CN107018581A - 一种能量收集无线网络方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量收集无线网络方法与装置，其能量收集装置收集周围环境中的可再生能源，将其转化为电能；再将所转化电能辅助或者完全支持无线网络节点使用，完成通信或者信息采集任务。本发明应用范围广，植入型医疗设备、可穿戴设备、边远地区基站建设、特殊环境监测等均可应用该方法与装置。
Description
技术领域
本发明属于计算机无线网络领域，具体设计一种能量收集无线网络方法与装置。
技术背景
目前服务于互联网的路由器、服务器、交换机、冷却设施、数据中心等各种设备总共消耗约一万亿度电，占全球总耗电量的6％左右。按照目前的增长趋势，到2025年，IT行业平均能耗会达到目前的5倍，网络领域能耗更会达到13倍。这意味着到2025年网络领域占IT业的总能耗将增长到43％。能量问题已成为网络和信息系统持续发展的重大障碍。
传统的网络系统设计的两个原则有悖于低碳节能的目标：一是超额资源供给，在缺少QoS支持的因特网架构下，超额资源供给能使网络承受突发的峰值负载；另一个是冗余设计，通过冗余链路和设备，提高网络的可靠性，以应对突发的故障失效。这两个原则都没有考虑到能量因素。随着网络规模的扩大和网络设备的不断更新，能量的利用日益暴露出能耗高、效率低，浪费多等诸多问题.互联网骨干网络的忙时最大平均链路利用率不足30％，很多网络的闲时链路利用率只有5％以下，而网络设备按照峰值设计消耗能量，绝大部分设备7×24小时全速工作，这就为新能源引入网络提出了挑战也提供了机会。网络中能量浪费和能耗成本的约束，限制着系统性能方面的进一步提高，能源因素往往成为限制其规模和服务能力的瓶颈。构建新能源网络，节省网络传统能耗成为计算机网络领域一个意义重大、迫切需要解决的研究课题。
再者，传统网络由于收到能量供给方式的约束，大多使用传统电源，采用电线供电，这大大约束了网络节点的移动性，在诸如边远山区、灾区、海上基站、特殊地区监测(如森林、火山口等)等地区难以铺设电缆或铺设成本极高。因此发明能量收集网络，利用环境周围的能量，如光能、热能、机械能、辐射能量等为网络节点供电，同时在满足能量约束的情况下完成数据通讯任务，这将大大提升网络的适应能力，可以在任何地区部署，同时整个生命周期的免维护和可持续运行都将大大节约网络成本。
例如传感器网络，常常采用Zigbee协议的片上系统，如CC2530芯片。假设该芯片每1s联网一次，则一天中的平均功率大约为5mW，而典型的薄膜太阳能光伏板每平方厘米的功率大约50-100mW，而在阴雨天气则降至uW的级别。可见如果正确进行能量的规划利用，传感器网络可以完全使用太阳能供电，摆脱传统电池电量有限、电能补给困难等缺点，同时为网络带来了全生命周期可运行和无限的流动性的特点。
发明内容
本发明是为了解决特殊环境下的通信任务和无线网络节点的永久运行，而提出一种能量收集无线网络方法与装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种能量收集无线网络方法，包括以下步骤：
(1)能量收集装置收集周围环境中的可再生能源，将其转化为电能，如将太阳能变成电能，产生电流，直接被无线网络节点使用；
(2)所转化电能辅助或者完全支持无线网络节点使用，完成通信或者信息采集任务。
上述能量收集无线网络方法，还包括能量转换方法，能量转换方法将能量收集装置所提供能量的电压和电流转换为无线网络节点装置运行电压和运行电流。
上述能量收集无线网络方法，还包括能量管理方法，能量管理方法控制无线网络节点装置的工作状态。
上述能量收集无线网络方法，其特征在于：还包括传感装置，传感装置收集周围需监测的环境数据，配合无线网络节点装置完成通信任务。
一种实现上述能量收集无线网络方法的装置，包括能量收集装置和无线网络节点装置，能量收集装置与无线网络节点装置连接。
上述实现上述能量收集无线网络方法的装置，还包括能量转换装置，其中能量收集装置、能量转换装置、无线网络节点装置依次连接。
上述实现上述能量收集无线网络方法的装置，还包括传感装置，其中传感装置与无线网络节点装置通过信号线相连接。
本发明还提供了一种植入上述装置的可穿戴装备，具体为一种能量收集无线网络的可穿戴设备，由震动能量收集模块、光伏装置、压电装置、塞贝克温差装置、整流电路(一般的整流电路)、zigbee通信装置、温度传感器、加速度传感器、陀螺仪、距离感应器组成；
震动能量收集模块将人体震动的能量转化为电能；
光伏装置将环境中的光能转化为电能；
压电装置将人体手、肘、腰、膝部位的折压能量转化为电能；
赛贝克温差装置将人体的热能转化为电能；
整流电路将上述装置转化的电能进行再转化，最终输出稳定的直流电，供给zigbee通信装置运行；
温度传感器、加速度传感器、陀螺仪、距离感应器分别采集人体的温度、加速度、角速度、距离数据，通过zigbee通信装置与其他通信设备进行数据交互。
上述能量收集无线网络的可穿戴设备，其中，所述zigbee通信装置使用cc2530组成的片上系统。
上述能量收集无线网络的可穿戴设备，其中，cc2530运行程序中包含一种能量管理办法，感知并依据当前能量收集状态，以决策目前系统运行状态。
本发明的有益效果是：
1、能量收集装置与无线网络节点装置的结合，增加了无线网络节点装置的生命周期；
2、使用能量收集装置为无线网络节点装置提供能量，无需能量存储装置，节约了设备成本；
3、应用范围广，植入型医疗设备、可穿戴设备、边远地区基站建设、特殊环境监测等均可应用该方法与装置。
附图说明
图1为本发明方法的示意图；
图2为本发明方法的示意图；
图3为本发明方法的示意图；
图4为本发明装置的示意图；
图5为本发明装置的示意图；
图6为本发明装置的示意图；
图7为本发明实施例1设备运行状态的示意图；
图8为本发明实施例2设备运行状态的示意图；
图9为本发明实施例2的结构示意图；
图中：1、光伏装置；2、塞贝克温差装置；3、压电装置；4、震动能量收集模块；5、温度传感器；6、陀螺仪；7、距离感应器；8、加速度传感器；9、zigbee通信装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基本思想是利用能量收集装置与无线通信装置的结合实现特殊环境下的通信需求。
实施例1
如图7所示，是针对WSN(无线传感器)的能量收集，这里的能量源头来自于两种外界的媒介，一种是太阳能，一种是基于无线信号的能量收集。图7中提供三类节点，一类是太阳能供电节点，一类是无线供电节点，一类是普通的WSN节点。第一层是太阳能量的收集，把太阳能转化为供WSN工作的电能；第二层是无线能量的收集，包含基站发射的移动信号，或者其他AP(接入点)；第三层是WSN完成混合框架能量的收集，进行稳定的数据采集工作。
实施例2
如图9所示，一种能量收集无线网络的可穿戴设备，由震动能量收集模块(4)、光伏装置(1)、压电装置(3)、塞贝克温差装置(2)、整流电路、zigbee通信装置组成(9)、温度传感器(5)、加速度传感器(8)、陀螺仪(6)、距离感应器(7)。
震动能量收集模块(4)将人体震动的能量转化为电能；光伏装置(1)将环境中的光能转化为电能；压电装置(3)将人体手、肘、腰、膝部位的折压能量转化为电能；赛贝克温差装置(2)将人体的热能转化为电能。整流电路将上述装置转化的电能进行再转化，最终输出稳定的直流电，供给zigbee通信装置(9)运行。温度传感器(5)、加速度传感器(8)、陀螺仪(6)、距离感应器(7)分别采集人体的温度、加速度、角速度、距离数据，通过zigbee通信装置(9)与其他通信设备进行数据交互。
Zigbee通信装置(9)使用cc2530组成的片上系统(SoC)，整流电路将诸能量收集装置收集得到的能量转换至2伏至3.6伏电压范围供zigbee通信装置(9)进行通信任务；cc2530运行程序中包含一种能量管理办法，感知并依据当前能量收集状态，以决策目前系统运行状态，同时优化系统能耗。
该设备的优点是：传统传感器网络使用电池供电，电池电能耗尽后则节点失效。能量收集无线网络采用环境中的能量供给网络节点运行，如图9中所示节点配备了太阳能收集装置(光伏装置)，使用环境中的太阳能为网络节点供电，此时能量管理方法依据当前节点的能量状态，选择适合的路径进行数据的发送。传感装置感知周围环境数据，通过数据汇集将采集的收据上传给相应的节点进行任务处理。整个网络不消耗传统的电能，同时又可以永久运行，摆脱了电池的束缚。
Claims (10)
1.一种能量收集无线网络方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)能量收集装置收集周围环境中的可再生能源，将其转化为电能；
(2)所转化电能辅助或者完全支持无线网络节点使用，完成通信或者信息采集任务。
2.根据权利要求1所述的能量收集无线网络方法，其特征在于还包括能量转换方法，能量转换方法将能量收集装置所提供能量的电压和电流转换为无线网络节点装置运行电压和运行电流。
3.根据权利要求2所述的能量收集无线网络方法，还包括能量管理方法，能量管理方法控制无线网络节点装置的工作状态。
4.根据权利要求3所述的能量收集无线网络方法，其特征在于：还包括传感装置，传感装置收集周围需监测的环境数据，配合无线网络节点装置完成通信任务。
5.一种实现权利要求1所述能量收集无线网络方法的装置，包括能量收集装置和无线网络节点装置，能量收集装置与无线网络节点装置连接。
6.根据权利要求5所述的实现上述能量收集无线网络方法的装置，还包括能量转换装置，其中能量收集装置、能量转换装置、无线网络节点装置依次连接。
7.根据权利要求6所述的实现上述能量收集无线网络方法的装置，还包括传感装置，其中传感装置与无线网络节点装置通过信号线相连接。
8.一种能量收集无线网络的可穿戴设备，其特征在于由震动能量收集模块、光伏装置、压电装置、塞贝克温差装置、整流电路、zigbee通信装置、温度传感器、加速度传感器、陀螺仪、距离感应器组成；
震动能量收集模块将人体震动的能量转化为电能；
光伏装置将环境中的光能转化为电能；
压电装置将人体手、肘、腰、膝部位的折压能量转化为电能；
赛贝克温差装置将人体的热能转化为电能；
整流电路将上述装置转化的电能进行再转化，最终输出稳定的直流电，供给zigbee通信装置运行；
温度传感器、加速度传感器、陀螺仪、距离感应器分别采集人体的温度、加速度、角速度、距离数据，通过zigbee通信装置与其他通信设备进行数据交互。
9.根据权利要求8所述的能量收集无线网络的可穿戴设备，其中，所述zigbee通信装置使用cc2530组成的片上系统。
10.根据权利要求9所述的能量收集无线网络的可穿戴设备，其中，cc2530运行程序中包含一种能量管理办法，感知并依据当前能量收集状态，以决策目前系统运行状态。
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