RU2730468C1

RU2730468C1 - Charging method of accumulators in wireless sensory network

Info

Publication number: RU2730468C1
Application number: RU2020104003A
Authority: RU
Inventors: Борис Яковлевич Лихтциндер; Олег Николаевич Маслов
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2020-08-24

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering, in particular to the power supply of radioelectronic equipment, and can be used for the purpose of recharging the accumulator batteries in the elements of the wireless sensor networks (WSN). According to the battery recharging method in the wireless sensor network, the charging device is delivered to the location of the wireless sensory network elements and performing electromagnetic action on elements of wireless sensor network for recharging of accumulator batteries used for their power supply, as a delivery vehicle a controlled unmanned aerial vehicle is used, on which a device is placed, which performs electromagnetic action on elements of wireless sensor network in order to recharge accumulator batteries used for their power supply.EFFECT: increased energy efficiency and reduced time of recharging of accumulator batteries in WSN elements due to maximum approach of charging device and WSN elements.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электропитания радиоэлектронного оборудования и может быть использовано с целью подзарядки аккумуляторных батарей в элементах беспроводных сенсорных сетей (БСС).The invention relates to the field of power supply of electronic equipment and can be used to recharge batteries in the elements of wireless sensor networks (BSS).

Управление электропитанием элементов БСС имеет первостепенное значение для пространственно удаленных узлов сети. Эти узлы обычно питаются от автономных источников электроэнергии, нуждающихся в периодической подзарядке [1, 2] или замене – в зависимости от назначения, специфики построения и условий работы БСС [3]. Из уровня техники известен ряд способов решения данной проблемы. При отсутствии у персонала свободного доступа к элементам БСС замена источников электропитания может осуществляться специализированными роботами [4, 5, 6]. В наиболее распространенных сенсорных узлах: таких как Mica, Telos, Iris и др. [4], основным источником электропитания является аккумуляторная батарея, нуждающаяся в периодической подзарядке. Перспективной технологией подзарядки аккумуляторных батарей, позволяющей значительно увеличить срок службы элементов БСС, в настоящее время является беспроводная передача электроэнергии [7] с использованием различного рода мобильных устройств [9]. Передача электроэнергии при этом осуществляется путем индукционного электромагнитного воздействия зарядного устройства на перезаряжаемые аккумуляторные батареи узлов БСС.Power management of BSS elements is of paramount importance for spatially remote network nodes. These nodes are usually powered from autonomous power sources that need periodic recharging [1, 2] or replacement - depending on the purpose, design specifics and operating conditions of the BSS [3]. A number of methods for solving this problem are known in the art. If the personnel do not have free access to the elements of the FSS, the replacement of power supplies can be carried out by specialized robots [4, 5, 6]. In the most common sensor assemblies, such as Mica, Telos, Iris, etc. [4], the main source of power is the rechargeable battery, which needs to be recharged periodically. A promising technology for recharging batteries, which makes it possible to significantly increase the service life of BSS elements, is currently wireless transmission of electricity [7] using various types of mobile devices [9]. In this case, the transmission of electricity is carried out by the induction electromagnetic effect of the charger on the rechargeable batteries of the BSS units.

Наиболее близким по технической сущности является способ [8] подзарядки аккумуляторных батарей в сенсорных сетях при помощи мобильной зарядной машины WCV (прототип предлагаемого изобретения). Машина WCV периодически объезжает и подзаряжает батареи в элементах узлов БСС, развернутых вблизи земной поверхности, в стационарных условиях. Электроэнергия переносится в узлы при помощи технологии на основе магнитного резонанса, известной как Witricity [10].The closest in technical essence is a method [8] for recharging batteries in sensor networks using a mobile charger WCV (prototype of the present invention). The WCV vehicle periodically bypasses and recharges the batteries in the elements of the BSS nodes deployed near the earth's surface in stationary conditions. Electricity is transferred to the nodes using a magnetic resonance technology known as Witricity [10].

В рассматриваемой области применения у способа-прототипа имеются следующие недостатки:In the considered field of application, the prototype method has the following disadvantages:

– зарядные устройства, реализующие известный способ, с учетом их массогабаритных показателей, не могут быть доставлены машиной WCV на участки сильнопересеченной местности и на крыши зданий, внутрь огражденных территорий, к берегам водоемов и т.п.;- chargers that implement the known method, taking into account their weight and dimensions, cannot be delivered by a WCV machine to areas of rugged terrain and to the roofs of buildings, inside fenced areas, to the banks of water bodies, etc .;

– поскольку расстояние эффективного электромагнитное воздействия не превышает λ/2π, где λ – длина волны, на которой оно осуществляется, на частотах выше 10 МГц зарядное устройство должно быть удалено от элементов БСС на расстояние не более 4,7 м, что не всегда возможно по тем же причинам;- since the distance of the effective electromagnetic effect does not exceed λ / 2π, where λ is the wavelength at which it is carried out, at frequencies above 10 MHz, the charger should be removed from the BSS elements at a distance of no more than 4.7 m, which is not always possible by the same reasons;

– реализация зарядного устройства на частотах ниже 10 МГц, где расстояние воздействия может быть увеличено, или, при том же расстоянии, сокращено время подзарядки аккумуляторных батарей, встречает трудности ввиду имеющихся ограничений по массогабаритным показателям оборудования с учетом транспортных возможностей WCV.- the implementation of the charger at frequencies below 10 MHz, where the distance of exposure can be increased, or, at the same distance, the time for recharging batteries is reduced, meets difficulties due to the existing limitations on the weight and dimensions of the equipment, taking into account the transport capabilities of the WCV.

Предлагаемое решение проблемы состоит в том, чтобы использовать вместо WCV транспортное средство, способное сблизить зарядное устройство и элементы БСС до минимально возможного расстояния между ними, как это имеет место, например, в беспроводных устройствах подзарядки аккумуляторов в сотовых терминалах [11]. Таким транспортным средством является малогабаритный управляемый беспилотный летательный аппарат (БПЛА), осуществляющий доставку зарядного устройства к узлам БСС с точностью, заданной средствами ручного операторского, автоматизированного и др. позиционирования БПЛА.The proposed solution to the problem is to use, instead of WCV, a vehicle capable of bringing the charger and the BSS cells closer to the minimum possible distance between them, as is the case, for example, in wireless battery rechargers in cellular terminals [11]. Such a vehicle is a small-sized controlled unmanned aerial vehicle (UAV), which delivers a charger to the BSS units with an accuracy specified by means of a manual operator's, automated and other UAV positioning.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность беспроводной электромагнитной передачи энергии от зарядного устройства к элементам БСС на частотах выше 10 МГц при расстояниях до 4,7 м, что ведет к росту энергетической эффективности и сокращению времени подзарядки их аккумуляторных батарей.The technical result of the proposed invention is the possibility of wireless electromagnetic transmission of energy from the charger to the BSS cells at frequencies above 10 MHz at distances of up to 4.7 m, which leads to an increase in energy efficiency and a reduction in the recharge time of their batteries.

Сущность предлагаемого способа подзарядки аккумуляторов в беспроводной сенсорной сети, включающий доставку транспортным средством зарядного устройства к месту расположения элементов беспроводной сенсорной сети и электромагнитное воздействие на элементы беспроводной сенсорной сети для подзарядки аккумуляторных батарей, используемых для их электропитания, состоит в том, что в качестве транспортного средства доставки используется управляемый беспилотный летательный аппарат, на котором размещается устройство, осуществляющее электромагнитное воздействие на элементы беспроводной сенсорной сети с целью подзарядки аккумуляторных батарей, используемых для их электропитания.The essence of the proposed method for recharging batteries in a wireless sensor network, including the delivery by a vehicle of a charger to the location of the elements of the wireless sensor network and an electromagnetic effect on the elements of the wireless sensor network to recharge the batteries used to power them, consists in the fact that as a vehicle For delivery, a controlled unmanned aerial vehicle is used, on which a device is placed that exerts an electromagnetic effect on the elements of the wireless sensor network in order to recharge the batteries used for their power supply.

Фиг. 1 демонстрирует принцип реализации способа-прототипа подзарядки аккумуляторных батарей в БСС при помощи мобильной зарядной машины WCV, где фигурируют базовая станция и сенсорные узлы в составе БСС, а также станция обслуживания автомобилей, осуществляющая маршрутизацию, заправку и оперативное управление WCV.FIG. 1 demonstrates the principle of implementing the prototype method for recharging batteries in the BSS using a mobile charging machine WCV, which includes a base station and sensor nodes as part of the BSS, as well as a car service station that performs routing, refueling and operational control of the WCV.

Фиг. 2 иллюстрирует вариант реализации предлагаемого способа при помощи БПЛА, доставляющего к месту расположения элементов БСС контейнер с аппаратурой, которая осуществляет электромагнитное воздействие на элементы БСС с целью подзарядки их аккумуляторных батарей.FIG. 2 illustrates an embodiment of the proposed method using a UAV that delivers a container with equipment to the location of the BSS elements, which carries out an electromagnetic effect on the BSS elements in order to recharge their batteries.

Фиг. 3 содержит таблицу с расчетными данными, которые доказывают практическую эффективность предлагаемого изобретения.FIG. 3 contains a table with calculated data that prove the practical effectiveness of the invention.

Известный способ-прототип осуществляется следующим образом. The known prototype method is carried out as follows.

Мобильная зарядная машины WCV (см. Фиг. 1), работающая в режиме либо ручного управления оператором, либо автоматизированного управления компьютерной системой, по заданной программе периодически объезжает узлы БСС, развернутые вблизи земной поверхности, которые при работе в стационарных условиях неподвижны (имеют фиксированные пространственные координаты). Исходный заряд WCV осуществляется на станции обслуживания автомобилей, где находятся также компьютерная система управления, определяющая маршрут, периодичность и продолжительность всех операций, связанных с зарядкой аккумуляторных батарей элементов БСС. The mobile charging machine WCV (see Fig. 1), operating in the mode of either manual control by the operator or automated control of the computer system, according to a given program, periodically bypasses the BSS nodes deployed near the earth's surface, which, when operating under stationary conditions, are stationary (have fixed spatial coordinates). The initial charge of the WCV is carried out at the car service station, where there is also a computer control system that determines the route, frequency and duration of all operations related to charging the batteries of the BSS cells.

Способами беспроводной передачи электроэнергии от зарядной машины в узлы БСС могут быть технологии на основе радиочастотного резонанса и магнитного резонанса Witricity, при помощи лазера, а также другими методами и средствами электромагнитного воздействия, которые известны из уровня техники. Достоинствами беспроводных способов являются их мобильность и возможность обслуживания широко разветвленной системы элементов БСС. Главной проблемой является необходимость сближения машины WCV и каждого из элементов БСС на минимально-возможные расстояния, при которых эффективность подзарядки аккумуляторных батарей максимальна.Methods for wireless transmission of electricity from the charging machine to the BSS nodes can be technologies based on radio frequency resonance and Witricity magnetic resonance, using a laser, as well as other methods and means of electromagnetic exposure that are known from the prior art. The advantages of wireless methods are their mobility and the ability to service a widely branched system of BSS elements. The main problem is the need to bring the WCV machine and each of the BSS elements closer to the minimum possible distance, at which the efficiency of recharging the batteries is maximum.

Другие недостатки способа-прототипа обусловлены тем, что зарядное устройство не может быть доставлено машиной WCV на участки сильнопересеченной местности и на крыши зданий, внутрь огражденных территорий, к берегам водоемов и т.п.; на расстояниях электромагнитного воздействия, превышающих λ/2π, где эффективность зарядки одной батареи невелика, для нее может потребоваться время, не соответствующее циклу зарядки всех элементов БСС одной машиной WCV, и понадобятся дополнительные машины; на частотах ниже 10 МГц, где расстояние воздействия может быть увеличено, или, при том же расстоянии, сокращено время подзарядки батарей, возникают трудности ввиду ограничений по массогабаритным показателям оборудования с учетом транспортных возможностей машины WCV.Other disadvantages of the prototype method are due to the fact that the charger cannot be delivered by a WCV machine to areas of rugged terrain and to the roofs of buildings, inside fenced areas, to the banks of water bodies, etc .; at distances of electromagnetic exposure exceeding λ / 2π, where the charging efficiency of one battery is not high, it may take time that does not correspond to the charging cycle of all BSS cells by one WCV machine, and additional machines will be needed; at frequencies below 10 MHz, where the distance of exposure can be increased, or, at the same distance, the recharging time of the batteries is reduced, difficulties arise due to the limitations on the weight and dimensions of the equipment, taking into account the transport capabilities of the WCV machine.

С целью устранения указанных недостатков в предлагаемом изобретении предлагается вместо машины WCV использовать управляемый БПЛА, осуществляющий доставку зарядного устройства к узлам БСС с точностью, заданной средствами ручного операторского, автоматизированного и др. позиционирования БПЛА, известными из уровня техники.In order to eliminate these disadvantages, the present invention proposes to use a controlled UAV instead of a WCV machine, delivering the charger to the BSS nodes with an accuracy specified by the means of manual operator, automated, and other UAV positioning known from the prior art.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. The proposed method is carried out as follows.

Расположение БПЛА с контейнером, где размещается зарядное устройство, после приземления вблизи элемента БСС, на аккумуляторные батареи которого осуществляется беспроводное воздействие с целью их подзарядки, иллюстрирует Фиг. 2. В рамках технологии Witricity система подзарядки включает воздушный трансформатор, первичная обмотка c индуктивностью L1 которого, совместно с питающим ее генератором, располагается в контейнере БПЛА, а вторичная обмотка c индуктивностью L2 входит в схему элемента БСС и подключена к его аккумуляторной батарее. После приземления БПЛА посредством сенсорных устройств катушки L1 и L2 приводятся во взаимодействие, и через полученный таким образом трансформатор осуществляется передача электромагнитной энергии от зарядного устройства БПЛА к элементу БСС. Посадка БПЛА может быть осуществлена либо при визуальном ручном управлении, либо автоматически – в последнем случае на БПЛА размещается миниатюрная видеокамера, а на сенсорном устройстве – источник инфракрасного излучения. По завершении обслуживания заданного числа элементов БСС, согласно заданной программе его функционирования, БПЛА возвращается на базу для подзарядки своего зарядного устройства и т.д.The location of the UAV with the container, where the charger is located, after landing near the BSS element, on the batteries of which is wirelessly influenced in order to recharge them, is illustrated in Fig. 2. Within the Witricity technology, the recharging system includes an air transformer, the primary winding with inductance L1 of which, together with the generator supplying it, is located in the UAV container, and the secondary winding with inductance L2 is included in the circuit of the BSS element and connected to its battery. After the UAV has landed, the coils L1 and L2 are brought into interaction by means of the sensor devices, and through the transformer thus obtained, electromagnetic energy is transmitted from the UAV charger to the BSS element. UAV landing can be carried out either with visual manual control, or automatically - in the latter case, a miniature video camera is placed on the UAV, and an infrared radiation source is placed on the sensor device. Upon completion of servicing a specified number of elements of the BSS, according to a specified program of its operation, the UAV returns to the base to recharge its charger, etc.

Математическая модель наблюдаемых явлений и процессов выглядит следующим образом. На рабочей резонансной частоте, при оптимальном согласовании контуров входной и выходной части системы зарядки Q₁ и Q₂ с их нагрузками, эффективная добротность схемы зарядного устройства в целом Q_М представляет собой

, где k(R) – коэффициент индуктивной связи контуров, который достаточно сложным образом зависит как от расстояния R между ними, так и от технологического принципа работы зарядного устройства. Если расстояние R соответствует ближней зоне излучения зарядного устройства, можно принять, что k(R) ~ 1/R³; если промежуточной зона Френеля – то k(R) ~ 1/R². Показатель энергетической эффективности системы зарядки, пропорциональный КПД зарядного устройства, при этом есть

. Таким образом, при работе зарядной системы как в ближней зоне, так в зоне Френеля, сближение ее контуров весьма целесообразно, поскольку с уменьшением R резко возрастает k(R) и, соответственно, увеличиваются значения Q_М и η_Э. Эту цель и преследует предложение использовать управляемый БПЛА в качестве транспортного средства для доставки зарядного устройства к элементам БСС (см. Фиг. 2) – особенно в условиях, когда его доставка наземным транспортом типа машины WCV (см. Фиг. 1) встречает трудности. The mathematical model of the observed phenomena and processes is as follows. At the operating resonant frequency, with optimal matching of the circuits of the input and output parts of the charging system Q ₁ and Q ₂ with their loads, the effective Q-factor of the charger circuit as a whole Q _M is

, where k (R) is the coefficient of inductive coupling of the circuits, which in a rather complicated way depends both on the distance R between them and on the technological principle of the charger. If the distance R corresponds to the near-field radiation zone of the charger, we can assume that k (R) ~ 1 / R ³ ; if the intermediate Fresnel zone is k (R) ~ 1 / R ² . The indicator of the energy efficiency of the charging system, proportional to the efficiency of the charger, while there is

... Thus, when the charging system is operating both in the near zone and in the Fresnel zone, the approach of its contours is very expedient, since with a decrease in R, k (R) sharply increases and, accordingly, the values of Q _M and η _Oe increase. This goal is pursued by the proposal to use a controlled UAV as a vehicle for delivering the charger to the elements of the BSS (see Fig. 2) - especially in conditions when its delivery by ground transport such as the WCV machine (see Fig. 1) encounters difficulties.

Таблица Фиг. 3 содержит расчетные данные, демонстрируют эффективность предлагаемого способа на примере случая k(R) ~ 1/R². За условную точку отсчета принято расстояние R_MAX, соответствующее Q_М = 1. Предлагаемый способ универсален и прост, он удобен для реализации и позволяет повысить эффективность функционирования БСС в условиях реализации перспективных инновационных проектов [12].The table of FIG. 3 contains calculated data that demonstrate the effectiveness of the proposed method by the example of the case k (R) ~ 1 / R ² . The distance R _MAX , corresponding to Q _M = 1, is taken as a conditional reference point. The proposed method is universal and simple, it is convenient for implementation and makes it possible to increase the efficiency of the FSU in the context of the implementation of promising innovative projects [12].

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. B. Scrosati, R.J. Neat. Lithium polymer batteries, in: Applications of Electroactive Polymers, Springer, 1993, pp. 182-222.1. B. Scrosati, R.J. Neat. Lithium polymer batteries, in: Applications of Electroactive Polymers, Springer, 1993, pp. 182-222.

2. Nickel metal hydride battery. URL: http://www.batteryspace.com/nimhpacks24-48v.aspx.2. Nickel metal hydride battery. URL: http://www.batteryspace.com/nimhpacks24-48v.aspx.

3. B. Tong, G. Wang, W. Zhang, C. Wang. Node reclamation and replacement for long-lived sensor networks, in: Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2009. SECON’09. 6th Annual IEEE Communications Society Conference on, IEEE, 2009, pp. 1-9.3. B. Tong, G. Wang, W. Zhang, C. Wang. Node reclamation and replacement for long-lived sensor networks, in: Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2009. SECON'09. 6th Annual IEEE Communications Society Conference on, IEEE, 2009, pp. 1-9.

4. Memsic wireless modules. URL: http://www.memsic.com/products/wireless-sensor-networks/wireless-modules.html.4. Memsic wireless modules. URL: http://www.memsic.com/products/wireless-sensor-networks/wireless-modules.html.

5. J. Sheu, P. Cheng, K. Hsieh. Design and implementation of a smart mobile robot, in: Wireless And Mobile Computing, Networking And Communications, 2005.(WiMob’2005), IEEE International Conference on, Vol. 3, IEEE, 2005, pp. 422-429.5. J. Sheu, P. Cheng, K. Hsieh. Design and implementation of a smart mobile robot, in: Wireless And Mobile Computing, Networking And Communications, 2005. (WiMob'2005), IEEE International Conference on, Vol. 3, IEEE, 2005, pp. 422-429.

6. A. LaMarca, W. Brunette, D. Koizumi, M. Lease, S. Sigurdsson, K. Sikorski, D. Fox, G. Borriello. Making sensor networks practical with robots, Pervasive Computing (2002) рр. 615-622.6. A. LaMarca, W. Brunette, D. Koizumi, M. Lease, S. Sigurdsson, K. Sikorski, D. Fox, G. Borriello. Making sensor networks practical with robots, Pervasive Computing (2002) pp. 615-622.

7. R. Doost, K. Chowdhury, M. Di Felice. Routing and link layer protocol design for sensor networks with wireless energy transfer, in: GLOBECOM 2010, 2010 IEEE Global Telecommunications Conference, IEEE, 2010, pp. 1-5.7. R. Doost, K. Chowdhury, M. Di Felice. Routing and link layer protocol design for sensor networks with wireless energy transfer, in: GLOBECOM 2010, 2010 IEEE Global Telecommunications Conference, IEEE, 2010, pp. 1-5.

8. L. Xie, Y. Shi, Y. T. Hou, H. D. Sherali. Making sensor networks immortal: An energy-renewal approach with wireless power transfer, IEEE/ACM Transactions on Networking (TON) 20 (6) (2012) рр. 1748-1761.8. L. Xie, Y. Shi, Y. T. Hou, H. D. Sherali. Making sensor networks immortal: An energy-renewal approach with wireless power transfer, IEEE / ACM Transactions on Networking (TON) 20 (6) (2012) pp. 1748-1761.

9. Powercast corporation, p2000 series 902 928 mhz powerharvester development kit. URL: http://www.powercastco.com/products/development-kits/.9. Powercast corporation, p2000 series 902 928 mhz powerharvester development kit. URL: http://www.powercastco.com/products/development-kits/.

10. Witricity. URL: http://www.witricity.com/.10. Witricity. URL: http://www.witricity.com/.

11. Беспроводное зарядное устройство на телефон. Mobile Comp. planshetniypc.ru/besprovodnaya-zaryadka-telefonov.html.11. Wireless charger for your phone. Mobile Comp. planshetniypc.ru/besprovodnaya-zaryadka-telefonov.html.

12. Интернет вещей. Под ред. А.В. Рослякова. Самара: Изд. ПГУТИ, 2014, 342 с.12. Internet of Things. Ed. A.V. Roslyakov. Samara: Ed. PGUTI, 2014, 342 p.

Claims

A method for recharging batteries in a wireless sensor network, including the delivery by a vehicle of a charger to the location of elements of a wireless sensor network and an electromagnetic effect on the elements of a wireless sensor network for recharging batteries used for their power supply, characterized in that for delivery of a device performing an electromagnetic effect to the elements of the wireless sensor network in order to recharge the batteries used for their power supply at a distance at which the energy efficiency of recharging the batteries is maximum, a controlled unmanned aerial vehicle is used as a vehicle, on which the charger is located.