电池串联的电压。

(4)本发明的输出一节或这几节串联电压的模组在MCU的控制下可以以一定频率切换所使用的电池，以保证所有电池均匀的消耗电量，而不会导致某一节或这几节电池过早的用光。

(5)本发明在以一定频率切换所使用电池的情况下保留了地线的统一性，也就是供给外部传感器使用的较高的电压和供给传感器网络芯片所使用的较低的电压供用同一个地线。

(6)本发明在以一定频率切换所使用电池时对后级传感器模块和传感器网络芯片并没有明显影响，输出端接入小型充电电池或大电容能够使得电压保持在后级正常工作的大小和纹波状态之下。

附图说明

图1为本发明系统组成结构的整体示意图；

图2为本发明供电实例结构框图；

图3为本发明程控矩阵开关工作流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括三个主要部分：电池放置系统、程控矩阵开关系统和后级稳压系统。

其中，电池放置系统将放入的所有电池的正负极引出，直接连接到程控矩阵开关系统的输入端方便程控矩阵开关系统控制。

程控矩阵开关系统，包括一个电池的输入端，电压输出端和处理器(MCU/CPU)的控制输入端，程控矩阵开关内部为场效应组成的开关阵列，在处理器控制输入端的控制下实现对电池输入端的通断和多路选择。其目的是可以通过控制输入端改变电池之间的连接方式，并使得一组输出电压为所有电池串联电压，另外一组输出电压为某一数量电池串联电压，同时可以通过处理器的控制输入端实现为某一数量电池串联输出电压时所选择的电池可以随着时间改变。实现电池电量的均匀消耗。

后级稳压系统其组成部分为一个防止电流倒灌的二极管和稳定电压的电容或者充电电池，其作用为为后极工作设备提供稳定的工作电压，在程控矩阵开关系统切换的时候保持电压不至于陡降，在程控矩阵开关系统切换之后电池对电容或者充电电池充电以保证下次切换时有一定的电能储备。

图2为本发明的具体的实例，在此实例中传感器需要6V直流电压，而基于无线传感器网络的处理器仅需要3V电压，实例中有电池A和电池B，分别为3V。其正负端分别连接到由开关管组成的程控矩阵开关系统。程控矩阵开关系统的输出为3V电压和6V电压，分别供给传感器网络处理器和外部传感器使用。而程控矩阵开关系统的控制输入端以一定频率改变输入控制信号，使得6V的输出总是由电池A和电池B的串联电压，而3V的输出在电池A和电池B中交替选择。从而达到3V负载均匀地消耗两节电池电量的目的。程控矩阵开关系统的输出串联防止电流反灌的二极管和稳压电容。能够保证在程控矩阵开关系统切换的时候电源电压抖动不影响后继传感器和数字系统的正常工作。

图3为本系统的具体工作流程图。其工作流程顺序如下：

步骤301，系统上电之后程控矩阵开关系统默认处于一种正常工作状态，输出所有电池电压串联的总电压和其中某一节电池工作电压或者其中某几节电池串联电压，以提供最初始的系统工作电压。并且向后级稳压系统充电，以供切换下一状态之需。

步骤302，等待定时器状态阶段，在这个阶段中，传感器网络的处理器正常的处理网络建立以及传输的所有过程，传感器也处于正常工作状态。如果没有定时器中断，在步骤302等待，如果定时器中断到，进入步骤303。

步骤303，传感器网络的处理器定时中断之后，计算并得到下一个状态应该的程控矩阵开关系统输入信号。并将这个状态信号输出。转入步骤304。步骤304，程控矩阵开关系统接收输入状态，并改变内部的开关状态结构，更改电池连接方式，更改供给低电压的电池，保证在时间上每一个电池平均供电。并转到步骤302，等待定时器状态阶段。

Claims (8)

1.一种传感器网络中高效率多电池电压输出方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、电池的放置系统由多节电压相同的电池组成，两种或多种输出电压皆是每节电池电压的整数倍。

B、每节电池的正负两端同时引出到后级的程控矩阵开关系统，以改变各节电池之间的连接方式；

C、程控矩阵开关系统在受到单片机的控制下切换电池的连接方式，输出不同的电压，并通过切换连接方式使得各个电池在使用时间上平均分配；

D、程控矩阵开关的输出端连接到备用电容或者短时充电电池上，为后级设备提供短时供电电源。

2.根据权利要求1所述的传感器网络中高效率多电池电压输出方法，其特征在于，所述最后输出的两种或多种输出电压直接为电池串并联电池电压。

3.根据权利要求1所述的传感器网络中高效率多电池电压输出方法，其特征在于，所述程控矩阵开关系统包括输入、输出和控制接口，其输入为每一节电池正负极的输出，其输出为最终的串并联电压的输出；而控制接口为控制其内部程控矩阵开关系统改变连接方式的单片机或其他控制处理器信号输入端口；所述步骤A进一步包括：

A1、默认上电状态下程控输入矩阵开关系统处于原始A1状态，输出所有电池串联的最终电压和其中一节或者指定节数的串联电压，以供后继数字系统进入工作状态供电。；在后继数字系统感知电压并进入工作状态之后进入步骤A2；

A2、程控输入矩阵开关系统受数字系统控制以一定的频率改变内部的开关状态，同时输出所有电池串联的和电压与所要求的一节或者多节电池串联电压，程控输入矩阵开关系统通过定时的切换保证内部所有电池均匀的承受一节或多节电池电压的输出，两组电压输出的负极相同。

4.根据权利要求1所述的传感器网络中高效率多电池电压输出方法，其特征在于，所述后级短时供电电源由较大电容或者充电电池构成，以保证在程控输入矩阵开关系统进行电池连接方式切换的时候能够为本系统本身和负载提供稳定的电压。

5.根据权利要求3所述的程控输入矩阵开关系统，其特征在于：程控矩阵开关系统输入端为每一节电池的正负极，输出端为所需要的两组或多种输出电压。

6.根据权利要求3所述的程控输入矩阵开关系统，其特征在于：其在上电的初始状态有一个初始的连接方式，默认连接输出所有电池串联电压和其中某一种所需要的组合的电池串联电压。

7.根据权利要求3所述的程控输入矩阵开关系统，其特征在于：在输出所有电池串联电压的同时能够输出所需要的某一节电池电压或者某几节电池串联的电压，能够使得某一节或某几节串联的电池电压的电能输出在所有电池上均匀分布。

8.根据权利要求7所述的程控输入矩阵开关系统电池能量均匀分布，其特征在于，程控输入矩阵开关系统在控制端口控制下不断切换改变电池之间连接方式，从而从时间上使得输出的能量均匀分布在每一节电池上。

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