CN109471036A - 一种传感器网络节点电池评估和预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器网络节点电池评估和预警方法，该方法首先对传感器的电量消耗进行计算，之后，建立传感器所使用电池电量的评估模型，基于对传感器的电量消耗计算方法和传感器所使用电池电量评估模型基础上，建立无线传感器网络电池工作寿命评估及预警算法，对正在使用的传感器用电状态做实时监测及预警。通过本发明的传感器网络节点电池评估和预警方法，可使得用户能够实时准确的掌握到传感器网络节点的工作寿命，同时，可以实时监测到传感器网络节点的电池或电源相关电路是否存在问题，及早做好传感器节点运维工作。

Description

一种传感器网络节点电池评估和预警方法

技术领域

本发明涉及物联网设备功耗监控领域，特别涉及一种无线传感器网络节点电池评估和预警方法。

背景技术

锂亚酰氯电池具有高比能量和长贮存寿命的优点，广泛应用于无线传感器网络节点。目前，在监测领域，大部分无线传感器节点或仪器仪表都使用锂亚酰氯电池供电。

无线传感器网络节点具有分布环境复杂，节点数量庞大的特点，使得在大部分应用环境中，人员不方便到达。而无线传感器节点的电量消耗和电源性能直接影响着无线传感器网络的应用前景。

无线传感器节点工作寿命几乎取决于其自身的电量消耗和所使用的电池性能。在传感器网络工作过程中，准确的评估出无线传感器节点耗电状态信息，可以让系统应用人员及时了解到各无线传感器节点电池状态及可使用时间等，及时做好后期运维，同时，可以对电池进行充分利用，减少电池电量浪费。在一些控制领域，如果无法准确预知无线传感器网络节点可工作时间，造成大量传感器节点突然关机，将会造成重大事故。

目前，有针对可充电电池进行判断的方法和设备，但是尚未有针对使用一次性干电池的无线传感器节点电池使用状态进行检测的方法。目前，常见的无线传感器节点电池判断方法大多都是一个故障报警模式，当电池电压低于一定阈值时，发出报警信息，但无法实时掌握传感器节点电量使用情况及预估可使用时间等。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种传感器网络节点电池评估和预警方法，以实时准确的掌握到传感器网络节点的工作寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种传感器网络节点电池评估和预警方法，包括：

步骤1、在传感器网络节点开机后，在所述传感器网络节点中的传感器第一次发生最大脉冲电流后，采集所述传感器网络节点的电池的恢复输出电压，根据电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量；

步骤2、根据第一级电压预警值确定第一采集时间间隔，并按照所述第一采集时间间隔采集所述电池的输出电压，根据所述电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量，获得所述传感器的已消耗电量；

步骤3、当所采集的所述电池的输出电压降低至小于等于所述第一级电压预警值并且大于第二级电压预警值时：发出一级报警提示，根据所述第一级电压预警值和所述第二级电压预警值确定第二采集时间间隔，并按照所述第二采集时间间隔采集所述电池的输出电压，根据所述电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量，获得所述传感器的已消耗电量，预估并输出所述传感器的可工作时长；

步骤4、当所采集的所述电池的输出电压降低至小于等于所述第二级电压预警值并且大于极限电压预警值时：发出二级报警提示，根据所述第二级电压预警值和所述极限电压预警值确定第三采集时间间隔，并按照所述第三采集时间间隔采集所述电池的输出电压，根据所述电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量，获得所述传感器的已消耗电量，预估并输出所述传感器的可工作时长；

步骤5、当所采集的所述电池的输出电压降低至小于等于所述极限电压预警值时，对所述传感器网络节点实施关机操作。

进一步，所述方法还包括：

根据所述电池的已使用电量和所述传感器的已消耗电量，评估所述电池是否自放电过快，当评估结果为所述电池自放电过快时，发出所述电池自放电过快的报警提示。

进一步，在步骤1中，在所述传感器网络节点中的传感器第一次发生最大脉冲电流后，采集所述传感器网络节点的电池的恢复输出电压，包括：

当发生最大脉冲电流时，所述电池的输出电压降低并从低点恢复，在所述电池的输出电压从低点开始恢复预定时间长度时，采集所述电池的输出电压作为所述电池的恢复输出电压。

进一步，所述电池输出电压和电量关系曲线通过如下方法获得：

步骤a1、在所述传感器处于正常工作过程中，通过测量获得所述传感器产生最大脉冲工作电流状态时的最大电流I_max和最大电流持续时间T_I，并通过测量获得所述传感器维持正常工作的最低工作电压V_min；

步骤a2、采用所述最大电流I_max对样本电池进行脉冲放电，每次脉冲持续时间为所述最大电流持续时间T_I，并通过测量获得所述样本电池在每次脉冲放电后的恢复输出电压、所述样本电池在每次脉冲放电后的已使用电量，直到所述样本电池的电压降至所述传感器维持正常工作的最低工作电压V_min，从而获得所述样本电池的电池输出电压和电量关系曲线；

步骤a3、分别对多组样本电池执行步骤a2的操作，以获得所述多组样本电池的电池输出电压和电量关系曲线，通过最小二乘法对所述多组样本电池的电池输出电压和电量关系曲线进行拟合，从而获得所述电池输出电压和电量关系曲线。

进一步，在步骤a2中，所述样本电池在每次脉冲放电后的恢复输出电压通过如下方法获得：

当发生最大脉冲电流时，所述样本电池的输出电压降低并从低点恢复，在所述样本电池的输出电压从低点开始恢复预定时间长度时，采集所述样本电池的输出电压作为所述样本电池在脉冲放电后的恢复输出电压。

进一步，步骤2中，所述第一采集时间间隔为：

S₁＝Q_F/(I_P×R₁)

步骤3中，所述第二采集时间间隔为：

S₂＝(Q_L-Q_F)/(I_P×R₂)

步骤4中，所述第三采集时间间隔为：

S₃＝(Q_min-Q_L)/(I_P×R₃)

其中，S₁为所述第一采集时间间隔，S₂为所述第二采集时间间隔，S₃为所述第三采集时间间隔，Q_F为所述第一级电压预警值对应的所述电池的电量，Q_L为所述第二级电压预警值对应的所述电池的电量，Q_min为所述传感器维持正常工作的最低工作电压时对应的所述电池的已使用电量，I_P为所述传感器网络节点处于正常工作状态时的平均工作电流，R₁、R₂、R₃均为采样控制因子。

进一步，所述传感器的已消耗电量通过下式获得：

其中，W为所述传感器的已消耗电量，X_i为所述传感器执行一次第i工作模式所消耗的电量，H_i为所述第i工作模式发生的次数，q为所述传感器的工作模式的种数，T₂为所述传感器的已工作时长，t_i为执行一次第i工作模式所持续的时长，T₁为对所述传感器执行电量消耗测试的总时长；W₀为对所述传感器持续休眠T₁时长所消耗的电量。

进一步，所述传感器的工作模式包括：

数据采集模式、数据采集并发送模式。

进一步，所述传感器的可工作时长通过下式预估：

t_R＝(Q_min-Q_t)/I_P

其中，t_R为所述传感器的可工作时长，Q_min为所述传感器维持正常工作的最低工作电压时对应的所述电池的已使用电量，Q_t为所述电池的已使用电量，I_P为所述传感器网络节点处于正常工作状态时的平均工作电流。

进一步，根据所述电池的已使用电量和所述传感器的已消耗电量，评估所述电池是否自放电过快，包括：

根据下式获取所述电池的自放电电量百分比：

k＝[(Q_t-W)/Q_t]×100％

其中，k为所述电池的自放电电量百分比，Q_t为所述电池的已使用电量，W为所述传感器的已消耗电量；

设置所述电池的自放电电量百分比阈值K，并将k与K进行比较，当k＞K时，将评估结果设为所述电池自放电过快。

从上述方案可以看出，通过本发明的传感器网络节点电池评估和预警方法，可使得用户能够实时准确的掌握到传感器网络节点的工作寿命，同时，可以实时监测到传感器网络节点的电池或电源相关电路是否存在问题，及早做好传感器节点运维工作。

附图说明

图1为本发明实施例的传感器网络节点电池评估和预警方法流程图；

图2为本发明实施例中通过最小二乘法拟合出的电池放电曲线图；

图3为在图2基础上标注出预警电压值的电池放电曲线图；

图4为本发明实施例中传感器发生最大脉冲电流后的电压变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例的传感器网络节点电池评估和预警方法，包括：

步骤1、在传感器网络节点开机后，在传感器网络节点中的传感器第一次发生最大脉冲电流后，采集传感器网络节点的电池的恢复输出电压，根据电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出电池的剩余电量；

步骤2、根据第一级电压预警值确定第一采集时间间隔，并按照第一采集时间间隔采集电池的输出电压，根据电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出电池的剩余电量，获得传感器的已消耗电量；

步骤3、当所采集的电池的输出电压降低至小于等于第一级电压预警值并且大于第二级电压预警值时：发出一级报警提示，根据第一级电压预警值和第二级电压预警值确定第二采集时间间隔，并按照第二采集时间间隔采集电池的输出电压，根据电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出电池的剩余电量，获得传感器的已消耗电量，预估并输出传感器的可工作时长；

步骤4、当所采集的电池的输出电压降低至小于等于第二级电压预警值并且大于极限电压预警值时：发出二级报警提示，根据第二级电压预警值和极限电压预警值确定第三采集时间间隔，并按照第三采集时间间隔采集电池的输出电压，根据电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出电池的剩余电量，获得传感器的已消耗电量，预估并输出传感器的可工作时长；

步骤5、当所采集的电池的输出电压降低至小于等于极限电压预警值时，对传感器网络节点实施关机操作。

进一步地，在一个具体实施例中，该方法还包括：

根据电池的已使用电量和传感器的已消耗电量，评估电池是否自放电过快，当评估结果为电池自放电过快时，发出电池自放电过快的报警提示。

在一个具体实施例中，步骤1中，在传感器网络节点中的传感器第一次发生最大脉冲电流后，采集传感器网络节点的电池的恢复输出电压，包括：

当发生最大脉冲电流时，所述电池的输出电压降低并从低点恢复，在所述电池的输出电压从低点开始恢复预定时间长度时，采集电池的输出电压作为电池的恢复输出电压。

在一个具体实施例中，预定时间长度为10秒。

在一个具体实施例中，电池输出电压和电量关系曲线通过如下方法获得：

步骤a1、在传感器处于正常工作过程中，通过测量获得传感器产生最大脉冲工作电流状态时的最大电流I_max和最大电流持续时间T_I，并通过测量获得传感器维持正常工作的最低工作电压V_min；

步骤a2、采用最大电流I_max对样本电池进行脉冲放电，每次脉冲持续时间为最大电流持续时间T_I，并通过测量获得样本电池在每次脉冲放电后的恢复输出电压、样本电池在每次脉冲放电后的已使用电量，直到样本电池的电压降至传感器维持正常工作的最低工作电压V_min，从而获得样本电池的电池输出电压和电量关系曲线；

步骤a3、分别对多组样本电池执行步骤a2的操作，以获得多组样本电池的电池输出电压和电量关系曲线，通过最小二乘法对多组样本电池的电池输出电压和电量关系曲线进行拟合，从而获得电池输出电压和电量关系曲线。

在一个具体实施例中，步骤a2中，样本电池在每次脉冲放电后的恢复输出电压通过如下方法获得：

当发生最大脉冲电流时，样本电池的输出电压降低并从低点恢复，在样本电池的输出电压从低点开始恢复预定时间长度时，采集样本电池的输出电压作为样本电池在脉冲放电后的恢复输出电压。

在一个具体实施例中，步骤2中，第一采集时间间隔为：

S₁＝Q_F/(I_P×R₁)

步骤3中，第二采集时间间隔为：

S₂＝(Q_L-Q_F)/(I_P×R₂)

步骤4中，第三采集时间间隔为：

S₃＝(Q_min-Q_L)/(I_P×R₃)

其中，S₁为第一采集时间间隔，S₂为第二采集时间间隔，S₃为第三采集时间间隔，Q_F为第一级电压预警值对应的电池的电量，Q_L为第二级电压预警值对应的电池的电量，Q_min为传感器维持正常工作的最低工作电压对应的电池的已使用电量，I_P为传感器网络节点处于正常工作状态时的平均工作电流，R₁、R₂、R₃均为采样控制因子。

其中，I_P是一个经验参数，可以通过对传感器在一段时间内的实验获得I_P的值。

在一个具体实施例中，传感器的已消耗电量通过下式获得：

其中，W为传感器的已消耗电量，X_i为传感器执行一次第i工作模式所消耗的电量，H_i为第i工作模式发生的次数，q为传感器的工作模式的种数，T₂为传感器的已工作时长，t_i为执行一次第i工作模式所持续的时长，T₁为对传感器执行电量测试的总时长；W₀为对传感器执行电量消耗测试过程中，传感器持续休眠T₁时长所消耗的电量。

在一个具体实施例中，传感器的工作模式包括数据采集模式、数据采集并发送模式。

在一个具体实施例中，传感器的可工作时长通过下式预估：

t_R＝(Q_min-Q_t)/I_P

其中，t_R为传感器的可工作时长，Q_min为电池输出电压和电量关系曲线中的传感器维持正常工作的最低工作电压时对应的电池的已使用电量，Q_t为电池的已使用电量，I_P为传感器网络节点处于正常工作状态时的平均工作电流。

在一个具体实施例中，根据电池的已使用电量和传感器的已消耗电量，评估电池是否自放电过快，包括：

根据下式获取电池的自放电电量百分比：

k＝[(Q_t-W)/Q_t]×100％

其中，k为电池的自放电电量百分比，Q_t为电池的已使用电量，W为传感器的已消耗电量；

设置电池的自放电电量百分比阈值K，并将k与K进行比较，当k＞K时，将评估结果设为电池自放电过快。

本发明实施例中，电池为锂亚酰氯电池。

以下结合附图对本发明实施例进行进一步说明。

本发明实施例，首先对传感器电量进行计算，之后，建立传感器所使用电池电量的评估模型，基于对传感器的电量消耗计算方法和传感器所使用电池电量评估模型的基础上，建立无线传感器网络电池工作寿命评估及预警算法，对正在使用的传感器用电状态做实时监测及预警。

传感器的电量消耗计算方法：使用高精度功耗测试仪对传感器各种工作状态的功耗做测量，通过状态差值处理算法，计算出传感器每个状态所使用的电能，在传感器正常工作时，不增加额外电路情况下，直接在节点处理器内统计传感器已经发生的状态，通过传感器的电量消耗计算方法，计算出传感器已经消耗的电量。

电池电量评估方法：使用高精度功耗测试仪，对传感器各种工作状态做测试，测量计算出传感器在正常工作时的最大脉冲电流、脉冲时间长度和最低工作电压；使用高精度电池参数测试仪，按上述所测的最大脉冲电流和脉冲时间对电池进行放电，并测试出其放电参数，通过放电参数，建立放电参数与电池电量数学模型。

在传感器工作过程中，依据传感器已经消耗的电能及电池的电参数与电量之间的数学模型，建立无线传感器网络节点的电池工作寿命评估及预警方法，对传感器节点已经消耗的电能、剩余电池电量、还可工作时间进行实时监测。该预警方法提供两个级别的预警，当电池电压达到第一预警值(即第一级电压预警值)时，电池电量大部分已经使用完，而且，随着电池继续放电，电池电压会加速下降，传感器电池可工作时间不多，同时，在该状态下，传感器自动缩短电池参数采集间隔时间，以便及时监测到电池状态。当电池电压达到第二预警值(第二级电压预警值)时，电池即将没电，传感器再次缩短电池状态监测周期，同时发出报警信息，及时提示用户。在此过程中，上位机系统依据接收到的传感器已经消耗的电量和电池已经放电电量来评估出电池的自放电状态。当电池自放电超过一定阈值(即自放电电量百分比阈值)时，则说明电池自身有问题，或者传感器电池存在电流泄漏等现象，及时发出报警提示。

(1)传感器的电量消耗计算方法

状态差值处理算法：

设，测试时，测试时长为T₁。

设，在测试的时长T₁内：

第一步：

传感器不发生任何高耗电模式，处于休眠模式时，测得传感器消耗的电量为W₀。

第二步：

设，每发生一次第一工作模式，传感器消耗的电量为X₁，每次第一工作模式持续时间为t₁。

设，在T₁时间内，传感器第一回发生C次第一工作模式时，测得传感器消耗的电量为W1_C1，传感器第二回发生C次第一工作模式时，测得传感器消耗的电量为W1_C2，传感器第M1回发生C次第一工作模式时，测得传感器消耗的电量为W1_CM1，则每回测量传感器的消耗电量为W1_Ci(i＝1,2,…,M1)，则，在T₁时长内，传感器发生C次第一工作模式时，传感器消耗的电量为：

其中，对传感器消耗电量测量M1回中的每一回，都是测量传感器发生C次第一工作模式时的传感器的消耗电量。

第三步：

设，每发生一次第二工作模式，传感器消耗的电量为X₂，每次第二工作模式持续时间为t₂。

设，在T₁时长内，传感器第一回发生D次第二工作模式时，测得传感器消耗的电量为W2_D1，传感器第二回发生D次第二工作模式时，测得传感器消耗的电量为W2_D2，传感器第M2回发生D次第一工作模式时，测得传感器消耗的电量为W1_DM2，则每回测量传感器的消耗的电量为W2_Di(i＝1,2,…,M2)，则，在T₁时长内，传感器发生D次第二工作模式时，传感器消耗的电量为：

其中，对传感器消耗电量测量M2回中的每一回，都是测量传感器发生D次第二工作模式时的传感器的消耗电量。

依次类推：

设，每发生一次第q工作模式时，传感器消耗的电量为X_q，每次第q工作模式持续时间为t_q。

设，在T₁时长内，传感器第一回发生E次第q工作模式，测得传感器消耗的电量为Wq_E1，传感器第二回发生E次第q工作模式，测得传感器消耗的电量为Wq_E2，传感器第M3回发生E次第一工作模式，测得传感器消耗的电量为Wq_EM3，每次测量传感器的消耗的电量为Wq_Ei(i＝1,2,…,M3)，则，在T₁时长内，传感器发生E次第q工作模式时，传感器消耗的电量为：

其中，对传感器消耗的电量测量M3回中的每一回，都是测量传感器发生E次第q工作模式时的传感器的消耗的电量。

通过上述公式便可获得传感器的所有工作模式的消耗的电量。

上述关于获得W1至Wq的过程，实际上是通过多次进行测量并取平均值的结果，这样做能够得到较为可靠准确的结果。

由下式：

W1＝X₁×C+(T₁-C×t₁)×W₀/T₁

W2＝X₂×D+(T₁-D×t₂)×W₀/T₁

……

Wq＝X_q×E+(T₁-E×t_q)×W₀/T₁

可获得：

X₁＝[W1-(T₁-C×t₁)×W₀/T₁]/C

X₂＝[W2-(T₁-D×t₂)×W₀/T₁]/D

……

X_q＝[Wq-(T₁-E×t_q)×W₀/T₁]/E

工作中的传感器消耗的电量计算：

设，传感器已经工作时间为T₂，已经发生工作模式有1至q种工作模式，每种工作模式发生次数为H_i(i为从1到q任意自然数)。

则，传感器已经消耗的电量W为：

W＝X₁×H₁+X₂×H₂+...+X_q×H_q+[T₂-(H₁×t₁+H₂×t₂+...+H_q×t_q)]×W₀/T₁

通过状态差值处理算法，能够比较准确的计算出传感器每种状态的电量消耗，比人工进行测量单次状态的电量消耗误差低。

(2)电池电量评估方法

第一步：

传感器在正常工作过程中，测得产生最大脉冲工作电流状态时的电流为I_max，最大脉冲电流持续时间为T_I，传感器能正常工作时，最低电压为V_min。

第二步：

使用高精度功耗测试仪，对传感器使用的锂亚酰氯电池进行脉冲放电，脉冲电流为I_max，每次脉冲持续时间为T_I。

说明：通过对锂亚酰氯电池放电特性的调研及实际测试，可知，锂亚酰氯电池存在以下特性：电池电压在电池使用前期，每次产生脉冲电流后，电压都有微小的减低，但能快速恢复到和产生脉冲前差不多电压；电池电压在电池使用后期，每次产生脉冲电流后，电压都有较大的减低，但经过一段时间后能恢复到和产生脉冲前差不多电压。

第三步：

设，每次以脉冲电流I_max进行放电前，测得电池输出电压为V_x，放电后，最低电压为V_y，从最低电压开始，恢复时间t_I秒后，测得电池恢复输出电压为V_zi。

说明：锂亚酰氯电池电量是以恒流放电至电压降低到2V时的电量，设被测电池标称电量为Q。

对传感器所使用的新电池按I_max电流T_I秒种脉冲放电，放电后恢复t_I秒(例如10秒)时测得电池恢复输出电压V_zi与放电电量百分比之间的关系，其中放电电量百分比为已经测量的放电电量Q_t与电池标称电量为Q百分比。

进一步，对多组电池样本测量，通过最小二乘法拟合出电池放电后恢复t_I秒时测得恢复输出电压为V_zi与放电电量百分比之间的关系，即电池放电曲线图，如图2所示，其中放电电量百分比为已经测量的放电电量Q_t与电池标称电量为Q百分比。图2中横轴为电池的放电电量百分比。

(3)传感器节点电池电量预警

设，传感器节点处于正常工作状态时，平均工作电流为I_P，单位为毫安(mA)。

由前述可知，传感器节点能够正常工作时的最低电压阈值为最低电压为V_min。

由前述可知，当传感器电池脉冲恢复电压降低到一定值时，电池电压恢复能力降低。

设，在传感器工作过程中，第一级预警电压值为V_F，第二级预警电压值为V_L，依据图2的电池放电曲线图，设，当监测到电压为V_F时，电池已经消耗电量为Q_F，当监测到电压为V_L时，已经消耗的电量为Q_L，当监测到电压为V_min时，已经消耗的电量为Q_min，如图3所示。

电压采集间隔确定：

设，在监测到电池电压V_zi>V_F，传感器按固定间隔时间采集电池电压，采集间隔为：Q_F/(I_P×R₁)；在监测到电池电压V_L<V_zi≤V_F时，传感器按固定时间间隔采集电池电压，采集间隔为：(Q_L-Q_F)/(I_P×R₂)；在监测到电池电压V_L≥V_zi时，传感器按固定时间间隔采集电池电压，采集间隔为：(Q_min-Q_L)/(I_P×R₃)；其中，R₁、R₂和R₃为采样控制因子。

传感器可工作时间预估方法：

设，在监测传感器电池过程中，通过监测到电压值与电池放电曲线对比，得出当前电池已经使用的电量Q_t，用Q_min减去Q_t既就是剩余的电池电量。

设传感器可使用工作时间为t_R，则t_R＝(Q_min-Q_t)/I_P，I_P为平均工作电流。

电池自放电阈值评估：

按能量守恒原理：传感器消耗的电量+电池自放电电量＝电池已放电电量。

则，电池自放电电量＝电池已放电电量-传感器消耗的电量。

设，电池自放阈值为K，则满足[(Q_t-W)/Q_t]×100％≤K时，表示电池自放电正常。当[(Q_t-W)/Q_t]×100％＞K时，表示电池自放电过快。

传感器节点电池电量监测及预警方法：

传感器节点电池电量监测及预警方法包括两种模式，第一种是传感器网络节点直接通过对电池参数的监测，实现实时预警；第二种是，上位机通过传感器网络节点实时监测的传感器耗电及电池状态参数，对电池工作状态做二次评估及预警。

一、传感器节点内对电池电量监测及预警步骤

无线传感器网络节点开机，按正常工作模式进行工作；

开机后，在传感器第一次发生最大脉冲电流状态时，传感器网络节点中的处理器通过ADC电路对电池输出端电压进行采集。

进一步：当发生最大脉冲电流状态时，最大脉冲电流将维持T_I秒钟后，电压从最低点开始恢复，恢复t_I秒时间后，电压恢复到V_zi。ADC电路采集从最到持续t_I秒后的电压变化波形，传感器处理器读取电压波形中从最低点开始t_I秒时刻的电压，该电压即就是V_zi，如图4所示。

依据图4所示的电池放电曲线和已经监测到的电池电压V_zi，判断出当前电池已经放电的电池电量Q_t，则剩余电池电量百分比为：[1-(Q_t/Q)]×100％。将剩余电池电量百分比发送至监控主机。

之后，按Q_F/(I_P×R₁)间隔，对电池电压V_zi进行实时监测，监测出剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％；通过传感器的电量消耗计算方法，计算出传感器实际消耗的电量W。

同时，将监测的传感器实际耗电量W，剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％实时发送至监控主机。

当监测的电池电压V_zi小于等于V_F并大于V_L时，按(Q_L-Q_F)/(I_P×R₂)间隔对电池电压V_zi进行实时监测，监测出剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％；通过传感器的电量消耗计算方法，计算出传感器实际消耗的电量W；通过传感器可工作时间预估方法，预估出传感器可工作的时间t_R＝(Q-Q_t)/I_P。

同时，发出一级报警提示，将监测的传感器实际耗电量W，剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％，传感器可工作时间t_R实时发送至监控主机。

当监测的电池电压V_zi小于等于V_L时，按(Q_min-Q_L)/(I_P×R₃)间隔对电池电压V_zi进行实时监测，监测出剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％；通过传感器的电量消耗计算方法，计算出传感器实际消耗的电量W；通过传感器可工作时间预估方法，预估出传感器可工作的时间t_R＝(Q-Q_t)/I_P。

同时，发出二级报警提示，并将监测的传感器实际耗电量W，剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％，t_R实时发送至监控主机。

当监测的电池电压V_zi小于等于V_min时，无线传感器已经不能正常工作，传感器启动关机程序，传感器关机。

二、上位机对传感器电池二次安全评估

在传感器节点内对电池电量监测及预警步骤中，已经实时将传感器已经消耗的电量、传感器剩余电量百分比及传感器可工作时间信息发送至监控主机。

按能量守恒原理：

传感器消耗的电量+电池自放电电量＝电池已放电电量。

则

电池自放电电量＝电池已放电电量-传感器消耗的电量。

设，电池自放阈值为K，则，[(Q_t-W)/Q_t]×100％≤K表示电池自放电正常。

当上位机依据上述公式计算出[(Q_t-W)/Q_t]×100％＞K时，则说明电池自放电过快，电池存在问题，上位机系统发出报警提示。

以下以锂亚硫酰氯电池ER34615H为例，对上述传感器网络节点电池评估和预警方法实施例再次进行说明。

(1)传感器的电量消耗计算方法

状态差值处理算法：

设，实验时，测试时间为T_I＝30min(分钟)。

设，在测试的时间T_I内：

第一步：

传感器不发生任何高耗电模式，处于休眠模式时，测得传感器消耗的电量为W₀。

第二步：

设，每发生一次第一工作模式，传感器消耗的电量为X₁，每次第一工作模式持续时间为t₁。

设，在T₁时长内，传感器第一回发生C(C＝5)次第一工作模式时，测得传感器消耗的电量为W1_C1，传感器第二回发生C(C＝5)次第一工作模式，测得传感器消耗的电量为W1_C2，传感器第三回发生C次第一工作模式，测得传感器消耗的电量为W1_C3，则每回测量传感器所消耗的电量为W1_Ci(i＝1,2,3)，则，在T₁时间内，传感器发生C(C＝5)次第一工作模式时，传感器消耗的电量为：

第三步：

设，每发送一次第二工作模式(该第二工作模式为采集并发送数据)，传感器消耗的电量为X₂，每次第二工作模式持续时间为t₂。

设，在T₁时长内，传感器第一回发生D(D＝5)次第二工作模式时，测得传感器消耗的电量为W2_D1，传感器第二回发生D(D＝5)次第二工作模式时，测得传感器消耗的电量为W2_D2，传感器第三回发生D次第一工作模式时，测得传感器消耗的电量为W2_D3，则每次测量消耗的电量为W2_Di(i＝1,2,3)，则，在T₁时间内，传感器发生D(D＝5)次第二工作模式时，传感器消耗的电量为：

本实例中，传感器仅有以上两种工作模式。

则由下式：

W1＝X₁×5+(T₁-5×t₁)×W₀/T₁

W2＝X₂×5+(T₁-5×t₂)×W₀/T₁

可获得：

X₁＝[W1-(T₁-5×t₁)×W₀/T₁]/5

X₂＝[W2-(T₁-5×t₂)×W₀/T₁]/5

工作中传感器消耗的电量计算：

设，传感器已经工作时间为T₂(T₂＝60min)，已经发生工作模式有两种，发生第一工作模式的次数H₁＝12，发生第二工作模式的次数H₂＝3。

则，传感器已经消耗的电量W为：

W＝X₁×12+X₂×3+[T₂-(12×t₁+3×t₂)]×W₀/T₁。

通过状态差值处理算法，比较准确的计算出了传感器每种状态的电量消耗，比人为的进行测量单次状态的电量消耗误差低。

(2)电池电量评估方法

第一步：

传感器在正常工作过程中，测得产生最大脉冲工作电流状态时的电流为I_max，最大脉冲电流持续时间为T_I，传感器能正常工作时，最低电压为V_min。

本实例中，在传感器采集数据时，ADC电路启动中，产生最大脉冲电流I_max＝230mA，持续时间T_I＝2.8ms(毫秒)，最低工作电压V_min＝2.5V。

第二步：

使用高精度功耗测试仪，对传感器使用的锂亚酰氯电池进行脉冲放电，脉冲电流为I_max，每次脉冲持续时间为T_I。

说明：通过对锂亚酰氯电池放电特性的调研及实际测试，可知，锂亚酰氯电池存在以下特性：电池电压在电池使用前期，每次产生脉冲电流后，电压都有微小的减低，但能快速恢复到和产生脉冲前差不多电压；电池电压在电池使用后期，每次产生脉冲电流后，电压都有较大的减低，但经过一段时间后能恢复到和产生脉冲前差不多电压。

第三步：

设，每次以脉冲电流I_max进行放电前，测得电池电压为V_x，放电后，最低电压为V_y，从最低电压开始，恢复时间t_I秒后，测得恢复电压为V_zi。

说明：锂亚酰氯电池电量是以恒流放电至电压降低到2V时的电量，设被测电池标称电量为Q。

对传感器所使用的新电池按I_max电流T_I秒种脉冲放电，放电后恢复t_I秒(例如10秒)时测得恢复电压V_zi与放电电量百分比之间的关系，其中放电电量百分比为已经测量的放电量Q_t与电池标称电量为Q百分比。

进一步，对多组电池样本测量，通过最小二乘法拟合出电池放电后恢复t_I秒时测得恢复电压为V_zi与已经测量的放电量Q_t与放电电量百分比之间的关系，即电池放电曲线图，如图2所示，其中放电电量百分比为已经测量的放电量Q_t与电池标称电量为Q百分比。

本实例中，电池标称电量Q＝19000mAh(毫安时)。

(3)传感器节点电池电量预警

设，传感器节点处于正常工作状态时，平均工作电流为I_P，单位为毫安(mA)。

由前述可知，传感器节点能够正常工作时的最低电压阈值为最低电压为V_min。

由前述可知，当传感器电池脉冲恢复电压降低到一定值时，电池电压恢复能力降低。

设，在传感器工作过程中，第一级预警电压值为V_F，第二级预警电压值为V_L，依据图2的电池放电曲线图，设，当监测到电压为V_F时，电池已经消耗电量为Q_F，当监测到电压为V_L时，电池已经消耗的电量为Q_L，当监测到电压为V_min时，电池已经消耗的电量为Q_min，如图3所示。

本实例中，新电池第一次测量时，电压为3.6578V，V_F设置为3.5266V，V_L设置为2.7553V，V_min＝2.5V，传感器平均工作电流为I_P＝200uA(微安)。其中，V_F、V_L的取值可参考Q_F和Q_L，例如，可在(Q_F/Q)×100％的值在60～65％时取对应于Q_F的V_F，可在(Q_L/Q)×100％的值在90％左右时取对应于Q_L的V_L。

设，在监测到电池电压V_zi>V_F，传感器按固定间隔时间采集电池电压，采集间隔为：Q_F/(I_P×R₁)；在监测到电池电压V_L<V_zi≤V_F时，传感器按固定时间间隔采集电池电压，采集间隔为：(Q_L-Q_F)/(I_P×R₂)；在监测到电池电压V_L ≥V_zi时，传感器按固定时间间隔采集电池电压，采集间隔为：(Q_min-Q_L)/(I_P×R₃)；其中，R₁、R₂和R₃为采样控制因子。

本实例中，依据建立的电池放电曲线得知：

Q_F＝19000×63％＝11970mAh；

Q_L＝19000×92％＝17480mAh；

Q_min＝19000×94％＝17860mAh；

本实例中，R₁＝83，R₂＝115，R₃＝80。

则，

Q_F/(I_P×R₁)＝11970mAh/(200uA×83)＝721.084h(约30天)；

(Q_L-Q_F)/(I_P×R₂)＝5510mAh/(200uA×115)＝239.565h(约10天)；

(Q_min-Q_L)/(I_P×R₃)＝380mAh/(200uA×80)＝23.75h(约1天)。

传感器可工作时间预估方法：

设，在监测传感器电池过程中，通过监测到电压值与电池放电曲线对比，得出当前电池已经使用的电量Q_t，用Q_min减去Q_t既就是可用的剩余电池电量。

设传感器可使用工作时间为t_R，则t_R＝(Q_min-Q_t)/I_P，I_P(I_P＝200uA)为平均工作电流。

本实例中，Q_min＝19000mAh×94％＝17860mAh，当监测到电池已经使用电量Q_t＝11000mAh时，t_R＝(Q_min-Q_t)/I_P＝(17860-11000)mAh/200uA＝34300h(大约为1429天)。

传感器节点电池电量监测及预警方法：

传感器节点电池电量监测及预警方法包括两种模式，第一种是传感器网络节点直接通过对电池参数的监测，实现实时预警；第二种是，上位机通过传感器网络节点实时监测的传感器耗电及电池状态参数，对电池工作状态做二次评估及预警。

一、传感器节点内对电池电量监测及预警步骤

本实例中，在传感器进行采集数据时，ADC电路启动中，产生最大脉冲电流I_max＝230mA，持续时间T_I＝2.8ms，最低工作电压V_min＝2.5V。

无线传感器网络节点开机，按正常工作模式进行工作；

开机后，在传感器第一次发生数据采集时，单片机记录ADC电路启动时，产生最大脉冲电流I_max＝230mA，持续时间T_I＝2.8ms后，电压从最低点开始恢复，恢复t_I秒时间后，电压恢复到V_zi，单片机记录V_zi值。

传感器依据图4所示的电池放电曲线和已经监测到的电池电压V_zi，判断出当前电池已经放电的电池电量Q_t，则剩余电池电量百分比为：[1-(Q_t/Q)]×100％。将剩余电池电量百分比发送至监控主机。

之后，按721.084h间隔，对电池电压V_zi进行实时监测，监测出剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％；通过传感器的电量消耗计算方法，计算出传感器实际消耗的电量W。

同时，将监测的传感器实际耗电量W，剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％实时发送至监控主机。

当监测的电池电压V_zi小于等于V_F并大于V_L时，按239.565h间隔对电池电压V_zi进行实时监测，监测出剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％；通过传感器的电量消耗计算方法，计算出传感器实际消耗的电量W；通过传感器可工作时间预估方法，预估出传感器可工作的时间t_R＝(Q-Q_t)/I_P。

同时，发出一级报警提示，将监测的传感器实际耗电量W，剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％，传感器可工作时间t_R实时发送至监控主机。

当监测的电池电压V_zi小于等于V_L时，按23.75h间隔对电池电压V_zi进行实时监测，监测出剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％；通过传感器的电量消耗计算方法，计算出传感器实际消耗的电量W；通过传感器可工作时间预估方法，预估出传感器可工作的时间t_R＝(Q-Q_t)/I_P。

同时，发出二级报警提示，并将监测的传感器实际耗电量W，剩余电池电量百分比[1-(Q_t/Q)]×100％，t_R实时发送至监控主机。

当监测的电池电压V_zi小于等于V_min时，无线传感器已经不能正常工作，传感器启动关机程序，传感器关机。

二、上位机对传感器电池二次安全评估

在传感器节点内对电池电量监测及预警步骤中，已经实时将传感器已经消耗的电量、传感器剩余电量百分比及传感器可工作时间信息发送至监控主机。

按能量守恒原理：

传感器消耗的电量+电池自放电电量＝电池已放电电量。

则

电池自放电电量＝电池已放电电量-传感器消耗的电量。

在本实例中，电池自放阈值为2％，则满足[(Q_t-W)/Q_t]×100％≤2％时，表示电池自放电正常。

当上位机依据上述公式计算出[(Q_t-W)/Q_t]×100％>2％时，则说明电池自放电过快，电池存在问题，上位机系统发出报警提示。

通过本发明的传感器网络节点电池评估和预警方法，可使得用户能够实时准确的掌握到传感器网络节点的工作寿命，同时，可以实时监测到传感器网络节点的电池或电源相关电路是否存在问题，及早做好传感器节点运维工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种传感器网络节点电池评估和预警方法，包括：

步骤1、在传感器网络节点开机后，在所述传感器网络节点中的传感器第一次发生最大脉冲电流后，采集所述传感器网络节点的电池的恢复输出电压，根据电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量；

步骤2、根据第一级电压预警值确定第一采集时间间隔，并按照所述第一采集时间间隔采集所述电池的输出电压，根据所述电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量，获得所述传感器的已消耗电量；

步骤3、当所采集的所述电池的输出电压降低至小于等于所述第一级电压预警值并且大于第二级电压预警值时：发出一级报警提示，根据所述第一级电压预警值和所述第二级电压预警值确定第二采集时间间隔，并按照所述第二采集时间间隔采集所述电池的输出电压，根据所述电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量，获得所述传感器的已消耗电量，预估并输出所述传感器的可工作时长；

步骤4、当所采集的所述电池的输出电压降低至小于等于所述第二级电压预警值并且大于极限电压预警值时：发出二级报警提示，根据所述第二级电压预警值和所述极限电压预警值确定第三采集时间间隔，并按照所述第三采集时间间隔采集所述电池的输出电压，根据所述电池输出电压和电量关系曲线，确定并输出所述电池的剩余电量，获得所述传感器的已消耗电量，预估并输出所述传感器的可工作时长；

步骤5、当所采集的所述电池的输出电压降低至小于等于所述极限电压预警值时，对所述传感器网络节点实施关机操作。

2.根据权利要求1所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述电池的已使用电量和所述传感器的已消耗电量，评估所述电池是否自放电过快，当评估结果为所述电池自放电过快时，发出所述电池自放电过快的报警提示。

3.根据权利要求1所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于，在步骤1中，在所述传感器网络节点中的传感器第一次发生最大脉冲电流后，采集所述传感器网络节点的电池的恢复输出电压，包括：

当发生最大脉冲电流时，所述电池的输出电压降低并从低点恢复，在所述电池的输出电压从低点开始恢复预定时间长度时，采集所述电池的输出电压作为所述电池的恢复输出电压。

4.根据权利要求1所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于，所述电池输出电压和电量关系曲线通过如下方法获得：

步骤a1、在所述传感器处于正常工作过程中，通过测量获得所述传感器产生最大脉冲工作电流状态时的最大电流I_max和最大电流持续时间T_I，并通过测量获得所述传感器维持正常工作的最低工作电压V_min；

步骤a2、采用所述最大电流I_max对样本电池进行脉冲放电，每次脉冲持续时间为所述最大电流持续时间T_I，并通过测量获得所述样本电池在每次脉冲放电后的恢复输出电压、所述样本电池在每次脉冲放电后的已使用电量，直到所述样本电池的电压降至所述传感器维持正常工作的最低工作电压V_min，从而获得所述样本电池的电池输出电压和电量关系曲线；

步骤a3、分别对多组样本电池执行步骤a2的操作，以获得所述多组样本电池的电池输出电压和电量关系曲线，通过最小二乘法对所述多组样本电池的电池输出电压和电量关系曲线进行拟合，从而获得所述电池输出电压和电量关系曲线。

5.根据权利要求4所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于，在步骤a2中，所述样本电池在每次脉冲放电后的恢复输出电压通过如下方法获得：

当发生最大脉冲电流时，所述样本电池的输出电压降低并从低点恢复，在所述样本电池的输出电压从低点开始恢复预定时间长度时，采集所述样本电池的输出电压作为所述样本电池在脉冲放电后的恢复输出电压。

6.根据权利要求1所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于：

步骤2中，所述第一采集时间间隔为：

S₁＝Q_F/(I_P×R₁)

步骤3中，所述第二采集时间间隔为：

S₂＝(Q_L-Q_F)/(I_P×R₂)

步骤4中，所述第三采集时间间隔为：

S₃＝(Q_min-Q_L)/(I_P×R₃)

其中，S₁为所述第一采集时间间隔，S₂为所述第二采集时间间隔，S₃为所述第三采集时间间隔，Q_F为所述第一级电压预警值对应的所述电池的电量，Q_L为所述第二级电压预警值对应的所述电池的电量，Q_min为所述传感器维持正常工作的最低工作电压时对应的所述电池的已使用电量，I_P为所述传感器网络节点处于正常工作状态时的平均工作电流，R₁、R₂、R₃均为采样控制因子。

7.根据权利要求1所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于：

所述传感器的已消耗电量通过下式获得：

其中，W为所述传感器的已消耗电量，X_i为所述传感器执行一次第i工作模式所消耗的电量，H_i为所述第i工作模式发生的次数，q为所述传感器的工作模式的种数，T₂为所述传感器的已工作时长，t_i为执行一次第i工作模式所持续的时长，T₁为对所述传感器执行电量消耗测试的总时长；W₀为所述传感器持续休眠T₁时长所消耗的电量。

8.根据权利要求7所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于，所述传感器的工作模式包括：

数据采集模式、数据采集并发送模式。

9.根据权利要求1所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于：

所述传感器的可工作时长通过下式预估：

t_R＝(Q_min-Q_t)/I_P

其中，t_R为所述传感器的可工作时长，Q_min为所述传感器维持正常工作的最低工作电压时对应的所述电池的已使用电量，Q_t为所述电池的已使用电量，I_P为所述传感器网络节点处于正常工作状态时的平均工作电流。

10.根据权利要求2所述的传感器网络节点电池评估和预警方法，其特征在于，根据所述电池的已使用电量和所述传感器的已消耗电量，评估所述电池是否自放电过快，包括：

根据下式获取所述电池的自放电电量百分比：

k＝[(Q_t-W)/Q_t]×100％

其中，k为所述电池的自放电电量百分比，Q_t为所述电池的已使用电量，W为所述传感器的已消耗电量；

设置所述电池的自放电电量百分比阈值K，并将k与K进行比较，当k＞K时，将评估结果设为所述电池自放电过快。