CN112803532B - 一种用于有源电子标签的电源管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有源电子标签的电源管理系统及方法，该系统包括可充电电源模块、一次性电池、传感模块以及电源管理模块，所述可充电电源模块、所述一次性电池以及所述传感模块均与所述电源管理模块电连接。该系统可以根据环境温度、电源电量以及外部电源接入情况，合理的选择供电方式以及可充电电源模块的充电方式，从而满足不同环境条件下的供电需求，并通过充电方式的合理选择，保障了充电安全性、稳定性和高效性，提高了有源电子标签电源的使用寿命，并且在提高电源续航时间的同时，对有源电子标签的整体体积以及标签性能不会产生过大的影响，更适合应用环境复杂、移动多变的有源电子标签使用。

Description

一种用于有源电子标签的电源管理系统及方法

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，更具体的说是涉及一种用于有源电子标签的电源管理系统及方法。

背景技术

目前，传统的有源电子标签，采取外接电源、一次性电池或锂电池供电，适应性较差，安装环境等受到限制。外部供电的电子标签难以适应野外或移动设施的供电环境。有源电子标签待机功率一般在200-400uA，工作功率可达0.5-2A，一次性电池按电量1000mAH计算，续航时间为3-4个月，电量耗尽后需要更换，显然并不适用于野外无人值守环境使用。充电锂电池对环境温度较为敏感，在低温情况下放电性能衰减严重，影响电子标签的正常工作，如果没有外部电源及时充电，其续航时间也低于一次性电源。

为了解决上述供电问题，传统的有源电子标签为提高续航时间一般会采用如下两种方式：

1、减少功耗，但功耗降低的同时，也会导致有源电子标签的性能下降；

2、增加电池容量，电池容量增大，会导致整个有源电子标签的体积增大。

因此，如何提供一种能够兼顾续航时间、整体体积以及标签性能的电源管理系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于有源电子标签的电源管理系统及方法，解决了现有的提高有源电子标签续航时间的方法无法兼顾标签性能和电池容量的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种用于有源电子标签的电源管理系统，该系统包括：可充电电源模块、一次性电池、传感模块以及电源管理模块，所述可充电电源模块、所述一次性电池以及所述传感模块均与所述电源管理模块电连接；

所述传感模块用于采集环境温度信息，并检测各模块中端口的电压和电流数据；所述电源管理模块用于接收所述环境温度信息以及电压和电流数据，根据所述电压和电流数据，判断是否有外部电源接入，计算所述可充电电源模块的剩余电量，并根据预先设定的阈值信息、充电规则以及供电规则，控制所述可充电电源模块的充电方式，并切换至相应的供电电源，为电子标签主控模块供电。

进一步地，上述用于有源电子标签的电源管理系统还包括稳压模块，所述稳压模块与所述电源管理模块电连接，所述稳压模块用于对输入的电压进行稳压处理，并输出至电子标签主控模块。

进一步地，所述可充电电源模块包括光伏电池板、充电单元以及可充电电池，所述光伏电池板与所述充电单元电连接，所述充电单元与所述可充电电池电连接，所述可充电电池与所述电源管理模块电连接。

本发明选择光伏电池板作为可充电电池的一个充电源，光伏电池板可以在光照合适的环境给可充电电池充电，充电方式更加便捷、环保。

进一步地，所述可充电电池可以选用锂电池。锂电池是以锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池，因此这种电池也被称为锂金属电池。锂电池具有高充电密度、长寿命等优点，更适合作为有源电子标签的充电电池使用。

进一步地，所述一次性电池可以选用锂亚电池。锂亚硫酰氯电池，化学名称为Li-SOCl2，简称为锂亚电池。由于其特殊的化学特性，钝化效应，其年自放电电流小于1％，储存寿命达10年以上，所以更适合作为有源电子标签的一次性电池使用。

进一步地，所述传感模块包括温度传感器、电压传感器以及电流传感器，所述温度传感器用于实时检测环境温度信息，所述电压传感器和所述电流传感器用于实时检测各模块中端口的电压和电流数据。

另一方面，本发明还提供了一种基于上述的用于有源电子标签的电源管理系统的电源管理方法，该方法包括：

实时检测环境温度信息以及端口的电压和电流数据；

对所述电压和电流数据进行分析，判断是否有外部电源接入，一次性电池是否能够正常供电，并计算可充电电源模块的剩余电量；

将检测到的所述环境温度信息与预设的温度阈值进行比较，判断是否满足温度阈值；

根据对所述电压和电流数据的分析结果以及环境温度判断结果，控制所述可充电电源模块的充电方式，并控制为电子标签主控模块供电的供电方式。

进一步地，根据对所述电压和电流数据的分析结果以及环境温度判断结果，控制所述可充电电源模块的充电方式，具体包括：

确定所述环境温度信息是否满足预设的温度阈值，在所述环境温度信息满足预设的温度阈值时，确定是否有外部电源接入；

当有外部电源接入时，通过外部电源为所述可充电电源模块充电，并根据剩余电量判断是否充满，充满时结束充电；

当未检测到外部电源接入时，检测光伏电池板的电压，并判断是否有光伏电池板接入，当检测到有光伏电池板接入时，通过光伏电池板为可充电电池充电，并根据剩余电量判断是否充满，充满时结束充电。

进一步地，根据对所述电压和电流数据的分析结果以及环境温度判断结果，控制为电子标签主控模块供电的供电方式，具体包括：

判断是否有外部电源接入，当有外部电源接入时，直接通过外部电源为电子标签主控模块供电；

当未检测到外部电源接入时，确定所述环境温度信息是否满足预设的温度阈值，在所述环境温度信息满足预设的温度阈值时，通过所述可充电电源模块为电子标签主控模块供电；

实时判断所述可充电电源模块的剩余电量是否小于预设的电量阈值，当所述可充电电源模块的剩余电量小于预设的电量阈值时，通过所述一次性电池为电子标签主控模块供电；

当所述环境温度信息不满足预设的温度阈值时，通过所述一次性电池为电子标签主控模块供电；

实时判断所述一次性电池的供电电流是否小于预设的电流阈值，当所述一次性电池的供电电流小于预设的电流阈值时，通过所述可充电电源模块为电子标签主控模块供电。

进一步地，所述温度阈值为0℃～60℃。由于锂亚电池的环境温度适应范围为-65℃～65℃，且锂电池的工作性能对温度也较为敏感，因此需要监控环境温度，并确保在适宜温度下为锂电池充电或者选择锂电池进行供电，以避免锂电池受损，影响正常工作。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于有源电子标签的电源管理系统及方法，可以根据环境温度、电源电量以及外部电源接入情况，合理的选择供电方式以及可充电电源模块的充电方式，从而满足不同环境条件下的供电需求，并通过充电方式的合理选择，保障了充电安全性、稳定性和高效性，提高了有源电子标签电源的使用寿命，并且在提高电源续航时间的同时，对有源电子标签的整体体积以及标签性能不会产生过大的影响，更适合应用环境复杂、移动多变的有源电子标签使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种用于有源电子标签的电源管理系统的结构架构示意图；

图2为本发明实施例中充电管理策略的实现流程示意图；

图3为本发明实施例中供电管理策略的实现流程示意图。

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。

一方面，参见附图1，本发明实施例公开了一种用于有源电子标签的电源管理系统，该系统包括：可充电电源模块1、一次性电池2、传感模块3以及电源管理模块4，可充电电源模块1、一次性电池2以及传感模块3均与电源管理模块4电连接；

传感模块3用于采集环境温度信息，并检测各模块中端口的电压和电流数据；电源管理模块4用于接收环境温度信息以及电压和电流数据，根据电压和电流数据，判断是否有外部电源7接入，计算可充电电源模块1的剩余电量，并根据预先设定的阈值信息、充电规则以及供电规则，控制可充电电源模块1的充电方式，并切换至相应的供电电源，为电子标签主控模块6供电。

更优地，上述用于有源电子标签的电源管理系统还包括稳压模块5，稳压模块5与电源管理模块4电连接，稳压模块5用于对输入的电压进行稳压处理，并输出至电子标签主控模块6。稳压模块5的功能主要是为电子标签主模块6提供稳定的供电电压。

更优地，可充电电源模块1包括光伏电池板11、充电单元12以及可充电电池13，光伏电池板11与充电单元12电连接，充电单元12与可充电电池13电连接，可充电电池13与电源管理模块4电连接。

本实施例中光伏电池板11设计安装在有源电子标签的外部，能够接受到光照，在光照合适的环境给锂电池充电。

有源电子标签是指标签工作的能量由电池提供，电池、内存与天线一起构成有源电子标签，不同于被动射频的激活方式，在电池更换前需要一直通过设定频段外发信息。常见的有源电子标签工作于433M频段或2.4G工作频段。本实施例中提到的外部电源指的是有源电子标签在外部环境的稳定电源接入。

由于目前有源电子标签的使用范围日益广泛，常用于野外、物流运输等复杂多变的环境中，甚至在无人值守、低温、高温等恶劣环境中也时常应用。为了保证供电稳定性、环境适应能力满足要求，本实施例中可充电电池选用锂电池，一次性电池选用锂亚电池。

更优地，传感模块3包括温度传感器、电压传感器以及电流传感器，温度传感器用于实时检测环境温度信息，电压传感器和电流传感器用于实时检测各模块中端口的电压和电流数据。电压和电流数据的检测主要涉及外部电源端口、光伏电池板接口，由于外部电源7既可以与充电单元12连接为可充电电池13充电，又可以与电源管理模块4连接直接为电子标签主控模块6供电，所以对外部电源端口的检测，上述两方面均涵盖。

本实施例中电池管理模块4可以采用电源管理芯片，通过分析传感模块获取的外界环境温度及各端口电压、电流，计算SOC(State of Charge，电池荷电状态，也叫剩余电量)、耗电功率等，通过对温度、SOC、耗电功率的分析，判断，控制供电方式。

另一方面，本发明实施例还公开了一种基于上述的用于有源电子标签的电源管理系统的电源管理方法，该方法包括：

S1：实时检测环境温度信息以及端口的电压和电流数据；

S2：对电压和电流数据进行分析，判断是否有外部电源接入，一次性电池是否能够正常供电，并计算可充电电源模块的剩余电量；

S3：将检测到的环境温度信息与预设的温度阈值进行比较，判断是否满足温度阈值；

S4：根据对电压和电流数据的分析结果以及环境温度判断结果，控制可充电电源模块的充电方式，并控制为电子标签主控模块供电的供电方式。

根据上述方法的内容可以看出，本实施例公开的方法所涵盖的电管管理策略主要包括两方面，一方面是充电管理策略，即上述系统方案中提到的充电规则，另一方面是供电管理策略，即上述系统方案中提到的供电规则。

充电管理策略主要是利用传感模块检测到的外部电源、光伏电池端口和外界温度信息，通过数据判断是否给可充电电池充电，参见附图2，本实施例以锂电池为例进行说明，具体包括：

首先确定环境温度信息是否满足预设的温度阈值(本实施例中设定为0℃～60℃)，在环境温度信息满足预设的温度阈值时，打开锂电池充电通道，并确定是否有外部电源接入；

当有稳定的外部电源接入时，通过外部电源为可充电电源模块充电，并根据剩余电量判断是否充满，充满时结束充电；

当未检测到外部电源接入时，检测光伏电池板的电压，并判断是否有光伏电池板接入(即是否有太阳能电池电量输入)，当检测到有光伏电池板接入时，通过光伏电池板为可充电电池充电，并根据剩余电量判断是否充满，充满时结束充电。

供电管理策略主要是利用传感模块检测到的外部电源、供电端口、锂电池电量及外界温度数据，通过数据判断如何给电子标签单元供电，参见附图3，具体包括如下步骤：

首先通过检测接口电压判断判断是否有稳定的外部电源接入，当有稳定的外部电源接入时，直接通过外部电源为电子标签主控模块供电；

当未检测到外部电源接入时，确定环境温度信息是否满足预设的温度阈值，在环境温度信息满足预设的温度阈值(本实施例设定为0℃～60℃)时，切换至可充电电源模块供电，一次性电池作为备用电源；

记录锂电池放电曲线，实时判断可充电电源模块的剩余电量是否小于预设的电量阈值，当可充电电源模块的剩余电量SOC小于预设的电量阈值SOC_t时(即不满足SOC_t≤SOC时)，切换到一次性电池供电；

当环境温度信息不满足预设的温度阈值时(比如外部温度低于0℃时)，切换至一次性电池供电；

实时判断一次性电池的供电电流是否小于预设的电流阈值，当一次性电池的供电电流I小于预设的电流阈值I_t时(即不满足I_t≥I时)，切换至可充电电源模块为电子标签主控模块供电；

此时继续记录锂电池的放电曲线，计算锂电池剩余电量，当锂电池剩余电量SOC低于系统设置的电量阈值SOC_t时，切换到一次性电池供电。

本实施例公开的上述系统引入了太阳能电池、可充电锂电池和一次性电池(比如锂亚电池)作为供电源，通过电源管理模块利用开关电路和多个传感器对电源的供电方式和充电方式进行管理。

应用本发明实施例提供的上述电源管理方法，在保证标签性能和不增加电池容量的前提下，可以有效提高有源电子标签的续航时间，续航时间可提高至1-2年。增强了有源标签的环境适应能力，适应野外无人值守、低温、多变的外部环境，应用场景包括但不限于库房、野外无人值守设备、物流运输载体等等。

比如配置本实施例提供的电源管理系统的有源电子标签可广泛应用于野外大范围部署的电力、水利、石油、运营商无人值守设备中，为中心提供全天的，设备运行、环境状态信息。

在现场无外接供电的情况下，通过上述供电策略对电子标签提供电力，并应用上述充电策略对锂电池进行充电，可为电子标签的正常运行提供1-2年的续航，其间无需工作人员维护。并在高温、低温的环境温度下对锂电池和电子标签的正常工作进行保护。

再比如本实施例公开的具有上述电源管理系统的有源电子标签还可以应用到物流冷链中，冷链运输的食品、药品环境是低温环境，普通电池在低温环境下续航能力较低，本实施例提供的电源管理系统及管理策略，能够适应低温环境的长续航能力，保证低温环境电子标签的正常工作(采集信息和传输数据)，能适应冷链的环境温度的快速变化。

综上所述，本发明实施例公开的上述系统和方法的方案，与现有技术相比，具有如下优点：

1、在无人值守、低温、高温环境，该系统可有效提高延长有源电子标签续航时间，减少设备的维护量，提升数据的实时性、可靠性。

2、在物流(冷链)行业，应用该系统的有源电子标签具备适应性强、灵活部署的电源策略，为数据的实时在线传输的提供了可靠的电源保障。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于有源电子标签的电源管理系统，其特征在于，包括：可充电电源模块、一次性电池、传感模块以及电源管理模块，所述可充电电源模块、所述一次性电池以及所述传感模块均与所述电源管理模块电连接；

所述传感模块用于采集环境温度信息，并检测各模块中端口的电压和电流数据；所述电源管理模块用于接收所述环境温度信息以及电压和电流数据，根据所述电压和电流数据，判断是否有外部电源接入，计算所述可充电电源模块的剩余电量，并根据预先设定的阈值信息、充电规则以及供电规则，管理所述可充电电源模块的充电方式，并切换至相应的供电电源，为电子标签主控模块供电；

根据预先设定的阈值信息、充电规则以及供电规则，管理所述可充电电源模块的充电方式，并切换至相应的供电电源，为电子标签主控模块供电，具体包括：

确定所述环境温度信息是否满足预设的温度阈值，在所述环境温度信息满足预设的温度阈值时，确定是否有外部电源接入；

当有外部电源接入时，通过外部电源为所述可充电电源模块充电，并根据剩余电量判断是否充满，充满时结束充电；

当未检测到外部电源接入时，检测光伏电池板的电压，并判断是否有光伏电池板接入，当检测到有光伏电池板接入时，通过光伏电池板为可充电电池充电，并根据电池剩余电量判断是否充满，充满时结束充电；

判断是否有外部电源接入，当有外部电源接入时，直接通过外部电源为电子标签主控模块供电；

当未检测到外部电源接入时，确定所述环境温度信息是否满足预设的温度阈值，在所述环境温度信息满足预设的温度阈值时，通过所述可充电电源模块为电子标签主控模块供电；

实时判断所述可充电电源模块的剩余电量是否小于预设的电量阈值，当所述可充电电源模块的剩余电量小于预设的电量阈值时，通过所述一次性电池为电子标签主控模块供电；

当所述环境温度信息不满足预设的温度阈值时，通过所述一次性电池为电子标签主控模块供电；

实时判断所述一次性电池的供电电流是否小于预设的电流阈值，当所述一次性电池的供电电流小于预设的电流阈值时，通过所述可充电电源模块为电子标签主控模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种用于有源电子标签的电源管理系统，其特征在于，还包括稳压模块，所述稳压模块与所述电源管理模块电连接，所述稳压模块用于对输入的电压进行稳压处理，并输出至电子标签主控模块。

3.根据权利要求1所述的一种用于有源电子标签的电源管理系统，其特征在于，所述可充电电源模块包括光伏电池板、充电单元以及可充电电池，所述光伏电池板与所述充电单元电连接，所述充电单元与所述可充电电池电连接，所述可充电电池与所述电源管理模块电连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于有源电子标签的电源管理系统，其特征在于，所述可充电电池为锂电池。

5.根据权利要求1所述的一种用于有源电子标签的电源管理系统，其特征在于，所述一次性电池为锂亚电池。

6.根据权利要求1所述的一种用于有源电子标签的电源管理系统，其特征在于，所述传感模块包括温度传感器、电压传感器以及电流传感器，所述温度传感器用于实时检测环境温度信息，所述电压传感器和所述电流传感器用于实时检测各模块中端口的电压和电流数据。

7.一种基于如权利要求1-6任一项所述的用于有源电子标签的电源管理系统的电源管理方法，其特征在于，包括：

实时检测环境温度信息以及端口的电压和电流数据；

对所述电压和电流数据进行分析，判断是否有外部电源接入，一次性电池是否能够正常供电，并计算可充电电源模块的剩余电量；

将检测到的所述环境温度信息与预设的温度阈值进行比较，判断是否满足温度阈值；

根据对所述电压和电流数据的分析结果以及环境温度判断结果，控制所述可充电电源模块的充电方式，并控制为电子标签主控模块供电的供电方式，具体包括：

确定所述环境温度信息是否满足预设的温度阈值，在所述环境温度信息满足预设的温度阈值时，确定是否有外部电源接入；

当有外部电源接入时，通过外部电源为所述可充电电源模块充电，并根据剩余电量判断是否充满，充满时结束充电；

当未检测到外部电源接入时，检测光伏电池板的电压，并判断是否有光伏电池板接入，当检测到有光伏电池板接入时，通过光伏电池板为可充电电池充电，并根据电池剩余电量判断是否充满，充满时结束充电；

判断是否有外部电源接入，当有外部电源接入时，直接通过外部电源为电子标签主控模块供电；

当未检测到外部电源接入时，确定所述环境温度信息是否满足预设的温度阈值，在所述环境温度信息满足预设的温度阈值时，通过所述可充电电源模块为电子标签主控模块供电；

实时判断所述可充电电源模块的剩余电量是否小于预设的电量阈值，当所述可充电电源模块的剩余电量小于预设的电量阈值时，通过所述一次性电池为电子标签主控模块供电；

当所述环境温度信息不满足预设的温度阈值时，通过所述一次性电池为电子标签主控模块供电；

实时判断所述一次性电池的供电电流是否小于预设的电流阈值，当所述一次性电池的供电电流小于预设的电流阈值时，通过所述可充电电源模块为电子标签主控模块供电。

8.根据权利要求7所述的电源管理方法，其特征在于，所述温度阈值为0℃～60℃。