CN103219779A - 一种传感网节点无线充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感网节点无线充电方法，传感网节点电量过低则向终端控制单元发送充电请求，终端控制单元接到充电请求后向四旋翼移动充电单元发送充电指令，四旋翼移动充电单元接收到充电指令后首先进行自身电量检测，电量不足则终端控制单元对其充电直到电量充足，四旋翼移动充电单元电量充足则根据充电指令包含的坐标位置，飞向目标节点停于节点停机架对节点充电，传感网节点检测到节点电量充足或四旋翼移动充电单元检测到自身电量不足则停止充电，四旋翼移动充电单元返回终端停机架充电。本发明的无线充电方法自主控制能力强，解决了复杂环境中传感网节点的电能补充问题。

Description

一种传感网节点无线充电方法

 

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，涉及一种无线传感网节点的无线充电方法。

 

背景技术

无线传感器网络是由一定数量的传感网节点通过无线自组网方式联结而成的测控网络。典型的无线传感器网络节点主要由数据采集模块，数据处理模块、无线通信模块和供电模块等组成。节点通常尺寸较小，具有低成本、低功耗、多功能等特点。无线传感网的主要应用是将大量的传感网节点安装/播撒在目标环境，进行候鸟习性观察、桥梁状态检测等。

随着无线传感器网络技术的快速发展和广泛应用，无线传感网节点的供电问题日益突出。部署在某些复杂环境（如孤岛、荒野等）的传感网节点供电中存在以下问题：（1）采用电池或有线供电，电池寿命有限，更换电池费时费力，有线供电提高系统造价；（2）一些集能型电源（如太阳能电池、风力供电等）使用受到天气和传感网节点成本、体积和工作环境等因素限制；（3）新型电源结构复杂、成本高、不便普及和推广。因此，需要寻求其他方法解决无线传感网节点的供电问题。

目前无线充电技术正逐步走进人们的生活，无线充电主要有电磁感应、磁耦合共振式以及无线电波三种方式。电磁感应传输距离短，无线电波方式传输效率低，而磁耦合共振式的传输距离可以达到3-4m，并且电能的传输不受纸张、塑料、玻璃等材料的阻隔影响，同时传输功率较大。若将无线充电与自动化设备相结合，周期性或针对性对复杂环境（如孤岛、荒野等）的传感网节点充电，将会降低无线传感器网络系统成本、降低工作人员劳动强度和危险性。

 

发明内容

技术问题：针对适用复杂环境的无线传感器网络的供电问题，本发明提供一种便于更换电池、成本低、环境限制小的传感网节点无线充电方法。 

技术方案：本发明的传感网节点无线充电方法，包括以下步骤：

1）传感网节点单元通过电压检测传感器检测到电量过低时，向终端控制单元发送充电请求信号，同时开启节点停机架的节点LED，终端控制单元收到充电请求信号后向停放在终端停机架上的四旋翼移动充电单元发出充电指令，充电指令包括需要充电的传感网节点单元的坐标位置和网络标号；

2）四旋翼移动充电单元首先进行电量检测，如电量充足，则进入步骤3），如电量不足，则向终端控制单元发送充电信号，终端控制单元接收到后对四旋翼移动充电单元进行充电，待电量充足后进入步骤3）；

3）四旋翼移动充电单元根据充电指令飞向需要充电的传感网节点单元，并停放在节点停机架上；

4）四旋翼移动充电单元对传感网节点单元进行充电，充电过程中四旋翼移动充电单元对自身电量进行检测，同时传感网节点单元对自身的节点电量进行检测，在四旋翼移动充电单元电量过低或对传感网节点单元的充电完成时，四旋翼移动充电单元停止充电并返回终端停机架。

本发明方法的步骤3）中，四旋翼移动充电单元采用GPS导航功能飞向传感网节点单元，根据四旋翼移动充电单元上设置的摄像头对节点LED进行图像采集，且进行图像处理即三点定位后停放在节点停机架上。

本发明方法所采用的硬件系统由传感网节点单元、终端控制单元和四旋翼移动充电单元构成，传感网节点单元包含：传感网节点、节点停机架、无线电能接收模块，传感网节点单元通过电压检测传感器检测到电量过低时，向终端控制单元发送充电请求信号，同时开启节点停机架的节点LED；终端控制单元主要包括服务器、无线传感器网络网关、终端停机架以及无线电能发射模块，无线传感器网络网关作为传感网节点和服务器之间信息交互纽带和网络路由管理模块，终端控制单元收到充电请求信号后向停放在终端停机架上的四旋翼移动充电单元发出充电指令，充电指令包括需要充电的传感网节点单元的坐标位置和网络标号；四旋翼移动充电单元主要包含四旋翼飞行器、无线电能发射与接收模块、机载锂电池以及摄像头模块，，在接收到终端控制单元发出的充电指令后，首先进行电量检测，如电量不足，则向终端控制单元发送充电信号，终端控制单元接收到后对四旋翼移动充电单元进行充电，直到电量充足，如电量充足，则根据充电指令，采用GPS导航功能飞向传感网节点单元，根据四旋翼移动充电单元上装有的摄像头对节点LED进行图像采集，且进行图像处理即三点定位后停放在节点停机架上，通过无线电能发射模块对传感网节点进行无线充电，充电过程中四旋翼移动充电单元对自身电量进行检测，同时传感网节点单元对自身的节点电量进行检测，在四旋翼移动充电单元电量过低或对传感网节点单元的充电完成时，四旋翼移动充电单元返回终端停机架。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

部署在某些复杂环境（如孤岛、荒野等）的传感网节点一般采用电池或有线供电，电池寿命有限，更换电池费时费力，有线供电提高系统造价，并且一些集能型电源（如太阳能电池、风力供电等）使用受到天气和传感网节点成本、体积和工作环境等因素限制，针对特殊复杂环境的传感网节点供电问题，本发明将四旋翼飞行器与无线充电技术结合，具有以下优点：      

一、对传感网节点的可充电电池及时进行电能补充，保障传感网节点的长期有效工作；二、利用四旋翼飞行器作为电能搭载工具，对某些特定复杂环境（如孤岛、荒野等）的传感网节点进行电能补充；三、全方法实现高度自主控制，节省人力物力的消耗。

 

附图说明

图1是结构示意图。

图2是四旋翼移动充电单元结构图。

图3是四旋翼移动充电单元下视图。

图4是终端控制单元结构图。

图5是终端控制单元对机载锂电池无线充电示意图。

图6是传感网节点单元结构图。

图7是四旋翼移动充电单元对传感网节点无线充电示意图。

图8是传感网节点无线充电流程图。

图中有：四旋翼移动充电单元1、终端控制单元2、传感网节点单元3、四旋翼飞行器101、第一正桨102、第二正桨106、无线电能发射与接收模块103、第一反桨104、第二反桨108、第一三相无刷电机105、第二三相无刷电机107、第三三相无刷电机109、第四三相无刷电机111、控制电路板110、第一电子调速器112、第二电子调速器114、第三电子调速器117、第四电子调速器118、机载锂电池113、摄像头模块115、GPS模块116、四旋翼机架119、无线电能发射模块201、停机架202、服务器203、传感器网络网关204、终端LED 205、无线电能接收单元301、节点停机架302、传感网节点303、节点LED304。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，实施本发明方法所需的硬件系统主要由四旋翼移动充电单元1，终端控制单元2，传感网节点单元3三个部分组成。

参见图2与图3所示，分别为四旋翼移动充电单元1的结构图和下视图，该单元包含四旋翼飞行器101、无线电能发射与接收模块103、机载锂电池113、摄像头模块115。四旋翼飞行器101由第一正桨102、第二正桨106，第一反桨104、第二反桨108，第一三相无刷电机105、第二三相无刷电机107、第三三相无刷电机109和第四三相无刷电机111，控制电路板110，第一电子调速器112、第二电子调速器114、第三电子调速器117和第四电子调速器118，GPS模块116，以及四旋翼机架119构成。第一正桨102、第二正桨106和第一反桨104、第二反桨108分别固定在第四三相无刷电机111、第二三相无刷电机107、第一三相无刷电机105和第三三相无刷电机109的转子上，而第四三相无刷电机111、第二三相无刷电机107、第一三相无刷电机105和第三三相无刷电机109通过固定孔固定在四旋翼机架119上。控制电路板110对四旋翼飞行器101进行飞行控制以及实现无线传感网络通信。固定在四旋翼机架119上的第一电子调速器112、第二电子调速器114、第三电子调速器117和第四电子调速器118的输入端接收控制电路板110的控制信号，输出端分别与第四三相无刷电机111、第一三相无刷电机105、第二三相无刷电机107和第三三相无刷电机109连接，控制第四三相无刷电机111、第一三相无刷电机105、第二三相无刷电机107和第三三相无刷电机109的转动。机载锂电池113固定在四旋翼飞行器101的四旋翼机架119的底部。无线电能发射与接收模块103通过塑料螺丝固定在四旋翼机架119的底部。

参见图4所示，为终端控制单元2，包含无线电能发射模块201、终端停机架202、服务器203以及无线传感器网络网关204。无线电能发射模块201固定在终端停机架202背面，终端停机架202采用三腿结构和塑料材质，满足稳定支撑的要求，防止腐蚀和对无线电能传输的干扰。终端停机架202上装有的终端LED205用于四旋翼移动充电单元1的精确定位。无线传感器网络网关204作为传感网节点303和服务器203之间信息交互纽带，同时具备网络路由管理和维护功能。服务器203从传感网节点303上传的充电请求信号进行判断，将需要充电的传感网节点303的物理位置和网络标号信息传送至四旋翼移动充电单元1。

参见图5 所示，为终端控制单元2对机载锂电池113无线充电示意图，当四旋翼移动充电单元1机载锂电池113电量不足时，终端控制单元2需要对机载锂电池113进行充电。四旋翼飞行器101停于终端控制单元2处的终端停机架202上，服务器203对固定于终端停机架202上的无线电能发射模块201供电，四旋翼移动充电单元1的无线电能发射与接收单元103启动无线电能接收功能，接收电能并对机载锂电池113充电。

参见图6所示，传感网节点单元3包含无线电能接收单元301，节点停机架302和传感网节点303。传感网节点303加入无线传感器网络网关204组建的网络中。传感网节点303电量过低时，将向终端控制单元2上传充电请求信号。无线电能接收单元301固定于终端停机架302背面并与传感网节点303的节点电池连接；节点停机架302上装有的节点LED304在节点电量过低时被开启，四旋翼移动充电单元1上装有的摄像头对节点LED304进行图像采集，且进行图像处理即三点定位后停放在节点停机架302上。

参见图7所示，为四旋翼移动充电单元1对传感网节点303无线充电示意图，四旋翼飞行器101停于传感网节点单元3处的节点停机架302上，机载锂电池113对无线电能发射与接收模块103供电，通过无线电能传输方式对传感网节点303进行充电。

参见图8所示，为本发明的传感网节点无线充电方法流程图，包括以下步骤：

1）传感网节点单元3通过电压检测传感器检测到电量过低时，通过无线传感器网络向终端控制单元2发送充电请求信号，同时开启节点停机架302上的节点LED304，用于指引四旋翼移动充电单元1精确定位，终端控制单元2收到充电请求信号后向停放在终端停机架202上的四旋翼移动充电单元1发出充电指令，充电指令包括需要充电的传感网节点单元3的坐标位置和网络标号；

2）四旋翼移动充电单元1首先进行电量检测，如电量充足，则进入步骤3），如电量不足，则向终端控制单元2发送充电信号，终端控制单元2接收到后对四旋翼移动充电单元1进行充电，待电量充足后进入步骤3）；

3）四旋翼移动充电单元1根据充电指令中包含的传感网节点单元3的坐标位置和网络标号进行定位，首先通过GPS模块116进行导航，当四旋翼移动充电单元1进入传感网节点单元3周围5m范围内，四旋翼移动充电单元1通过摄像头模块115进行视觉导航，对节点LED304进行图像采集，且进行图像处理即三点定位后停放在节点停机架302上，四旋翼移动充电单元1通过机载锂电池113与无线电能发射与接收模块103对传感网节点303进行充电。

4）四旋翼移动充电单元1对传感网节点单元3进行充电，充电过程中四旋翼移动充电单元1对自身电量进行检测，同时传感网节点单元3对自身的节点电量进行检测，在四旋翼移动充电单元1电量过低或对传感网节点单元3的充电完成时，四旋翼移动充电单元1返回终端停机架202对自身充电。

Claims (2)

1.一种传感网节点无线充电方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）传感网节点单元（3）通过电压检测传感器检测到电量过低时，向终端控制单元（2）发送充电请求信号，同时开启节点停机架（302）的节点LED（304），终端控制单元（2）收到充电请求信号后向停放在终端停机架（202）上的四旋翼移动充电单元（1）发出充电指令，所述充电指令包括需要充电的传感网节点单元（3）的坐标位置和网络标号；

2）四旋翼移动充电单元（1）首先进行电量检测，如电量充足，则进入步骤3），如电量不足，则向终端控制单元（2）发送充电信号，终端控制单元（2）接收到后对四旋翼移动充电单元（1）进行充电，待电量充足后进入步骤3）；

3）四旋翼移动充电单元（1）根据充电指令飞向需要充电的传感网节点单元（3），并停放在节点停机架（302）上；

4）四旋翼移动充电单元（1）对传感网节点单元（3）进行充电，充电过程中四旋翼移动充电单元（1）对自身电量进行检测，同时传感网节点单元（3）对自身的节点电量进行检测，在四旋翼移动充电单元（1）电量过低或对传感网节点单元（3）的充电完成时，四旋翼移动充电单元（1）停止充电并返回终端停机架（202）。

2.根据权利要求1所述的传感网节点无线充电方法，其特征在于，所述步骤3）中，四旋翼移动充电单元（1）采用GPS导航功能飞向传感网节点单元（3），根据四旋翼移动充电单元（1）上设置的摄像头对节点LED（304）进行图像采集，且进行图像处理即三点定位后停放在节点停机架（302）上。

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