CN106102138B - 用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法 - Google Patents

用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机和操作方法，所述状态机通过协议通信模块双向连接节点运行应用层，设备基本信息模块接收协议通信模块的野外无线探测器各单元基本能量配置模型；能量参数更新模块接收来自协议通信模块各单元能量输出、输入当前信息；能量评估模块统计并计算能量参数更新模块接收的能量输出、输入当前信息并传送给状态机输出模块；状态机输出模块根据各单元能量输出、输入当前信息并结合基本能量配置模型进行评估，生成最新能量配置方案，通过节点运行应用层实施最新方案。本发明通过建立设备能量配置模型，实时监测设备能量输入、输出情况，对设备当前情能量状况进行评估，给出最优能量管理方案。

Description

用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法
技术领域
本发明涉及野外无线探测器，具体涉及一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法。
背景技术
近年来无线传感器模块网络(Wireless Sensor Networks,WSN)在各应用领用得到了大力发展，其中野外无线探测器网络节点，大都采用能量收集器(太阳能、风能等)和备用电源(蓄电池、超级电容)的硬件方案。虽然该方案解决了传感器模块网络节点电源收集问题，但能量收集器的体积与节点的平均能耗成正比关系。传感器模块网络节点的发展趋势是小型化、易部署、长效供电，除了提高能量收集器的效率，还需智能化的能耗控制方法。让节点状态在多种状态之间相互转换，来节省能量，最大程度的高效利用能量收集器收集到的能源，延长节点网络生存期。
专利申请：一种基于能量采集无线传感器网络的能量管理方法(申请号2015104230613)，以及面向服务的无线传感器网络能量管理中间件及工作方法(申请号2013103528787)均是针对无线传感器整个网络进行能量配置和优化，但是对单个的野外无线探测器网络节点没有进行优化和提出具体的优化方案。
本专利申请所涉及的野外无线探测器包括传感器单元、MCU主控单元、无线通讯单元、电源控制单元、能量收积器、超级电容、备用电池共七个单元；
MCU主控单元用于接收传感器单元的预警信息，并将其传送给无线通讯单元，无线通讯单元用于发送预警信息；
能量收积器、超级电容、备用电池通过电源控制单元为传感器单元、MCU主控单元、无线通讯单元供电；
MCU主控单元通过电源控制单元管理能量收积器、超级电容、备用电池的能量使用和交换。
为此，本发明涉及一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法，并且依照系统参数建立设备的能量模型，实时监测设备能量输入、输出情况，可对节点当前情况进行评估和预测，给出最优能耗管理方案，使得探测器节点结合能量情况发挥最大性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法，依照野外无线探测器各单元的系统参数建立设备的能量模型，实时监测设备能量输入、输出情况，对野外无线探测器当前能量情况进行评估和预测，给出最优的能耗管理方案，使得野外无线探测器结合当前能量情况发挥最大性能。
本发明采用如下技术方案，一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机，所述野外无线探测器包括MCU主控单元，MCU主控单元接收传感器单元采集的预警信息，并将其传送给无线通讯单元，无线通讯单元向外发送预警信息；MCU主控单元控制有电源控制单元，该电源控制单元对能量收积器、超级电容、备用电池的能量进行管理，并由电源控制单元向所述MCU主控单元、传感器单元和无线通讯单元供电；
其关键在于：所述MCU主控单元内设置有状态机和野外无线探测器的运行应用层，所述状态机通过节点运行应用层接口连接所述运行应用层；
所述状态机包括设备基本信息模块、能量参数更新模块、能量评估模块、状态机输出模块、协议通信模块；
所述协议通信模块通过节点运行应用层接口双向连接所述运行应用层，获取野外无线探测器各单元的基本能量配置模型，并且获取野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息；
所述野外无线探测器各单元是指MCU主控单元、传感器单元和无线通讯单元、电源控制单元、能量收积器、超级电容、备用电池；
设备基本信息模块用于存储来自协议通信模块的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型；
能量参数更新模块用于存储来自协议通信模块的野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息；
能量评估模块根据能量参数更新模块接收的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息并结合设备基本信息模块内存储的各单元的基本能量配置模型进行统计计算后，传送给状态机输出模块；
状态机输出模块根据能量评估模块输出的野外无线探测器各单元的能量统计计算结果并结合存储在设备基本信息模块内的基本能量配置模型进行评估，生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，经协议通信模块解析后，通过节点运行应用层接口输出给运行应用层；
所述运行应用层通过电源控制单元实施最新能量配置方案。
所述的状态机为程序软件包，所述的运行应用层接口为软件接口，所述运行应用层为野外无线探测器的主程序，状态机通过运行应用层接口嵌入运行应用层；通过运行应用层接口定期调用状态机软件包，按照协议通讯模块协议，更新能量参数更新模块；能量评估模块统计并计算出当前设备能量输入输出情况，状态机输出模块按照设备基本信息模块建立的基本能量配置模型以及设备的当前能量输入输出情况产生新的能量配置方案，通过状态机的通信协议模块把最新最优的能量配置方案反馈给节点运行应用层，运行应用层实施最新能量配置方案。
本发明通过设置设备基本信息模块存放野外无线探测器各单元的基本能量配置信息；设置能量参数更新模块存储野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息；通过比较分析以后生成最新能量配置方案，供野外无线探测器使用。
该最新能量配置方案是指能量收集器与超级电容和备用电池之间的充电情况，超级电容和备用电池的放电情况，以及传感器单元的激活个数，以及无线通讯单元的通讯周期与休眠时间情况。
所述设备基本信息模块内存储的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型包括：能量收集器的类型、标称电压、最大功率；超级电容的标称容值、最大电压、最大充电功率、最大放电功率；备用电池的类型、容量、最大充电功率、最大放电功率；无线通讯单元的通信速率、通信最大周期与最小周期、发射功率、休眠功率PWX；传感器单元的类型、总个数、单个采样功率、单个休眠功率Pcx；MCU主控单元的功率PM；电源控制单元的功率PI。
能量收集器的类型、标称电压、最大功率为能量收集器的基本参数，能量收集器的当前电压、当前功率会不断变化。
超级电容的标称容值、最大电压、最大充电功率、最大放电功率为超级电容的基本参数，超级电容的当前电压、当前充电功率、当前放电功率都会不断变化。
备用电池的类型、容量、最大充电功率、最大放电功率为备用电池的基本参数，备用电池的当前充电功率、当前放电功率会不断变化。
无线通讯单元的通信周期处于最大通信最大周期与最小周期之间，可用于增大或减小无线通讯单元通信周期时的限定。
所述能量参数更新模块存储的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息包括：能量收集器的当前功率PL；超级电容的当前充电功率PO1与当前放电功率PO2；备用电池的当前充电功率PD1与当前放电功率PD2；无线通讯单元的当前通信周期、当前休眠时间；传感器单元的当前激活个数。
由于超级电容和备用电池既可以充电又可以放电，因此超级电容的当前充电功率PO1与当前放电功率PO2；备用电池的当前充电功率PD1与当前放电功率PD2均可以MCU主控单元根据超级电容和备用电池的当前电压、电流计算获得，而不必考虑超级电容和备用电池是正在充电还是放电。
所述能量评估模块包括能量输出评估模块、能量输入评估模块；
能量输出评估模块用于获取能量收集器的当前功率PL，超级电容的当前充电功率PO1与当前放电功率PO2，备用电池的当前充电功率PD1与当前放电功率PD2，并将其传送给状态机输出模块；
能量输入评估模块用于统计并计算传感器单元的当前采样功率PC1，该当前采样功率PC1由传感器单元的当前激活个数、单个采样功率、休眠个数、单个休眠功率Pcx计算获得；
PC1＝当前激活个数×单个采样功率+休眠个数×单个休眠功率Pcx；
其中休眠个数由传感器单元的当前激活个数、总个数计算获得；
休眠个数＝总个数-当前激活个数；
能量输入评估模块还用于统计并计算无线通讯单元的当前通信功率PW1，该当前通信功率PW1由无线通讯单元的当前通信周期、当前休眠时间、发射功率、休眠功率PWX计算获得；
此处无线通讯单元的当前通信周期是指无线通讯单元的当前通讯时间；当前通讯周期越长，无线通讯单元发射预警信息的频率和次数就越多，监测效果就越好。
能量输入评估模块将传感器单元的当前采样功率PC1、无线通讯单元的当前通信功率PW1传送给状态机输出模块。
传感器单元的当前采样功率PC1由两部分构成，一部分为传感器单元的激活个数，单个采样功率的乘积，另一部分为传感器单元的休眠个数、单个休眠功率Pcx的乘积，将两部分相加获得。
无线通讯单元的当前通信功率PW1也由两部分构成，一部分为无线通讯单元的当前通信周期、发射功率的乘积，另一部分为休眠时间、休眠功率Pwx的乘积，将两部分相加除以总的时间求平均值获得。
一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机操作方法，适用于所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机，MCU主控单元通过该状态机对野外无线探测器的能量进行管理，其关键在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一、状态机通过节点运行应用层接口接收来自运行应用层的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型；经协议通信模块解析后，存储在设备基本信息模块；
步骤二、状态机通过节点运行应用层接口获取来自运行应用层的野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息，经协议通信模块解析后，更新能量参数更新模块；
步骤三、状态机通过能量评估模块接收能量参数更新模块输出的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息并结合设备基本信息模块内存储的各单元的基本能量配置模型进行统计计算后，传送给状态机输出模块；
步骤四、状态机通过状态机输出模块接收能量评估模块输出的野外无线探测器各单元的能量统计计算信息并结合存储在设备基本信息模块内的基本能量配置模型进行评估，生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，经协议通信模块解析后，通过节点运行应用层接口输出给运行应用层；所述运行应用层通过电源控制单元实施最新能量配置方案。
节点运行应用层收到最新能量配置方案后，进行最优最新能量配置方案的实施，达到能量优化的目的。
MCU主控单元通过该状态机对野外无线探测器的能量进行管理并生成最新能量配置方案，再通过运行应用层控制电源控制单元实施该方案。
所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机操作方法，其关键在于：所述的步骤四状态机输出模块采用如下方法进行评估，并生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，该方法包括：
步骤a:读取能量收积器的当前功率PL、备用电池的当前充电功率PO1、当前放电功率PO2，超级电容的当前充电功率PD1、当前放电功率PD2；
步骤b:读取传感器单元的当前采样功率PC1、无线通讯单元的当前通讯功率PW1、MCU主控单元的功率PM、电源控制单元功率PI；
步骤c:当PL>(PC1+PM+PW1+PD1+PI)，增大传感器单元的采样功率以及无线通讯单元的通信功率；控制能量收积器为超级电容和备用电池充电，然后返回；否则转步骤d；
步骤d:当PL-(PC1+PM+PW1+PI)<PD1且PL-(PC1+PM+PW1+PI)>0，增大传感器单元的采样功率以及无线通讯单元的通信功率；控制能量收积器为超级电容充电，然后返回；否则转步骤e；
步骤e:当PL<(PC1+PM+PW1+PI)且PL+PD2>(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容放电，然后返回；否则转步骤f；
步骤f:当PL+PD2<(PC1+PM+PW1+PI)且PL+PD2+PO2>(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容、备用电池放电，然后返回；否则转步骤g；
步骤g:当PL+PD2+PO2<(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容、备用电池放电，传感器单元降低采样功率以及无线通讯单元降低通信功率，然后返回。
在以上步骤a到步骤g中，PL为能量收集器的当前功率，PO1、PO2分别为超级电容的当前充电功率与当前放电功率，PD1、PD2分别为备用电池的当前充电功率与当前放电功率；PC1为传感器单元的当前采样功率，PW1为无线通讯单元的当前通信功率；PM为MCU主控单元的功率，PI为电源控制单元功率；为了简化公式，只以代号表示。
所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机的操作方法，其关键在于：所述步骤c中增大传感器单元的采样功率的方法为：减少传感器单元休眠个数。
所述步骤c中增大无线通讯单元的通信功率的方法为：减少无线通讯单元休眠时间，或者增加无线通讯单元通信周期；
这里的增加无线通讯单元通信周期是指增加无线通讯单元的通讯时间。有利于及时发送预警信息。
所述步骤g中降低传感器单元的采样功率的方法为：增加传感器单元休眠个数。
所述步骤g中降低无线通讯单元的通信功率的方法为：增大无线通讯单元休眠时间，或者减小无线通讯单元通信周期。
这里的减小无线通讯单元通信周期是指减小无线通讯单元的通讯时间，减少发射频率，节约能量。
一种野外无线探测器，适用于所述的野外无线探测器能耗管理的状态机和操作方法，其关键在于：包括传感器单元、MCU主控单元、无线通讯单元、电源控制单元、能量收积器、超级电容、备用电池；
MCU主控单元用于接收传感器单元的预警信息，并将其传送给无线通讯单元，无线通讯单元用于发送预警信息；
能量收积器、超级电容、备用电池通过电源控制单元为传感器单元、MCU主控单元、无线通讯单元供电；
MCU主控单元通过电源控制单元管理能量收积器、超级电容、备用电池的能量使用和交换。
森林火灾，盗阀、盗猎等是野外环境监测的重点，为了对野外的环境进行实时监控，因此特设计本装置，本发明申请采用传感器单元对野外的环境进行监测，并且通过无线通讯单元发送预警信息，监管人员可通过无线接收装置实时接收其预警信息，做出相应的管理措施。
本装置采用能量收积器、超级电容、备用电池三种方式为野外无线探测器供电，防止野外无线探测器因为缺电而自动关闭。
所述能量收积器为太阳能电池或风电机组；太阳能电池和风电机组可一起或者单独为野外无线探测器供电。
显著效果:本发明提供了一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法，依照野外无线探测器各单元的系统参数建立设备的能量模型，实时监测设备能量输入、输出情况，对野外无线探测器当前能量情况进行评估和预测，给出最优的能耗管理方案，使得野外无线探测器结合当前能量情况发挥最大性能。
附图说明
图1为本发明的状态机结构示意图；
图2为本发明的状态机详细结构图；
图3为本发明的方法流程图；
图4为本发明的状态机输出模块的方法流程图；
图5为野外无线探测器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机，所述野外无线探测器包括MCU主控单元32，MCU主控单元32接收传感器单元31采集的预警信息，并将其传送给无线通讯单元33，无线通讯单元33向外发送预警信息；MCU主控单元32控制有电源控制单元34，该电源控制单元34对能量收积器35、超级电容36、备用电池37的能量进行管理，并由电源控制单元34向所述MCU主控单元32、传感器单元31和无线通讯单元33供电；
所述MCU主控单元32内设置有状态机1和野外无线探测器的运行应用层，所述状态机1通过节点运行应用层接口2连接所述运行应用层；
所述状态机1包括设备基本信息模块11、能量参数更新模块12、能量评估模块13、状态机输出模块14、协议通信模块15；
所述协议通信模块15通过节点运行应用层接口2双向连接所述运行应用层，获取野外无线探测器各单元的基本能量配置模型，并且获取野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息；
所述野外无线探测器各单元是指MCU主控单元32、传感器单元31和无线通讯单元33、电源控制单元34、能量收积器35、超级电容36、备用电池37；
设备基本信息模块11用于存储来自协议通信模块15的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型；
能量参数更新模块12用于存储来自协议通信模块15的野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息；
能量评估模块13根据能量参数更新模块12接收的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息并结合设备基本信息模块11内存储的各单元的基本能量配置模型进行统计计算后，传送给状态机输出模块14；
状态机输出模块14根据能量评估模块13输出的野外无线探测器各单元的能量统计计算结果并结合存储在设备基本信息模块11内的基本能量配置模型进行评估，生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，经协议通信模块15解析后，通过节点运行应用层接口2输出给运行应用层；
所述运行应用层通过电源控制单元34实施最新能量配置方案。
所述设备基本信息模块11内存储的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型包括：能量收集器35的类型、标称电压、最大功率；超级电容36的标称容值、最大电压、最大充电功率、最大放电功率；备用电池37的类型、容量、最大充电功率、最大放电功率；无线通讯单元33的通信速率、通信最大周期与最小周期、发射功率、休眠功率PWX；传感器单元31的类型、总个数、单个采样功率、单个休眠功率Pcx；MCU主控单元32的功率PM；电源控制单元34的功率PI。
所述能量参数更新模块12存储的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息包括：能量收集器35的当前功率PL；超级电容36的当前充电功率PO1与当前放电功率PO2；备用电池37的当前充电功率PD1与当前放电功率PD2；无线通讯单元33的当前通信周期、当前休眠时间；传感器单元31的当前激活个数。
所述能量评估模块13包括能量输出评估模块、能量输入评估模块；
能量输出评估模块用于获取能量收集器35的当前功率PL，超级电容36的当前充电功率PO1与当前放电功率PO2，备用电池37的当前充电功率PD1与当前放电功率PD2，并将其传送给状态机输出模块14；
能量输入评估模块用于统计并计算传感器单元31的当前采样功率PC1，该当前采样功率PC1由传感器单元31的当前激活个数、单个采样功率、休眠个数、单个休眠功率Pcx计算获得；
PC1＝当前激活个数×单个采样功率+休眠个数×单个休眠功率Pcx；
其中休眠个数由传感器单元31的当前激活个数、总个数计算获得；
休眠个数＝总个数-当前激活个数；
能量输入评估模块还用于统计并计算无线通讯单元33的当前通信功率PW1，该当前通信功率PW1由无线通讯单元33的当前通信周期、当前休眠时间、发射功率、休眠功率PWX计算获得；
能量输入评估模块将传感器单元31的当前采样功率PC1、无线通讯单元33的当前通信功率PW1传送给状态机输出模块14。
一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机操作方法，适用于所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机，MCU主控单元32通过该状态机对野外无线探测器的能量进行管理，其关键在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一、状态机1通过节点运行应用层接口2接收来自运行应用层的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型；经协议通信模块15解析后，存储在设备基本信息模块11；
步骤二、状态机1通过节点运行应用层接口2获取来自运行应用层的野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息，经协议通信模块15解析后，更新能量参数更新模块12；
步骤三、状态机1通过能量评估模块13接收能量参数更新模块12输出的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息并结合设备基本信息模块11内存储的各单元的基本能量配置模型进行统计计算后，传送给状态机输出模块14；
步骤四、状态机1通过状态机输出模块14接收能量评估模块13输出的野外无线探测器各单元的能量统计计算信息并结合存储在设备基本信息模块11内的基本能量配置模型进行评估，生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，经协议通信模块15解析后，通过节点运行应用层接口2输出给运行应用层；所述运行应用层通过电源控制单元34实施最新能量配置方案。
所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机操作方法，所述的步骤四状态机输出模块14采用如下方法进行评估，并生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，该方法包括：
步骤a:读取能量收积器35的当前功率PL、备用电池36的当前充电功率PO1、当前放电功率PO2，超级电容35的当前充电功率PD1、当前放电功率PD2；
步骤b:读取传感器单元31的当前采样功率PC1、无线通讯单元33的当前通讯功率PW1、MCU主控单元32的功率PM、电源控制单元34功率PI；
步骤c:当PL>(PC1+PM+PW1+PD1+PI)，增大传感器单元31的采样功率以及无线通讯单元33的通信功率；控制能量收积器35为超级电容36和备用电池37充电，然后返回；否则转步骤d；
此步骤c优先增大传感器单元31的采样功率以及无线通讯单元33的通信功率；其次控制能量收积器35为超级电容36和备用电池37充电。
步骤d:当PL-(PC1+PM+PW1+PI)<PD1且PL-(PC1+PM+PW1+PI)>0，增大传感器单元31的采样功率以及无线通讯单元33的通信功率；控制能量收积器35为超级电容36充电，然后返回；否则转步骤e；
此步骤d优先增大传感器单元31的采样功率以及无线通讯单元33的通信功率；其次控制能量收积器35为超级电容36充电。
步骤e:当PL<(PC1+PM+PW1+PI)且PL+PD2>(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容36放电，然后返回；否则转步骤f；
步骤f:当PL+PD2<(PC1+PM+PW1+PI)且PL+PD2+PO2>(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容36、备用电池37放电，然后返回；否则转步骤g；
步骤g:当PL+PD2+PO2<(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容36、备用电池37放电，传感器单元31降低采样功率以及无线通讯单元33降低通信功率，然后返回。
此步骤g优先考虑无线通讯单元33降低发射功率，其次控制传感器单元31降低采样功率。
在以上步骤a到步骤g中，PL为能量收集器35的当前功率，PO1、PO2分别为超级电容36的当前充电功率与当前放电功率，PD1、PD2分别为备用电池37的当前充电功率与当前放电功率；PC1为传感器单元31的当前采样功率，PW1为无线通讯单元33的当前通信功率；PM为MCU主控单元32的功率，PI为电源控制单元34功率；为了简化公式，只以代号表示。
所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机的操作方法，所述步骤c中增大传感器单元31的采样功率的方法为：减少传感器单元31休眠个数；
减少传感器单元31休眠个数，这样可增大传感器单元31检测范围。
所述步骤c中增大无线通讯单元33的通信功率的方法为：减少无线通讯单元33休眠时间，或者增加无线通讯单元33通信周期。
这里的增加无线通讯单元通信周期是指增加无线通讯单元的通讯时间和频率。有利于及时发送预警信息。
所述步骤g中降低传感器单元31的采样功率的方法为：增加传感器单元31休眠个数。
所述步骤g中降低无线通讯单元33的通信功率的方法为：增大无线通讯单元33休眠时间，或者减小无线通讯单元33通信周期。
这里的减小无线通讯单元通信周期是指减小无线通讯单元的通讯时间。
一种野外无线探测器，适用于所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机的操作方法；包括传感器单元1，还包括MCU主控单元2、无线通讯单元3、电源控制单元4、能量收积器5、超级电容6、备用电池7；
MCU主控单元2用于接收传感器单元1的信息，并将其传送给无线通讯单元3，无线通讯单元3用于发送预警信息；
能量收积器5、超级电容6、备用电池7通过电源控制单元4为传感器单元1、MCU主控单元2、无线通讯单元3供电；
MCU主控单元2通过电源控制单元4管理能量收积器5、超级电容6、备用电池7的能量使用和交换。
所述能量收积器5为太阳能电池或风电机组；太阳能电池和风电机组可一起或者单独为野外无线探测器供电。
所述无线通讯单元3还设置有无线检测单元，无线检测单元用于检测无线通讯单元3是否发出预警信息，并将其反馈给MCU主控单元2，MCU主控单元2给出声光报警信息以辨别野外无线探测器是否运转正常。
综上所述，本发明提供了一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机以及操作方法，依照野外无线探测器各单元的系统参数建立设备的能量模型，实时监测设备能量输入、输出情况，对野外无线探测器当前情况进行评估和预测，给出最优的能耗管理方案，使得野外无线探测器结合当前能量情况发挥最大性能。

Claims (4)

1.一种用于野外无线探测器能耗管理的状态机，所述野外无线探测器包括MCU主控单元(32)，MCU主控单元(32)接收传感器单元(31)采集的预警信息，并将其传送给无线通讯单元(33)，无线通讯单元(33)向外发送预警信息；MCU主控单元(32)控制有电源控制单元(34)，该电源控制单元(34)对能量收积器(35)、超级电容(36)、备用电池(37)的能量进行管理，并由电源控制单元(34)向所述MCU主控单元(32)、传感器单元(31)和无线通讯单元(33)供电；
其特征在于：所述MCU主控单元(32)内设置有状态机(1)和野外无线探测器的运行应用层，所述状态机(1)通过节点运行应用层接口(2)连接所述运行应用层；
所述状态机(1)包括设备基本信息模块(11)、能量参数更新模块(12)、能量评估模块(13)、状态机输出模块(14)、协议通信模块(15)；
所述协议通信模块(15)通过节点运行应用层接口(2)双向连接所述运行应用层，获取野外无线探测器各单元的基本能量配置模型，并且获取野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息；
所述野外无线探测器各单元是指MCU主控单元(32)、传感器单元(31)和无线通讯单元(33)、电源控制单元(34)、能量收积器(35)、超级电容(36)、备用电池(37)；
设备基本信息模块(11)用于存储来自协议通信模块(15)的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型；
能量参数更新模块(12)用于存储来自协议通信模块(15)的野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息；
能量评估模块(13)根据能量参数更新模块(12)接收的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息并结合设备基本信息模块(11)内存储的各单元的基本能量配置模型进行统计计算后，传送给状态机输出模块(14)；
状态机输出模块(14)根据能量评估模块(13)输出的野外无线探测器各单元的能量统计计算结果并结合存储在设备基本信息模块(11)内的基本能量配置模型进行评估，生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，经协议通信模块(15)解析后，通过节点运行应用层接口(2)输出给运行应用层；
所述运行应用层通过电源控制单元(34)实施最新能量配置方案；
所述设备基本信息模块(11)内存储的野外无线探测器各单元基本能量配置模型包括：能量收集器(35)的类型、标称电压、最大功率；超级电容(36)的标称容值、最大电压、最大充电功率、最大放电功率；备用电池(37)的类型、容量、最大充电功率、最大放电功率；无线通讯单元(33)的通信速率、通信最大周期与最小周期、发射功率、休眠功率PWX；传感器单元(31)的类型、总个数、单个采样功率、单个休眠功率Pcx；MCU主控单元(32)的功率PM；电源控制单元(34)的功率PI；
所述能量参数更新模块(12)存储的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息包括：能量收集器(35)的当前功率PL；超级电容(36)的当前充电功率PO1与当前放电功率PO2；备用电池(37)的当前充电功率PD1与当前放电功率PD2；无线通讯单元(33)的当前通信周期、当前休眠时间；传感器单元(31)的当前激活个数；
所述能量评估模块(13)包括能量输出评估模块、能量输入评估模块；
能量输出评估模块用于获取能量收集器(35)的当前功率PL，超级电容(36)的当前充电功率PO1与当前放电功率PO2，备用电池(37)的当前充电功率PD1与当前放电功率PD2，并将其传送给状态机输出模块(14)；
能量输入评估模块用于统计并计算传感器单元(31)的当前采样功率PC1，该当前采样功率PC1由传感器单元(31)的当前激活个数、传感器单元(31)的单个采样功率、休眠个数、单个休眠功率Pcx计算获得；
PC1＝当前激活个数×单个采样功率+休眠个数×单个休眠功率Pcx；
其中休眠个数由传感器单元(31)的当前激活个数、传感器单元(31)的总个数计算获得，
休眠个数＝总个数-当前激活个数；
能量输入评估模块还用于统计并计算无线通讯单元(33)的当前通信功率PW1，该当前通信功率PW1由无线通讯单元(33)的当前通信周期、当前休眠时间、发射功率、休眠功率PWX计算获得；
能量输入评估模块将传感器单元(31)的当前采样功率PC1、无线通讯单元(33)的当前通信功率PW1传送给状态机输出模块(14)。
2.根据权利要求1所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机操作方法，MCU主控单元32通过该状态机对野外无线探测器的能量进行管理，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一、状态机(1)通过节点运行应用层接口(2)接收来自运行应用层的野外无线探测器各单元的基本能量配置模型；经协议通信模块(15)解析后，存储在设备基本信息模块(11)；
步骤二、状态机(1)通过节点运行应用层接口(2)获取来自运行应用层的野外无线探测器各单元的能量输出、输入当前信息，经协议通信模块(15)解析后，更新能量参数更新模块(12)；
步骤三、状态机(1)通过能量评估模块(13)接收能量参数更新模块(12)输出的野外无线探测器各单元能量输出、输入当前信息并结合设备基本信息模块(11)内存储的各单元的基本能量配置模型进行统计计算后，传送给状态机输出模块(14)；
步骤四、状态机(1)通过状态机输出模块(14)接收能量评估模块(13)输出的野外无线探测器各单元的能量统计计算信息并结合存储在设备基本信息模块(11)内的基本能量配置模型进行评估，生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，经协议通信模块(15)解析后，通过节点运行应用层接口(2)输出给运行应用层；所述运行应用层通过电源控制单元(34)实施最新能量配置方案。
3.根据权利要求2所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机操作方法，其特征在于：所述的步骤四状态机输出模块(14)采用如下方法进行评估，并生成野外无线探测器各单元的最新能量配置方案，该方法包括：
步骤a:读取能量收积器(35)的当前功率PL、备用电池(36)的当前充电功率PO1、当前放电功率PO2，超级电容(35)的当前充电功率PD1、当前放电功率PD2；
步骤b:读取传感器单元(31)的当前采样功率PC1、无线通讯单元(33)的当前通信功率PW1、MCU主控单元(32)的功率PM、电源控制单元(34)功率PI；
步骤c:当PL>(PC1+PM+PW1+PD1+PI)，增大传感器单元(31)的采样功率以及无线通讯单元(33)的通信功率；控制能量收积器(35)为超级电容(36)和备用电池(37)充电，然后返回；否则转步骤d；
步骤d:当PL-(PC1+PM+PW1+PI)<PD1且PL-(PC1+PM+PW1+PI)>0，增大传感器单元(31)的采样功率以及无线通讯单元(33)的通讯功率；控制能量收积器(35)为超级电容(36)充电，然后返回；否则转步骤e；
步骤e:当PL<(PC1+PM+PW1+PI)且PL+PD2>(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容(36)放电，然后返回；否则转步骤f；
步骤f:当PL+PD2<(PC1+PM+PW1+PI)且PL+PD2+PO2>(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容(36)、备用电池(37)放电，然后返回；否则转步骤g；
步骤g:当PL+PD2+PO2<(PC1+PM+PW1+PI)时，控制超级电容(36)、备用电池(37)放电，传感器单元(31)降低采样功率以及无线通讯单元(33)降低通信功率，然后返回。
4.根据权利要求3所述的用于野外无线探测器能耗管理的状态机操作方法，其特征在于：所述的步骤c中增大传感器单元(31)的采样功率的方法为：减少传感器单元(31)休眠个数；
所述步骤c中增大无线通讯单元(33)的通信功率的方法为：减少无线通讯单元(33)休眠时间，或者增加无线通讯单元(33)通信周期；
所述步骤g中降低传感器单元(31)的采样功率的方法为：增加传感器单元(31)休眠个数；
所述步骤g中降低无线通讯单元(33)的通信功率的方法为：增大无线通讯单元(33)休眠时间，或者减小无线通讯单元(33)通信周期。
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