CN113075556B - 电池电压预警阈值评估方法、无线传感器和传感网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池电压预警阈值评估方法、无线传感器和无线传感网络系统，包括：获取无线传感器的工作特性参数；接收针对无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试所得到的测试结果，并根据测试结果建立电池放电模型；根据工作特性参数和电池放电模型，建立电池电压预警阈值评估模型；根据无线传感器的当前使用环境温度和电池电压预警阈值评估模型，获得无线传感器的当前电池电压预警阈值。本发明实现了无线传感器的电池预警与所处环境温度的有效结合，提高了电池预警的准确性，保证了在任何温度条件下，无线传感器均能够准确的完成电池电压预警。

Description

电池电压预警阈值评估方法、无线传感器和传感网

技术领域

本发明涉及无线MEMS传感器的故障预测技术领域，特别涉及一种电池电压预警阈值评估方法、无线传感器和传感网。

背景技术

无线传感器是物联网系统中的最核心的感知层设备。2020年，中国工程院发布的《全球工程前沿2020》报告中明确指出无线通信与感知一体化技术是信息与电子工程领域10大工程开发前沿技术之一，无线传感器是典型的无线通信与感知一体化设备。

无线传感器的发展趋势是微型化、低功耗和可靠连接，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术助推了无线传感器微型化及低功耗的发展。由于无线MEMS传感器具无需布线、分布式布置、多设备灵活组网等优点，在很多农业、工厂、矿山等领域得到广泛应用，而其自身的可靠性将直接影响到整个应用工程的可靠性，所以对无线MEMS传感器的故障类预测极为重要。

由于绝大部分无线MEMS传感器应用环境比较恶劣，人员不易到达，所以，其使用的电池大多为一次性电池。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MEMS传感器。虽然无线MEMS传感器故障有多种类型，但是内置一次性电池的无线MEMS传感器的故障的绝大部分仍然是电源故障。因为，一般情况下，电池的工作寿命远短于无线MEMS传感器中其他电子器件的寿命，电池出现故障的概率远高于无线MEMS传感器中其他电子器件出现故障的概率。例如，在低温环境下，电池放电能力急剧下降，如果对电池故障判断不准确，将直导致整个设备出现突然关机或监测数据丢失，进而造成重大工程事故。

目前，有针对内置可充电电池设备进行电池监测评估的方法，但很少有对内置一次性电池的无线MEMS传感器的电池进行监测评估的方法。专利文献201811018315.3中给出一种传感器网络节点电池评估和预警的方法，通过该方法可以准确的评估出无线传感器节点内置电池健康状态，该专利创新点是给出了一种判断电池状态的方法，但是，其没有给出判断电池状态时参考阈值的取值方法。通过大量试验发现，一次性电池在不同温度下，放电特性不同，这也就导致专利文献201811018315.3中电池预警时的阈值是变化的。

目前，实际工程应用中，电池预警阈值取值基本都是参照经验设定的一个固定值，这种做法会导致设备状况预警失败的问题，例如：在使用环境温度较高或较低时，在出现报警后，会存在电池电量仍然很多的情况，或者，报警还未产生时，设备已经无法正常工作的情况。

因此，如何准确地确定无线MEMS传感器的电池电压预警阈值，以确保无线MEMS传感器的预警准确，便成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电池电压预警阈值评估方法、无线传感器和传感网，充分结合无线传感器的工作特性和工作环境温度，以获得其准确的电池电压预警阈值，确保在任何温度条件下的无线传感器的电池电压预警的准确性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种电池电压预警阈值评估方法，包括：

获取无线传感器的工作特性参数，所述工作特性参数包括所述无线传感器的最大工作电流、所述无线传感器在的每个工作周期中的唤醒工作时长、所述无线传感器维持正常工作的最低工作电压；

接收针对所述无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试所得到的测试结果，并根据所述测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型；

根据所述工作特性参数和所述多个温度环境下的电池放电模型，建立所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型；

根据所述无线传感器的当前使用环境温度和所述电池电压预警阈值评估模型，获得所述无线传感器的当前电池电压预警阈值。

进一步，对所述无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试包括：

从所述无线传感器的最低工作温度到最高工作温度，设置多个温度阶梯值；

在每个所述温度阶梯值的环境温度下，对所述无线传感器所使用的电池进行恒流放电，直至所述电池的电压降低至截止电压阈值，在所述恒流放电过程中获得所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线；

所述的根据所述测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型，包括：

将在所有温度阶梯值的环境温度下所获得的所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线，合并为所述多个温度环境下的电池放电模型；

其中，所述恒流放电的放电电流为P₁×I_max，所述截止电压阈值为P₃×V_min，其中，I_max为所述无线传感器的最大工作电流，V_min为所述无线传感器维持正常工作的最低工作电压，P₁为第一余量因子，P₃为第三余量因子，P₁>1，0<P₃<1。

进一步，所述的在所述恒流放电过程中获得所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线，包括：

在所述恒流放电过程中，采集所述电池的电压与放电时间之间的离散数据点，将所述离散数据点进行拟合以获得所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线。

进一步，通过对多组所述无线传感器所使用的电池进行恒流放电，以获得多组所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线，将多组所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线的均值作为所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线。

进一步，所述的根据所述工作特性参数和所述多个温度环境下的电池放电模型，建立所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型，包括：

在每一个所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中，通过下式获得当前温度阶梯值的环境温度下的至少一个预警时间阈值：

U_i＝(Q_i×M)×P₂×T_max

其中，U_i为所述当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值，Q_i为预设的第i个使用时长参考值，M为工作周期值，P₂为第二余量因子，T_max为所述无线传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长，i为大于等于1的整数；

在每一个所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中，通过下式获得所述当前温度阶梯值的环境温度下的对应于所述至少一个预警时间阈值的预警时点：

t_i＝t_min-U_i

其中，t_i为所述当前温度阶梯值的环境温度下的对应于所述第i个预警时间阈值的第i个预警时点，t_min为所述当前温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中的V_min所对应的时间点；

在每一个所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中，将所述当前温度阶梯值的环境温度下的t_i所对应的电压值作为所述当前温度阶梯值的环境温度下的所述无线传感器的第i个电池电压预警阈值V_i；

将所有所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中所获得的V_i与所对应的所述温度阶梯值组合成坐标点并进行曲线拟合，得到所述无线传感器的第i个电池电压预警函数；

其中，由全部所述电池电压预警函数共同组成所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型。

进一步，还包括：

通过下式对当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值进行修正：

U_i＝Y×U_i’

其中，U_i’＝(Q_i×M)×P₂×T_max

其中，Y为所述电池放电的修正因子。

进一步，所述的根据所述无线传感器的当前使用环境温度和所述电池电压预警阈值评估模型，获得所述无线传感器的当前电池电压预警阈值，包括：

将所述无线传感器所处的当前使用环境温度值输入到所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型中的每一个所述电池电压预警函数，以获得所述无线传感器所处的当前使用环境温度下的电压预警阈值。

一种无线传感器，包括：

模型存储模块，用于存储电池电压预警阈值评估模型；

评估模块，用于根据所述无线传感器的当前使用环境温度和所述电池电压预警阈值评估模型，获得所述无线传感器的当前电池电压预警阈值；

其中，所述电池电压预警阈值评估模型通过以下方法获得：

获取所述无线传感器的工作特性参数，所述工作特性参数包括所述无线传感器的最大工作电流、所述无线传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长、所述无线传感器维持正常工作的最低工作电压；

接收针对所述无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试所得到的测试结果，并根据所述测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型；

根据所述工作特性参数和所述多个温度环境下的电池放电模型，建立所述电池电压预警阈值评估模型。

进一步，所述无线传感器为无线MEMS传感器。

一种传感网，其特征在于，包括：

无线网关；以及

与所述无线网关进行无线通信的至少一个如上所述的无线传感器。

从上述方案可以看出，本发明的电池电压预警阈值评估方法、无线传感器和传感网，通过在多个温度环境下的放电特性测试获得预警电压阈值与各个与温度之间的关系，通过拟合而得到由预警电压阈值与温度之间的函数关系所组成的电池电压预警阈值评估模型，进而在无线传感器工作时便可以通过该电池电压预警阈值评估模型而实时得到当前温度下的预警电压阈值，只要无线传感器的电池达到当前温度下的预警电压阈值便可以触发预警，从而实现了无线传感器的电池预警与所处环境温度的有效结合，提高了无线传感器的电池预警的准确性，保证了在任何温度条件下，无线传感器均能够准确的完成电池电压预警。

附图说明

图1为本发明实施例的电池电压预警阈值评估方法流程示意图；

图2为本发明实施例中在60℃温度阶梯的温度环境下的电池样本测试数据示意图；

图3为对图2的离散点进行曲线拟合得到的放电曲线的示意图；

图4为本发明实施例中在60℃温度阶梯的放电曲线中确定预警电压阈值的示意图；

图5为本发明实施例中在各个温度阶梯的放电曲线中确定三个级别预警电压阈值的示意图；

图6为本发明实施例中的电池电压预警函数曲线示意图；

图7为第三级阈值电压与温度之间关系的电池电压预警函数曲线的一个具体实例示意图。

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。

本发明实施例涉及的电池电压预警阈值评估方法适用于无线传感器，其中，在一个具体实施例中，无线传感器为无线MEMS传感器，以下以无线MEMS传感器为例对本发明实施例的电池电压预警阈值评估方法进行说明。需要解释的是，以下的电池电压预警阈值评估方法不仅仅局限于无线MEMS传感器，该方法同样适用于采用电池供电的所有无线传感器。

如图1所示，本发明实施例的电池电压预警阈值评估方法，主要包括以下步骤：

步骤1、获取无线MEMS传感器的工作特性参数，其中，工作特性参数包括无线MEMS传感器的最大工作电流、无线MEMS传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长、无线MEMS传感器维持正常工作的最低工作电压；

步骤2、接收针对无线MEMS传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试所得到的测试结果，并根据测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型；

步骤3、根据工作特性参数和多个温度环境下的电池放电模型，建立无线MEMS传感器的电池电压预警阈值评估模型；

步骤4、根据无线MEMS传感器的当前使用环境温度和电池电压预警阈值评估模型，获得无线MEMS传感器的当前电池电压预警阈值。

在可选实施例中，步骤1中的无线MEMS传感器的工作特性参数，可通过利用功耗仪对无线MEMS传感器的工作状态进行测量而得到。

在可选实施例中，步骤2中的对无线MEMS传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试，主要包括：

步骤21、从无线MEMS传感器的最低工作温度到最高工作温度，设置多个温度阶梯值；

步骤22、在每个温度阶梯值的环境温度下，对无线MEMS传感器所使用的电池进行恒流放电，直至电池的电压降低至截止电压阈值，在恒流放电过程中获得电池的电压与放电时间之间的关系曲线。

步骤2中的根据测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型，主要包括：

步骤23、将在所有温度阶梯值的环境温度下所获得的电池的电压与放电时间之间的关系曲线，合并为多个温度环境下的电池放电模型。

其中，恒流放电的放电电流为P₁×I_max，截止电压阈值为P₃×V_min，其中，I_max为无线MEMS传感器的最大工作电流，V_min为无线MEMS传感器维持正常工作的最低工作电压，P₁为第一余量因子，P₃为第三余量因子，P₁>1，0<P₃<1。在实际工作中，无线MEMS传感器的电池会自放电，考虑到此种情况，在本发明实施例中，增加一个大于1的系数(即第一余量因子P₁)，目的是让预警值比理论计算的(即就是P₁＝1时)提前一些，以弥补电池自放电所带来的额外消耗产生的预警误差。第三余量因子P₃的设置的目的是在进行电池电压放电测试时，使得截止电压阈值比理论的电池最低工作电压再低一些，从而能够充分评估出电池最低工作电压的临界值。

例如，对于工作温度范围在-20℃至60℃的无线MEMS传感器，可以以每间隔5℃为一个温度阶梯值(步骤21)，即所有温度阶梯包括-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃。通过步骤22在每个温度阶梯值的环境温度下，均得到一组在恒流放电过程中的电池的电压与放电时间之间的关系曲线。进而在步骤23中，将-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃这些环境温度下的恒流放电过程中的电池的电压与放电时间之间的关系曲线进行合并，以形成本发明实施例中所述的电池放电模型。

在可选实施例中，步骤22中的在恒流放电过程中获得电池的电压与放电时间之间的关系曲线，包括：

在恒流放电过程中，采集电池的电压与放电时间之间的离散数据点，将离散数据点进行拟合以获得电池的电压与放电时间之间的关系曲线。其中，离散数据点的采集例如以间隔设定时间进行采集。

为了确保单一电池放电所采集的数据因电池的个体差异造成的偏离平均值的问题，在可选实施例中，步骤2针对多组电池进行放电并采集相应的关系曲线数据并进行平均值计算来得到标准的关系曲线，即步骤2中，通过对多组无线MEMS传感器所使用的电池进行恒流放电，以获得多组电池的电压与放电时间之间的关系曲线，将多组电池的电压与放电时间之间的关系曲线的均值作为电池的电压与放电时间之间的关系曲线。

在可选实施例中，步骤3的根据工作特性参数和多个温度环境下的电池放电模型，建立无线MEMS传感器的电池电压预警阈值评估模型，包括：

步骤31、在每一个温度阶梯值的环境温度下的关系曲线中，通过下式获得当前温度阶梯值的环境温度下的至少一个预警时间阈值：

U_i＝(Q_i×M)×P₂×T_max

其中，U_i为当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值，Q_i为预设的第i个使用时长参考值，M为工作周期值，P₂为第二余量因子，T_max为无线MEMS传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长，i为大于等于1的整数；

步骤32、在每一个温度阶梯值的环境温度下的关系曲线中，通过下式获得当前温度阶梯值的环境温度下的对应于至少一个预警时间阈值的预警时点：

t_i＝t_min-U_i

其中，t_i为当前温度阶梯值的环境温度下的对应于第i个预警时间阈值的第i个预警时点，t_min为当前温度阶梯值的环境温度下的关系曲线中的V_min所对应的时间点；

步骤33、在每一个温度阶梯值的环境温度下的关系曲线中，将当前温度阶梯值的环境温度下的t_i所对应的电压值作为当前温度阶梯值的环境温度下的无线MEMS传感器的第i个电池电压预警阈值V_i；

步骤34、将所有温度阶梯值的环境温度下的关系曲线中所获得的V_i与所对应的温度阶梯值组合成坐标点并进行曲线拟合，得到无线MEMS传感器的第i个电池电压预警函数。

其中，由全部电池电压预警函数共同组成无线MEMS传感器的电池电压预警阈值评估模型。

由于无线MEMS传感器处于休眠待机模式时，其电池仍然会处于供电状态，同时电池自身还存在自放电过程，因此，在获得当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值U_i之后，优选地，还需要对U_i进行进一步修正。进而，在可选实施例中，在完成步骤31之后并在执行步骤32之前，还包括：

通过下式对当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值进行修正：

U_i＝Y×U_i’

其中，U_i’＝(Q_i×M)×P₂×T_max

其中，Y为电池放电的修正因子。

上述步骤中时，U_i’即为步骤31中的U_i，当采用上述步骤时，步骤32中进行t_i的计算便是利用通过Y修正后的U_i，当不采用上述步骤时，步骤32中进行t_i的计算则是直接利用步骤31所计算出的U_i。

在可选实施例中，步骤4的根据无线MEMS传感器的当前使用环境温度和电池电压预警阈值评估模型，获得无线MEMS传感器的当前电池电压预警阈值，包括：

将无线MEMS传感器所处的当前使用环境温度值输入到无线MEMS传感器的电池电压预警阈值评估模型中的每一个电池电压预警函数，以获得无线MEMS传感器所处的当前使用环境温度下的电压预警阈值。

以下结合一个具体实施例，对本发明实施例的电池电压预警阈值评估方法进行说明。

首先，例用功耗仪对所要评估的无线MEMS传感器的工作状态进行测量，测量出其最大工作电流工作状态下最大工作电流I_max、无线MEMS传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长T_max，测量出无线MEMS传感器维持正常工作的最低工作电压V_min。之后，采用上述步骤1获取这些参数并进行保存。

本具体实施例中，I_max＝200mA，T_max＝1s/周期，V_min＝2.70V。

设三个余量因子，P₁、P₂、P₃，电池的放电电压为V，放电时间为t。

本实施例中，P₁＝1.5，P₂＝2，P₃＝0.8。

对无线MEMS传感器所使用的电池进行放电特性测试。

(a1)在无线MEMS传感器所工作环境温度范围内，对处于多个温度环境下的无线MEMS传感器所使用的电池进行电池放电测试，设，工作温度为W_j(j为大于等于0的自然数)，最低工作温度为W_low，最高为W_high，设W₀＝W_low。

本具体实施例中，W₀＝W_low＝-20℃，W_high＝60℃。

(a2)采用P₁×I_max大小的电流进行恒流放电。

本具体实施例中，放电电流为300mA。

(a3)电池放电直至电压减低至P₃×V_min。

本具体实施例中，电池放电至2.16V。

进一步，本实施例中，温度阶梯值选择为W₀＝W_low＝-20℃，W₁＝-15℃，W₂＝-10℃，W₃＝-5℃，W₄＝0℃，W₅＝5℃，W₆＝10℃，W₇＝15℃，W₈＝20℃，W₉＝25℃，W₁₀＝30℃，W₁₁＝35℃，W₁₂＝40℃，W₁₃＝45℃，W₁₄＝50℃，W₁₅＝55℃，W₁₆＝W_high＝60℃。

在本具体实施例中，在每个温度阶梯的温度环境下，选择5个电池进行同步放电，数据进行同步采集。

由于电池个体差异，在相同环境中，在放电至最低工作电压前，会出现个别电池出现突然电压减低后又恢复现象，突然降低电压大于最低工作电压，这些异常现象不影响整体工作性能，故将这些异常数据剔除。

如图2所示，以W₁₆＝W_high＝60℃为例，在60℃温度阶梯的温度环境下，对5个电池样本进行测试，电池放电至最低电压2.16V。当无线MEMS传感器在最低工作电压2.7V时，会出现突然下降后上升的情况，此时，电池已经不能保证无线MEMS传感器正常工作。对采集的离散数据绘制出散点图。

在其它温度阶梯的温度环境下，执行同样的测试以得到所有温度阶梯的温度环境下的电池放电曲线。

其中，设在某一个温度阶梯值的环境温度下的3个级别预警电压阈值为V₁、V₂、V₃。

电池放电曲线建立方法如下：

(b1)电池放置在某恒定的温度阶梯的温度环境(如W₁₆＝W_high＝60℃)中，按上述方法对5个电池样本进行持续放电，在此过程中，用高精度功耗仪记录电压值。

(b2)试验后统计出所有样本电池电压随时间的离散值。

(b3)对所有样本数据进行绘制离散点图，如图2所示。

(b4)对大于无线MEMS传感器最低工作电压值的离散点图绘制连续数据的曲线，曲线拟合方法有多种，如多项式拟合、高斯拟合、傅里叶拟合等。

如图3所示，对图2的离散点图进行曲线拟合，本实施例中，用最简单的多项式拟合，拟合出放电曲线。

依据上述步骤建立的电池放电曲线，建立3级预警电压阈值随温度变化的数学模型函数。具体方法如下。

(c1)依据上述步骤，在无线MEMS传感器所工作温度范围内的所有温度阶梯，对所使用电池进行放电测试。

(c2)在(c1)所绘制的各离散温度点放电曲线中，选取3级预警阈值V₁、V₂、V₃，选取方法如下(在某一个温度阶梯值的环境温度下的放电曲线)：

设，无线MEMS传感器从第一时刻起预计工作Q₁时长后，电池电压减低至V_min，预计从第二时刻起工作Q₂时长后，电池电压减低至V_min，预计从第三时刻起工作Q₃时长后，电池电压减低至V_min，其中，Q₁>Q₂>Q₃，本具体实施例中，Q₁＝180天，Q₂＝90天，Q₃＝30天，即预设在电池电压减低至V_min之前的180天左右进行报警、预设在电池电压减低至V_min之前的90天左右进行报警，预设在电池电压减低至V_min之前的30天左右进行报警。

设，在上述建立的放电曲线中，电池从预警阈值V₁、V₂、V₃放电至V_min，所需要时长为U₁、U₂和U₃。

设，无线MEMS传感器的工作周期值为M(M＝1周期/h＝24周期/天，即每小时一个周期，，每天24个周期)，则：

U₁＝(Q₁×M)×P₂×T_max＝(180×24)×2×1＝8640秒

U₂＝(Q₂×M)×P₂×T_max＝(90×24)×2×1＝4320秒

U₃＝(Q₃×M)×P₂×T_max＝(30×24)×2×1＝1440秒

由于无线MEMS传感器在休眠待机模式下，电池仍处于供电状态，再加上电池自身自放电，设电池放电修正因子为Y(Y＝2.5)，则：

U₁＝Y×(Q₁×M)×P₂×T_max＝2.5×(180×24)×2×1＝21600秒

U₂＝Y×(Q₂×M)×P₂×T_max＝2.5×(90×24)×2×1＝10800秒

U₃＝Y×(Q₃×M)×P₂×T_max＝2.5×(30×24)×2×1＝3600秒

(c3)在每个温度阶梯值的放电曲线图中，以V_min所对应的时刻为终点，分别以U₁、U₂、U₃为时长，向t减小的方向(t轴负向，图中的左侧方向)确定起点时刻(即V_min所对应的时刻减去U₁所得到的起点时刻，V_min所对应的时刻减去U₂所得到的起点时刻，V_min所对应的时刻减去U₃所得到的起点时刻)，在分别以U₁、U₂、U₃为时长所确定的起点时刻所对应的放电曲线中的电压值，分别作为每个温度阶梯值下的3个级别预警电压阈值V_1j，V_2j，V_3j。

需要说明的是，U₁、U₂、U₃的时长表示的是电池的连续放电时长，而并非MEMS传感器的包含休眠时间在内的连续运行时长。

例如图4所示的在60℃温度阶梯的放电曲线中的3个级别预警电压阈值V₁，V₂，V₃的取值。

按照上述方式，在从W_low到W_high的每个温度阶梯的放电曲线中，均确定出相应的3个级别预警电压阈值V₁，V₂，V₃。例如图5所示中，在W_j温度阶梯的放电曲线中，以V_min所对应的时刻为终点，分别以U₁、U₂、U₃为时长，向t减小的方向确定起点时刻，在分别以U₁、U₂、U₃为时长所确定的起点时刻所对应的电压值，分别作为W_j温度阶梯的下的3个级别预警电压阈值V_1j，V_2j，V_3j；在W_high温度阶梯的放电曲线中，以V_min所对应的时刻为终点，分别以U₁、U₂、U₃为时长，向t减小的方向确定起点时刻，在分别以U₁、U₂、U₃为时长所确定的起点时刻所对应的电压值，分别作为W_high温度阶梯的下的3个级别预警电压阈值V_1high，V_2high，V_3high；在W_low温度阶梯的放电曲线中，以V_min所对应的时刻为终点，分别以U₁、U₂、U₃为时长，向t减小的方向确定起点时刻，在分别以U₁、U₂、U₃为时长所确定的起点时刻所对应的电压值，分别作为W_low温度阶梯的下的3个级别预警电压阈值V_1low，V_2low，V_3low。

(c4)以横轴为温度(温度阶梯反映在横轴坐标中)，纵轴为预警电压阈值，对(c3)所获得的所有离散点进行绘图。

(c5)在(c4)所绘制的散点图中，将所有的第一级预警电压阈值V₁的离散数据转换为连续数据的曲线拟合，如多项式拟合、高斯拟合、傅里叶拟合等，获得第一级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数，采用相同方法分别获得第二级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数，以及第三级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数，由第一级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数、第二级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数、以及第三级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数共同组成无线MEMS传感器的电池电压预警阈值评估模型。例如图6所示，V_1j＝f₁(W_j)、V_2j＝f₂(W_j)、V_3j＝f₃(W_j)分别为第一级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数、第二级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数、第三级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数。其中，j仅用于表示温度阶梯；例如，V_1low中，此时的j相当于low，表示无线MEMS传感器的最低工作温度。

本具体实施例中，给出一组第三级预警电压阈值统计值，如表1所示。该统计可以在MATLAB中进行曲线拟合，得出曲线函数，例如图7所示的第三级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数，该曲线函数为

V₃(r)＝2×10^-10r⁵-10^-08r⁴+3×10^-07r³+4×10^-05r²+0.0028r+2.8646

其中，r∈[-20℃，60℃]。

表1第三级预警阈值电压统计值

温度℃	-20	-15	-10	-5	0	5
							电压V	2.82	2.82768	2.8395	2.85072	2.868	2.87952
温度℃	10	15	20	25	30	35
							电压V	2.8968	2.91418	2.94	2.95792	2.9848	3.01178
温度℃	40	45	50	55	60
							电压V	3.052	3.07888	3.1192	3.15952	3.22

最终建立的电池电压预警阈值评估模型中的3级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数分别为：

V₁＝f₁(W)

V₂＝f₂(W)

V₃＝f₃(W)

其中，V₁、V₂、V₃分别为第一级预警电压阈值、第二级预警电压阈值、第三级预警电压阈值，W为无线MEMS传感器所处环境温度，f₁(W)、f₂(W)、f₃(W)分别为随W变化的第一级电池电压预警函数、第二级电池电压预警函数、第三级电池电压预警函数。由V₁＝f₁(W)、V₂＝f₂(W)、V₃＝f₃(W)共同组成无线MEMS传感器的电池电压预警阈值评估模型。

在获得上述3级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数后，将上述3级预警电压阈值与温度之间关系的电池电压预警函数嵌入(输入)无线MEMS传感器内部程序中。随后，无线MEMS传感器便可以依据上述步骤4的内容实时地根据当前工作温度(可以由无线MEMS传感器自身采集或者通过其所处的传感网获取)计算出当前的第一级预警电压阈值、第二级预警电压阈值和第三级预警电压阈值，从而实现了无线MEMS传感器对其电池工作状态(如基于当前所处温度环境下距离电池无法支撑无线MEMS传感器正常工作的剩余时间)的准确预警。

本发明实施例还提供了一种无线传感器，包括模型存储模块和评估模块。其中，模型存储模块，用于存储电池电压预警阈值评估模型。评估模块，用于根据无线传感器的当前使用环境温度和电池电压预警阈值评估模型，获得无线传感器的当前电池电压预警阈值。其中，电池电压预警阈值评估模型通过以下方法获得：

获取无线传感器的工作特性参数，工作特性参数包括无线传感器的最大工作电流、无线传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长、无线传感器维持正常工作的最低工作电压；

接收针对无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试所得到的测试结果，并根据所述测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型；

根据工作特性参数和多个温度环境下的电池放电模型，建立电池电压预警阈值评估模型。

上述方法的各个步骤的具体内容可详见前述各项实施例的电池电压预警阈值评估方法中的说明。

其中，无线传感器还包括感知单元、数据处理及控制单元、无线通讯单元、电池管理单元和防护外壳。其中，感知单元用于获取被测环境的物理信息；数据处理及控制单元用于接收物理信息并进行处理以获得数字信号形式的数据并通过无线通讯单元进行发送，并对感知单元、无线通讯单元和电池管理单元进行控制；无线通讯单元用于通过无线方式收发数据和命令；电池管理单元用于电池对各个单元的供电管理。

在可选实施例中，无线传感器为无线MEMS传感器。

本发明实施例还提供了一种传感网(即，无线传感网络系统)，包括：无线网关；以及，与无线网关进行无线通信的至少一个如上所述的无线传感器。

本发明实施例的电池电压预警阈值确定评估方法、无线传感器和传感网，通过在多个温度环境下的放电特性测试获得预警电压阈值与各个与温度之间的关系，通过拟合而得到由预警电压阈值与温度之间的函数关系所组成的电池电压预警阈值评估模型，进而在无线传感器工作时便可以通过该电池电压预警阈值评估模型而实时得到当前温度下的预警电压阈值，只要无线传感器的电池达到当前温度下的预警电压阈值便可以触发预警，从而实现了无线传感器的电池预警与所处环境温度的有效结合，提高了无线传感器的电池预警的准确性，保证了在任何温度条件下，无线传感器均能够准确的完成电池电压预警。

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 (9)

1.一种电池电压预警阈值评估方法，包括：

获取无线传感器的工作特性参数，所述工作特性参数包括所述无线传感器的最大工作电流、所述无线传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长、所述无线传感器维持正常工作的最低工作电压；

接收针对所述无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试所得到的测试结果，并根据所述测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型；

根据所述工作特性参数和所述多个温度环境下的电池放电模型，建立所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型；

根据所述无线传感器的当前使用环境温度和所述电池电压预警阈值评估模型，获得所述无线传感器的当前电池电压预警阈值；

其中，所述根据所述工作特性参数和所述多个温度环境下的电池放电模型，建立所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型，包括：

在每一个温度阶梯值的环境温度下的恒流放电过程所获得的所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线中，通过下式获得当前温度阶梯值的环境温度下的至少一个预警时间阈值：

U_i＝(Q_i×M)×P₂×T_max

其中，U_i为所述当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值，Q_i为预设的第i个使用时长参考值，M为工作周期值，P₂为第二余量因子，T_max为所述无线传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长，i为大于等于1的整数；

在每一个所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中，通过下式获得所述当前温度阶梯值的环境温度下的对应于所述至少一个预警时间阈值的预警时点：

t_i＝t_min-U_i

其中，t_i为所述当前温度阶梯值的环境温度下的对应于所述第i个预警时间阈值的第i个预警时点，t_min为所述当前温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中的V_min所对应的时间点；

在每一个所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中，将所述当前温度阶梯值的环境温度下的t_i所对应的电压值作为所述当前温度阶梯值的环境温度下的所述无线传感器的第i个电池电压预警阈值V_i；

将所有所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中所获得的V_i与所对应的所述温度阶梯值组合成坐标点并进行曲线拟合，得到所述无线传感器的第i个电池电压预警函数；

其中，由全部所述电池电压预警函数共同组成所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型。

2.根据权利要求1所述的电池电压预警阈值评估方法，其特征在于：

对所述无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试包括：

从所述无线传感器的最低工作温度到最高工作温度，设置多个温度阶梯值；

在每个所述温度阶梯值的环境温度下，对所述无线传感器所使用的电池进行恒流放电，直至所述电池的电压降低至截止电压阈值，在所述恒流放电过程中获得所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线；

所述的根据所述测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型，包括：

将在所有温度阶梯值的环境温度下所获得的所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线，合并为所述多个温度环境下的电池放电模型；

其中，所述恒流放电的放电电流为P₁×I_max，所述截止电压阈值为P₃×V_min，其中，I_max为所述无线传感器的最大工作电流，V_min为所述无线传感器维持正常工作的最低工作电压，P₁为第一余量因子，P₃为第三余量因子，P₁>1，0<P₃<1。

3.根据权利要求2所述的电池电压预警阈值评估方法，其特征在于，所述的在所述恒流放电过程中获得所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线，包括：

在所述恒流放电过程中，采集所述电池的电压与放电时间之间的离散数据点，将所述离散数据点进行拟合以获得所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线。

4.根据权利要求2所述的电池电压预警阈值评估方法，其特征在于：

通过对多组所述无线传感器所使用的电池进行恒流放电，以获得多组所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线，将多组所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线的均值作为所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线。

5.根据权利要求1所述的电池电压预警阈值评估方法，其特征在于，还包括：

通过下式对当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值进行修正：

U_i＝Y×U_i’

其中，U_i’＝(Q_i×M)×P₂×T_max

其中，Y为所述电池放电的修正因子。

6.根据权利要求1所述的电池电压预警阈值评估方法，其特征在于，所述的根据所述无线传感器的当前使用环境温度和所述电池电压预警阈值评估模型，获得所述无线传感器的当前电池电压预警阈值，包括：

将所述无线传感器所处的当前使用环境温度值输入到所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型中的每一个所述电池电压预警函数，以获得所述无线传感器所处的当前使用环境温度下的电压预警阈值。

7.一种无线传感器，其特征在于，包括：

模型存储模块，用于存储电池电压预警阈值评估模型；

评估模块，用于根据所述无线传感器的当前使用环境温度和所述电池电压预警阈值评估模型，获得所述无线传感器的当前电池电压预警阈值；

其中，所述电池电压预警阈值评估模型通过以下方法获得：

获取所述无线传感器的工作特性参数，所述工作特性参数包括所述无线传感器的最大工作电流、所述无线传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长、所述无线传感器维持正常工作的最低工作电压；

接收针对所述无线传感器所使用的电池所进行的多个温度环境下的放电特性测试所得到的测试结果，并根据所述测试结果建立多个温度环境下的电池放电模型；

根据所述工作特性参数和所述多个温度环境下的电池放电模型，建立所述电池电压预警阈值评估模型；

其中，所述根据所述工作特性参数和所述多个温度环境下的电池放电模型，建立所述电池电压预警阈值评估模型，包括：

在每一个温度阶梯值的环境温度下的恒流放电过程所获得的所述电池的电压与放电时间之间的关系曲线中，通过下式获得当前温度阶梯值的环境温度下的至少一个预警时间阈值：

U_i＝(Q_i×M)×P₂×T_max

其中，U_i为所述当前温度阶梯值的环境温度下的第i个预警时间阈值，Q_i为预设的第i个使用时长参考值，M为工作周期值，P₂为第二余量因子，T_max为所述无线传感器的每个工作周期中的唤醒工作时长，i为大于等于1的整数；

在每一个所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中，通过下式获得所述当前温度阶梯值的环境温度下的对应于所述至少一个预警时间阈值的预警时点：

t_i＝t_min-U_i

其中，t_i为所述当前温度阶梯值的环境温度下的对应于所述第i个预警时间阈值的第i个预警时点，t_min为所述当前温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中的V_min所对应的时间点；

在每一个所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中，将所述当前温度阶梯值的环境温度下的t_i所对应的电压值作为所述当前温度阶梯值的环境温度下的所述无线传感器的第i个电池电压预警阈值V_i；

将所有所述温度阶梯值的环境温度下的所述关系曲线中所获得的V_i与所对应的所述温度阶梯值组合成坐标点并进行曲线拟合，得到所述无线传感器的第i个电池电压预警函数；

其中，由全部所述电池电压预警函数共同组成所述无线传感器的电池电压预警阈值评估模型。

8.根据权利要求7所述的无线传感器，其特征在于：

所述无线传感器为无线MEMS传感器。

9.一种传感网，其特征在于，包括：

无线网关；以及

与所述无线网关进行无线通信的至少一个如权利要求7或8所述的无线传感器。

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