CN112925244A - 一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法 - Google Patents

一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法。本发明提出了一种物联网智能感知终端超长待机的实现方式，根据不同场景灵活使用多种取能方式，拓展感知终端的能量来源、减少平均能耗，从而达到增加物联网智能感知终端在不更换电池情况下的使用寿命，提高了物联网智能感知终端的工程实用性。本发明在负载端可根据低功耗电源管理单元的工作流程图灵活设置硬件设备的运行、待机、休眠、完全断电等不同的耗电模式，以达到最低的功耗水平。本发明中所用的功率转换单元采用创新的技术手段，实现多种取能能量类型的收集和管理，保证最高收集效率的同时还能实现智能的路径选择。

Description

一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法
技术领域
本发明涉及一种实现物联网智能感知终端超长待机的方法。
背景技术
随着智能时代的到来，智慧城市的规划与实施将大大提高城市居民生活品质，促进国家、社会现代化转型，其中，物联网智能感知终端可以采集城市中的空气、水体质量数据、环境数据、交通数据、自然灾害预警数据等，是实现智慧城市的重要技术手段。然而，由于物联网智能感知终端通常不具备市电的稳定供电条件，在以往的应用中，存在平均能耗高、使用寿命短、需要频繁更换电池的缺点，因此如何在受限的供电环境下如何实现物联网智能感知终端长期高效稳定运行是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是：在受限的供电环境下实现物联网智能感知终端长期高效稳定运行。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
物联网智能感知终端通过取能单元从环境中获取能量，由取能单元收集能量后，将收集到的能量输送到功率转换单元，功率转换单元依据取能单元收集能量的种类及大小进行功率转换和能量路径分配，当取能单元收集的能量恰好满足物联网智能感知终端中的传感器阵列、主控单元、无线通讯单元供电需求时，将收集到的能量供给低功耗电源管理单元；当取能单元收集的能量大于传感器阵列、主控单元、无线通讯单元的能量需求时，除将收集到的能量供给低功耗电源管理单元外，还通过向电池和超级电容充电将收集到的多余能量保存起来；当取能单元收集的能量无法满足传感器阵列、主控单元、无线通讯单元的能量需求时，将电池和超级电容作为后备电源向传感器阵列、主控单元、无线通讯单元供电；
物联网智能感知终端的电源部分设计有低功耗电源管理单元，以对物联网智能感知终端的传感器阵列、主控单元、无线通讯单元进行电源管理，电源管理通过设置传感器阵列、主控单元、无线通讯单元的运行、待机、休眠、完全断电达到控制物联网智能感知终端功耗的目的；由主控单元总体控制物联网智能感知终端的工作模式，一旦工作模式发生切换后主控单元立即发送命令给低功耗电源管理单元，由低功耗电源管理单元将传感器阵列、主控单元或无线通讯单元设置切换成对应的耗电模式；
进行工作模式控制时，主控单元首先初始化控制器、内存、无线通讯单元、传感器阵列，随后打开采样任务定时器和上传任务定时器，接着休眠无线模块，关断传感器阵列，最后主控单元进入休眠状态；
进入休眠状态的主控单元在以下三种情况下被唤醒：
情况一)无线通讯中断
无线通讯单元收到数据，从休眠中被唤醒，并通过中断唤醒主控单元，此时主控单元先判断收到的数据内容，如果只是心跳包则再次进入休眠状态，如果是远程指令，则立即处理，完成后再次进入休眠状态；
情况二)采样任务定时唤醒
采样任务定时器的闹钟唤醒，此时主控单元依次启动传感器阵列，然后采集传感器数据，接着关断传感器阵列，并对采集到的数据进行处理和存储，最后再回到休眠状态；
情况三)上传任务定时唤醒
上传任务定时器的闹钟唤醒，此时主控单元先启动无线通讯单元，然后将存储的数据进行汇总和协议转换，接着把转换完成的数据通过无线通讯单元上传到后台，再次休眠无线通讯单元，最后主控单元也进入休眠状态。
优选地，所述取能单元包括太阳能取电组件、电磁波/WIFI取电组件、热电取电组件及振动取电组件；
当物联网智能感知终端处在户外阳光照射下，太阳能取电组件激活运行；当物联网智能感知终端处在电磁波/WIFI信号强度较大的区域，电磁波/WIFI取电组件激活运行；当物联网智能感知终端处在工厂等余热丰富的区域，热电取电组件激活运行；当物联网智能感知终端处在快速移动中，振动取电组件激活运行；
当太阳能取电组件、电磁波/WIFI取电组件、热电取电组件及振动取电组件中的至少一种组件激活运行时，所述取能单元就会收集到能量，并将这些能量输送到所述功率转换单元。
优选地，所述功率转换单元使用最大功率点跟踪MPPT技术来保证所述取能单元收集的能量有最高的利用效率。
优选地，所述功率转换单元包括整流模块、保护模块、电荷泵、MPPT模块、升压模块、LDO(线性稳压电源)、充放电管理模块，其中：
所述取能单元获取的能量首先通过整流模块转换成直流电压，直流电压被保护模块钳制在安全的电压范围内，然后进入电荷泵进行能量收集；通过MPPT模块最大效率地抽取电荷泵收集的能量，升压模块将MPPT模块抽取的能量的电压抬升到超过传感器阵列、主控单元及无线通讯单元工作电压以上，然后经过LDO(线性稳压电源)转换成稳定的工作电压提供给低功耗电源管理单元；LDO(线性稳压电源)同时检测取能单元获取的能量充足与否，并依据判断结论通过充放电管理模块来选择能量路径，当取能单元获取的能量充足时，充放电管理模块对电池和超级电容进行充电，而当取能单元获取的能量不足时，充放电管理模块通过电池和超级电容进行放电补充能量。
本发明提出了一种物联网智能感知终端超长待机的实现方式，根据不同场景灵活使用多种取能方式，拓展感知终端的能量来源、减少平均能耗，从而达到增加物联网智能感知终端在不更换电池情况下的使用寿命，提高了物联网智能感知终端的工程实用性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明在负载端可根据低功耗电源管理单元的工作流程图灵活设置硬件设备的运行、待机、休眠、完全断电等不同的耗电模式，以达到最低的功耗水平。
(2)本发明在取能端有四种取电组件，保证终端在各类场景中都能收集到能量，既能在供电充足的情况下高效采集和处理数据，又能在供电不足的情况下维持最基本的感知功能。
(3)本发明中所用的功率转换单元采用创新的技术手段，实现多种取能能量类型的收集和管理，保证最高收集效率的同时还能实现智能的路径选择。
(4)本发明中所有的取能单元和传感器阵列可以根据场景需要选择配置，即插即用。
附图说明
图1为物联网智能感知终端电源实现原理框图；
图2为功率转换单元实现原理框图；
图3为物联网智能感知终端的低功耗工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
针对当前物联网智能感知终端的不足，本发明从取能端和负载端两个方向上进行设计，一方面增加能量来源，一方面减小终端功耗，联合起来实现了物联网智能感知终端的超长待机，下面详细讲述本发明采用的技术方案：
如图1所示，本实施例公开的物联网智能感知终端的电源主要由取能单元001、功率转换单元006、电池007、超级电容008、低功耗电源管理单元009、传感器电源管理010、高级应用电源管理011、无线通讯电源管理012、传感器阵列013、主控单元014、无线通讯单元015等组成。其中，取能单元001由太阳能取电组件002、电磁波/WIFI取电组件003、热电取电组件004、振动取电005组件构成。
物联网智能感知终端的取能单元001用来从环境中获取能量，当终端处在户外阳光照射下，太阳能取电组件002激活运行；当终端处在电磁波/WIFI信号强度较大的区域，电磁波/WIFI取电组件003激活运行；当终端处在工厂等余热丰富的区域，热电取电组件004激活运行；当终端处在快速移动中，振动取电组件005激活运行。当以上组件中的一种或多种激活运行时，取能单元001就会收集到能量，并将这些能量输送到功率转换单元006，功率转换单元006将这些微弱的能量通过专门的电路收集起来，使用MPPT(最大功率点跟踪)技术来保证取能单元001的能量有最高的利用效率。同时，功率转换单元006依据收集能量的大小进行功率转换和路径选择，智能地选择或将收集到的能量供给低功耗电源管理单元009，或通过向电池007和超级电容008充电将能量保存起来，或使用电池007和超级电容008给后级负载供电。电池007和超级电容008平时接收功率转换单元006的充电，当功率转换单元006收集到的能量不足时，电池007和超级电容008作为后备电源向负载提供能量。
物联网智能感知终端主要由传感器阵列013、主控单元014、无线通讯单元015等硬件设备组成，为了能够更精细地管理终端功耗，电源部分设计有低功耗电源管理单元009。低功耗电源管理单元009中的传感器电源管理010、高级应用电源管理011、无线通讯电源管理012，分别对传感器阵列013、主控单元014、无线通讯单元015进行电源管理，电源管理可以通过设置硬件设备的运行、待机、休眠、完全断电等工作模式精细地控制终端功耗。主控单元014总体控制终端的工作模式，根据图3所示的工作模式逻辑图确定终端所处的工作模式，一旦工作模式发生切换后，主控单元014立即发送命令给低功耗电源管理单元009，低功耗电源管理单元009将硬件设备设置切换成对应的耗电模式。
功率转换单元006的实现原理框图如图2所示，功率转换单元006主要由整流模块016、保护模块017、电荷泵018、MPPT(最大功率点跟踪)模块019、升压模块020、LDO(线性稳压电源)021、充放电管理模块022组成。
取能单元001获取的能量首先通过整流模块016转换成直流电压，直流电压被保护模块017钳制在安全的电压范围内，然后进入电荷泵018进行能量收集。MPPT(最大功率点跟踪)模块019能够保证最大效率地抽取电荷泵018收集的能量，随后由升压模块020将电压抬升到超过负载工作电压以上。然后经过LDO(线性稳压电源)021转换成稳定的工作电压提供给负载023，LDO(线性稳压电源)021还能检测取能单元001获取的能量充足与否，并通过充放电管理模块022来选择能量路径。当取能单元001获取的能量充足时，充放电管理模块022对电池007和超级电容008进行充电，而当取能单元001获取的能量不足时，充放电管理模块022通过电池和超级电容进行放电补充能量。
上文所述低功耗工作流程如图3所示，主控单元015负责实现低功耗逻辑，主控单元015首先初始化控制器、内存、无线模块016、传感器阵列014，随后打开采样任务定时器和上传任务定时器，接着休眠无线模块016，关断传感器阵列014，最后主控单元015进入休眠状态。
主控单元015在三种情况下会被唤醒：
1.无线通讯中断。无线通讯模块收到数据，从休眠中被唤醒，并通过中断唤醒主控单元015，此时主控单元015先判断收到的数据内容，如果只是心跳包就再次进入休眠状态，如果是远程指令，则立即处理，完成后再次进入休眠状态。
2.采样任务定时唤醒。采样任务定时器的闹钟唤醒，此时主控单元015依次启动传感器阵列014，然后采集传感器数据，接着关断传感器阵列014，并对采集到的数据进行处理和存储，最后再回到休眠状态。
3.上传任务定时唤醒。上传任务定时器的闹钟唤醒，此时主控单元015先启动无线通讯模块016，然后将存储的数据进行汇总和协议转换，接着把转换完成的数据通过无线通讯模块上传到后台，再次休眠无线通讯模块016，最后主控单元015也进入休眠状态。
通过以上步骤，本发明用一种物联网智能感知终端的电源实现方法，有效地扩展了终端的能量获取来源，降低了终端功耗，并最终提升终端寿命，实现超长待机时间，进一步提高了物联网智能感知终端的工程实用性。

Claims (4)

1.一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
物联网智能感知终端通过取能单元从环境中获取能量，由取能单元收集能量后，将收集到的能量输送到功率转换单元，功率转换单元依据取能单元收集能量的种类及大小进行功率转换和能量路径分配，当取能单元收集的能量恰好满足物联网智能感知终端中的传感器阵列、主控单元、无线通讯单元供电需求时，将收集到的能量供给低功耗电源管理单元；当取能单元收集的能量大于传感器阵列、主控单元、无线通讯单元的能量需求时，除将收集到的能量供给低功耗电源管理单元外，还通过向电池和超级电容充电将收集到的多余能量保存起来；当取能单元收集的能量无法满足传感器阵列、主控单元、无线通讯单元的能量需求时，将电池和超级电容作为后备电源向传感器阵列、主控单元、无线通讯单元供电；
物联网智能感知终端的电源部分设计有低功耗电源管理单元，以对物联网智能感知终端的传感器阵列、主控单元、无线通讯单元进行电源管理，电源管理通过设置传感器阵列、主控单元、无线通讯单元的运行、待机、休眠、完全断电达到控制物联网智能感知终端功耗的目的；由主控单元总体控制物联网智能感知终端的工作模式，一旦工作模式发生切换后主控单元立即发送命令给低功耗电源管理单元，由低功耗电源管理单元将传感器阵列、主控单元或无线通讯单元设置切换成对应的耗电模式；
进行工作模式控制时，主控单元首先初始化控制器、内存、无线通讯单元、传感器阵列，随后打开采样任务定时器和上传任务定时器，接着休眠无线模块，关断传感器阵列，最后主控单元进入休眠状态；
进入休眠状态的主控单元在以下三种情况下被唤醒：
情况一)无线通讯中断
无线通讯单元收到数据，从休眠中被唤醒，并通过中断唤醒主控单元，此时主控单元先判断收到的数据内容，如果只是心跳包则再次进入休眠状态，如果是远程指令，则立即处理，完成后再次进入休眠状态；
情况二)采样任务定时唤醒
采样任务定时器的闹钟唤醒，此时主控单元依次启动传感器阵列，然后采集传感器数据，接着关断传感器阵列，并对采集到的数据进行处理和存储，最后再回到休眠状态；
情况三)上传任务定时唤醒
上传任务定时器的闹钟唤醒，此时主控单元先启动无线通讯单元，然后将存储的数据进行汇总和协议转换，接着把转换完成的数据通过无线通讯单元上传到后台，再次休眠无线通讯单元，最后主控单元也进入休眠状态。
2.如权利要求1所述的一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法，其特征在于，所述取能单元包括太阳能取电组件、电磁波/WIFI取电组件、热电取电组件及振动取电组件；
当物联网智能感知终端处在户外阳光照射下，太阳能取电组件激活运行；当物联网智能感知终端处在电磁波/WIFI信号强度较大的区域，电磁波/WIFI取电组件激活运行；当物联网智能感知终端处在工厂等余热丰富的区域，热电取电组件激活运行；当物联网智能感知终端处在快速移动中，振动取电组件激活运行；
当太阳能取电组件、电磁波/WIFI取电组件、热电取电组件及振动取电组件中的至少一种组件激活运行时，所述取能单元就会收集到能量，并将这些能量输送到所述功率转换单元。
3.如权利要求1所述的一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法，其特征在于，所述功率转换单元使用最大功率点跟踪MPPT技术来保证所述取能单元收集的能量有最高的利用效率。
4.如权利要求1所述的一种物联网智能感知终端超长待机的实现方法，其特征在于，所述功率转换单元包括整流模块、保护模块、电荷泵、MPPT模块、升压模块、LDO、充放电管理模块，其中：
所述取能单元获取的能量首先通过整流模块转换成直流电压，直流电压被保护模块钳制在安全的电压范围内，然后进入电荷泵进行能量收集；通过MPPT模块最大效率地抽取电荷泵收集的能量，升压模块将MPPT模块抽取的能量的电压抬升到超过传感器阵列、主控单元及无线通讯单元工作电压以上，然后经过LDO转换成稳定的工作电压提供给低功耗电源管理单元；LDO同时检测取能单元获取的能量充足与否，并依据判断结论通过充放电管理模块来选择能量路径，当取能单元获取的能量充足时，充放电管理模块对电池和超级电容进行充电，而当取能单元获取的能量不足时，充放电管理模块通过电池和超级电容进行放电补充能量。
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