CN108551205B - 一种超低功耗工业物联网网关的省电方法、网关和网关系统 - Google Patents

一种超低功耗工业物联网网关的省电方法、网关和网关系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于工业网关控制领域，其公开了一种超低功耗工业物联网网关的省电方法，所述的网关设有电池、电源输入端、控制器和必要的功能电路，所述的方法具体为：当电源输入端断电时，按照预设的频率采用电池间歇性的向控制器和功能电路供电。本发明的目的在于提供有效提高网关续航能力的超低功耗工业物联网网关的省电方法，同时本发明还提供了一种网关和网关系统。

Description

一种超低功耗工业物联网网关的省电方法、网关和网关系统
技术领域
本发明涉及工业网关控制领域，具体为一种超低功耗工业物联网网关的省电方法、网关和网关系统。
背景技术
CN 201711307575.8公开了一种有效预防断电的网关设备，包括网关设备本体，网关设备本体外部包覆有壳体，所述网关设备本体通过导线连接有插头，在导线上还设有电源适配器，所述壳体的上表面连接有一层光能发电层，所述光能发电层连接有太阳能蓄电池，太阳能蓄电池连接有控制器，所述控制器与电源适配器相连。该网关设备续航时间长，能够在停电状态下继续工作，提升网关设备使用的方便性。
需要注意的是，在很多应用环境中，并不是都适于配备太阳能发电单元的。在这种情况下，如何提高网关的续航能力，是本领域技术人员要解决的问题。
针对该问题，经过进一步检索发现，本领域最为常用的方法为，如CN201210063192.1 公开了一种方案，其设置复位晶振模块，并将网关的CPU设置成为休眠模式，通过复位晶振模块间歇性的唤醒CPU实现CPU间歇性的工作，达到省电的目的。但是在该方案中， CPU只是处于低功耗状态，并未完全断电。
无法否认，该方法具有非常好的省电效果。但是，在长时间停电或者电源故障情况下，该方法还是不够省电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效提高网关续航能力的超低功耗工业物联网网关的省电方法，同时本发明还提供了一种网关和网关系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超低功耗工业物联网网关的省电方法，所述的网关设有电池、电源输入端、控制器和必要的功能电路，所述的方法具体为：当电源输入端断电时，按照预设的频率采用电池间歇性的向控制器和功能电路供电。
在上述的超低功耗工业物联网网关的省电方法中，所述的网关内设有时钟电路和位于电池、电源输入端与控制器、功能电路之间的电源开关电路；
当电源输入端供电时，所述的电源开关电路采用电源输入端向控制器和功能电路持续供电；
当电源输入端断电时，所述的电源开关电路根据时钟电路的时钟指令采用电池间歇性的向控制器和功能电路供电；
所述的时钟指令由控制器配置给时钟电路。
在上述的超低功耗工业物联网网关的省电方法中，当电源输入端断电时，所述的操作步骤为：
步骤S11：当电源输入端断电时，所述的充放电电路切换至电池供电并生成断电信号发送至电源开关电路和控制器；
步骤S12：控制器收到断电信号后生成时钟指令发送给时钟电路；
步骤S13：电源开关电路根据断电信号停止向控制器和功能电路供电；
步骤S14：所述的时钟电路根据时钟指令在设定的时间点向电源开关电路发送送电信号；
步骤S15：所述的电源开关电路根据送电信号在预设的时间向控制器和功能电路供电和停止供电；
步骤S16：所述的控制器上电后生成新的时钟指令并发送给时钟电路；
重复步骤14-16。
在上述的超低功耗工业物联网网关的省电方法中，当电源输入端恢复供电后，所述的电源开关电路持续性的向控制器和功能电路供电。
在上述的超低功耗工业物联网网关的省电方法中，当电源输入端恢复供电后，所述的充放电电路向控制器、电源开关电路发送供电恢复信号，所述的控制器根据供电恢复信号停止向时钟电路发送时钟指令；所述的电源开关电路持续性的向控制器和功能电路供电。
在上述的超低功耗工业物联网网关的省电方法中，所述的步骤S12和S16中控制器设定时钟指令的方法具体为：
设置电池供电的条件下可供选择的数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn，其中Tn＞Tn-1，T0为网关在外接电源供电的情况下的正常的数据采集时间间隔；设置断电情况下间歇性采集数据的时长Tlive；
根据电池的最大电量Wmax，预先设置不同数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn的运行次数X0、X1……Xn-1、Xn，并根据不同数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、 Tn及其运行次数X0、X1……Xn-1、Xn计算得到不同时间节点情况下的网关的电池的电量Wm；Tlive＝T0*X0+T1*X1……Tn-1*Xn-1+Tn*Xn；
当控制器接收到断电信号或重新上电后，检测电池的电量Wm，然后根据Wm的数值，决定接下来的数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn的运行次数X0、X1……Xn-1、 Xn。
在上述的超低功耗工业物联网网关的省电方法中，当电源开关单元检测到外接电源恢复供电时，数据采集时间间隔恢复为T0。
同时，本发明还公开了一种用于实现上述省电方法的超低功耗工业物联网网关，所述的网关内设有电池、电源输入端、控制器、电源开关电路、时钟电路和必要的功能电路；
所述的电池、电源输入端与控制器、功能电路之间设置所述的电源开关电路；所述的电源开关电路和控制器之间设置用于控制电源开关电路在电池供电的情况下何时向控制器、功能电路供电的时钟电路。
在上述的超低功耗工业物联网网关中，还包括充放电电路，所述的电池通过充放电电路与电源输入端以及电源开关电路电连接。
此外，本发明还公开了一种超低功耗工业物联网网关系统，包括如上所述的网关以及与网关通信连接的传感器以及后台服务器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用时钟单元控制电源开关单元使控制器以及必要的功能电路处于间歇性供电状态，相比于CN201210063192.1中通过复位晶振模块唤醒CPU的方式来说，其能够使CPU处于完全断电的状态并且时钟电路和电源开关单元的耗电量极低，有效的降低了耗电量，使待机时间更长。
为了进一步延长待机时间且保持数据采集的间隔合理性，将断电后网关采集数据的频率进行优化，以客户的实际需求设置运行次数X0、X1……Xn-1、Xn，并根据按照计划运行后实际剩余电量做灵活调整，这么做的意义在于：第一、以用户为核心，即使在断电的情况下，也要以客户的实际需求为宗旨，在允许的间歇性采集数据的时长Tlive内，做到数据采集频率的最优化；第二、在允许的间歇性采集数据的时长Tlive内结合电池本身的特性(这种特性不仅仅为电池本身在制造出来就有的，还包括在一定时间使用带来的劣化)，使其在规定的时间范围内运行更为精准。通过这两点结合，实现了最大可能性满足客户对于采集频率优化的同时，实现在规定时间范围内的精准化运行，这对于保持数据采集链的持续稳定和优化是非常重要的。
附图说明
图1为本发明的实施例1-3的物联网网关的结构方框图；
图2为本发明的实施例2-3的电源开关控制电路的电路图；
图3为本发明的实施例2的流程方框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2，一种超低功耗工业物联网网关的省电方法，所述的网关设有电池1、电源输入端2、控制器3和必要的功能电路6，所述的方法具体为：当电源输入端2断电时，按照预设的频率采用电池1间歇性的向控制器3和功能电路6供电。
本实施例在外界电源停止供电的情况下，通过间歇性的使控制器3和功能电路6上电，其余时间均保持控制器3和功能电路6断电，主要可以最大可能的降低耗电量。
实施例2
如图1-3所示，一种超低功耗工业物联网网关的省电方法，所述的网关内设有时钟电路5、充放电电路7和与充放电电路7相连的电源开关电路4，所述的充放电电路7与电池1、电源输入端2相连，所述的电源开关电路4与控制器3、功能电路6相连，所述的时钟电路6设置在电源开关电路4和控制器3之间；
当电源输入端2供电时，所述的电源开关电路4采用电源输入端2向控制器3和功能电路6持续供电；
当电源输入端2断电时，所述的电源开关电路4根据时钟电路5的时钟指令采用电池 1间歇性的向控制器3和功能电路6供电；
所述的时钟指令由控制器3配置给时钟电路5。
本实施例所述的必要的功能电路6包括但不限于用于向外界传感器采集数据的采集端、向外界的服务器传输数据的通信单元等，在本实施例中不做过多限制。
在本实施例中，电源开关电路4和时钟电路5是非常省电的，一般来说，在网关内内置一块纽扣电池就可以供电源开关电路4和时钟电路5工作至少一年。
更为具体来说，当电源输入端2断电时，所述的操作步骤为：
步骤S11：当电源输入端断电时，所述的充放电电路7切换至电池1供电并生成断电信号发送至电源开关电路4和控制器3；
当电源输入端2在有电的情况下电源输入端2是处于高电平状态，一旦电源输入端2 断电，此时电源输入端2为低电平，充放电电路7接收到的电信号由高电平变为低电平，此时充放电电路7启动电池1供电；并且会自动的将这一情况以断电信号的方式发送给控制器3和电源开关电路4。
步骤S12：控制器3收到断电信号后生成时钟指令发送给时钟电路5；
控制器3生成时钟指令时，根据预先设置的规则生成时钟指令。
需要说明的是，本时钟指令仅拥有供时钟电路5进行单次计时，当时钟电路5根据时钟指令工作过一次之后需要控制器3再次进行时钟指令的配置。
那么在本实施例中，时钟指令需要在每次控制器3上电时按照预设的规则生成。
步骤S13：电源开关电路4根据断电信号停止向控制器3和功能电路6供电；
步骤S14：所述的时钟电路5根据时钟指令在设定的时间点向电源开关电路4发送送电信号；
时钟电路5实际上就是一个计时电路，该计时电路根据时钟指令在规定的时间使电源开关电路4工作。
步骤S15：所述的电源开关电路4根据送电信号在预设的时间向控制器3和功能电路 6供电和停止供电；
本实施例中，电源开关电路4从开始供电到供电结束一般来说是使功能电路6完成一次数据采集和传输所需要的时间。
步骤S16：所述的控制器3上电后生成时钟指令并发送给时钟电路5；
重复步骤14-16，直至电源输入端2恢复供电。
当电源输入端2恢复供电后，所述的电源开关电路4持续性的向控制器3和功能电路 6供电；所述的充放电电路7向控制器5、电源开关电路4发送供电恢复信号，所述的控制器3根据供电恢复信号停止向时钟电路5发送时钟指令；所述的电源开关电路4持续性的向控制器3和功能电路6供电。此时，时钟电路5会停止工作，电源开关电路4一旦接收到供电恢复信号就会进行持续性供电，同时，不再受时钟电路5的控制。
为了进一步优化时钟电路5的启动策略以达到更为优异的省电和延长网关工作时长的目的，所述的步骤S12和S16中控制器3设定时钟指令的方法具体为：
设置电池1供电的条件下可供选择的数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn，其中Tn＞Tn-1，T0为网关在外接电源供电的情况下的正常的数据采集时间间隔；设置断电情况下间歇性采集数据的时长Tlive；
根据电池1的最大电量Wmax，预先设置不同数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn的运行次数X0、X1……Xn-1、Xn，并根据不同数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、 Tn及其运行次数X0、X1……Xn-1、Xn计算得到不同时间节点情况下的网关的电池1的电量Wm；Tlive＝T0*X0+T1*X1……Tn-1*Xn-1+Tn*Xn；
当控制器3接收到断电信号或重新上电后，检测电池1的电量Wm，然后根据Wm的数值，决定接下来的数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn的运行次数X0、X1……Xn-1、 Xn。
以一个更为具体的例子说明，根据电池1的最大电量Wmax，预先设置不同数据采集时间间隔为10min、15min、20min……55min、60min的运行次数3次、5次、7次……20 次、25次。
经过计算，当间隔10min运行3次，间隔15min运行5次后，剩余电量理论为65％；
当实际电量为65％Wmax，则不同数据采集时间间隔为10min、15min、20min……55min、 60min的运行次数0次、0次、7次……20次、25次。
当电源开关单元检测到外接电源恢复供电时，数据采集时间间隔恢复为T0。
通过这种策略的配置，可以在可用电量内，尽可能的延长网关的工作时长。
实施例3
如图1和2，一种用于实现上述省电方法的超低功耗工业物联网网关，所述的网关内设有电池1、电源输入端2、控制器3、电源开关电路4、时钟电路5和必要的功能电路6；还包括充放电电路7，所述的电池1通过充放电电路7与电源输入端2以及电源开关电路 4电连接。
所述的电池1、电源输入端2与控制器3、功能电路6之间设置所述的电源开关电路4；所述的电源开关电路4和控制器3之间设置用于控制电源开关电路4在电池1供电的情况下何时向控制器3、功能电路6供电的时钟电路5。
在本实施例中，所述的电源开关电路4包括输入端power in、P-MOS管、输出端VCC、NPN三极管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、带使能的三态一位门电路U1。VIN/NA：外界电源停电信号(高低逻辑表示外界供电、外界停电)ON/OFF：时钟电路5输出的电源控制信号。
当VIN/NA为高电平，表示外界供电正常，POWER IN为外界电源；此时U1不使能， Q2管脚1被R3拉高，Q2导通，Q1的管脚1电压等于R2与R1的分压电压，Q1导通， VCC＝POWER IN，表示外界持续供电。
当VIN/NA为低电平，表示外界停电，POWER IN为电池1电源；此时U1使能，ON/OFF透过U1被送到Q2的管脚1：
①当ON/OFF为高电平时，Q2导通，Q1的管脚1电压等于R2与R1的分压电压， Q1导通，VCC＝POWER IN，表示电池1持续供电；
②当ON/OFF为低电平时，Q2不导通，Q1的管脚1为高电平，Q1不导通，VCC＝0，表示关闭电源。
实施例4
一种超低功耗工业物联网网关系统，包括如实施例3所述的网关以及与网关通信连接的传感器以及后台服务器。
实施例3所述的必要的功能电路6具体到本实施例中为用于向传感器获取数据的数据获取端和用于向后台服务器传输数据的通信端。控制器3用于控制所述的数据获取端和通信端。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种超低功耗工业物联网网关的省电方法，所述的网关设有电池、电源输入端、控制器和必要的功能电路，其特征在于，所述的方法具体为：当电源输入端断电时，按照预设的频率采用电池间歇性的向控制器和功能电路供电，所述的网关内设有时钟电路、充放电电路和与充放电电路相连的电源开关电路，所述的充放电电路与电池、电源输入端相连，所述的电源开关电路与控制器、功能电路相连，所述的时钟电路设置在电源开关电路和控制器之间；
当电源输入端供电时，所述的电源开关电路采用电源输入端向控制器和功能电路持续供电；
当电源输入端断电时，所述的电源开关电路根据时钟电路的时钟指令采用电池间歇性的向控制器和功能电路供电，具体包括如下步骤：
步骤S11：当电源输入端断电时，所述的充放电电路切换至电池供电并生成断电信号发送至电源开关电路和控制器；
步骤S12：控制器收到断电信号后生成时钟指令发送给时钟电路；
步骤S13：电源开关电路根据断电信号停止向控制器和功能电路供电；
步骤S14：所述的时钟电路根据时钟指令在设定的时间点向电源开关电路发送送电信号；
步骤S15：所述的电源开关电路根据送电信号在预设的时间向控制器和功能电路供电和停止供电；
步骤S16：所述的控制器上电后生成新的时钟指令并发送给时钟电路；
重复步骤14-16；
所述的时钟指令由控制器配置给时钟电路。
2.根据权利要求1所述的超低功耗工业物联网网关的省电方法，其特征在于，当电源输入端恢复供电后，所述的电源开关电路持续性的向控制器和功能电路供电。
3.根据权利要求2所述的超低功耗工业物联网网关的省电方法，其特征在于，当电源输入端恢复供电后，所述的充放电电路向控制器、电源开关电路发送供电恢复信号，所述的控制器根据供电恢复信号停止向时钟电路发送时钟指令；所述的电源开关电路持续性的向控制器和功能电路供电。
4.根据权利要求3所述的超低功耗工业物联网网关的省电方法，其特征在于，所述的步骤S12和S16中控制器设定时钟指令的方法具体为：
设置电池供电的条件下可供选择的数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn，其中Tn＞Tn-1，T0为网关在外接电源供电的情况下的正常的数据采集时间间隔；设置断电情况下间歇性采集数据的时长Tlive；
根据电池的最大电量Wmax，预先设置不同数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn的运行次数X0、X1……Xn-1、Xn，并根据不同数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn及其运行次数X0、X1……Xn-1、Xn计算得到不同时间节点情况下的网关的电池的电量Wm；Tlive=T0*X0+T1*X1……Tn-1*Xn-1+Tn*Xn；
当控制器接收到断电信号或重新上电后，检测电池的电量Wm，然后根据Wm的数值，决定接下来的数据采集时间间隔T0、T1、……Tn-1、Tn的运行次数X0、X1……Xn-1、Xn。
5.根据权利要求4所述的超低功耗工业物联网网关的省电方法，其特征在于，当电源开关单元检测到外接电源恢复供电时，数据采集时间间隔恢复为T0。
6.一种用于实现权利要求1-5任一所述的方法的超低功耗工业物联网网关，其特征在于，所述的网关内设有电池、电源输入端、控制器、电源开关电路、时钟电路和必要的功能电路；
所述的电池、电源输入端与控制器、功能电路之间设置所述的电源开关电路；所述的电源开关电路和控制器之间设置用于控制电源开关电路在电池供电的情况下何时向控制器、功能电路供电的时钟电路。
7.根据权利要求6所述的超低功耗工业物联网网关，其特征在于，还包括充放电电路，所述的电池通过充放电电路与电源输入端以及电源开关电路电连接。
8.一种超低功耗工业物联网网关系统，其特征在于，包括如权利要求6或7所述的网关以及与网关通信连接的传感器以及后台服务器。
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