CN102355067B - 一种无线传感器网络节点的移动式无线充供电方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络节点的移动式无线充供电方法，设有无线充供电小车和无线充供电接收节点组成的无线传感器网络电能传输系统。无线充供电小车设有控制处理器、电能收集模块、无线充供电发射模块、用于充供电信息交互的无线通信模块和小车自身运动传动机构。电能收集模块设有外部能量收集、转换模块和蓄电池；无线充供电发射模块设有定频发生电路、功率放大电路、能量发射天线。无线充供电接收节点包括节点处理器、电能接收天线、整流电路、充供电电压检测电路、充供电电路和与小车的无线通信模块对应交互的无线通信模块。通过控制处理器控制小车的原地旋转和能量发射线圈的俯仰旋转找到发射线圈和接收线圈的最佳耦合位置，得到最大无线充供电效率。

Description

一种无线传感器网络节点的移动式无线充供电方法

技术领域

本发明涉及对电器设备的无线充供电技术，尤其涉及一种无线传感器网络节点的移动式无线充供电方法，属于传感器网络技术领域。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式技术、通信技术、半导体技术与微电子技术的飞速发展，含有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、环境、农业和宇航各个领域。无线网络传感器(Wireless Sensor Networks，WSN)是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源。根据分布在不同区域的传感器节点，无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种被监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络在军事侦察、环境检测、农业生产、医疗监护、建筑与城市管理、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。然而，为测量现实世界的各种环境的真实数据，节点分布于待测量各个区域内，移动节点依靠电池或从环境中汲取能量来提供工作所需的能量，一般无法进行能量补充，能量耗尽后节点失去数据采集处理及路由功能，节点能量受限是无线传感器网络不可忽视的一个重要特点。因此，实现无线传感器网络的长寿命供电，显著地推动无线传感器网络应用的发展，使无线传感器网络摆脱能量限制。

由于节点电池难以取出，只能在节点添加收集能量的模块，可利用的能量形式有很多，如生物电、太阳能、热能、风力、振动等，但每个节点均加入能量收集模块使节点的灵活性、可靠性降低，受环境因素影响很大，因此我们引入无线充电技术。无线充电技术增加了节点的可靠性，可以自动识别不同的设备和能量需求进行个性化工作，也可以对难以有线充供电的位置，如水下、极端环境、人体内等进行充供电。

无线充供电技术有三种实现方式：电磁感应、磁场共振和微波。目前，国内外已经有很多公司将无线充供电技术应用于小型电器、电动汽车及医用微型设备的充供电。考虑将无线传感器网络技术与无线充供电技术结合，可以充分发挥无线传感器网络自由分布的特性，使得无线网络真正摆脱电缆的限制，延长无线传感器网络的寿命。同时，无线充供电可以同时为多个节点充供电，能源管理也更加有效。

本申请人在此前提出一种无线传感器网络节点的无线充供电方法，是利用位置固定的无线充供电小车和节点充供电从机组无线电能传输系统，无线充供电小车通过发射频率扫描找到发射电路和接收电路间的最佳耦合频率，利用磁场共振方法充电。但在采用磁场共振方法充电时，小型化、高效率实现较难，现在的技术能力大约是直径半米的线圈，能在一米左右距离提供60w电力。并且该无线传感器网络节点的无线充供电方法中的无线充供电小车位置固定，分布在不同位置的节点充供电从机与无线充供电小车的位置不同，充供电效率不同，当节点充供电从机与无线充供电小车相距较远时，难以达到较高的无线充供电效率。目前在小型电器及大型电动汽车的应用中，目前广泛使用的充供电方式是电磁感应式，发射线圈和接收线圈紧密贴近(一般为毫米级或厘米级)，无线充供电效率较高，但需要将电动汽车开往充电桩及充电站处或将小型电器移动至无线充供电小车处。而随机分布的无线传感器网络节点在工作时不可自主移动，要将高效率的电磁感应无线充供电方法运用于节点随机性分布的无线传感器网络以实现近距离高效率无线充电时，需要使充供电发射部分与分布在不同位置的待充供电节点近距离贴近。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线传感器网络节点的移动式无线充供电方法，该方法将无线传感器网络技术与无线充供电技术结合，可以自动收集外部能量作为无线充供电的能量供给，自动判断无线传感器网络节点是否需要充供电，通过小车的移动改变无线充供电小车与传感器节点充供电从机的相对距离与相对位置，利用电磁感应原理，自动实现近距高效地无线充供电。

本发明采用如下技术方案：一种无线传感器网络节点移动式无线充供电方法，设有无线充供电小车和无线传感器网络无线充供电接收节点组成的无线传感器网络电能传输系统，其特征在于：无线充供电小车设有控制处理器以及受控制处理器控制的电能收集模块、无线充供电发射模块、用于与无线充供电接收节点进行充供电信息实时交互的无线通信模块和小车自身运动传动机构，其中：控制处理器系含有A/D转换模块的低功耗的处理器；电能收集模块设有外部能量收集、转换模块和蓄电池；无线充供电发射模块设有定频发生电路、功率放大电路、能量发射天线，定频发生和功率放大电路系由开关控制产生固定频率功率信号并进行功率放大的电路，能量发射天线系由控制处理器控制的单自由度旋转饼状一维线圈；

无线传感器网络无线充供电接收节点包括节点处理器、电能接收天线、整流电路、充供电电压检测电路、充供电电路和与无线充供电小车无线通信模块对应交互的无线通信模块，电能接收天线系饼状一维线圈；

在节点电池容量低于设定值时，节点处理器产生一个外部中断，通过节点无线通信模块向无线充供电小车发送无线充供电请求，无线充供电小车的无线通信模块接受到请求信号后输出至控制处理器，控制处理器定位无线充供电接收节点的位置并发出指令给小车自身运动传动机构，小车按控制处理器计算得到的规定路径移动至充供电接收节点周围，定频、功率输出信号至能量发射天线，然后控制处理器控制小车进行原地旋转运动，调节发射线圈与接收线圈的水平夹角，无线充供电接收节点的电能接收天线感应接收到的充供电电流、电压，电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当电路检测到最大电压后，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止小车旋转信号，无线充供电小车的控制处理器通过无线通信模块接受到该信息后控制小车停止运动，再由控制处理器控制发射线圈沿水平中心线俯仰旋转，改变发射线圈与接收线圈的俯仰夹角，无线充供电接收节点的电压检测电路检测到最大电压后，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止发射线圈旋转信号，无线充供电小车控制处理器通过无线通信模块接受到该信息后控制小车停止运动，通过小车的原地旋转运动和发射线圈的俯仰运动共同调整找到发射线圈和接收线圈最佳耦合位置；当无线充供电接收节点的电池容量已满时，节点处理器又产生一个外部中断，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止无线充供电信号，小车接收到此信号后，停止发射能量电磁场，继续进行电能收集，一个无线充供电过程结束。

所说电能收集模块的外部能量包括风能、太阳能等，作为无线充供电小车进行无线充供电的能量来源。

本发明除了具备无线充供电技术已有的优点以外，还含有以下显著优点和有益效果：

(1)使用无线充供电小车，通过小车的原地旋转运动和发射线圈的俯仰旋转找到发射线圈和接收线圈的最佳耦合位置，使充电效率最大，可减少现有发射线圈方向调整机构的复杂度。

(2)已有的无线传感器网络节点的无线充供电方法的接收线圈是三个按正交方向布置的线圈组合，本发明接收天线采用的一维线圈，减小线圈面积，克服了采用磁场共振方法充电时小型化难以实现的不足，节点体积减小；同时，由于发射线圈和接收线圈紧密贴近，充供电效率大，可直接连接充供电电路，无需连接倍压整流电路或利用大电容蓄电，无线充供电接收节点的电路简化。此外，已有无线传感器网络节点的无线充供电方法的发射线圈是三维空间旋转饼状一维线圈，而本发明采用单自由度旋转饼状一维线圈，通过小车的原地旋转和发射线圈的俯仰旋转共同调整发射线圈和接收线圈的相对位置，减少了发射线圈方向调整机构的复杂度。无线充供电接收节点的电路简化、能量接收天线的面积较小，更好地实现了传感器节点的微型化。

(3)本发明中的无线充供电小车含有能量收集功能，可以收集外界能量为小车上的蓄电池充电，作为整个无线充供电系统的能量供给，自动地实现从电能收集到无线充供电整个过程。

(4)通过小车的常规运动实现能量发射线圈和能量接收线圈之间的厘米级贴近，通过电磁感应原理进行高效率充电和大功率快速充电，缩短充电时间。传感器节点的分布位置不会影响无线充供电效率。

(5)能够自动实现从电能收集到定位移动，再到无线充供电的整个过程，实现了无线充供电系统的智能化，极大提高了无线传感器网络的寿命。

(6)可以直接为无线传感器网络节点供电，节点可使用小容量的电池，缩小节点体积，延长了无线传感器网络的寿命。

附图说明

图1是本发明无线充供电系统示意图；

图2是以太阳能为例的本发明电能收集和无线充供电示意图；

图3是小车原地旋转和发射线圈俯仰选择示意图；

图4是无线传感器无线充供电接收节点电路示意图；

图5是无线充供电小车的电能收集、无线充供电发射和无线通信部分的电路框图；

图6是无线传感器节点无线充供电接收节点电路框图；

图7是无线充供电小车的无线充供电流程图。

具体实施方式

参看图1，无线充供电小车设有控制处理器以及受控制处理器控制的电能收集模块、无线充供电发射模块、用于与无线充供电接收节点进行充供电信息实时交互的无线通信模块和小车自身运动传动机构，其中：控制处理器系含有A/D转换模块的低功耗的处理器；电能收集模块设有外部能量(包括风能、太阳能等)收集、转换模块和蓄电池；无线充供电发射模块设有定频发生电路、功率放大电路、能量发射天线，定频发生和功率放大电路系由开关控制产生固定频率功率信号并进行功率放大的电路，能量发射天线系由控制处理器控制的单自由度旋转饼状一维线圈；无线传感器网络无线充供电接收节点包括节点处理器、电能接收天线、整流电路、充供电电压检测电路、充供电电路和与无线充供电小车无线通信模块对应交互的无线通信模块，电能接收天线系饼状一维线圈。无线充供电小车含有电能收集功能，电能收集部分由电能收集设备、蓄电池充电电路组成，电能收集设备收集外部能量(如风能、太阳能)转化为电能，后接蓄电池充供电电路为蓄电池充电，蓄电池作为小车为无线充供电接收节点进行无线充供电时的电能供给；在没有节点给无线充供电小车发送无线充供电请求信号时，无线充供电小车的控制处理器控制电能收集模块进行电能收集，收集外部能量转化为电能为蓄电池充电，当蓄电池容量满时，停止电能收集，等待节点发送的无线充供电请求；在小车进行电能收集的过程中若通过无线模块收到节点的无线充供电请求，则停止电能收集，进入无线充供电的过程。如图3，小车可以在控制处理器的控制下进行常规运动，无线充供电小车通过无线通信模块接受到无线充供电接收节点发送的无线充供电请求后，定位无线充供电接收节点并计算出小车运动路径，控制处理器控制小车按计算得到的规定路径移动至无线充供电接收节点周围，使无线充供电小车和无线充供电接收节点实现厘米级的贴近，输出定频信号至能量发射天线，利用电磁感应原理实现近距高效无线充供电。小车运动到充供电接收节点周围并输出定频信号后，控制处理器控制小车开始进行原地旋转运动，调节发射线圈与接收线圈的水平夹角，传感器无线充供电接收节点感应小车原地旋转不同角度时接收到的充供电电流、电压。电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当电路检测到最大电压后，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止小车旋转信号，无线充供电小车的控制处理器通过无线通信模块接受到该信息后控制小车停止运动；然后由控制处理器控制发射线圈沿水平中心线俯仰旋转，改变发射线圈与接收线圈的俯仰夹角，传感器无线充供电感应发射线圈旋转不同到俯仰角时接收到的充供电电流、电压，电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当电路检测到最大电压后，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止发射线圈旋转信号，无线充供电小车的控制处理器通过无线通信模块接受到该信息后控制小车停止运动；通过小车的原地旋转运动和发射线圈的俯仰运动共同调整找到发射线圈和接收线圈最佳耦合位置。

小车的无线充供电发射模块如图5所示，含有定频发生和功率放大电路和可单自由度旋转能量发射天线。定频发生和功率放大电路系由开关控制产生固定频率功率信号(预设定的固定频率信号)并进行功率放大的电路；定频发生和功率放大电路输出接无线充供电能量发射天线，驱动天线周围形成与驱动信号频率相近的变化电磁场，接收天线在这个电磁场中时就会产生感生电动势；能量发射天线系由控制处理器控制的单自由度旋转饼状一维线圈，在控制处理器的控制下，发射天线以水平中心线为轴线可进行单自由度俯仰旋转，发射天线的俯仰旋转与小车的原地旋转(图3)共同调节发射线圈与接收线圈的耦合位置和角度，通过检测无线充供电接收节点感应充供电电压，找到发射线圈和接收线圈间的最佳耦合位置。

无线传感器网络充供电节点如图4、6所示，含有节点处理器、电能接收天线、整流电路、充供电电路、无线通信模块。电能接收天线采用饼状一维线圈，接收电磁波信号并转换成交流电。由于采用电磁感应耦合进行无线充电时效率高、充供电电压较大，交流电经整流后电流较大，直接接到充供电电路为节点供电或为其电池充电。与当前已有的无线传感器网络节点的无线充供电方法相同的是，无线充供电接收节点转换得到的交流电信号经整流后采样提供给节点处理器可进行电压检测，当小车原地旋转和发射线圈俯仰旋转时，若节点检测到最大电压，能量发射线圈与电能接收线圈水平耦合位置和俯仰耦合位置最佳，充电效率最大；另外，无线充供电小车与传感器接收节点通过无线通信模块进行信息交互，交互无线充供电请求信号、小车停止旋转信号、发射线圈停止旋转信号、停止无线充供电信号。

充供电节点电压检测部分的实现方法为：根据电磁感应原理，充供电节点能量接收天线在移动小车发射的能量磁场中产生的感生电动势，经过整流滤波后，接一个精密电阻，测电阻两端的电压，这个电压应该是较平滑的直流信号，并将这个模拟信号通过A/D转换输入节点的MCU，如果A/D是8位的，转换后的数字信号＝2^8×被测电压/参考电压(以处理器供电电压作为参考电压)，节点的MCU可得到电压值，电压值的精度与A/D的位数有关。通过预设的程序比较数字信号即可得到感生电压最大值。

在没有节点给无线充供电小车发送无线充供电请求信号时，无线充供电小车进行电能收集，以利用太阳能为蓄电池充电为例(图2)，摄像头用于采集太阳位置图像，电能收集设备是单晶硅太阳能电池板，摄像头拍摄的一帧图片进行图像处理，计算出太阳的重心坐标(即太阳光斑的中心位置)，然后控制云台的水平和俯仰转动使太阳能电池板对准太阳，太阳能电池板进行电能收集，此时电能收集效率最大。由可以进行水平和俯仰方向转动的双自由度云台控制太阳能电池板的方向变化，太阳能电池板将太阳能转换为电能，后接蓄电池充电电路，为蓄电池充电。当蓄电池容量满时，处理器控制停止电能收集，等待节点发送的无线充供电请求。在无线充供电小车进行电能收集的过程中若通过无线模块收到节点的无线充供电请求，则停止电能收集，进入无线充供电的过程。

在节点电池容量低于设定值时，节点处理器产生一个外部中断，通过无线通信模块向无线充供电小车发送无线充供电请求，无线充供电小车通过无线通信模块接受到请求信号后如图7所示，定位无线充供电接收节点，控制处理器控制小车按计算的到的规定路径移动至无线充供电接收节点周围，使无线充供电小车和无线充供电接收节点实现厘米级的贴近，控制输出定频功率信号至能量发射天线，利用电磁感应方法进行无线充供电，同时，控制处理器控制小车在无线充供电接收节点周围进行原地旋转运动。由电磁理论可知，天线之间的耦合有很强的方向性，需要调节发射线圈和接收线圈的相对位置来达到最佳耦合，使接收天线产生的感应电动势最大。小车进行原地旋转运动时可以调节发射线圈与接收线圈的水平夹角，无线充供电接收感应接收到的充供电电压、电流，电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当检测到最大电压时，发射线圈和接收线圈的达到最佳水平耦合位置，此时充供电节点通过无线通信模块向无线充供电小车发送信息，无线充供电小车的控制处理器通过无线通信模块接受到该信息后控制小车停止运动，然后控制能量发射天线进行俯仰旋转，同样地，无线充供电接收节点的电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当检测到最大电压时，能量发射线圈与能量接收线圈的俯仰耦合位置最佳，此时通过无线通信模块向无线充供电小车发送信息，无线充供电小车的控制处理器接收通过无线通信模块接受到信息后控制发射线圈停止旋转。如图3所示，通过小车的原地旋转运动和发射线圈俯仰旋转的共同调整使能量发射线圈与能量接收线圈的耦合位置最佳，得到最大的充电效率。当无线充供电接收节点电池容量已满时，节点处理器又产生一个外部中断，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止无线充供电信号，小无线充供电小车接收到此信号后，停止发射能量电磁场，继续进行电能收集，一个无线充供电过程结束。

假如在无线充供电小车同时接到了多个无线传感器网络节点发送的充供电请求，通过定位，选择此时距离小车最近的待充供电节点先进行无线充供电。在该节点的充电结束后，无线充供电小车通过定位再选择此时距离小车最近的其它待充电节点进行充供电。通过这种选择方法对所有发送充供电请求的传感器节点完成无线充供电。假设在无线充供电小车在为某一传感器节点进行充供电过程的同时收到其它节点的充供电请求信息，无线充供电小车的控制处理器记录该节点信息，等待正在进行的充供电结束后再对其它的待充电节点进行无线充供电。

如图6所示，无线传感器网络无线充供电接收节点的充电电路换成供电电路后，无线充供电小车的无线充供电发射部分可以直接为接收节点供电，接收节点可使用小容量电池，无线传感器网络寿命更长，体积更小。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络节点的移动式无线充供电方法，设有无线充供电小车和无线传感器网络无线充供电接收节点组成的无线传感器网络电能传输系统，其特征在于：

无线充供电小车设有控制处理器以及受控制处理器控制的电能收集模块、无线充供电发射模块、用于与无线充供电接收节点进行充供电信息实时交互的无线通信模块和小车自身运动传动机构，其中：控制处理器系含有A/D转换模块的低功耗的处理器；电能收集模块设有外部能量收集、转换模块和蓄电池；无线充供电发射模块设有定频发生电路、功率放大电路、能量发射天线，定频发生和功率放大电路系由开关控制产生固定频率功率信号并进行功率放大的电路，能量发射天线系由控制处理器控制的单自由度旋转饼状一维线圈；

无线传感器网络无线充供电接收节点包括节点处理器、电能接收天线、整流电路、充供电电压检测电路、充供电电路和与无线充供电小车无线通信模块对应交互的无线通信模块，电能接收天线系饼状一维线圈；

在节点电池容量低于设定值时，节点处理器产生一个外部中断，通过节点无线通信模块向无线充供电小车发送无线充供电请求，无线充供电小车的无线通信模块接受到请求信号后输出至控制处理器，控制处理器定位无线充供电接收节点的位置并发出指令给小车自身运动传动机构，小车按控制处理器计算得到的规定路径移动至充供电接收节点周围，定频、功率输出信号至能量发射天线，然后控制处理器控制小车进行原地旋转运动，调节发射线圈与接收线圈的水平夹角，无线充供电接收节点的电能接收天线感应接收到的充供电电流、电压，电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当电路检测到最大电压后，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止小车旋转信号，无线充供电小车的控制处理器通过无线通信模块接受到该信号后控制小车停止运动，再由控制处理器控制发射线圈沿水平中心线俯仰旋转，改变发射线圈与接收线圈的俯仰夹角，无线充供电接收节点的电压检测电路检测到最大电压后，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止发射线圈旋转信号，无线充供电小车控制处理器通过无线通信模块接受到该信号后控制小车停止运动，通过小车的原地旋转运动和发射线圈的俯仰运动共同调整找到发射线圈和接收线圈最佳耦合位置；当无线充供电接收节点的电池容量已满时，节点处理器又产生一个外部中断，通过无线通信模块向无线充供电小车发送停止无线充供电信号，小车接收到此信号后，停止发射能量电磁场，继续进行电能收集，一个无线充供电过程结束。

2.根据权利要求1所述无线传感器网络节点的移动式无线充供电方法，其特征在于：所说电能收集模块收集包括风能、太阳能外部能量，作为小车进行无线充供电的能量来源。

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