CN201994715U - 一种基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统，包括接口电路和锂电池电源装置，所述接口电路与锂电池电源装置电连接并且包括对所述锂电池电源装置的工作状态进行监控和管理的电源管理模块，所述接口电路还包括供电模块和充电模块，所述接口电路的供电模块和充电模块分别与多个不同类型的外部电源装置电连接。本实用新型增强了传感器节点在室内的可用性，提高了节点的能量有效性和稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统。
背景技术
计算技术、无线通信技术和传感器技术的进步，推动了传感器的快速发展，使其能够在微小体积内集成信息采集和处理数据等多种功能。无线传感器网络由分布在监测区域内的大量传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个自组织网络，利用传感器节点感知、收集网络覆盖区域中的信息并发送给观察者。近年来，无线传感器网络广泛应用于战场环境监测、智能家居、建筑物监测以及医疗护理等多个领域，具有重要的研究价值及应用前景。
传感器节点体积微小，通常只能携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本低、分布在各式各样的区域中，有些区域环境复杂，甚至人员都无法到达，因此节点通过更换电池的方式补充能源是不现实的。当节点的电量耗尽时，意味着节点的寿命走到了终点。这显然不利于重要数据的采集和整个网络的稳定。如何使传感器节点具有稳定持续的电源系统以及提高传感器节点的能量利用效率是传感器网络面临的首要挑战。
近年来，为了优化节点的能量使用效率，人们在网络层面的传输协议和硬件电路方面都做了很多工作，并且开始使用各种形式的可再生自然能作为节点的能量来源。但是，单一的能量来源无法适应多变的环境。当传感器节点的部署环境发生变化时，单一的电源系统不能随之做出相应的改变，传感器节点的能量还是会出现供不应求的现象。
发明内容
本实用新型的目的在于提供了一种基于多种供电机制的传感器节点的电源系统，其中充电模块和供电模块通过统一的接口电路对节点进行供电和充电，为传感器节点提供不同的供电方案，采取有效的电源管理，使传感器节点可以应用到室外或者室内的等更多的环境当中。
为此，本实用新型提供了一种基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统，包括接口电路和锂电池电源装置，所述接口电路与锂电池电源装置电连接并且包括对所述锂电池电源装置的工作状态进行监控和管理的电源管理模块，所述接口电路还包括供电模块和充电模块，所述接口电路的供电模块和充电模块分别与多个不同类型的外部电源装置电连接。
优选地，还包括节点工作状态指示灯和电源状态指示灯。
优选地，所述供电模块与太阳能电池电源装置和直流电电源装置这两种外部电源装置中至少一个电连接，所述充电模块与太阳能电池电源装置和直流电电源装置这两种外部电源装置中至少一个电连接。
优选地，所述供电模块包括降压模块，所述降压模块与所述太阳能电池电源装置电连接。
优选地，所述供电模块包括降压模块，所述降压模块与所述直流电电源装置电连接。
优选地，所述供电模块包括降压模块和电源选择开关，所述降压模块和所述电源选择开关与所述太阳能电池电源装置和所述直流电电源装置电连接。
优选地，所述充电模块包括降压模块，所述降压模块与所述太阳能电池电源装置电连接。
优选地，所述充电模块包括降压模块，所述降压模块与所述直流电充电电源电连接。
优选地，所述充电模块包括降压模块和过充过放保护模块，所述降压模块和所述过充过放保护模块与所述太阳能电池电源装置和所述直流电电源装置电连接。
本实用新型的优点在于，在利用可再生能源的基础上，增加了直流电快速充电的电源模块，使传感器节点的部署不仅仅局限于野外环境，同时引入电源管理技术，增强了传感器节点的能量有效性和稳定性。
附图说明
图1为本实用新型涉及的传感器节点的系统结构图；
图2为本实用新型充电模块原理图；
图3为本实用新型供电模块原理图；
图4为电源管理芯片监测数据流程图；
图5为使用本实用新型的传感器节点实例图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本实用新型的具体实施方式。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1是使用具有多种供电机制的电源系统的无线传感器节点的系统结构图。从图中可以看出，整个传感器节点由四部分组成，分别是：控制处理模块、传感器模块、电源系统、以及无线通信模块。控制处理模块使用ATmega128L芯片作为核心处理器，同时辅以由振荡电路、去耦电路和滤波电路组成的外围电路。控制处理模块主要实现路由、控制、传感器数据的处理等功能。传感器模块集成了温湿度传感器、光强传感器等，用于外部数据的采集。无线通信模块由射频芯片CC2420及其外围电路组成，用于完成传感器节点和外部设备的数据通信。电源系统主要包括：外部电源；内部电源，例如锂电池；接口电路。电源系统为整个传感器节点提供能量供给。
图2和图3分别是基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统所涉及的电源系统中充电模块和供电模块的原理图。从图中可以看出，本实用新型的无线传感器节点的电源系统，由于采用了统一的接口电路对节点进行供电和充电，因此可以将电源的充电和供电的控制功能整合到统一的接口电路之中，使得该电源系统可以灵活的接入多种充电系统或者供电系统。例如，结合传感器节点的使用环境，在利用太阳能光伏供电的基础上，可以增加直流电供电和快速充电机制。这样，根据传感器节点使用环境的变化，应用不同的电源方案，并且进行有效的电源管理，增强了节点的可用性，提高了能量的有效性，提供了一种基于多种供电机制的健壮的电源系统。
下面，结合图2和图3，分别对接口电路的充电控制功能和供电控制功能进行具体的介绍。应当说明的，本实用新型的电源系统不限于仅仅控制下面所述的太阳能、直流和锂电池等电源，可以根据需要方便地接入各种电源，这体现了本实用新型极大的灵活性和可扩充性。
图2是充电模块的原理图。充电电源主要包括两种充电模式，即太阳能电池充电模式和直流电快速充电模式。二者通过统一的接口电路实现对锂电池的充电。传感器节点所使用的太阳能电池，是具有光敏特性的多晶硅太阳能电池。该电池具有2W的最大功率值、10.5V的开路电压值、以及230mA的最大功率点电流。直流电源是220V交流电压通过相应的适配器转换而成的9V直流电压。
在充电模块中，接口电路由降压模块、充电管理模块和过充过放保护模块构成。太阳能电池和直流电源在充电时具有9V左右的电压，而传感器节点的实际工作电压为3.3V，为了减小因为过高的充电电压而造成的锂电池损坏，我们利用降压模块降低直接接入锂电池的电压值。充电管理模块的核心是MAXIM公司推出的智能高精度锂电池监测芯片DS2762，该芯片可以实现对电池电量、电压值的智能检测，并且通过外围电路可以对锂电池进行有效的充电管理。过充过放保护模块的功能则是由集成在锂电池上的场效应管实现，在锂电池电压高于充电最高门限电压值时停止充电。
在太阳能充电模式下，当阳光入射角度小于40度时，可以提供最高10.5V的充电电压以及20mA左右的充电电流。在节点处于室外且电量不足的情况下，可以采用太阳能充电的方式为节点提供电量。直流电充电模式可以向锂电池提供30mA左右的稳定的充电电流，适用于光照情况不稳定以及突发情况下的紧急快速充电。
图3是供电模块的原理图。供电模块主要由内部电源(例如锂电池电源)和外部电源构成。在传感器节点的实际工作状态下，以锂电池作为主要的供电电源。锂电池使用锂离子作为载流子，具有3.7V到4.1V之间的操作电压，可以为传感器节点提供稳定的3.3V电压。使用锂电池作为电源的优点是，体积小、便于携带、容量大、使用稳定、可以进行多次的充电和放电并且不存在记忆效应，方便传感器节点的部署和移动。在锂电池电量不足的情况下，选择外部电源对节点进行供电。
图3中显示的外部电源，主要包括太阳能电池和直流电源。其中，在光照条件好的情况下，太阳能电池可以为传感器节点提供稳定的电量来源。由于外部电源的电压通常较高，接口电路提供了降压器电路将其转换至3.3V。锂电池和外部电源的选择通过三档电源选择开关完成。
图4是电源管理芯片监测数据流程图。具体流程如下：
步骤4-1：通过向DS2762写入复位命令，控制DS2762进行初始化，将其内部寄存器值复位；
步骤4-2：向DS2762写入读命令，使读写总线准备读取相应寄存器的内容；
步骤4-3：向DS2762写入控制寄存器的地址；
步骤4-4：读取控制寄存器的相应内容；
步骤4-5：判断控制寄存器中eec位是否为0，如果eec位不为0，说明此时DS2762正在修改寄存器内容，重新读取控制寄存器内容，如果eec位为0，此时可以读取相应参数，进入下一步；
步骤4-6：向DS2762写入相应寄存器的地址；
步骤4-7：读取相应寄存器中的内容。
图5示出了传感器节点实例，可以直观的看到电源系统的使用情况。附图标记1表示节点工作状态指示灯的位置；附图标记2表示电源选择开关的位置；附图标记3表示电源状态指示灯的位置；附图标记4表示外部电源接口的位置；附图标记5-6表示锂电池连接线的位置。
本实用新型的工作原理是这样的。太阳能电池和直流电源通过外部电源接口接入电路，以进行充电或供电；锂电池通过锂电池连接线接入电路作为节点电源；当电源状态指示灯亮时，说明节点有电源接入并且接入正确；在节点电源状态指示灯点亮的状态下，若节点工作状态指示灯亮，说明此时节点的电源电量正常，若节点工作状态指示灯不亮，则说明锂电池电量不足需要充电或者使用外部电源供电。电源选择开关用于控制节点工作与否以及选择何种供电电源。开关位于中间位置时，节点不工作；开关位于左边，节点使用锂电池作为电源；开关位于右边，节点使用外部电源。需要说明的是，当外部电源接入节点作为供电电源时，可以自动开始向锂电池进行充电，当锂电池电量充满时，过冲过放保护电路会切断充电电流，且不影响外部电源的供电工作。
综上所述，本实用新型通过对传感器节点的电源系统进行改进，以锂电池作为传感器节点的主要电量来源，通过统一的接口电路将太阳能光伏供电、直流电源和锂电池相结合，使节点可以根据实际的部署环境选择最佳的电源方案，同时引入电源管理技术，增强了传感器节点的可用性以及节点的能量有效性和稳定性。最后通过使用本实用新型的传感器节点实例证明了该电源系统的实用性。
总之，本实用新型提供了一种基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统，包括接口电路和锂电池电源装置，所述接口电路与锂电池电源装置电连接并且包括对所述锂电池电源装置的工作状态进行监控和管理的电源管理模块，所述接口电路还包括供电模块和充电模块，所述接口电路的供电模块和充电模块分别与多个不同类型的外部电源装置电连接。
本实用新型的另一个方面中，所述供电模块与太阳能电池电源装置和直流电电源装置这两种外部电源装置中至少一个电连接，充电模块与太阳能电池电源装置和直流电电源装置这两种外部电源装置中至少一个电连接。
本实用新型提供了一种灵活的电源配置。传感器节点在实际应用中，会应用在各种不同的场合。该电源系统为传感器节点提供了多种供电方案。在引入太阳能可再生能源的基础上，使用锂电池作为能量的存储元件。通过统一的接口电路，增加直流电供电机制。同时采用电源管理芯片对锂电池电源进行有效的保护和管理。根据传感器节点应用场景的变换，可以选择相应的电源模式。
本实用新型提供了锂电池作为无线传感器节点的电源。在电源系统中，由于锂电池具有体积小、容量大、便于携带等优点，因此节点主要使用锂电池作为传感器节点的直接能量来源。太阳能电池和直流电源组成的外部电源，可以为锂电池提供外部的能量来源。当传感器节点位于阳光充足的室外环境时，可以通过电源选择开关的控制，选择使用太阳能电池作为节点的电源。此时，如果锂电池的电量不足，太阳能电池可以在供电的同时对锂电池进行充电，且不影响传感器节点的工作状态。当传感器节点位于具有直流电源的室内时，可以直接使用直流电源作为节点的供电电源。在锂电池电量不足时，直流电源可以实现对锂电池的快速有效充电。这种电源组合可以极大的扩展传感器节点使用范围，有效的提高能源利用率。
本实用新型还提供了电源管理。在电源系统中，通过电源管理芯片可以对锂电池的工作状态进行有效的管理和保护。系统使用的电源管理芯片是MAXIM公司推出的智能高精度锂电池监测芯片DS2762。利用DS2762及其外围电路，可以对锂电池的电压、电流等参数进行自动检测和获取，并存入相应的寄存器中。电源管理芯片可以读取相应寄存器中的参数确认锂电池的工作状态。在锂电池充电过程中，通过监测锂电池电压和电量等参数，可以对锂电池的充电状态进行有效的规划和管理。观察者也可通过电源管理芯片获取的数据值对节点的电源状态进行监控。
本实用新型还提供了统一的接口电路，可以集成在传感器节点上，也可以是单独的电路。可以将多种电源，例如太阳能电池和直流电源的充放电电路进行整体的规划和兼容，使二者均可以通过该电路实现供电和充电。例如，可以将接口电路制成一块或多块标准的电路板，方便其与传感器模块等进行快捷的组装，从而便于根据环境快速地部署传感器节点，适应传感器复杂的布置环境，根据环境提供最优化的电源供给方案。
本实用新型的接口电路包括多种功能模块。例如，该接口电路可以包括电源选择开关、防止锂电池过充电过放电的保护电路、锂电池管理电路、降压电路等。其中电源选择开关可以用于控制传感器节点的电源状态；过充过放保护的功能由集成在锂电池上的场效应管或单独的场效应管完成；锂电池管理电路可以采用DS2762，主要进行充电管理和电池数据监测；降压电路用于将外部电源的电压降至传感器节点的工作电压，以及降低外部电源的充电电压，以减小高压差带来的元件损坏。还可以根据具体的需要，在统一的接口电路中集成相应的功能，例如可以在接口电路中集成环境光照强度检测模块，从而方便对太阳能电池的使用进行优化。
本实用新型提供了一种基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统，特别是一种拥有多种充电和供电机制的传感器节点的电源系统，主要是结合传感器节点使用环境的多样性，在利用太阳能可再生能源的基础上，增加了直流电供电和快速充电，并具有有效的电源管理的电源方案。包括：具有光伏供电功能的太阳能电池；9V直流电源；锂离子电池，可以存储来自充电电源的电量并提供给传感器节点使用；集成在传感器节点上的接口电路，用于连接锂离子电池和太阳能电池，以及连接锂离子电池和9V直流电源。本实用新型增强了传感器节点在室内的可用性，提高了节点的能量有效性和稳定性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于多种供电机制的无线传感器节点的电源系统，包括接口电路和锂电池电源装置，所述接口电路与锂电池电源装置电连接并且包括对所述锂电池电源装置的工作状态进行监控和管理的电源管理模块，所述接口电路还包括供电模块和充电模块，所述接口电路的供电模块和充电模块分别与多个不同类型的外部电源装置电连接。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于：还包括节点工作状态指示灯和电源状态指示灯。
3.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述供电模块与太阳能电池电源装置和直流电电源装置这两种外部电源装置中至少一个电连接，所述充电模块与太阳能电池电源装置和直流电电源装置这两种外部电源装置中至少一个电连接。
4.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于：所述供电模块包括降压模块，所述降压模块与所述太阳能电池电源装置电连接。
5.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于：所述供电模块包括降压模块，所述降压模块与所述直流电电源装置电连接。
6.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于：所述供电模块包括降压模块和电源选择开关，所述降压模块和所述电源选择开关与所述太阳能电池电源装置和所述直流电电源装置电连接。
7.根据权利要求3-6中任何一个所述的电源系统，其特征在于：所述充电模块包括降压模块，所述降压模块与所述太阳能电池电源装置电连接。
8.根据权利要求3-6中任何一个所述的电源系统，其特征在于：所述充电模块包括降压模块，所述降压模块与所述直流电充电电源电连接。
9.根据权利要求3-6中任何一个所述的电源系统，其特征在于：所述充电模块包括降压模块和过充过放保护模块，所述降压模块和所述过充过放保护模块与所述太阳能电池电源装置和所述直流电电源装置电连接。
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