CN105006894B - 一种无线传感器网络的无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线传感器网络的无线充电系统，由基站和多个无线传感器节点组成，每个无线传感器节点设置有：第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块、储能模块、第一微处理器、第一无线通信模块以及传感器，所述第一微处理器根据所述电源管理模块反馈的电量信息进行充电决策，控制所述第一可控谐振天线中控制开关S1和控制开关S2的断开或闭合，从而控制无线传感器节点在“接收”、“中继”、“静默”三种状态自由切换，扩大了无线传感器网络无线供电的传输范围，同时能够根据各节点的能力供给需求实现智能、快速、高效充电，并可消除多个谐振节点间的影响，使得传输效率和传输功率稳定。

Description

一种无线传感器网络的无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种无线传感器网络的无线充电系统。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量传感器节点组成，这些传感器节点体内集成了信息采集、数据处理和无线通信等多种模块，通过这些节点可以有效的检测区域内各种参数。但随着对无线传感器网络研究的深入和应用的增加，出现了一些亟待解决的问题，其中最为关键的是节点能量供应问题。目前大多数无线传感器节点都采用电池供电，一方面，受传感器节点体积小的限制，所配置的电池能量十分有限，无法满足网络长时间工作的需求，导致节点经常失效或报废；另一方面，无线传感器网络数目众多，分布广泛，在一些特殊的应用场合，如动物或人体内的传感器、建筑承力结构中的传感器、军事中无人值守地面传感网络等，人员到达不了，想要通过更换电池来补充能量是非常不现实的，这极大的限制了无线传感器网络的使用寿命和应用范围。因此，节点能量供应问题是制约无线传感器网络技术进一步发展的瓶颈。

目前解决无线传感器网络的能量问题可以从两个基本途径入手，即开源、节流。第一种途径：节流，即从节点能耗方面入手，采用低功耗技术和高效的能量管理技术，最大限度降低节点能耗以延长节点工作时间，技术较为成熟，但不能从根本上解决问题。第二种途径：开源，即从节点供能方面入手，采用各种有效的措施从外界获取并储存能量，从根本上解决电池容量有限的问题。目前主要有两种方式可以从外界获取并储存能量，一种是从环境中吸收各种能量并将其转换电能，如太阳能、风能、热能、机械振动能、声能等，但是获取的能量非常小、转换能量复杂，而且受天气等环境影响很大、很不稳定，不适用于传感器网络长时间、稳定可靠的工作要求；另一种是无线充电技术，其利用电磁场或者电磁波进行能量的传输。无线充电技术包括电磁辐射、磁感应、磁共振耦合等，其中基于磁共振耦合原理的无线充电技术自2007年被麻省理工学院提出之后就掀起了一股研究磁共振耦合无线充电技术的热潮成为国内外的一个研究热点。与较为成熟的电磁感应无线充电技术相比，磁共振耦合无线充电技术传输功率适中，但传输距离更远、位置更自由、效率更高、更稳定，更适于解决无线传感器网络、物联网、智能家居等的能量供应问题。

虽然基于磁共振耦合的无线充电技术是解决无线传感器网络能量供应问题的最佳方案，但这一技术在应用到传感器网络的过程中也遇到不少难题急需解决。无线传感器网络通常由多个传感器节点组成，所以网络面积大、范围广，而磁共振耦合无线传能的最佳传输距离有限，导致无法给超出范围的传感器节点有效传能；传感器网络多个节点中某些节点可能急需供电，而另一些节点并不需要供电，如果按照目前普遍采用的无线充电技术同时为所有节点供电的话会造不必要的能量和功率浪费，导致无法快速、高效的给需要供电的节点进行有效供电；同时多个接收谐振节点之间靠得太近会影响谐振状态，谐振频率也会偏移，最终导致无线传能传输效率和功率降低。

发明内容

本申请通过提供一种无线传感器网络的无线充电系统，以解决无线传感器网络供电范围有限，无法按各传感器节点供给需求智能供电，以及因多个接收谐振节点之间靠得太近影响谐振状态，谐振频率也会偏移，而导致无线传能传输效率和功率降低等技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种无线传感器网络的无线充电系统，由基站和多个无线传感器节点组成，其关键在于，每个所述无线传感器节点设置有：第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块、储能模块、第一微处理器、第一无线通信模块以及传感器，所述第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块以及储能模块依次相连，第一可控谐振天线产生的交流电通过所述整流滤波模块转变为直流电，再经过所述稳压模块得到所述传感器所需的直流稳压电源，通过所述电源管理模块将能量存储到所述储能模块中；

在所述第一可控谐振天线中设置有拾取线圈L、电容阵列C以及控制开关S1和控制开关S2，所述拾取线圈L与所述电容阵列C并联，所述控制开关S1用于控制所述电容阵列C是否并联在拾取线圈L上，所述控制开关S2串接在拾取线圈L与整流滤波模块之间，用于控制是否向整流滤波模块输入拾取的能量，所述控制开关S1和控制开关S2的控制端还连接在所述第一微处理器上，该第一微处理器一端与传感器相连，用于接收传感器数据，另一端与电源管理模块相连，并根据电源管理模块采集的储能模块电量信息控制所述第一可控谐振天线中控制开关S1和控制开关S2的断开或闭合，使得该无线传感器节点处于不同的能量拾取状态；

当控制开关S1和控制开关S2同时闭合时，该无线传感器节点处于能量接收状态；当控制开关S1闭合，控制开关S2断开时，该无线传感器节点处于能量中继状态；当控制开关S1和控制开关S2同时断开时，该无线传感器节点处于静默状态；

所述第一微处理器还与所述第一无线通信模块相连，用于实现传感器数据的无线传输。

当无线传感器节点需要进行充电时，所述第一微控制器控制控制开关S1和控制开关S2同时闭合，无线传感器节点处于“接收”状态，第一可控谐振天线谐振产生的交流电通过所述整流滤波模块变成直流电，再经过稳压模块稳压到传感器节点所需的直流电压电源，并通过电源管理模块将能量存储到储能模块中同时采集储能模块的电量信息，并将该电量信息传送给第一微处理器进行充电决策。

当无线传感器节点并不需要充电而是需要变成“中继”角色时，所述第一微控制器控制控制开关S1闭合、控制开关S2断开，此时无线传感器节点切换到中继状态，第一可控谐振天线将产生谐振但并不会消耗能量而是将磁场有效范围延长，此时将延长传感器网络的充电距离而几乎不损耗或很少损耗能量。

如果无线传感器节点并不需要充电也不需要当中继时，所述第一微控制器控制可控制开关S1和控制开关S2同时断开，此时无线传感器节点处于“静默”状态对周围磁场无任何影响，也不会对周围谐振节点的谐振产生影响。

当然如果控制开关S1断开而S2闭合时，此时可以感应到信号用于信号的采集如采集频率信息等。

为了提高传感器节点的兼容性和可控自由度，各无线传感器节点的第一可控谐振天线的谐振频率均为可控的，所述电容阵列C为N个电容并联而成，N为大于等于2的自然数，在每一条电容支路上串接有一个控制开关，每个控制开关的控制端分别连接在所述第一微控制器的输出端上，所述第一微控制器通过控制N个控制开关的断开或闭合来调整所述第一可控谐振天线的谐振频率。通过改变电容阵列C的电容大小可以调整第一谐振天线的谐振频率，以适应谐振频率改变或多个发射器不同谐振频率的情况。

基站即为能量发射装置，采用磁共振耦合技术的发射装置均可，作为一种优选的技术方案，所述基站包括：电源模块、功率控制模块、自激振荡模块、第二可控谐振天线、第二微处理器以及第二无线通信模块，其中所述第二微处理器对电源模块输出的直流电源进行监测并根据各节点端的功率要求调节DC/DC输出功率，从而控制所述自激振荡模块的发射功率，所述自激振荡模块产生发射信号，所述第二微处理器通过调整所述第二可控谐振天线的电容阵列的电容值改变发射信号频率。

作为一种优选的技术方案，所述基站的发射频率可控，所述第二可控谐振天线的电容阵列C为N个电容并联而成，N为大于等于2的自然数，在每一条电容支路上串接有一个控制开关，每个控制开关的控制端分别连接在所述第二微控制器的输出端上，所述第二微控制器通过控制N个控制开关的断开或闭合来调整所述第二可控谐振天线的谐振频率。

当无线传感器节点特别多，网络范围特别大的时候，可以采用多个基站同时进行无线充电，多个基站组成蜂窝网结构对无线传感器网络同时进行无线充电，其中每个基站的发射频率不同，每个基站通过所述第二无线通信模块将发射频率信息传输到无线传感器节点，每个无线传感器节点通过所述第一无线通信模块获取该基站的发射频率，并调整所述第一可控谐振天线的谐振频率与该基站的发射频率保持一致，即可进行无线充电。如果某个基站故障或者无线传感器节点运动到相邻基站范围内，那么无线传感器节点可以将接收频率切换到相邻基站的范围内继续进行无线充电。

作为一种优选的技术方案，所述控制开关为继电器或者晶闸管。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：扩大了无线传感器网络无线供电的传输范围，同时能够根据各节点的能力供给需求实现智能、快速、高效充电，并可消除多个谐振节点间的影响，使得传输效率和传输功率稳定。

附图说明

图1为本发明的无线传感器节点结构示意图；

图2为本发明的可控谐振天线示意图；

图3为本发明的基站结构示意图；

图4为本发明的无线传感器网络的无线充电系统示意图；

图5为本发明的无线传感器网络的蜂窝网结构无线充电系统示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种无线传感器网络的无线充电系统，以解决的无线传感器网络供电范围有限，无法按各无线传感器节点供给需求智能供电，以及因多个接收谐振节点之间靠得太近影响谐振状态，谐振频率也会偏移，而导致无线传能传输效率和功率降低等技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种无线传感器网络的无线充电系统，由基站和多个无线传感器节点组成，如图1所示，每个所述无线传感器节点设置有：第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块、储能模块、第一微处理器、第一无线通信模块以及传感器，所述第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块以及储能模块依次相连，第一可控谐振天线产生的交流电通过所述整流滤波模块转变为直流电，再经过所述稳压模块得到所述传感器所需的直流稳压电源，通过所述电源管理模块将能量存储到所述储能模块中；

如图2所示，在所述第一可控谐振天线中设置有拾取线圈L、电容阵列C以及控制开关S1和控制开关S2，所述拾取线圈L与所述电容阵列C并联，所述控制开关S1用于控制所述电容阵列C是否并联在拾取线圈L上，所述控制开关S2串接在拾取线圈L与整流滤波模块之间，用于控制是否向整流滤波模块输入拾取的能量，所述控制开关S1和控制开关S2的控制端还连接在所述第一微处理器上，该第一微处理器一端与传感器相连，用于接收传感器数据，另一端与电源管理模块相连，并根据电源管理模块采集的储能模块电量信息控制所述第一可控谐振天线中控制开关S1和控制开关S2的断开或闭合，使得该无线传感器节点处于不同的能量拾取状态；

当控制开关S1和控制开关S2同时闭合时，该无线传感器节点处于能量接收状态；当控制开关S1闭合，控制开关S2断开时，该无线传感器节点处于能量中继状态；当控制开关S1和控制开关S2同时断开时，该无线传感器节点处于静默状态；

所述第一微处理器还与所述第一无线通信模块相连，用于实现传感器数据的无线传输。

当无线传感器节点需要进行充电时，所述第一微控制器控制控制开关S1和控制开关S2同时闭合，无线传感器节点处于“接收”状态，第一可控谐振天线谐振产生的交流电通过所述整流滤波模块变成直流电，再经过稳压模块稳压到传感器节点所需的直流电压电源，并通过电源管理模块将能量存储到储能模块中同时采集储能模块的电量信息，并将该电量信息传送给第一微处理器进行充电决策。

当无线传感器节点并不需要充电而是需要变成“中继”角色时，所述第一微控制器控制控制开关S1闭合、控制开关S2断开，此时无线传感器节点切换到中继状态，第一可控谐振天线将产生谐振但并不会消耗能量而是将磁场有效范围延长，此时将延长传感器网络的充电距离而几乎不损耗能量。

如果无线传感器节点并不需要充电也不需要当中继时，所述第一微控制器控制可控制开关S1和控制开关S2同时断开，此时无线传感器节点处于“静默”状态对周围磁场无任何地影响，也不会对周围谐振节点的谐振产生影响。

当然如果控制开关S1断开而S2闭合时，此时可以感应到信号用于信号的采集如采集频率信息等。

为了提高传感器节点的兼容性和可控自由度，各无线传感器节点的第一可控谐振天线的谐振频率均为可控的，所述电容阵列C为N个电容并联而成，N为大于等于2的自然数，在每一条电容支路上串接有一个控制开关，每个控制开关的控制端分别连接在所述第一微控制器的输出端上，所述第一微控制器通过控制N个控制开关的断开或闭合来调整所述第一可控谐振天线的谐振频率。通过改变电容阵列C的电容大小可以调整第一谐振天线的谐振频率，以适应谐振频率改变或多个发射器不同谐振频率的情况。

基站即为能量发射装置，采用磁共振耦合技术的发射装置均可，作为一种优选的技术方案，如图3所示，所述基站包括：电源模块、功率控制模块、自激振荡模块、第二可控谐振天线、第二微处理器以及第二无线通信模块，其中所述第二微处理器对电源模块输出的直流电源进行监测并根据各节点端的功率要求调节DC/DC输出功率，从而控制所述自激振荡模块的发射功率，所述自激振荡模块产生发射信号，所述第二微处理器通过调整所述第二可控谐振天线的电容阵列的电容值改变发射信号频率。

作为一种优选的技术方案，所述基站的发射频率可控，所述第二可控谐振天线的电容阵列C为N个电容并联而成，N为大于等于2的自然数，在每一条电容支路上串接有一个控制开关，每个控制开关的控制端分别连接在所述第二微控制器的输出端上，所述第二微控制器通过控制N个控制开关的断开或闭合来调整所述第二可控谐振天线的谐振频率。

如图4所示为本发明的无线传感器网络的无线充电系统的示意图，当某些无线传感器节点超出了无线供电范围且需进行无线充电时，基站通过由各节点发射的状态信息计算各节点位置和电量，从而选择合适的无线传感器节点切换到“中继”状态扩大无线充电范围，其余节点为了避免对谐振产生影响可以选择切换到“静默”状态。如果发射功率有限，为了快速给某些急需供电的无线传感器节点进行无线充电还可以选择进行分时充电，一个时刻选择一个急需供电的处于“接收”状态，可根据发射功率最高限制选择个数，图4同时为5个无线传感器节点无线充电，其余节点根据情况处于“中继”或“静默”状态，这样可迅速给急需供电的无线传感器节点进行无线充电，使无线传感器网络充电更智能化。

当无线传感器节点特别多，网络范围特别大的时候，可以采用多个基站同时进行无线充电，如图5所示，多个基站组成蜂窝网结构对无线传感器网络同时进行无线充电，其中每个基站的发射频率不同，每个基站通过所述第二无线通信模块将发射频率信息传输到无线传感器节点，每个无线传感器节点通过所述第一无线通信模块获取该基站的发射频率，并调整所述第一可控谐振天线的谐振频率与该基站的发射频率保持一致，即可进行无线充电。如果某个基站故障或者无线传感器节点运动到相邻基站范围内，那么无线传感器节点可以将接收频率切换到相邻基站的范围内继续进行无线充电。

作为一种优选的技术方案，所述控制开关为继电器或者晶闸管。

本申请的上述实施例中，通过提供一种无线传感器网络的无线充电系统，由基站和多个无线传感器节点组成，每个无线传感器节点设置有：第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块、储能模块、第一微处理器、第一无线通信模块以及传感器，所述第一微处理器根据所述电源管理模块反馈的电量信息进行充电决策，控制所述第一可控谐振天线中控制开关S1和控制开关S2的断开或闭合，从而控制无线传感器节点在“接收”、“中继”、“静默”三种状态自由切换，扩大了无线传感器网络无线供电的传输范围，同时能够根据各节点的能力供给需求实现智能、快速、高效充电，并可消除多个谐振节点间的影响，使得传输效率和传输功率稳定。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络的无线充电系统，由基站和多个无线传感器节点组成，其特征在于，每个所述无线传感器节点设置有：第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块、储能模块、第一微处理器、第一无线通信模块以及传感器，所述第一可控谐振天线、整流滤波模块、稳压模块、电源管理模块以及储能模块依次相连，第一可控谐振天线产生的交流电通过所述整流滤波模块转变为直流电，再经过所述稳压模块得到所述传感器所需的直流稳压电源，通过所述电源管理模块将能量存储到所述储能模块中；

在所述第一可控谐振天线中设置有拾取线圈L、电容阵列C以及控制开关S1和控制开关S2，所述拾取线圈L与所述电容阵列C并联，所述控制开关S1用于控制所述电容阵列C是否并联在拾取线圈L上，所述控制开关S2串接在拾取线圈L与整流滤波模块之间，用于控制是否向整流滤波模块输入拾取的能量，所述控制开关S1和控制开关S2的控制端还连接在所述第一微处理器上，该第一微处理器一端与传感器相连，用于接收传感器数据，另一端与电源管理模块相连，并根据电源管理模块采集的储能模块电量信息控制所述第一可控谐振天线中控制开关S1和控制开关S2的断开或闭合，使得该无线传感器节点处于不同的能量拾取状态；

当控制开关S1和控制开关S2同时闭合时，该无线传感器节点处于能量接收状态；当控制开关S1闭合，控制开关S2断开时，该无线传感器节点处于能量中继状态；当控制开关S1和控制开关S2同时断开时，该无线传感器节点处于静默状态；

所述第一微处理器还与所述第一无线通信模块相连，用于实现传感器数据的无线传输。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的无线充电系统，其特征在于，所述电容阵列C为N个电容并联而成，N为大于等于2的自然数，在每一条电容支路上串接有一个控制开关，每个控制开关的控制端分别连接在所述第一微控制器的输出端上，所述第一微控制器通过控制N个控制开关的断开或闭合来调整所述第一可控谐振天线的谐振频率。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络的无线充电系统，其特征在于，所述基站包括：电源模块、功率控制模块、自激振荡模块、第二可控谐振天线、第二微处理器以及第二无线通信模块，其中所述第二微处理器对电源模块输出的直流电源进行监测并根据各节点端的功率要求调节DC/DC输出功率，从而控制所述自激振荡模块的发射功率，所述自激振荡模块产生发射信号，所述第二微处理器通过调整所述第二可控谐振天线的电容阵列的电容值改变发射信号频率；

所述第二可控谐振天线的电容阵列C为N个电容并联而成，N为大于等于2的自然数，在每一条电容支路上串接有一个控制开关，每个控制开关的控制端分别连接在所述第二微控制器的输出端上，所述第二微控制器通过控制N个控制开关的断开或闭合来调整所述第二可控谐振天线的谐振频率。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络的无线充电系统，其特征在于，多个基站组成蜂窝网结构对无线传感器网络同时进行无线充电，其中每个基站的发射频率不同，每个基站通过所述第二无线通信模块将发射频率信息传输到无线传感器节点，每个无线传感器节点通过所述第一无线通信模块获取该基站的发射频率，并调整所述第一可控谐振天线的谐振频率与该基站的发射频率保持一致，即可进行无线充电。

5.根据权利要求3所述的无线传感器网络的无线充电系统，其特征在于，所述控制开关为继电器或者晶闸管。