CN102709962B - 一种基于激光光源的传感器网络远程充供电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于激光光源的传感器网络远程充供电系统，设有充供电主机和传感器网络节点充供电从机，充供电主机包括激光光源及包含脉冲步进控制器、俯仰步进电机、俯仰步进电机驱动器、水平步进电机及水平步进电机驱动器的光向调整机构，脉冲步进控制器分别输出脉冲信号给俯仰步进电机驱动器及水平步进电机驱动器，驱动俯仰步进电机和水平步进电机，俯仰步进电机及水平步进电机的输出轴分别通过齿轮传动机构调节激光光源的俯仰及水平位置，每个节点充供电从机均包含节点处理器、光电池板、电压检测电路、稳压模块、供电电路，光电池板接收激光能量，通过稳压模块形成充供电电源，再通过供电电路为传感器网络节点充供电。

Description

一种基于激光光源的传感器网络远程充供电系统

技术领域

本发明涉及对电器设备的无线充供电技术，尤其涉及一种基于激光光源的传感器网络远程充供电系统，属于传感器网络技术领域。

背景技术

传感器技术、电子技术、无线通信技术和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

目前，大多数传感器网络节点是使用电池进行供电，然而电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。传感器节点自身携带能量不足，而节点的电池一般不易更换，能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，实现传感器网络的长寿命充供电，将对其大规模工程应用起到显著的推动作用。

由于节点电池使用时间受限制，可以使用能量收集装置持续为节点供电，自然界的能量形式有很多，如大树的生物电、太阳能、风力、振动等，但这些方案也受到环境、天气等的制约不能稳定使用。为了能够给无线传感器网络节点持续充供电，同时不降低传感器网络节点的灵活性，有人提出了无线充供电技术。无线充供电技术有三种实现方式：电磁感应、磁谐振和微波。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充供电及电动汽车的充供电。但无论小型电器还是大型电动汽车，目前广泛使用的充供电方式是电磁近场耦合，发射线圈和接收线圈紧密贴近（一般为毫米级或厘米级），显然并不适合于节点随机性分布的无线传感器网络。而且，电动汽车和家电的无线充供电设备一般功率较大，而传感器节点都是低功耗电子器件，所以不适合为节点充供电。磁谐振无线充供电方式能量很难较远距离传输，而且传输效率随距离成指数衰减。微波无线充供电方式受环境因素影响很大，很难有效地进行能量传输。

发明内容

为了克服现有技术之缺点，本发明提供一种基于激光光源的传感器网络远程充供电系统，将激光光源和多个传感器网络节点结合，使用激光光源发射出激光，通过光向调整机构内部的步进电机驱动器驱动步进电机进行垂直和水平两个自由度的旋转调整，使激光光斑能够准确投射到传感器网络节点的光电池板上。该光电池板具有与激光源光谱相对应的光能高效吸收特性，光电池板接收到激光能量后，经过蓄电大电容和稳压模块形成充供电电源，，为无线传感器网络节点充供电，提高了无线传感器网络的充供电效率和距离。

本发明采用如下技术方案：一种基于激光光源的传感器网络远程充供电系统，其特征在于：设有充供电主机和传感器网络节点充供电从机，其中：

充供电主机包括激光光源及光向调整机构，激光光源为矩形阵列分布的N×M个激光头，各激光头光向平行；光向调整机构包含脉冲步进控制器、俯仰步进电机、俯仰步进电机驱动器、水平步进电机及水平步进电机驱动器，脉冲步进控制器在控制器指令下，分别输出脉冲信号给俯仰步进电机驱动器及水平步进电机驱动器，俯仰步进电机驱动器驱动俯仰步进电机，水平步进电机驱动器驱动水平步进电机，俯仰步进电机及水平步进电机的输出轴分别通过齿轮传动机构调节激光光源的俯仰及水平位置，脉冲步进控制器内设有用于与传感器网络节点充供电从机进行充供电信息实时交互的无线通信模块；

每个传感器网络节点充供电从机均包含节点处理器、光电池板、电压检测电路、稳压模块、供电电路以及用于与充供电主机进行充供电信息实时交互的无线通信模块，光电池板置于激光光源的光向调整范围内，光电池板接收激光能量，通过稳压模块形成充供电电源，再通过供电电路为传感器网络节点充供电；

当节点电池电压低于设定值时，节点处理器产生一个外部中断，通过无线通信模块向充供电主机发送充供电请求，脉冲步进控制器通过无线通信模块接收充供电请求信号后，激光光源通电发光，激光光斑聚集在一定的矩形范围之内，当激光光斑在光电池板的上方或下方时，脉冲步进控制器发送脉冲信号传送给俯仰步进电机驱动器，俯仰步进电机驱动器驱动俯仰步进电机，其输出轴通过齿轮传动机构调节激光光源的俯仰位置；当激光光斑在光电池板的左方或右方时，脉冲步进控制器发送脉冲信号传送给水平步进电机驱动器，水平步进电机驱动器驱动水平步进电机，其输出轴通过齿轮传动机构调节激光光源的水平位置，直到激光光斑落在光电池板上；传感器网络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，通过无线通信模块向充供电主机的无线通信模块发送信息，光向调整机构停止光向调整；当节点电压到达设定值时，节点处理器又产生一个外部中断，通过无线通信模块向充供电主机发送停止供电信号，脉冲步进控制器进入休眠，一个充供电过程结束。

所述激光光源的N×M个激光头设置在激光头固定板上并固定在前盖和后盖之间，前盖上设有N×M个相应的激光头暴露孔，后盖上设有电源线引入孔；

所述光向调整机构包括激光光源支撑架、上底座、中底座及下底座，激光光源支撑架的上端与后盖尾部螺栓连接，激光光源支撑架的下端固定一扇形齿轮，上底座为设有上盖的圆筒，上盖表面设有凸台，凸台上设有与内腔贯通的直槽，直槽方向与激光光源支撑架下端的扇形齿轮面垂直，扇形齿轮置于直槽内，直槽两侧的凸台上分别设有对应的销孔，销孔内穿置销轴，该销轴穿过扇形齿轮的旋转中心孔铰支连接，上底座的内腔设有俯仰步进电机，其输出轴上设有齿轮，该齿轮与扇形齿轮相啮合；中底座亦为设有上盖的圆筒，其上盖表面设有圆柱凸台，上底座的下端套接并固定在圆柱凸台上，中底座上盖表面的中心设有孔状内齿轮；下底座为设有上盖的筒体，其上盖表面设有圆柱筒，中底座的下端滑动套接在圆柱筒上，该圆柱筒内腔设有固定在下底座上盖上的水平步进电机，其输出轴上设有齿轮，该齿轮与中底座上盖表面中心的孔状内齿轮相啮合，脉冲步进控制器、俯仰步进电机驱动器和水平步进电机驱动器均设置在下底座内腔中。

激光光斑投射到传感器网络节点的光电池板后，光电池板接收到激光能量，通过蓄电大电容和稳压模块形成充供电电源，再通过供电电路为传感器网络节点充供电。

本发明的优点和有益效果：

（1）激光无线充供电设备有很多优势。首先，没有了外露的连接器使很多设备的安全性、可靠性有较大提高。同时，对于要求持续充供电的电子产品，使用激光充供电技术可以确保电子产品能够不间断的正常工作，避免由于充供电问题对于电子产品正常工作造成不必要的麻烦，同时能够减少损失。其次，可以对一些难以用有线充供电的位置，如河流的两岸，高速旋转的设备，极端环境等进行充供电。

（2）使用激光进行远程供电，具有能量密度高、方向性好、能量传输效率高等优点，较常规的电磁充供电方式能大大地提高无线充供电的距离。采用阵列方式激光光源，使光能分布更均匀，有效提高光电池板的远程光电转换效率和输出功率，对降低峰值亮度，避免对人眼等损伤有很大好处。

（3）光向调整机构具有垂直和水平两个旋转自由度，提高了激光光源装置垂直和水平方向移动的准确度。激光光源装置经过光向调整控制后，激光光斑能够准确投射到光电池板上。光电池板具有运行成本低、无污染和维护费用低等优点。

（4）激光光源发射出的激光可以进行远程传播，激光光斑投射到光电池板上，光电池板接收的能量可以给节点充供电，大大地提高了无线充供电的距离。激光具有能量密度高、方向性好，高相干性等优点。所采用光电池板的频谱特性与激光光源频谱特性相一致，提高了光伏能量转换效率。

（5）可以为无线传感器网络节点充供电，使节点可以使用低容量电池供电，延长了传感器网络的寿命，在某些场合甚至可以无需电池即可供电。

附图说明

图1是本发明充供电系统示意图；

图2是本发明充供电系统框图；

图3是脉冲控制器发送脉冲信号判断流程图；

图4是充供电主机总体图；

图5-图10是激光光源的结构分解图；

图11是激光光源支撑架；

图12是上底座示意图；

图13是俯仰光向调整传动示意图；

图14是中底座示意图；

图15是水平光向调整传动示意图；；

图16是下底座示意图；

图17是充供电判断流程；

图18是传感器网络节点充供电电路图。

具体实施方式

参看图1，设有激光光源和光向调整机构的充供电主机与多个传感器网络组成的无线传感器网络节点充供电从机构成远程充供电系统。参看图2及图18，充供电主机包括激光光源及光向调整机构，激光光源为矩形阵列分布的N×M个激光头，各激光头光向平行；光向调整机构包含脉冲步进控制器、俯仰步进电机、俯仰步进电机驱动器、水平步进电机及水平步进电机驱动器，脉冲步进控制器在控制器指令下，分别输出脉冲信号给俯仰步进电机驱动器及水平步进电机驱动器，俯仰步进电机驱动器驱动俯仰步进电机，水平步进电机驱动器驱动水平步进电机，俯仰步进电机及水平步进电机的输出轴分别通过齿轮传动机构调节激光光源的俯仰及水平位置，脉冲步进控制器内设有用于与传感器网络节点充供电从机进行充供电信息实时交互的无线通信模块；每个传感器网络节点充供电从机均包含节点处理器、光电池板、电压检测电路、稳压模块、供电电路以及用于与充供电主机进行充供电信息实时交互的无线通信模块，光电池板置于激光光源的光向调整范围内，光电池板接收激光能量，通过稳压模块形成充供电电源，再通过供电电路为传感器网络节点充供电。脉冲控制器发送脉冲信号的判断过程见图3。

如图4，充供电主机的激光光源组件7与支撑架1上端通过螺栓固定，支撑架1下端铰支连接在上底座2上，上底座2下端与中底座3上端固定，中底座3下端滑动套接在下底座4的圆筒上，下底座4固定在底板5上，28为充供电主机的无线通信模块（天线）。

如图5，激光光源的N×M个激光头9设置在激光头固定板10上并固定在前盖8和后盖11之间，前盖8上设有N×M个相应的激光头暴露孔。图6a)、b)为前盖8，是设有N×M个圆孔的矩形面板，圆孔的内设有凸环8-1与激光头9的前端相接触，前盖8的四周含有螺纹孔8-2。图7a)、b)及图8为激光头固定板10，激光头9的后端放入激光头固定板10的N×M个的方形孔10-2中，螺纹孔10-1用于与前盖8的四周螺纹孔8-2螺钉固定。图9a)、b)为后盖11，小圆孔11-1是为了引入电源线方便给N×M个激光头9供电，螺纹孔11-2用于与激光光源支撑架1上端的连接固定。图10为激光光源组件组装后的剖面图。

如图11a)、b)、c),设置成45度的激光光源支撑架1的螺纹孔1-3与激光光源后盖11的螺纹孔11-2相配合，通过螺钉固定连接。激光支撑架1通过螺纹孔1-1、1-2与扇形齿轮12的螺纹孔12-2、12-3相配合，通过螺钉将扇形齿轮12与激光光源支撑架1固定连接。图12a)、b)及图13a)、b)为上底座2，系空心圆柱。上底座2上方的凸台2-1中间有一条槽2-4，槽2-4两边有圆孔2-2，通过圆钉与扇形齿轮12的圆心孔12-1相连接，形成旋转轴13，扇形齿轮12可以绕旋转轴13进行俯仰旋转。上底座2内腔含有一台俯仰步进电机16，俯仰步进电机固定架17的螺纹孔19与上圆柱2的螺纹孔2-3相配合，通过螺钉固定。俯仰步进电机16轴上装有一个小齿轮14，小齿轮14与扇形齿轮12相啮合。俯仰步进电机16转动时，带动小齿轮14旋转，通过齿轮啮合带动扇形齿轮12转动，使激光光源支撑架1绕旋转轴13转动，从而带动激光光源组件7进行俯仰旋转。中底座3如图14a)、b)及图15a)、b)，系空心圆柱，上方的凸台用于与上底座2下端套接，螺纹孔3-1与上底座2的螺纹孔18相配合，通过螺钉固定。中底座3内腔含有一台水平步进电机22，水平步进电机22放在下底座4（图16a)、b)）的上方空心圆柱24中。通过螺纹孔25用螺钉将水平步进电机固定底座26与底座4固定连接。水平步进电机22轴上装有一个小齿轮20，小齿轮20与环行内齿轮21相啮合，其中环行内齿轮21通过螺钉与螺纹孔23相配合固定。水平步进电机22转动时，带动小齿轮20旋转，通过齿轮啮合带动环行内齿轮21转动，带动中底座3进行水平方向转动，从而带动中底座3上方的部件进行整体水平方向转动，也即带动激光光源组件7进行水平方向转动。下底座4固定在底板5上，下底座4的小圆孔27是为了方便线路连接。下底座4内腔含有脉冲步进控制器、俯仰步进电机驱动器和水平步进电机驱动器，脉冲步进控制器的无线通信模块天线28接收传感器网络节点发送的信息。系统充供电判断流程见图17。

激光光源装置在通电后，激光光源的N×M个激光头发出相互平行的激光，激光光斑聚集在一定的矩形范围之内，当激光光斑在光电池板的上方或下方时，使用脉冲控制器发送脉冲信号，将脉冲信号传送给步进电机驱动器，步进电机驱动器接收到脉冲信号后驱动步进电机，通过小齿轮与垂直固定的扇形齿轮相啮合带动激光光源支撑架进行垂直转动，从而带动激光光源进行垂直方向旋转；当激光光斑在光电池板的左方或右方时，使用脉冲控制器发送相应的脉冲信号，步进电机驱动器接收到脉冲信号后驱动步进电机转动，通过小齿轮与环行内齿轮相啮合带动光向调整机构的下圆柱进行水平转动，从而带动激光光源进行水平方向旋转。如果激光光斑仍然偏离光电池板，可以继续以上两个自由度的光向调整，直到激光光斑落在光电池板上。光电池板接收到激光能量，通过蓄电大电容和稳压模块形成充供电电源，再通过供电电路为传感器网络节点充供电。

Claims (2)

1.一种基于激光光源的传感器网络远程充供电系统，其特征在于：设有充供电主机和传感器网络节点充供电从机，其中：

充供电主机包括激光光源及光向调整机构，激光光源为矩形阵列分布的N×M个激光头，各激光头光向平行；光向调整机构包含脉冲步进控制器、俯仰步进电机、俯仰步进电机驱动器、水平步进电机及水平步进电机驱动器，脉冲步进控制器在控制器指令下，分别输出脉冲信号给俯仰步进电机驱动器及水平步进电机驱动器，俯仰步进电机驱动器驱动俯仰步进电机，水平步进电机驱动器驱动水平步进电机，俯仰步进电机及水平步进电机的输出轴分别通过齿轮传动机构调节激光光源的俯仰及水平位置，脉冲步进控制器内设有用于与传感器网络节点充供电从机进行充供电信息实时交互的无线通信模块；

每个传感器网络节点充供电从机均包含节点处理器、光电池板、电压检测电路、稳压模块、供电电路以及用于与充供电主机进行充供电信息实时交互的无线通信模块，光电池板置于激光光源的光向调整范围内，光电池板接收激光能量，通过稳压模块形成充供电电源，再通过供电电路为传感器网络节点充供电；

当节点电压低于设定值时，节点处理器产生一个外部中断，通过传感器网络节点充供电从机的无线通信模块向充供电主机发送充供电请求，脉冲步进控制器通过充供电主机的无线通信模块接收充供电请求信号后，激光光源通电发光，当激光光斑在光电池板的上方或下方时，脉冲步进控制器发送脉冲信号传送给俯仰步进电机驱动器，俯仰步进电机驱动器驱动俯仰步进电机，其输出轴通过齿轮传动机构调节激光光源的俯仰位置；当激光光斑在光电池板的左方或右方时，脉冲步进控制器发送脉冲信号传送给水平步进电机驱动器，水平步进电机驱动器驱动水平步进电机，其输出轴通过齿轮传动机构调节激光光源的水平位置，直到激光光斑落在光电池板上；传感器网络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，通过传感器网络节点充供电从机的无线通信模块向充供电主机的无线通信模块发送信息，光向调整机构停止光向调整；当节点电压到达设定值时，节点处理器又产生一个外部中断，通过传感器网络节点充供电从机的无线通信模块向充供电主机发送停止供电信号，脉冲步进控制器进入休眠，一个充供电过程结束。

2.根据权利要求1所述的基于激光光源的传感器网络远程充供电系统，其特征在于：

激光光源的N×M个激光头设置在激光头固定板上并固定在前盖和后盖之间，前盖上设有N×M个相应的激光头暴露孔，后盖上设有电源线引入孔；

光向调整机构包括激光光源支撑架、上底座、中底座及下底座，激光光源支撑架的上端与后盖尾部螺栓连接，激光光源支撑架的下端固定一扇形齿轮，上底座为设有上盖的圆筒，上盖表面设有凸台，凸台上设有与内腔贯通的直槽，直槽方向与激光光源支撑架下端的扇形齿轮面垂直，扇形齿轮置于直槽内，直槽两侧的凸台上分别设有对应的销孔，销孔内穿置销轴，该销轴穿过扇形齿轮的旋转中心孔铰支连接，上底座的内腔设有俯仰步进电机，其输出轴上设有齿轮，该齿轮与扇形齿轮相啮合；中底座亦为设有上盖的圆筒，其上盖表面设有圆柱凸台，上底座的下端套接并固定在圆柱凸台上，中底座上盖表面的中心设有孔状内齿轮；下底座为设有上盖的筒体，其上盖表面设有圆柱筒，中底座的下端滑动套接在圆柱筒上，该圆柱筒内腔设有固定在下底座上盖上的水平步进电机，其输出轴上设有齿轮，该齿轮与中底座上盖表面中心的孔状内齿轮相啮合，脉冲步进控制器、俯仰步进电机驱动器和水平步进电机驱动器均设置在下底座内腔中。

Images