CN105634103A - 一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统，包括电源模块、中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块；本发明的目的是为克服野外无法充电或者是有线充电不适宜的场合下的传感器节点提供无线供电的电源管理解决方案。即整个电源管理系统在休眠模式下仅消耗很少的能量，输入能量在电源模块中储存；当储存到足够的能量时，MCU控制传感器节点工作；当工作到能量无法维持时，MCU控制系统进入休眠状态，继续储存能量，从而使传感器节点在无电池的情况下长期工作。

Description

一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统及方法

技术领域

本发明涉及无线能量收集领域的电源管理技术，更具体地，涉及了一种适用于无线供电传感器节点的新型电源管理系统及方法。

背景技术

伴随着无线传感网的技术发展，对其节点的供电研究逐渐成为热点。节点的供电方式可通过收集环境中散布的能量，如风能、热能、动能、太阳能等。在各种能量收集的技术中，存在一种通过对手机通信基站、电视广播塔所发出的电磁信号进行收集的无线能量收集技术。在野外或者是室内，通过接收天线接收固定频段的电磁信号，然后通过RF-DC整流、升压处理之后，可为后级电路提供适宜的工作电压。正是这种无需通过有线电缆的供电方式，使得无线能量收集技术在低功耗无线传感节点供电、植入式医疗设备充电等方面表现出广阔的应用前景。

基于电磁信号的无线能量收集技术，通过接收天线接收到电磁信号只能达到毫瓦级别，不足以为传感器节点提供足够的工作电压，所以通常这种技术需要经过RF-DC电荷泵升压、整流、低通滤波等步骤。具体步骤为：(1)设计接收固定频率的天线进行接收信号，捕获到微弱交流信号。(2)将接收到的交流信号进行RF-DC电荷泵升压整流，获得较高的信号电压幅值。(3)升压整流后的信号能量集中在基频和谐波分量，需要经过低通滤波器滤波，获得达到传感器节点的直流工作电压。

在现有的技术中，由于传感器节点的移动性，传感器节点距离信号基站或者是电视广播塔的距离变化以及电磁信号在传播过程中存在的衍射、反射和多径传播的影响，使得传感器节点接收到的能量存在一定的电压范围波动，无法为传感器节点提供持续、稳定的工作电压。

因此，在传感器节点的电源供电管理中，如何为其提供持续、稳定的工作电压成为本领域需要解决的问题。

发明内容

鉴于本领域现有技术上存在的上述不足，本发明提供了一种适用无线供电传感器节点的新型电源管理系统，目的在于为野外无法充电或者是有线充电不适宜的场合下的传感器节点提供无线供电的电源管理解决方案。即整个电源管理系统在休眠模式下仅消耗很少的能量，输入能量在电源模块中储存；当储存到足够的能量时，MCU控制传感器节点工作；当工作到能量无法维持时，MCU控制系统进入休眠状态，继续储存能量，从而使传感器节点在无电池的情况下长期工作。

本发明所提供的技术方案详述如下：

一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统，包括电源模块、中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块；

上述电源模块用于对经过天线接收、电荷泵整流升压、滤波器滤波处理后的微弱信号能量进行储存，并分别向中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块提供工作电压；

中断产生模块：电源模块提供的电压在2V---3.5V范围转变时，产生标准数字信号0/1，达到改变MCU控制器模块的工作状态，使得MCU控制器模块分别工作于LPM3低功耗睡眠模式以及Active工作模式；

MCU控制器模块：根据中断产生模块所产生的中断信号来改变工作状态，接收外部传感器模块所采集的环境数据，并通过无线收发传感器模块将环境数据发送传输出去，通过无线收发模块接收数据，并执行相关操作。

上述技术方案中，电源模块前端接有经过接收天线收集特定频率能量、经过整流电路整流、电荷泵升压的毫瓦级别微弱能量，但这些能量过于微小，无法为电源管理系统的后级电路提供能够运行的稳定电源，故加入电源模块作为储能元件，用于存储经过电荷泵升压的微弱能量，经过一定时间充电储能后，达到能为后级电路供电的目的。

上述中断产生模块根据电源模块在一定时间内所储存的能量多少，将储存的电压值与基准源电压值进行比较，如果电源模块储存电压值大于基准源电压值时，则中断产生模块产生高电平1；若电源模块储存电压值小于基准源电压值时，则中断产生模块产生低电平0。

上述中断产生模块产生的高、低电平用以改变MCU控制器模块的工作状态，让其只有在中断产生高电平时候才处于正常工作状态，其余时间处于低功耗睡眠模式，达到最大程度节省能量的作用。

优选的，所述电源模块包括电容C1，且该电容C1为超级电容，超级电容，具有高容量、高能量密度特性，即电源模块采用超级电容进行能量的储存，储存电荷泵能量。

为了防止上述电容两端充电过量，导致烧毁后级电路，则所述电源模块还包括与电容C1并联连接的二极管D1，该二极管D1为齐纳二极管。

优选的，所述中断产生模块包括电阻R1-R4、电压比较器和基准源，电源模块输出电压接电阻R1的一端，电阻R1的另一端通过电阻R2接地，电阻R1的另一端通过电阻R3接电压比较器的正输入端，电压比较器的正输入端通过电阻R4接电压比较器的输出端，电源模块输出电压通过基准源接电压比较器的负输入端。

优选的，所述外部传感器模块包括温度传感器、湿度传感器以及太阳光紫外线强度检测传感器。

与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统，可以适用输入功率低至0.1-1mW的无线能量收集/传输的传感器节点，给无线无电池的传感器网络带来指导性的实践意义。

本发明的无线供电传感器节点的电源管理系统采用分立元件可实现的电源模块，利用中断产生模块产生标准数字信号0/1改变MCU控制器模块的工作状态，使其工作于LPM3低功耗模式和Active工作模式。在LPM3超低功耗模式状态下，MCU控制器模块处于睡眠模式，此时中断产生模块监测电源模块中电容C1所储存的天线接收到的微弱能量，如果充电箱两端的电压达到3.3V时，中断产生模块会立即产生高电平中断信号，并将此高电平中断信号发送给MCU控制器模块。MCU控制器模块接收到高电平之后，立即使得MCU控制器模块工作于Active模式，即正常工作状态：此时接收外部传感器所采集的数据，并将数据通过无线发送模块发送出去，否则，MCU控制器模块工作于LPM3低功耗模式，即休眠状态。

附图说明

图1为无线供电传感器节点的电源管理系统的结构框图。

图2为电源供电模块电路图。

图3为中断产生模块电路图。

图4为中断比较器电路图。

图5为MCU控制器模块电路图。

图6为MCU随外部电压变化工作状态图。

图7为所述的外部传感器模块及无线收发模块框图。

图8为无线供电传感器节点的电源管理系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

如图1，一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统，包括电源模块、中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块；电源模块分别向中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块提供电压，中断产生模块、外部传感器模块的输出端接MCU控制器模块，MCU控制器模块与无线收发模块连接；

上述电源模块用于对经过天线接收、电荷泵整流升压、滤波器滤波处理后的微弱信号能量进行储存，并分别向中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块提供工作电压；

中断产生模块：电源模块提供的电压在2V---3.5V范围转变时，产生标准数字信号0/1，达到改变MCU控制器模块的工作状态，使得MCU控制器模块分别工作于LPM3低功耗睡眠模式以及Active工作模式；

MCU控制器模块：根据中断产生模块所产生的中断信号来改变工作状态，接收外部传感器模块所采集的环境数据，并通过无线收发传感器模块将环境数据发送传输出去，通过无线收发模块接收数据，并执行相关操作。

如图2，电源模块由电容C1、二极管D1两个分立元器件并联连接构成。电源模块前端所接为经过接收天线收集特定频率能量、经过整流电路整流、电荷泵升压的毫瓦级别微弱能量，但这些能量过于微小，无法为后级电路提供能够运行的稳定电源，故加入超级电容C1作为储能元件，用于存储经过电荷泵升压的微弱能量，经过一定时间充电储能后，达到能为后级电路供电的目的。对于超级电容C1储能过程，可用如下公式进行表述：

C1两端收集电荷量：Q＝CU

C1所储存的能量：

随着充电时间的增加，电容两端电荷量逐渐增多，电容所储存的能量也逐渐增多。

在本实施例中，超级电容C1后所接二极管D1为齐纳二极管MM3Z3V6T1，其作用为防止C1两端电压过高，从而烧坏后级电路。

如图3，所述的中断产生模块作用为根据电容C1在一定时间内所储存的能量多少，将储存的电压值与基准源电压值进行比较，如果电容C1储存电压值大于基准源电压值时，比较器产生高电平1；若电容C1储存电压值小于基准源电压值时，比较器产生低电平0。

中断产生模块产生的高、低电平用以改变MCU控制器模块(微处理器MSP430F247)的工作状态，让其只有在中断产生高电平时候才处于正常工作状态，其余时间处于低功耗睡眠模式，达到最大程度节省能量的作用。

如图3，中断产生模块的管脚连接方式如下：中断产生模块包括电阻R1-R4、电压比较器TLV3491和基准源REFF3312，电源模块输出电压接电阻R1的一端，电阻R1的另一端通过电阻R2接地，电阻R1的另一端通过电阻R3接电压比较器的正输入端，电压比较器的正输入端通过电阻R4接电压比较器的输出端，电源模块输出电压通过基准源接电压比较器的负输入端。

比较器TLV3491的作用在本中断产生模块中相当重要，现分析如下：比较器将比较电阻R3的2端电压与比较器负端(即第3管脚)的输入基准源电压值大小，产生高、低电平，改变微处理器的工作状态。比较器TLV3491的第4管脚作为输出端，分别连接电阻R4的另一端和MCU控制器模块(微处理器MSP430F247)的管脚，比较器TLV3491的第2管脚接GND，第3管脚接REF3312稳压电源的输出端，即第2管脚。第5管脚连接电源模块的输出VCC端。

鉴于本实施例超级电容C1两端电压变化幅度为2V至3.5V范围内，本中断产生模块中比较器输出的0/1数字信号可由以下公式确定：

参见图4，本图为比较器TLV3491的分析电路图，图中，Vref的电压为REFF3312基准源提供的1.25V参考电压。当Vo端输出电压为高电平时，可根据图4中(b)中左边的电路计算出：

当Vo端输出电压为低电平时，可根据图4(b)中右边电路计算出：

$VIN1=R3*\frac{Vref}{R4}+Vref$

故本比较器的迟滞电压范围为：

$\mathrm{\Δ}V=Vcc*\frac{R3}{R4}$

上式仅仅适用于Vcc不发生变化的情况。

当输入电压Vcc在一定范围内变化之时，中断信号的高低电平输出标准，可分析如下：

由于电源供电模块中电容C1两端电压范围为2V--3.5V，且将R3/R4设置为1/4，故ΔV＝1/4Vcc。当输入电压为2V时，V_IL＝0.95V，V_IH＝1.125V；当输入电压为3.5V时，V_IL＝0.765V，V_IH＝1.6375V。所以变动电压迟滞范围为0.6875V。

综上分析，当输入电压在2V到3.5V电压范围变动时，只要输入电压大于1.65V且小于3.5V时，比较器输出结果为高电平信号；当输入电压范围小于0.7625V时，输出为低电平。经过查阅MSP430F247的数据手册可知道，本电压迟滞范围符合MCU的施密特触发要求，能够实现中断作用。

参见图5，所述的MCU微控制器模块作用为：

(1)根据中断产生模块产生的数字信号0/1，使得MCU微控制器模块工作于不同的状态，具体为：当中断产生模块产生数字信号0时，表明超级电容C1两端电压不足以使得MCU正常工作，此时MCU微控制器模块将处于LPM3低功耗睡眠模式，其余外围电路均处于停止工作状态，仅有37.568kHz晶振处于工作状态；当中断产生模块产生数字信号1时，表明超级电容C1两端电压足够后级电路正常工作，此时MCU微控制器模块工作于Active状态，即正常工作状态。

(2)当MCU微控制器模块处于正常工作状态之时，MCU微控制器模块将接收到的传感器数据通过无线收发模块发送出去。

(3)当MCU微控制器模块处于正常工作状态之时，MCU微控制器模块将通过无线收发模块接收外部指令，并进行相关操作。

如图6，详述了MCU微控制器模块在外部电压变化之时的工作状态。

在0--t1时间段内，超级电容C1两端接收整流电荷泵的微弱能量，进行充电。在t1时刻，电压达到3.3V，能满足MCU微控制器模块的正常工作电压，此时中断模块产生高电平，使得MCU微控制器模块进入Active状态，即正常工作状态，控制整个传感器节点正常工作，并在t1---t2时间段保持此状态。

在t2--t3时间段内，超级电容C1内能量在t1--t2的正常工作状态内锐减，使得剩余能量无法满足后级电路的正常工作，此时中断模块产生低电平，使得MCU微控制器模块控制传感器各个模块进入休眠状态，同时自身进入LPM3低功耗睡眠模式，使电容C1充电储能。如此反复，MCU微控制器模块根据电容C1中储存能量的多少控制传感器的工作与休眠，使传感器在超低能量输入情况下能够长期稳定地运行。

在本实施例中，MCU微控制器模块采用TI公司所生产的MSP430F247超低功耗微处理器，以及外围晶振电路和复位电路，其管脚连接如图5所示：

与MSP430F247微控制器相连的模块有两个晶振模块，外部USB供电模块、电源供电模块、复位电路模块、中断模块、无线收发模块、JTAG下载模块、外部传感器模块、发光二极管L1和L2。其中无线收发模块、外部传感器模块、中断产生模块、电源模块具体连接电路已经详述在上述内容中。32.768KHz晶振为MSP430F247微控制器提供LPM3睡眠状态时钟信号，晶振两端分别连接于MSP430F247的第8、9脚。8MHz晶振模块为MCU提供正常工作状态下的时钟信号，两端分别接于MSP430F247的第52、53管脚。复位电路模块为MCU提供按键复位信号。如图5，虚线框内为本传感器平台的测试模块部分，实际应用中可以方便传感器调试，缩短研发周期。单刀双掷开关K1作用为：为MSP430F247提供两种不同的工作电压。当单刀双掷开关K1掷于外部USB供电模块时，MCU由外部USB供电模块提供工作电压，此时可用JTAG模块为MCU提供下载程序；当单刀双掷开关掷于电源电压供电模块时，MCU处于无线工作状态下，此时发光二极管L1以1S的频率闪烁，表明此时整个传感器节点的工作电压由电源供电模块提供。若发光二极管L2以2s的频率闪烁，表明中断模块有上升沿跳变信号产生，从而MSP430F247会改变工作状态。测试模块管脚连接如下：K1的一端连接于MSP430F247的第一管脚，另外两脚分别连接于外部USB供电模块的3.3V电压和电源供电模块的VCC端。L1一端连接于MSP430F247的第12脚，另外一端连接于电源供电电压的GND端。L2一端连接于MSP430F247的第14脚，另外一端连接于电源供电电压的GND端。另需注意，L1、L2仅做实验测试之用，在实际使用过程中可去除。

如图7，所述的外部传感器模块用于收集无线传感器节点所处的环境中的温度、湿度以及太阳光紫外线强度等数据，并将收集到的数据传送到MCU控制器。无线传感器模块作用为将MSP430F247的外部传感器收集到的数据发送出去，并将接收到的外部指令，送与MCU控制器模块。

如图8，所述为本发明适用无线供电传感器节点的电源管理系统的工作流程图，

具体是：提供电压比较器判定电容C1两端电压是否达到工作电压，如否，则电容C1继续充电，且使得MCU控制器模块处于LPM3低功耗睡眠模式；如达到工作电压，则产生中断信号，即中断产生模块输出高电压，使得MCU控制器模块进入Active工作模式，MCU控制器模块开启外部中断，此时MCU控制器模块通过无线收发模块接收外部指令并执行，开始接收外部传感器采集的数据，MCU控制器模块提供无线收发模块将数据发送出去。

综上所述，采用本发明提供的方案，根据新加入的中断控制、超级电容储能供电方式能够克服天线收集环境中能量过于微弱的不足，为后续的电路提供持续、稳定的工作电压。为野外无法持续充电的设备或者是有线电缆充电无法实施的设备提供一种解决方案。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统，其特征在于，包括电源模块、中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块；

上述电源模块用于对经过天线接收、电荷泵整流升压、滤波器滤波处理后的微弱信号能量进行储存，并分别向中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块以及外部传感器模块提供工作电压；

中断产生模块：电源模块提供的电压在2V---3.5V范围转变时，产生标准数字信号0/1，达到改变MCU控制器模块的工作状态，使得MCU控制器模块分别工作于LPM3睡眠模式以及Active工作模式；

MCU控制器模块：根据中断产生模块所产生的中断信号来改变工作状态，接收外部传感器模块所采集的环境数据，并通过无线收发传感器模块将环境数据发送传输出去，通过无线收发模块接收数据，并执行相关操作。

2.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述电源模块包括电容C1。

3.根据权利要求2所述的电源管理系统，其特征在于，所述电源模块还包括与电容C1并联连接的二极管D1。

4.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述中断产生模块包括电阻R1-R4、电压比较器和基准源，电源模块输出电压接电阻R1的一端，电阻R1的另一端通过电阻R2接地，电阻R1的另一端通过电阻R3接电压比较器的正输入端，电压比较器的正输入端通过电阻R4接电压比较器的输出端，电源模块输出电压通过基准源接电压比较器的负输入端。