CN106130101A - 一种自主式监测设备的能量利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自主式监测设备的能量利用方法，步骤如下：通过控制模块获取监测设备的工作方式；通过充电管理模块检测监测设备中，用电部件的电能储存器的用电状况和用电标准；根据监测设备的工作方式，在监测设备不工作时停止其用电部件的供电，在预定时间达到后再恢复所述用电部件的供电，并在监测设备完成当前工作后，再次进入停止供电的步骤；在监测设备停止工作的期间，通过能量收集装置收集监测设备内的冗余电量，并在能量收集装置收集的电量达到预定量时，输送给电能储存器。本发明可对有限电力能源合理利用，最大限度的节省能量资源，保障设备的正常运行，并减少环境恶化，特别适合自主供电的无人值守式自动化电子设备。

Description

一种自主式监测设备的能量利用方法

技术领域

本发明涉及监控领域，特别是涉及一种长期运行的自主式监测设备的能量利用方法。

背景技术

在电子自动化及物联网技术迅猛发展的今天，自动化监测设备几乎无处不在，并已经涉及到人们日常生活的方方面面，如视频监控、电力监控、工程领域的安全监测、人们可以佩带的血压计、定位仪、智能家居等。而且上述监测设备正以几何速率增长。

监测设备不但要满足基本的稳定性和功能需求，而且需要长时间的工作，在长时间工作方面，如何提供持久、稳定的电量是一大难题。在户外自主供电的监测设备上，为保证监测设备的长时间稳定运行，往往配备了几倍于设备功耗的蓄电池和功率相当的太阳能电池板，这无形中造成了很大的能源浪费、增加了自动化监控成本。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能量利用方法，以使自主式监测设备能够减少自身电量的浪费，并可回收电量为监测设备提供稳定的电量补充。

特别地，本发明提供一种自主式监测设备的能量利用方法，包括如下步骤：

步骤100，通过控制模块获取监测设备的工作方式；

步骤200，通过充电管理模块检测所述监测设备中，用电部件的电能储存器的用电状况和用电标准；

步骤300，根据所述监测设备的工作方式，在所述监测设备不工作时停止其用电部件的供电，在预定时间达到后再恢复所述用电部件的供电，并在所述监测设备完成当前工作后，再次进入停止供电的步骤；

步骤400，在所述监测设备停止工作的期间，通过能量收集装置收集所述监测设备内的冗余电量，并在所述能量收集装置收集的电量达到预定量时，输送给所述电能储存器。

在本发明的一个实施方式中，获取的所述监测设备的工作方式包括：用电部件的启动频率、每次启动时的工作时间，每次工作消耗的电量。

在本发明的另一个实施方式中，所述供电装置的信息通过能量记录模块获取，信息的内容包括所述电能储存器一次供电消耗的供电量，和所述电能储存器当前的电量状态，以及经过能量收集装置补充后的电量状态。

在本发明的另一个实施方式中，所述能量收集装置包括多个能量收集器，且每个所述能量收集器分别针对不同的电量收集对象。

在本发明的另一个实施方式中，所述电量收集对象包括所述监测设备的电容阵列，以及由太阳能电池板、振动压电发电模块、热发电模块或风能发电模块构成的外部输入电源。

在本发明的再一个实施方式中，各所述能量收集器通过多路触发开关向所述电能储存器充电，所述多路触发开关的输出端设置有功率开关，当所述多路触发开关中任意一个输入信号满足预定要求时，功率开关则接通。

在本发明的又一个实施方式中，还包括电量预储备步骤，在所述功率开关的输出侧设置备用电能储存器，所述备用电能储存器接收所述能量收集器的电量，并在所述电能储存器的电压无法启动所述用电部件时，为其补充电量。

在本发明的另一个实施方式中，所述控制模块包括MCU控制器和存储所述MCU控制器处理数据的FLASH存储器。

在本发明的另一个实施方式中，还包括定时步骤，其通过定时控制器为所述控制模块提供预定时间点的中断信号。

在本发明的一个实施方式中，所述定时控制器还接受意外中断条件下的触发信号，所述意外中断条件是指：当前监控对象在长时间积累后，其变化量达到监测设备需要启动的地步；或

当前监控对象在监测设备的非监测时间点，突然出现突变状况，需要及时监测。

本发明可对有限电力能源合理利用，最大限度的节省能量资源，保障设备的正常运行，并减少环境恶化，特别适合自主供电的无人值守式自动化电子设备。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的流程示意图；

具体实施方式

现有监测设备的一般远行规则是：当发现所监测的物理量发生改变时，即自动执行其固定的监测手段，或根据业务逻辑进行自动化控制，然后将收集的数据进行远传。显然，若被监测的物理量长时间没有变化时，重复的发送相同或相近的数据是没有意义的。本发明采用适时发送的管理模式：结合被监测物理量的变化总量及变化速率，当检测到的数值超出了预定的数值时才启动一次数据存储或远程发送。

监测设备从功耗消耗上来分析，对电能消耗最大的是无线数据收发模块，平均约使用全部电能的80％以上，基于上述应用特点，本发明的适时启动管理模式可以适时关闭无线模块的功率开关，来节省用电量。当需要获取某种监测数据或实现某种功能时再接通无线模块的功率开关，完成操作后再断开功率开关。

适时启动的总体思路是：当被测物理量处于无变化状态时，不断延长设备启动的时间间隔，当检测到被测物理量的变化量超出预定值或预定速率时恢复启动时长为一个较小的值。

上述工作方式可视为“定时启动模式”，若监测设备所监测的物理量要求实时在线时，则监测设备不能断开电源，此时，上述方法同样适用，不同的是，此时调整的不再是整个监测设备的功率开关时间，而是监测设备本身对各模块的功率开关控制，通过不断调整对物理量的扫描频率，即可解决实时在线监测数据与设备功耗之间的矛盾。

在监测设备是间断工作的基础上，在监测设备断电(或部分功能模块断电)时，其电路内尚有十分可观的电量，在断电期间，这些电量逐渐在PCB基板或潮湿的空气中流失，这些电量基本上存储于电路中的多个电容里，通过能量收集装置对这些电量回收，较没有应用此种技术的相同设备，对电能的利用显著，至少提高50％，大大延长了监测设备在有限能量下的工作时长。

电容电量计算：C＝Q/U；

C为电容单位，单位为F；Q为电量，单位库仑；U为电压，单位V。

电容存储的电量：Q＝C*U；

也可以用总功来表示：W＝1/2*CU²；

经验估算，1F的电容所存储的电量，约等效于一个0.83mAH的电池。

设电路中总的电容量约为：1000uF，则相当于0.80uAH，若扫描频率为5分钟，则一天中总的电容流失电量约为0.8uAH*300次＝2.4mAH的电池，可全天为设备提供0.1mA的电量，而以5分钟扫描一次、120分钟存储一次、24小时发送一次计算，设备平均电流消耗为0.08mA(忽略电容充电能量损失的理想状态)。

前面所说的电容电量回收是一种100％理想回收的情况，实际应用中，可以将能够收集的能量按70％来计算，则回收与否导致的设备工作时长至少相差1倍，或可以说不进行电容电量回收是谈不上超低功耗的。

具体地，如图1所示，本发明一个实施例的能量利用方法，包括如下步骤：

步骤100，通过控制模块获取监测设备的工作方式。

这里获取的监测设备的工作方式包括：该监测设备的用电部件的启动频率、每次启动时的工作时间，每次工作消耗的电量。

一般情况下，即使是全自动监测设备也不是无时无刻保持数据更新的，尤其是永久性监测领域，人们只需要每隔一段时间获取一次数据即可，或者有“实时”获取的需求，但这种实时也是相对的，比如1秒次、1分钟一次甚至是1小时一次，电子设备的特点是，获取某物理量参数或输出某种控制信号，所用时间一般是极短的(ms级甚至是us、ns)，这样，在大部分时间里，可以让这些检测、控制电路处于断电状态，可以大幅度的提高有限电能的利用率，这即是本步骤的目的。

步骤200，通过充电管理模块检测所述监测设备中，用电部件的电能储存器的用电状况和用电标准。

本步骤需要了解当前监测设备的电能储存器本身的储存量是多少，一次启动用电部件需要的最低电量是多少，当前电能储存器的电量是多少，一次可以补充多少电量等信息，以根据上述信息确定管理整个监测设备的用电和充电方式。同时，充电管理模块还需要控制下述能量收集装置的电量充入电能储存器的过程。

具体的电量获取方式可以是设置相应的能量记录模块，该能量记录模块对应于各电能储存器，对电能储存器的使用状态进行记录。如AD7755、LTC2942芯片模块等。

在本步骤中，能量记录模块不但记录电能储存器向监测设备的输出能量，同时还记录充电管理器向电能储存器输入的能量，以实现对电能储存器剩余电量的监控。充电管理器可以采用CN3717系列的管理芯片。电能储存器可以是电池或超级电池。

当检测到剩余电量不足以供监测设备完成一次工作时，则直接断开功率开关，这一处理方法可有效延长电能储存器寿命，和节省电量收集装置的电能。

此外，通过能量记录模块还可以确认当前电能储存器是否有故障，当控制模块检测到电能储存器充电过程完成(已充满)时的剩余电量与理论电量相减较大时，则可判断此电能储存器已经损坏，可通过用户接口输出电池故障信息。

步骤300，根据所述监测设备的工作状况，在所述监测设备不工作时停止其用电部件的供电，在预定时间达到后再恢复所述用电部件的供电，并在所述监测设备完成当前工作后，再次进入停止供电的步骤；

本步骤即是对当前监测设备的预定工作状态进行监控，使监测设备仅在工作时才进行通电操作，而平时都处于停电下的省电状态。

具体的监控过程可以是：根据监测设备预设的获取外界信息的时间间隔，如10秒，在时间到来前的一秒对监测设备的相应部件通电，使其能够正常工作，当其工作完毕后，再及时断开其相应部件的供电，循环重复上述方式，以避免待机耗电。

步骤400，在所述监测设备停止工作的期间，通过能量收集装置收集所述监测设备内的冗余电量，并在所述能量收集装置收集的电量达到预定量时，输送给所述电能储存器。

此步骤是为了收集监测设备刚刚工作完毕后，还留存在其各个电容中的电量，以避免无谓的散失。通过一次或多次收集电量的累积，可以在满足充电标准时，向监测设备的电能储存器进行电量补充，使电能储存器中的电量可以持续不断的得到补充，进而延长监测设备的使用时间。

具体的回收时机可以是在断开功率电源前一刻，监测监测设备电容阵列的能量收集装置在控制模块的控制下开始工作，对监测设备冗余电量进行回收。在任意时刻，可以通过用户接口来控制能量收集装置开始工作。控制指令还可以由来自与监测设备连接的接口完成。

本实施例可对有限电力能源合理利用，最大限度的节省能量资源，保障设备的正常运行，并减少环境恶化，特别适合自主供电的无人值守式自动化电子设备。

本实施例中的控制模块可以采用MCU控制器，如LPC2368，用于完成触发源检测、设置定时启动时间、剩余电量计算、电能储存器类型设置、运行日志存储、用户接口通讯等操作。同时，为方便中间数据的保存和运行，该MCU控制器可以设置相应的数据存储部件，如FLASH存储器。

进一步地，为方便电量的收集，该能量收集装置可以包括多个能量收集器，且每个能量收集器分别针对一个不同的电量收集对象。各能量收集器中的电量管理由MCU控制器进行统一管理和分配。具体的能量收集器可以是德州仪器的bq25570、bq25505、TPS62740等芯片，其能够用于微小能量收集，如很微弱的太阳能电量.

进一步地，在本发明的一个实施例中，能量收集装置的电量收集对象既可以是监测设备本身的电容阵列，也可以是由太阳能电池板、振动压电发电模块、热发电模块或风能发电模块构成的外部输入电源。每种能源的输入方式都分别有一个能量收集器进行处理，以更好的收集不同电压、电流大小的电量。

进一步地，为方便接收不同能量源输入的信号，在本发明的一个实施例中，该能量收集装置可以通过多路触发开关向电能储存器充电，能量收集装置中的每个能量收集器分别与多路触发开关的一个触点连接，而多路触发开关的输出端通过功率开关与电能储存器连接。在控制模块的控制下，当任一个能量收集器收集的电量满足要求时，即可向多路触发开关发送一个触发信号，该触发信号会导致功率开关接通，从而向预定的电能储存器进行电量补充。

多路触发开关由一系列电平触发输入结点及“或”门电路、功率开关组成。多路触发开关与电能储存器、传感器、MCU控制器连接，触发条件满足后，将电能储存器的电能经由自身功率开关传输给监测设备。功率开关闭合后，MCU控制器接管功率开关，MCU控制器根据工作逻辑在适当时间点控制断开功率开关。

进一步地，为减少监测设备的耗电量，在本发明的一个实施例中，设置有根据监测设备的工作时间来定时启动监测设备的定时步骤，定时步骤通过定时控制器为控制模块提供预定时间点的中断信号。控制模块根据监测设备设定的工作时间间隔，事先设定定时控制器的中断信号发送频率，该频率一般是提前于监测设备的工作时间点。采用该步骤后，监测设备在不工作时，其供电是处于中断状态，只有在监测设备例行工作时，控制装置才会控制相关部件为监测设备供电，当监测设备工作完毕后，控制装置又会再次断开监测设备的电源供应，在此过程中，监测设备的工作时间起点、结束点、工作过程时间的长短，都由定时控制器提前向控制模块发送中断信号，从而使控制模块实现监测设备的全程用电监控。

定时控制器可以是具有中断输出功能的RTC模块，如：DS3231，其与多路触发开关及MCU控制器连接，负责日期、时间计时功能；负责在达到预定时间时输出中断信号，此信号可激活多路触发开关，实现在预定的时间点为监测设备供电功能。

进一步地，该时钟模块除发送监测设备正常工作时间的中断信号外，还接受意外中断条件的触发信号，该意外中断条件是指：当前监控对象在长时间积累后，其变化量达到监测设备需要启动的地步。如：监控对象每天都在发生位移，但这种位移量较小，当累积到一定天数后，该位移量达到了需要报警的预值，此触发信号并没有确定的时间，只在其满足了设定的条件后，才会出现。

另一种情况是：当前监控对象在监测设备的非监测时间点，突然出现突变状况，需要及时监测和报警。如监控某个山体是否会滑坡时，监测设备一直按设定时间频率对当前山体进行扫描，但在某个时间频率内，该山体的变化远远超过日常变化量，此变化则会立刻触发监测设备的工作，此即为意外中断条件之一。

具体的意外中断条件可以根据不同的监控对象进行设置，也可以就同一监控对象设置不同级别的意外中断条件。本实施例可以应用于突发自然灾害预警方面。

一般的监测设备在上电启动瞬间会消耗较大的电流，当设备启动后电流需求趋于平缓，另外，若监测设备为无线型，则在进行无线网络注册及收发无线数据时电流会突增，常规的电能储存器在剩余电量较低时，按总的剩余能量来计算是可以满足监测设备需求的，但当其电量低时，其输出电流的能力会迅速减小，若没有电量预储机制，则监测设备因需要的电流得不到满足而无法工作，虽然电池还有电，但是无法使用，不能合理利用电能储存器剩余电能。

在本发明的一个实施例中，为在供电装置本身的电量不足以启动用电部件时，能为其提供暂时性大电流补充，设置有电量预储备步骤，具体结构是在多路触发开关的功率开关的输出侧设置备用电能储存器，该备用电能储存器接收能量收集器的电量，并在电能储存器的电压无法启动用电部件时，为其补充电量。

备用电能储存器的电量补充与电能储存器的电量补充是两条独立的线路，即电量收集装置可以直接向电能储存器补充电量，同时也可以向备用电能储存器补充电量，使备用电能储存器先存储大电压的电量，以在电能储存器一旦出现电压不足的情况时，为其提供高电压补充。

具体的备用电能储存器可以是一个超级电容，超级电容是一种类电池的电子储能元件，较电池而言，充电速度极为迅速(几秒到几十秒即可达到90％)，没有电量记忆，没有充放电次数限制(50万次)，可称之为“绿色电池”。在大功率用电部件启动之前，先连通电能收集器与超级电容，使电能收集器收集的小电流对超级电容进行充电(收集对象包括电能储存器)，当超级电容的电量充满后再打开大功率用电部件的电源，这样，大功率用电部件所需要的大电流由超级电容来提供，大功率用电部件得到了大电流，监测设备上冗余的小电流能量也得以充分利用。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种自主式监测设备的能量利用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，通过控制模块获取监测设备的工作方式；

步骤200，通过充电管理模块检测所述监测设备中，用电部件的电能储存器的用电状况和用电标准；

步骤300，根据所述监测设备的工作方式，在所述监测设备不工作时停止其用电部件的供电，在预定时间达到后再恢复所述用电部件的供电，并在所述监测设备完成当前工作后，再次进入停止供电的步骤；

步骤400，在所述监测设备停止工作的期间，通过能量收集装置收集所述监测设备内的冗余电量，并在所述能量收集装置收集的电量达到预定量时，输送给所述电能储存器。

2.根据权利要求1所述的能量利用方法，其特征在于，

获取的所述监测设备的工作方式包括：用电部件的启动频率、每次启动时的工作时间，每次工作消耗的电量。

3.根据权利要求1所述的能量利用方法，其特征在于，

所述供电装置的信息通过能量记录模块获取，信息的内容包括所述电能储存器一次供电消耗的供电量，和所述电能储存器当前的电量状态，以及经过能量收集装置补充后的电量状态。

4.根据权利要求1所述的能量利用方法，其特征在于，

所述能量收集装置包括多个能量收集器，且每个所述能量收集器分别针对不同的电量收集对象。

5.根据权利要求4所述的能量利用方法，其特征在于，

所述电量收集对象包括所述监测设备的电容阵列，以及由太阳能电池板、振动压电发电模块、热发电模块或风能发电模块构成的外部输入电源。

6.根据权利要求4所述的能量利用方法，其特征在于，

各所述能量收集器通过多路触发开关向所述电能储存器充电，所述多路触发开关的输出端设置有功率开关，当所述多路触发开关中任意一个输入信号满足预定要求时，功率开关则接通。

7.根据权利要求6所述的能量利用方法，其特征在于，

还包括电量预储备步骤，在所述功率开关的输出侧设置备用电能储存器，所述备用电能储存器接收所述能量收集器的电量，并在所述电能储存器的电压无法启动所述用电部件时，为其补充电量。

8.根据权利要求1所述的能量利用方法，其特征在于，

所述控制模块包括MCU控制器和存储所述MCU控制器处理数据的FLASH存储器。

9.根据权利要求1所述的能量利用方法，其特征在于，

还包括定时步骤，其通过定时控制器为所述控制模块提供预定时间点的中断信号。

10.根据权利要求9所述的能量利用方法，其特征在于，

所述定时控制器还接受意外中断条件下的触发信号，所述意外中断条件是指：当前监控对象在长时间积累后，其变化量达到监测设备需要启动的地步；或

当前监控对象在监测设备的非监测时间点，突然出现突变状况，需要及时监测。