CN103139936B - 能量自供给的无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

能量自供给的无线传感器网络节点，包括带有处理器模块的传感器节点模块，传感器节点模块接能量存储模块由其进行供电，并接开关模块进行能量供给策略选择；能量存储模块包括太阳能电池模块、超级电容模块以及锂电池模块，超级电容模块作为系统主能源，锂电池模块作为系统次级能源；太阳能电池模块通过开关模块实现对超级电容模块或者锂电池模块充电方式的选择，本发明支持强太阳能和微弱太阳能的收集；系统可自动进入白天和夜间工作模式，根据太阳能电池板的不同能量状态，选择最优的能量管理策略且具有自恢复性，系统通用性强、集成度和设备的利用率高、安全性和稳定性强、提高了太阳能的利用率、延长了无线传感器网络的寿命。

Description

能量自供给的无线传感器网络节点

技术领域

本发明属于无线传感网技术领域，特别涉及一种能量自供给的无线传感器网络节点。

背景技术

随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络已在工业、商业、医学、消费、军事和农业等领域得到了广泛的应用。但其能量供给成为制约无线传感器网络稳定和长寿命工作的关键因素。由于无线传感器网络节点数量多、分布区域广且布设在无人值守的区域、通过更换电池的方式来补充能源是不实际的。从环境中捕获能量是一种有效的途径。目前可以从环境中获取能量的方式有太阳能、振动能、风能、温差能等，其中太阳能以其较高的能量密度和较成熟的开发技术得到了普遍的应用。

通过对现有文献的检索发现，目前的太阳能供电方式存在以下几个问题：目前的能量自供给传感器节点都是针对光强足够的室外环境，不能收集微弱的太阳能；电路简单地使用光伏电池通过充电芯片为超级电容或锂电池供电，未能考虑能量的利用效率和频繁的充放电对电池寿命的影响，系统的安全性和工作的稳定性不高；通过额外增加单片机和A/D转换器进行能量管理，增加了系统的成本和功耗；粗放的能量管理，未考虑到太阳能电池的最大功率点跟踪，没有提高太阳能的利用率。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能量自供给的无线传感器网络节点，通过合理的能量管理策略，实现了能量的最大化存储和利用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

能量自供给的无线传感器网络节点，包括带有处理器模块的传感器节点模块，所述传感器节点模块：

接传感器模块接收其采集的数据；

接能量存储模块由其进行供电；

接光敏电阻进行光照条件判断；

接开关模块进行能量供给策略选择；

所述能量存储模块包括太阳能电池模块、超级电容模块以及锂电池模块，所述超级电容模块作为系统主能源，在其能量大于设定值的情况下为系统供电；所述锂电池模块作为系统次级能源，在所述超级电容模块能量小于设定值的情况下为系统供电；

所述太阳能电池模块通过开关S1接并联的升压充电泵和最大功率点跟踪模块，通过控制开关S1的启闭选择由升压充电泵或者最大功率点跟踪模块工作，升压充电泵和最大功率点跟踪模块的输出端通过开关S2接DC/DC升压转换器，DC/DC升压转换器输出端接超级电容模块和锂电池模块的充电端，通过控制开关S2的启闭选择直接为超级电容模块充电或者经由DC/DC升压转换器为超级电容模块或者锂电池模块充电；

所述锂电池模块的充电端接有开关S3，输出端接有开关S4，通过控制开关S3的启闭选择超级电容模块是否为锂电池模块充电，通过控制开关S4的启闭选择是否由锂电池模块供电。

所述开关S1和开关S2为CMOS单刀双掷模拟开关，开关S3和开关S4为CMOS单刀单掷开关。

当所述光敏电阻输出为高电平时，系统进入白天模式，由太阳能电池模块为超级电容模块充电或者锂电池模块充电，并由超级电容模块为节点模块供电；当所述光敏电阻输出为低电平时，系统进入夜间模式，由超级电容模块或者锂电池模块为节点模块供电。

所述太阳能电池模块包括太阳能电池板以及电池板电压电流监测模块，

在白天模式下，所述传感器节点模块接收电池板电压电流监测模块采集到的太阳能电池板的输出电压和电流，

如果输出电压小于等于阈值A，则开关S1和开关S2常闭触点闭合，太阳能电池板通过升压充电泵-DC/DC升压转换器给超级电容模块充电；

如果输出电压在阈值B和阈值A之间，则开关S1常开触点闭合，开关S2常闭触点闭合，太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块-DC/DC升压转换器给超级电容模块充电；

如果输出电压大于等于阈值B，则开关S1和开关S2常开触点闭合，太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块直接给超级电容模块充电。

所述阈值A为3V，阈值B为4.2V。

当太阳能电池板通过升压充电泵-DC/DC升压转换器给超级电容模块供电情况下，或者通过最大功率点跟踪模块-DC/DC升压转换器给超级电容模块供电情况下，检测超级电容模块的电压：

若超级电容模块的电压在阈值C和阈值D之间，则开关S4断开，由超级电容模块直接为节点模块供电；

若超级电容模块的电压大于等于阈值D，则检测锂电池模块的电压：

若测锂电池模块的电压大于等于阈值E，则锂电池电量满不需要充电，开关S3断开，由超级电容模块为节点模块供电；

若测锂电池模块的电压小于阈值E，则开关S3闭合，超级电容模块给锂电池充电，同时为节点模块供电；

若超级电容模块的电压小于等于阈值C，则进入夜间模式。

所述阈值C为2V，阈值D为4.2V，阈值E为4.2V。

当太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块直接给超级电容模块供电的情况下，检测锂电池模块的电压：

若测锂电池模块的电压大于等于阈值E，则锂电池电量满不需要充电，开关S3断开，由超级电容模块为节点模块供电；

若测锂电池模块的电压小于阈值E，则开关S3闭合，超级电容模块给锂电池充电，同时为节点模块供电。

所述夜间工作模式下，首先判断超级电容模块的电压：

若超级电容模块的电压大于阈值C，则开关S4断开，由超级电容模块为节点模块供电；

若超级电容模块的电压小于等于阈值C，则开关S4闭合，由锂电池模块为节点模块供电，同时检测锂电池模块电压：

若锂电池模块电压大于3V，则由锂电池模块直接继续供电，直至锂电池模块电压小于或者等于3V，在由锂电池模块进行供电的同时发送电量不足信息。

所述超级电容模块由多个串联电容组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）可支持强太阳能和微弱太阳能的收集，通用性强；

2）系统根据太阳能电池板的不同能量状态，选择最优的能量管理策略、提高了太阳能的利用率；

3）两级能量存储，通常情况下采用超级电容供电、极端条件采用锂电池供电，延长了系统的寿命；

4）能量管理控制芯片和传感器节点采用同一块芯片，提高了设备利用率和集成度；

5）系统在极端条件下的可自恢复性，提高了系统的安全性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图。

图2是能量管理方法的实施例程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明能量自供给的无线传感器网络节点，包括传感器节点模块、传感器模块、升压充电泵、最大功率点跟踪模块、DC/DC升压转换器、开关模块和由太阳能电池模块、超级电容模块以及锂电池模块组成的能量存储模块。传感器模块采集数据，然后传输至传感器节点模块，传感器节点模块以处理器模块为核心，包括用于通信的RF功能模块、用于接收数据的扩展功能接口模块以及用于传输编程及测试信息的JTAG接口模块。扩展功能接口模块连接了由光敏电阻组成的光照传感器，用于判断白天还是夜晚。

本发明的能量存储模块中，由太阳能电池模块为超级电容模块以及锂电池模块进行充电，太阳能电池模块包括太阳能电池板以及电池板电压电流监测模块，根据其电压大小选择充电方式。超级电容模块由多个串联电容组成，作为系统主能源，在其能量大于设定值的情况下为系统供电；而锂电池模块包括单节锂电池及锂电池充电管理模块和锂电池放电保护模块，作为系统次级能源，在所述超级电容模块能量小于设定值的情况下为系统供电。

通过处理器模块对开关模块的工作模式选择，实现对系统的能量供给策略选择。

充电环节中，太阳能电池模块通过开关S1接并联的升压充电泵和最大功率点跟踪模块，从而使得通过控制开关S1的启闭即可选择由升压充电泵或者最大功率点跟踪模块工作。升压充电泵和最大功率点跟踪模块的输出端通过开关S2接DC/DC升压转换器，DC/DC升压转换器输出端接超级电容模块和锂电池模块的充电端，从而使得通过控制开关S2的启闭选择直接为超级电容模块充电或者经由DC/DC升压转换器为超级电容模块或者锂电池模块充电。而锂电池模块的充电端接有开关S3，输出端接有开关S4，通过控制开关S3的启闭选择为超级电容模块充电或者为锂电池模块充电。其中，开关S1和开关S2为CMOS单刀双掷模拟开关，开关S3和开关S4为CMOS单刀单掷开关。

最大功率点（MPPT）跟踪模块由boost升压电路构成，通过传感器节点模块控制太阳电池端电压使电池能在各种不同外部环境下智能地以最大功率输出，提高太阳能的利用率。

供电环节中，通过控制开关S4的启闭选择由超级电容模块供电或者由锂电池模块供电，二者的输出端均通过DC/DC稳压模块接入，稳压模块包括3.3V的DC/DC稳压器和5V的DC/DC稳压器，保证为系统提供可选择的、稳定的电源。

实施例中，强光条件下采用的是5V单晶硅太阳能电池板，其尺寸为134mm×82mm，短路电流为300mA。弱光条件如室内采用的是1.5-3V弱光型非晶硅太阳能电池，其尺寸为50mm×125mm，短路电流为2mA。超级电容为两块电压为2.7V容量为10F的超级电容串联。锂电池为4．2V/200mAh，其充电控制芯片为CN3063，放电保护芯片为CN301，开关S1和S2共用CMOS模拟开关SGM3002，S3、S4共用CMOS模拟开关ADG821，最大功率点（MPPT）跟踪模块采用boost升压电路，控制算法采用增量电导法。升压充电泵为S-882Z超低电压充电泵最小启动电压为0.3V，DC/DC升压转换器为L6920DB最小启动电压为0.8V，可输出5V稳定电压。DC/DC（3.3V）稳压器和DC/DC（5V）稳压器采用两块TPS63030，其可将1.8V～5V电压调整为3.3V和5V稳压输出。传感器节点模块的微处理器采用低功耗的MSP430F2274，RF功能模块采用CC2500。太阳能电池电流的检测MAX9928F，对太阳能电池板超级电容和锂电池电压的检测采用分压的方法由微处理器芯片上具有A/D功能的I/O口检测。

如图2所示，本发明的工作过程如下：

在极端条件下，所有的超级电容、锂电池和太阳能电池板都没有电量时，节点上的所有芯片因没有电源供应不再工作。

当有光照时，太阳能电池板开始工作，能量沿着开关S1上的常闭触点，经过升压充电泵、开关S2上的常闭触点、DC-DC升压转换器开始给超级电容模块供电，当超级电容模块的充电电压大于DC/DC稳压模块的启动电压时开始给节点模块供电，节点模块上的处理器模块开始工作。

微处理器开始工作后每隔2分钟执行以下相应的步骤：

1.当所述光敏电阻输出为高电平时，系统进入白天模式，由太阳能电池模块为超级电容模块充电或者锂电池模块充电，并由超级电容模块为节点模块供电。在白天模式下，传感器节点模块接收电池板电压电流监测模块采集到的太阳能电池板的输出电压和电流。

1.1如果太阳能电池板的输出电压小于等于3V，则开关S1和开关S2常闭触点闭合，太阳能电池板通过升压充电泵-DC/DC升压转换器给超级电容模块充电，同时检测超级电容模块的电压。

1.1.1若超级电容模块的电压在2V和4.2V之间，则开关S4断开，由超级电容模块直接为节点模块供电。

1.1.2若超级电容模块的电压大于等于4.2V，则检测锂电池模块的电压：

1.1.2.1若测锂电池模块的电压大于等于4.2V，则锂电池电量满不需要充电，开关S3断开，由超级电容模块为节点模块供电。

1.1.2.2若测锂电池模块的电压小于阈值E，则开关S3闭合，超级电容模块给锂电池充电，同时为节点模块供电。

1.1.3若超级电容模块的电压小于等于阈值C，则进入夜间模式。

1.2如果太阳能电池板的输出电压在4.2V和3V之间，则开关S1常开触点闭合，开关S2常闭触点闭合，太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块-DC/DC升压转换器给超级电容模块充电，同时检测超级电容模块的电压，执行步骤1.1.1-1.1.3同样的步骤。

1.3如果输出电压大于等于4.2V，则开关S1和开关S2常开触点闭合，太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块直接给超级电容模块充电，同时检测锂电池模块的电压，执行步骤1.1.2.1-1.1.2.2同样的步骤。

2.当所述光敏电阻输出为低电平时，系统进入夜间模式，由超级电容模块或者锂电池模块为节点模块供电。夜间工作模式下，首先判断超级电容模块的电压：

2.1若超级电容模块的电压大于2V，则开关S4断开，由超级电容模块为节点模块供电；

2.2若超级电容模块的电压小于等于2V，则开关S4闭合，由锂电池模块为节点模块供电，同时检测锂电池模块电压：

2.2.1若锂电池模块电压大于3V，则由锂电池模块直接继续供电；

2.2.2若锂电池模块电压小于或者等于3V，在由锂电池模块进行供电的同时发送电量不足信息。

Claims (8)

1.能量自供给的无线传感器网络节点，包括带有处理器模块的传感器节点模块，所述传感器节点模块：

接传感器模块接收其采集的数据；

接能量存储模块由其进行供电；

接光敏电阻进行光照条件判断；

接开关模块进行能量供给策略选择；

其特征在于，

所述能量存储模块包括太阳能电池模块、超级电容模块以及锂电池模块，所述超级电容模块作为系统主能源，在其能量大于设定值的情况下为系统供电；所述锂电池模块作为系统次级能源，在所述超级电容模块能量小于设定值的情况下为系统供电；

所述太阳能电池模块通过开关S1接并联的升压充电泵和最大功率点跟踪模块，通过控制开关S1的启闭选择由升压充电泵或者最大功率点跟踪模块工作，升压充电泵和最大功率点跟踪模块的输出端通过开关S2接DC/DC升压转换器，DC/DC升压转换器输出端接超级电容模块和锂电池模块的充电端，通过控制开关S2的启闭选择直接为超级电容模块充电或者经由DC/DC升压转换器为超级电容模块或者锂电池模块充电；

所述锂电池模块的充电端接有开关S3，输出端接有开关S4，通过控制开关S3的启闭选择超级电容模块是否为锂电池模块充电，通过控制开关S4的启闭选择是否由锂电池模块供电；

当所述光敏电阻输出为高电平时，系统进入白天模式，由太阳能电池模块为超级电容模块充电或者锂电池模块充电，并由超级电容模块为节点模块供电；当所述光敏电阻输出为低电平时，系统进入夜间模式，由超级电容模块或者锂电池模块为节点模块供电；

所述太阳能电池模块包括太阳能电池板以及电池板电压电流监测模块，

在白天模式下，所述传感器节点模块接收电池板电压电流监测模块采集到的太阳能电池板的输出电压和电流，

如果输出电压小于等于阈值A，则开关S1和开关S2常闭触点闭合，太阳能电池板通过升压充电泵-DC/DC升压转换器给超级电容模块充电；

如果输出电压在阈值B和阈值A之间，则开关S1常开触点闭合，开关S2常闭触点闭合，太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块-DC/DC升压转换器给超级电容模块充电；

如果输出电压大于等于阈值B，则开关S1和开关S2常开触点闭合，太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块直接给超级电容模块充电。

2.根据权利要求1所述的能量自供给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述开关S1和开关S2为CMOS单刀双掷模拟开关，开关S3和开关S4为CMOS单刀单掷开关。

3.根据权利要求1所述的能量自供给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述阈值A为3V，阈值B为4.2V。

4.根据权利要求3所述的能量自供给的无线传感器网络节点，其特征在于，当太阳能电池板通过升压充电泵-DC/DC升压转换器给超级电容模块供电情况下，或者通过最大功率点跟踪模块-DC/DC升压转换器给超级电容模块供电情况下，检测超级电容模块的电压：

若超级电容模块的电压在阈值C和阈值D之间，则开关S4断开，由超级电容模块直接为节点模块供电；

若超级电容模块的电压大于等于阈值D，则检测锂电池模块的电压：

若测锂电池模块的电压大于等于阈值E，则锂电池电量满不需要充电，开关S3断开，由超级电容模块为节点模块供电；

若测锂电池模块的电压小于阈值E，则开关S3闭合，超级电容模块给锂电池充电，同时为节点模块供电；

若超级电容模块的电压小于等于阈值C，则进入夜间模式。

5.根据权利要求4所述的能量自供给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述阈值C为2V，阈值D为4.2V，阈值E为4.2V。

6.根据权利要求5所述的能量自供给的无线传感器网络节点，其特征在于，当太阳能电池板通过最大功率点跟踪模块直接给超级电容模块供电的情况下，检测锂电池模块的电压：

若测锂电池模块的电压大于等于阈值E，则锂电池电量满不需要充电，开关S3断开，由超级电容模块为节点模块供电；

若测锂电池模块的电压小于阈值E，则开关S3闭合，超级电容模块给锂电池充电，同时为节点模块供电。

7.根据权利要求1所述的能量自供给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述夜间工作模式下，首先判断超级电容模块的电压：

若超级电容模块的电压大于阈值C，则开关S4断开，由超级电容模块为节点模块供电；

若超级电容模块的电压小于等于阈值C，则开关S4闭合，由锂电池模块为节点模块供电，同时检测锂电池模块电压：

若锂电池模块电压大于3V，则由锂电池模块直接继续供电，直至锂电池模块电压小于或者等于3V，在由锂电池模块进行供电的同时发送电量不足信息。

8.根据权利要求1所述的能量自供给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述超级电容模块由多个串联电容组成。