CN115509252A - 一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统，基于光伏效应采用具有自主规划路径功能的无人机搭载LED光源照射光伏电池的无线充电方式，为布置在桥梁的埋入式无线传感器网络供能；系统包括无人机控制模块、机载定位模块、机载LED灯组、无人机启停无线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、光线管理模块、云端服务器；应用本技术方案可实现自主规划路径，携带LED灯组定位到指定位置，通过光线管理模块将光线汇聚到无线传感网络节点的光伏电池接收面进行充电。
Description
技术领域
本发明涉及光能无线能量传输领域，具体是指一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统。
背景技术
桥梁作为主要的交通枢纽，它的安全运营关系到百姓生命健康安全和我国经济快速发展。为此，通过桥梁结构健康监测技术实时监控桥梁各部件的状态，并对桥梁的健康状况进行评估显得尤为重要。传统的桥梁结构监测系统采用有线结构的传感器网络对桥梁健康状态进行实时监测，然而有线结构存在安装和运营成本非常高、特殊部位排线困难且易遭到环境损害、输送距离受排线长度限制等问题，很大程度限制了其应用，而无线传感器网络具有便于安装、低运营成本和可灵活部署等特点，能够很好地解决有线健康监测结构在应用中遇到的难题。
数量及其庞大的传感器节点组成了无线传感器网络，并分散在某些特定区域内，其能量由电池提供。但是，节点的体积限制决定了所配置的电池只能够提供的非常有限的能量。同时，由于传感器节点经常处在恶劣环境或人员不能到达的环境中,另外传感器节点的数量也及其庞大，为每个节点更换电池是不可能的。目前对于无线传感网络的供电主要采用能量收集技术(太阳能发电、风能发电、振动能发电等)来完成对于节点的自供电。但是太阳能、风能的能量输出大小及收集效率受天气、体积等因素的限制；而振动能量收集也主要依赖于周围环境的振动，这些自供电的方式受环境限制过大，无法得到一个稳定高效的能量供给。而主动供能方式受环境的限制较小，能够自主稳定可控地提供能源供给。因此采用远程无线能量传输取代收集环境能量自供电成为一种可能，而基于光伏效应的激光无线能量传输即可以实现远距离的充电。
然而在桥梁监测系统中无线传感器网络由大规模的埋入式无线传感器节点组成，直接采用激光远程充电时，由于桥梁内部大规模无线传感器节点分布在空间结构非常复杂的位置以及激光发射端固定，从发射端发射的激光往往无法绕开障碍物或精确对准无线传感器节点上的光伏电池进行远距离充电。因此，如何在密闭空间或者遮挡条件下，如何有效利用光能实现无线传感网络的供能是学术界和产业界共同关心的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统，可自主规划路径，携带LED灯组定位到指定位置，通过光线管理模块将光线汇聚到无线传感网络节点的光伏电池接收面进行充电。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统，其特征在于：基于光伏效应采用具有自主规划路径功能的无人机搭载LED光源照射光伏电池的无线充电方式，为布置在桥梁的埋入式无线传感器网络供能；系统包括无人机控制模块、机载定位模块、机载LED灯组、无人机启停无线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、光线管理模块、云端服务器；所述无人机控制模块、机载定位模块以及机载LED灯组均设置于无人机上；所述光线管理模块设置于光伏电池上方的桥梁表面上；
所述通信模块内置于所述无人机启停无线充电平台，所述通信模块接收到所述通信模块的信号覆盖范围内无线传感器网络节点的低电量报警信号，所述平台内置控制中枢根据接收到的无线传感器网络节点的数量和空间坐标，规划无人机工作路径，将生成无人机工作路径的地图发送到所述无人机控制模块中，接收到命令的无人机根据无人机工作路径从无人机启停无线充电平台起飞；无人机从所述机载定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对无人机的航线进行实时校正，飞到发出低电量报警信号的无线传感器网络节点处，所述机载LED灯组照射光线到光线管理模块进行聚光，聚焦的光线射至无线传感器节点的光伏电池接收面进行充电；当发出低电量报警信号的无线传感器网络节点依次完成充电任务后，无人机返回无人机启停无线充电平台；发出低电量报警信号的无线传感器网络节点的状态数据和无人机飞行路径、无人机实时状态数据均由平台内置控制中枢上传所述云端服务器。
所述无人机启停无线充电平台为无人机充至满电量。
在一较佳的实施例中：无人机从无人机启停无线充电平台起飞前，平台对无人机内置电池的电量进行检测，待至无人机内置电池充到满电量时无人机从平台起飞。
在一较佳的实施例中：在一较佳的实施例中：所述无人机具体为旋翼无人机。
在一较佳的实施例中：所述机载LED灯组由无人机进行供电。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明方案是相对于有线传感器网络应用于桥梁健康监测系统，提出的无线传感器网络具有便于安装、低运营成本和可灵活部署等特点，避免了有线结构的安装和运营成本非常高，特殊部位排线困难且易遭到环境损害，并且输送距离受到排线长度的限制的问题。
2.本发明方法相对于人工更换无线传感网络节点电池的方式，避免了人工更换存在的效率低、经济成本高和近距离接触极端环境的安全隐患等问题。
3.本发明方案相比太阳能发电，风能发电和振动能发电等受环境限制较大的被动供电方式，本发明中的LED光能无线充电方式，是一种主动供电方式，这种方式受环境的限制较小，能够自主稳定可控地提供能源供给。
4.本发明方案相对于直接采用激光远程充电，将重量轻、功耗低的LED光源代替笨重的激光器搭载于无人机上，根据工作路径携带LED灯组定位到指定位置对桥梁埋入式的无线传感器节点进行充电，整个充电过程可以无视障碍物遮挡。
5.本发明方案相比于利用移动充电车(WCV)对节点进行巡游充电的方法，利用无人机充电能够覆盖的范围更广，速度更快，避免小车受限于地形结构而在一些场合无法应用的缺陷，能够快速准确实现对三维布置的传感器网络节点充电。
6.本发明方案相对于人工操作无人机方式，避免了单纯依赖飞控手的专业操作，无人机实现自动化作业，现场无需人为干涉，降低人工成本。只需在云端监控数据，对系统进行定期维护即可。
附图说明
图1为本发明优选实施例中面向桥梁无线传感网络的无线充电系统的系统示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
结合图1所示，本发明提供一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统的系统，包括无人机控制模块、机载定位模块、机载LED灯组、无人机启停无线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、光线管理模块、云端服务器；所述无人机控制模块、机载定位模块以及机载无线充电装置均设置于无人机上；所述光线管理模块设置于光伏电池上方的桥梁表面上。
所述通信模块内置于所述无人机启停无线充电平台，所述通信模块接收到所述通信模块的信号覆盖范围内无线传感器网络节点的低电量报警信号，所述平台内置控制中枢根据接收到的无线传感器网络节点的数量和空间坐标，规划无人机工作路径，将生成无人机工作路径的地图发送到所述无人机控制模块中，接收到命令的无人机根据无人机工作路径从无人机启停无线充电平台起飞；无人机从所述机载定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对无人机的航线进行实时校正，飞到发出低电量报警信号的无线传感器网络节点处，所述机载LED灯组照射光线到光线管理模块进行聚光，聚焦的光线射至无线传感器节点的光伏电池接收面进行充电；当发出低电量报警信号的无线传感器网络节点依次完成充电任务后，无人机返回无人机启停无线充电平台，所述无人机启停无线充电平台为无人机充至满电量。或者无人机在起飞前未在平台充满电，待无人机内置电池充满电为止再起飞，报警节点的状态数据、无人机飞行路径、无人机实时状态等数据均由控制中枢上传云端服务器，维护人员可在云端查看系统的工作状态，方便对系统进行定期维护。
具体来说，所述无人机无论是无人机种类不限，本实施例中为旋翼无人机。所述无人机数量不限,本实施例中为三个，每个分配120°扇形工作空间。
具体来说，所述无人机控制模块硬件组成类型不限，本实施例中无人机控制模块功能包括电源模块、微处理单元及电机控制模块，由电源模块为微处理单元及电机控制模块提供工作电压，微处理单元按照工作路径和接收飞行动作调整指令，来驱动电机控制模块。
所述无人机启停无线充电平台结构不限，本实施例中为具有天窗遮挡结构、无线充电功能和覆盖太阳能板的无人机启停平台。所述通信模块类型不限，本实施例中为4G/GPRS模块。所述平台内置控制中枢硬件电路类型不限，本实施例中为基于ARM芯片的嵌入式系统。所述云端服务器实现方式不限，本实施例中为基于Java开发的云端服务器。所述机载定位模块硬件电路类型不限，本实施例中为基于SKM66GPS模块的嵌入式系统。
综上所述，本发明提出的面向桥梁无线传感网络的无线充电系统利用光伏电池的光伏效应，能够稳定高效地为桥梁埋入式无线传感器网络的光伏电池进行远距离和智能化无线充电，现场无需人为干涉，供能受周围环境的限制较小。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (4)
1.一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统，其特征在于：基于光伏效应采用具有自主规划路径功能的无人机搭载LED光源照射光伏电池的无线充电方式，为布置在桥梁的埋入式无线传感器网络供能；系统包括无人机控制模块、机载定位模块、机载LED灯组、无人机启停无线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、光线管理模块、云端服务器；所述无人机控制模块、机载定位模块以及机载LED灯组均设置于无人机上；所述光线管理模块设置于光伏电池上方的桥梁表面上；
所述通信模块内置于所述无人机启停无线充电平台，所述通信模块接收到所述通信模块的信号覆盖范围内无线传感器网络节点的低电量报警信号，所述平台内置控制中枢根据接收到的无线传感器网络节点的数量和空间坐标，规划无人机工作路径，将生成无人机工作路径的地图发送到所述无人机控制模块中，接收到命令的无人机根据无人机工作路径从无人机启停无线充电平台起飞；无人机从所述机载定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对无人机的航线进行实时校正，飞到发出低电量报警信号的无线传感器网络节点处，所述机载LED灯组照射光线到光线管理模块进行聚光，聚焦的光线射至无线传感器节点的光伏电池接收面进行充电；当发出低电量报警信号的无线传感器网络节点依次完成充电任务后，无人机返回无人机启停无线充电平台；发出低电量报警信号的无线传感器网络节点的状态数据和无人机飞行路径、无人机实时状态数据均由平台内置控制中枢上传所述云端服务器，所述无人机启停无线充电平台为无人机充至满电量。
2.根据权利要求1所述的一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统，其特征在于：无人机从无人机启停无线充电平台起飞前，平台对无人机内置电池的电量进行检测，待至无人机内置电池充到满电量时无人机从平台起飞。
3.根据权利要求1所述的一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统，其特征在于：所述无人机具体为旋翼无人机。
4.根据权利要求1所述的一种面向桥梁无线传感网络的无线充电系统，其特征在于：所述机载LED灯组由无人机进行供电。
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