CN106488587A - 一种基于无线充电的无线传感网节点装置及无线充电方法 - Google Patents

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谢小军
卓文合
于浩
昝继业
张引强
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Abstract

本发明公开了一种基于无线充电的无线传感网节点装置及无线充电方法，装置包括装置本体，装置本体内固设有节点模块、供电模块和无线接收线圈，节点模块的电源输入端与供电模块的电源输出端连接，供电模块的电源输入端与无线接收线圈连接，供电模块通过无线接收线圈从输电杆塔上安装的无线发送端线圈取电。该装置是一种接收无线电能的装置，从输电杆塔上的无线电能发射装置上接收电能，为在线监测节点提供稳定的电源供给。

Description

一种基于无线充电的无线传感网节点装置及无线充电方法
技术领域
本发明涉及电力通讯技术领域，具体涉及一种基于无线充电的无线传感网节点装置及无线充电方法。
背景技术
输电杆塔上安装的监测设备在供电问题上始终存在着一定的局限性——不易提供集中供电，特别是在室外、野外情况下。目前，无线传感网节点的能量主要来源于两种方式：一是能量存储，如蓄电池供电等；二是能量采集，如太阳能供电。但这些方式都不易部署，受环境影响较大。无线传感网节点的供电问题始终都是制约无线自组网电力应用的一个关键因素。因此，需要设计一种可接收无线电能的装置，从输电杆塔上的无线电能发射装置上接收电能，为在线监测节点提供稳定的电源供给。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于无线充电的无线传感网节点装置及无线充电方法，实现无线充电部分与无线传感网节点一体化形成。
本发明采用技术方案如下：
无线充电的无线传感网节点装置，包括装置本体，装置本体内固设有节点模块、供电模块和无线接收线圈，节点模块的电源输入端与供电模块的电源输出端连接，供电模块的电源输入端与无线接收线圈连接，供电模块通过无线接收线圈从输电杆塔上安装的无线发送端线圈取电。
进一步地，模块由高频接收电路模块、充电电路模块、电池组和稳压电路模块组成，高频接收电路模块的输入端与无线接收线圈的两端连接，高频接收电路模块的输出端通过充电电路模块与电池组的输入端连接，电池组的输出端与稳压电路模块的输入端连接。
进一步地，节点模块包括主控模块、通信模块、存储模块、数据采集模块和传感器，主控模块分别与通信模块、存储模块和数据采集模块交互式连接，传感器和数据采集模块交互式连接。
进一步地，主控模块包括MSP430F109芯片。
进一步地，装置本体上部固设有非金属外壳，下部两侧设有开口。
进一步地，装置本体内的节点模块和供电模块之间设有隔离板，隔离板上设有用于穿过供电模块输出电源线的开口。
进一步地，线接收线圈包括外壳本体，外壳本体分为左右两部分壳体，外壳本体内设有绕制的圆形线圈，外壳本体顶端设有用于将左右两部分壳体顶端固接的紧固部件，外壳本体底端设有用于与装置本体连接的万向节。
一种无线传感网节点装置的无线充电方法，包括下述步骤：
（1）无线接收线圈从输电杆塔上安装的无线发送端线圈取电并将电能输出至供电模块中的高频接收电路模块；
（2）高频接收电路模块将电能通过充电电路模块传输给电池组，充电电路模块稳定输出电压8.4 V、电流1 A的电能至电池组；
（3）电池组输出电压8.4 V，稳压芯片U2输出5V至稳压电路模块的输出端P4，稳压芯片U2输出电压5V再经过稳压芯片U3输出电压3.3V，稳压芯片U3输出电压经过用于保护系统电路的保险丝F1输出电压3.3V至输出端P5；
（4）稳压电路模块输出端P4连接采集模块和通信模块并为其供电，稳压电路模块输出端P5连接主控模块和存储模块并为其供电。
本发明具有如下有益效果：
本发明基于无线充电的无线传感网节点装置及无线充电方法中，从输电杆塔上的无线电能发射装置上接收电能，为在线监测节点提供稳定的电源供给，在室外或野外恶劣坏境下实现节点的持续供电。供电模块无线接收电能并为充电电池充电，为无线传感网节点装置提供电能。稳压电路模块根据节点装置中不同模块需求不同，增加了保护系统电路的保险丝，增强了供电的稳定性。
装置本体下部利用两侧开口来给整个装置通风且利于通信信号的传输，另外，上部的非金属外壳可以防雨，同时不阻碍电能接收。装置本体下部为金属材质，优选铝，质轻。隔离板把供电模块和其他模块隔离，防止供电模块的高温影响其他模块。隔离板可以与装置本体相同材质，也可以选择其他金属。无线接收线圈外壳底端设置的万向节有利于灵活调节线圈的位置，使其与无线发送端线圈结构对齐，提高电能接收效率。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的供电模块示意图；
图3为本发明的高频接收电路模块电路图；
图4为本发明的稳压电路模块电路图；
图5为本发明的无线接收线圈。
具体实施方式
参见图1，基于无线充电的无线传感网节点装置，包括装置本体1，装置本体1内固设有节点模块2、供电模块3和无线接收线圈4，节点模块2的电源输入端与供电模块3的电源输出端连接，供电模块3的电源输入端与无线接收线圈4连接，供电模块3通过无线接收线圈4从输电杆塔上安装的无线发送端线圈取电。
节点模块2包括主控模块21、通信模块22、存储模块23、数据采集模块24和传感器25，主控模块21分别与通信模块22、存储模块23和数据采集模块24交互式连接，传感器25和数据采集模块24交互式连接。
主控模块21由MSP430F109单片机芯片与外部电路组成，实现对节点工作流程管理以及数据解析、打包，主控模块21有效提高节点的数据处理能力和运行速度，进一步增加节点功能和工作寿命，降低整体能耗。
通信模块22采用zigbee无线串口收发模块，使用CC2530芯片，通信模块实现节点组网。
存储模块23采用EEPROM AT24C256存储芯片，该存储芯片具有较大的256KB存储容量，存储模块23实现对监测数据的本地存储以及节点参数的保存，
数据采集模块24采用ADI的单电源隔离型485芯片ADM2587E，单电源隔离型485芯片提高了节点抗干扰能力，数据采集模块24完成对传感器测量数据的读取并传输给主控模块21。
传感器25与数据采集模块24之间通过RS485接口，传感器25完成对输电线路监测量的测量。
无线接收线圈4使用纯铜低阻导线绕制，耐低温且高效、输出稳定电能。无线接收线圈4与图3中的电容C6共同构成高频接收电路模块31输入端P1谐振频率，该频率与高频接收电路模块31输出端P2谐振频率相同。
参见图2和3，供电模块3由高频接收电路模块31、充电电路模块32、电池组33和稳压电路模块34组成，供电模块3完成对整个节点的能量供给，如图3所示，高频接收电路模块31的输入端P1与无线接收线圈4的两端连接，输入端P1的回路谐振频率需与高频接收电路模块31的输出端P2相同，它由谐振电容C6和无线接收线圈4构成，电能经过由D1-D4、C7构成的全桥整流电路后供给输出端P2，高频接收电路模块31的输出端P2通过充电电路模块32与电池组33的输入端连接，电池组33采用8.4 V额定电压的电池组，电池组33的输出端与稳压电路模块34的输入端P3连接。充电电路模块32与电池组33，充电电路模块32稳定输出电压8.4V、电流1A的电能，具有恒压、恒流自动切换功能。
稳压电路模块34如图4示，电路包括稳压芯片7805即U2、稳压芯片1117-3.3即U3、滤波电容C8-C11包括保险丝。电池组33的输出电压8.4V经过稳压芯片U2输出5V至输出端P4，稳压芯片U2输出电压5V再经过稳压芯片U3输出电压3.3V，稳压芯片U3输出电压经过用于保护系统电路的保险丝F1输出电压3.3V至输出端P5。稳压电路模块34提供了各个模块所需电压。稳压电路模块34输出端P4连接采集模块24和通信模块22的输入端，稳压电路模块34输出端P5连接主控模块21和存储模块23。
无线接收线圈4的具体结构如图5所示，无线接收线圈4包括外壳本体42，外壳本体42分为左右两部分壳体，外壳本体42内设有绕制的圆形线圈43，外壳本体42顶端设有用于将左右两部分壳体顶端固接的紧固部件41，外壳本体42底端设有用于与装置本体1连接的万向节44，在线圈接收电能的过程中无线接收线圈4与无线发送端线圈结构需要对齐，而万向节可以灵活调节线圈的位置，使其与无线发送端线圈结构对齐。另外，输电杆塔上安装的无线发送端线圈结构与无线接收线圈4结构相同。
无线传感网节点装置的无线充电包括下述步骤：
无线接收线圈从输电杆塔上安装的无线发送端线圈取电并将电能输出至供电模块中的高频接收电路模块；
高频接收电路模块将电能通过充电电路模块传输给电池组，充电电路模块稳定输出电压8.4 V、电流1 A的电能至电池组；
电池组输出电压8.4 V，稳压芯片U2输出5V至稳压电路模块的输出端P4，稳压芯片U2输出电压5V再经过稳压芯片U3输出电压3.3V，稳压芯片U3输出电压经过用于保护系统电路的保险丝F1输出电压3.3V至输出端P5；
稳压电路模块输出端P4连接采集模块和通信模块并为其供电，稳压电路模块输出端P5连接主控模块和存储模块并为其供电。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于无线充电的无线传感网节点装置，包括装置本体（1），其特征在于，装置本体（1）内固设有节点模块（2）、供电模块（3）和无线接收线圈（4），节点模块（2）的电源输入端与供电模块（3）的电源输出端连接，供电模块（3）的电源输入端与无线接收线圈（4）连接，供电模块（3）通过无线接收线圈（4）从输电杆塔上安装的无线发送端线圈取电。
2.根据权利要求1所述的基于无线充电的无线传感网节点装置，其特征在于，供电模块（3）由高频接收电路模块（31）、充电电路模块（32）、电池组（33）和稳压电路模块（34）组成，高频接收电路模块（31）的输入端与无线接收线圈（4）的两端连接，高频接收电路模块（31）的输出端通过充电电路模块（32）与电池组（33）的输入端连接，电池组（33）的输出端与稳压电路模块（34）的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于无线充电的无线传感网节点装置，其特征在于，节点模块（2）包括主控模块（21）、通信模块（22）、存储模块（23）、数据采集模块（24）和传感器（25），主控模块（21）分别与通信模块（22）、存储模块（23）和数据采集模块（24）交互式连接，传感器（25）和数据采集模块（24）交互式连接。
4.根据权利要求3所述的基于无线充电的无线传感网节点装置，其特征在于，主控模块（21）包括MSP430F109芯片。
5.根据权利要求1所述的基于无线充电的无线传感网节点装置，其特征在于，装置本体（1）上部固设有非金属外壳，下部两侧设有开口。
6.根据权利要求1所述的基于无线充电的无线传感网节点装置，其特征在于，装置本体（1）内的节点模块（2）和供电模块（3）之间设有隔离板（5），隔离板（5）上设有用于穿过供电模块（3）输出电源线的开口。
7.根据权利要求1所述的基于无线充电的无线传感网节点装置，其特征在于，线接收线圈（4）包括外壳本体（42），外壳本体（42）分为左右两部分壳体，外壳本体（42）内设有绕制的圆形线圈（43），外壳本体（42）顶端设有用于将左右两部分壳体顶端固接的紧固部件（41），外壳本体（42）底端设有用于与装置本体（1）连接的万向节（44）。
8.一种采用如权利要求1-7所述的无线传感网节点装置的无线充电方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）无线接收线圈（4）从输电杆塔上安装的无线发送端线圈取电并将电能输出至供电模块（3）中的高频接收电路模块（31）；
（2）高频接收电路模块（31）将电能通过充电电路模块（32）传输给电池组（33），充电电路模块（32）稳定输出电压8.4 V、电流1 A的电能至电池组（33）；
（3）电池组（33）输出电压8.4 V，稳压芯片U2输出5V至稳压电路模块（34）的输出端P4，稳压芯片U2输出电压5V再经过稳压芯片U3输出电压3.3V，稳压芯片U3输出电压经过用于保护系统电路的保险丝F1输出电压3.3V至输出端P5；
（4）稳压电路模块（34）输出端P4连接采集模块（24）和通信模块（22）并为其供电，稳压电路模块（34）输出端P5连接主控模块（21）和存储模块（23）并为其供电。
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