RU2793177C1 - Wireless sensor network node power supply device - Google Patents
Wireless sensor network node power supply device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793177C1 RU2793177C1 RU2020132696A RU2020132696A RU2793177C1 RU 2793177 C1 RU2793177 C1 RU 2793177C1 RU 2020132696 A RU2020132696 A RU 2020132696A RU 2020132696 A RU2020132696 A RU 2020132696A RU 2793177 C1 RU2793177 C1 RU 2793177C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- battery
- controlled switch
- wsn
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электропитания радиоэлектронного оборудования и может быть использовано с целью обеспечения бесперебойного питания элементов беспроводной сенсорной сети (БСС).The invention relates to the field of power supply of radio electronic equipment and can be used to ensure uninterrupted power supply to elements of a wireless sensor network (WSN).
Обеспечение надежного круглосуточного электропитания имеет важное значение для эффективной работы элементов БСС. В зависимости от назначения, специфики построения и условий работы БСС [3], их узловые элементы могут питаться как от автономных источников электроэнергии, нуждающихся в периодической подзарядке или замене (аккумуляторные, химические батареи) [1, 2], так и от альтернативных источников (солнечные батареи, ветровые генераторы и др.) [1, 2]. Из уровня техники известен также ряд способов комбинированного применения разных источников, которые сочетают их достоинства.Ensuring a reliable round-the-clock power supply is essential for the efficient operation of WSN elements. Depending on the purpose, specifics of construction and operating conditions of the WSN [3], their key elements can be powered both from autonomous sources of electricity that need periodic recharging or replacement (batteries, chemical batteries) [1, 2], and from alternative sources ( solar batteries, wind generators, etc.) [1, 2]. The prior art also knows a number of methods for the combined use of different sources, which combine their advantages.
В широко распространенных сенсорных узлах Mica, Telos, Iris и др. [4] основным источником электропитания является аккумуляторная батарея, нуждающаяся в периодической подзарядке. В системе энергоменеджмента элементов БСС Prometeus [4] для подзарядки аккумуляторов и резервирования электропитания используется солнечная батарея, постоянно подключенная к узлу БСС. Перспективной технологией подзарядки аккумуляторов является беспроводная передача электроэнергии [7] с использованием автоматизированных транспортных носителей (автомобилей, подвижных роботов, беспилотных летательных аппаратов - БПЛА) [9]. Передача электроэнергии при этом осуществляется посредством доставки зарядного устройства транспортным носителем к узлу БСС на расстояние, при котором достигается его необходимое по эффективности воздействие электромагнитным путем на аккумуляторные батареи.In widely used sensor nodes Mica, Telos, Iris, etc. [4], the main source of power supply is a rechargeable battery that needs periodic recharging. In the energy management system of the elements of the WSN Prometeus [4], for recharging the batteries and backing up the power supply, a solar battery is used that is constantly connected to the WSN node. A promising technology for recharging batteries is the wireless transmission of electricity [7] using automated transport vehicles (cars, mobile robots, unmanned aerial vehicles - UAVs) [9]. In this case, the transmission of electricity is carried out by delivering the charger by the transport carrier to the WSN node at a distance at which its electromagnetic effect on the batteries, which is necessary in terms of efficiency, is achieved.
Наиболее близким по технической сущности является система Prometeus [4], где для подзарядки аккумуляторной батареи используется солнечная батарея. Прототип обеспечивает удовлетворительное по энергетическим показателям, однако недостаточно надежное электропитание элемента БСС ввиду невозможности подзаряжать аккумуляторную батарею в сумеречное и темное время суток, а также на слабоосвещенных участках сенсорного поля [4]. Замена солнечной батареи другим альтернативным источником электроэнергии: ветровым генератором, вибропреобразователем механических колебаний, радиоактивным элементом и т.д. - не позволяет решить проблему ввиду ограничений, обусловленных стоимостью, массогабаритными показателями и безопасностью для окружающей среды узловых элементов БСС. The closest in technical essence is the Prometeus system [4], where a solar battery is used to recharge the battery. The prototype provides satisfactory in terms of energy performance, however, insufficiently reliable power supply of the BSS element due to the impossibility of recharging the battery at twilight and dark, as well as in dimly lit areas of the sensor field [4]. Replacing the solar battery with another alternative source of electricity: a wind generator, a vibration transducer of mechanical vibrations, a radioactive element, etc. - does not allow to solve the problem due to the limitations caused by the cost, weight and size indicators and safety for the environment of the key elements of the BSS.
Предлагаемое решение проблемы состоит в том, чтобы использовать в составе узла БСС управляемый ректенный блок, позволяющий производить беспроводную подзарядку аккумуляторной батареи от зарядного устройства, доставляемого БПЛА к узлу БСС на расстояние, при котором достигается его необходимое по эффективности воздействие на перезаряжаемую аккумуляторную батарею. Способ подзарядки аккумуляторов в системах электропитания БСС с применением транспортных носителей разного типа, включая БПЛА, в настоящее время известен из уровня техники [10]. The proposed solution to the problem is to use a controlled rectenna unit as part of the WSN node, which allows wireless recharging of the battery from the charger delivered by the UAV to the WSN node at a distance at which its effect on the rechargeable battery, which is necessary in terms of efficiency, is achieved. A method for recharging batteries in power supply systems of the WSN using transport carriers of various types, including UAVs, is currently known from the prior art [10].
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение надежного электропитания узла БСС благодаря возможности круглосуточной подзарядки аккумуляторной батареи при помощи зарядного устройства, доставляемого к нему посредством БПЛА на расстояние, при котором достигается необходимое по эффективности беспроводное электромагнитное воздействие зарядного устройства на аккумуляторную батарею.The technical result of the invention is to provide a reliable power supply to the WSN node due to the possibility of round-the-clock recharging of the battery using a charger delivered to it by means of a UAV at a distance at which the necessary wireless electromagnetic effect of the charger on the battery is achieved.
Сущность предлагаемого устройства электропитания узлового элемента БСС, которое включает узел БСС, солнечную батарею, первый управляемый переключатель, блок контроля и управления, аккумуляторную батарею и второй управляемый переключатель, где выход солнечной батареи подключен к первому входу первого управляемого переключателя, первый выход которого подключен ко входу узла БСС, а вторые вход и выход соединены со вторым выходом и первым входом блока контроля и управления; первый выход которого подключен к аккумуляторной батарее, а третий выход - к первому входу второго управляемого переключателя, второй вход которого подключен к аккумуляторной батарее, а выход - ко входу узла БСС, состоит в том, что в его состав введены третий управляемый переключатель и ректенный блок, выход которого подключен ко второму входу третьего управляемого переключателя, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока контроля и управления, а выход - с аккумуляторной батареей.The essence of the proposed power supply device of the WSN node, which includes the WSN node, a solar battery, the first controlled switch, a monitoring and control unit, a battery and a second controlled switch, where the output of the solar battery is connected to the first input of the first controlled switch, the first output of which is connected to the input node BSS, and the second input and output connected to the second output and the first input of the monitoring and control unit; the first output of which is connected to the battery, and the third output - to the first input of the second controlled switch, the second input of which is connected to the battery, and the output - to the input of the BSS node, consists in the fact that it includes a third controlled switch and a recten block , the output of which is connected to the second input of the third controlled switch, the first input of which is connected to the fourth output of the monitoring and control unit, and the output is connected to the storage battery.
Фиг. 1 показывает систему энергоменеджмента узловых элементов БСС Prometeus (прототип предлагаемого устройства), где фигурируют узел БСС 1, солнечная батарея 2, первый управляемый переключатель 3, блок контроля и управления 4, аккумуляторная батарея 5 и второй управляемый переключатель 6.Fig. 1 shows the energy management system of the WSS Prometeus nodal elements (prototype of the proposed device), where the
Фиг. 2 иллюстрирует вариант реализации предлагаемого устройства, где элементы Фиг. 1 дополнены третьим управляемым переключателем 7 и управляемым ректенным блоком 8, который состоит из многовитковой рамочной антенны с выпрямителем.Fig. 2 illustrates an embodiment of the proposed device, where the elements of FIG. 1 are supplemented with a third controlled
Фиг. 3 демонстрирует возможные варианты реализации ректенного блока 8, которые используются в миниатюрных и микромодульных конструкциях узловых элементов БСС.Fig. 3 shows possible variants of the implementation of the recten block 8, which are used in miniature and micromodular designs of the nodal elements of the BSS.
Известный способ-прототип осуществляется следующим образом. The known prototype method is carried out as follows.
В первом штатном режиме узел БСС 1 (см. Фиг. 1) управляется либо вручную оператором, либо автоматически от процессора центрального узла БСС, с которым связан каналами двухстороннего обмена рабочей и служебной информацией (на схеме Фиг. 1 эти каналы не показаны). Электропитание узла БСС 1 в системе Prometeus осуществляется от солнечной батареи 2, выход которой через первый вход и первый выход первого управляемого переключателя 3 подключен к первому основному входу узла БСС 1, на который подается напряжения электропитания UЭ. Одновременно осуществляется резервирование электропитания путем подключения солнечной батареи 2, через второй выход первого управляемого переключателя 3, а также первый вход и первый выход блока контроля и управления 4, к аккумуляторной батарее 5. In the first normal mode, the WSN node 1 (see Fig. 1) is controlled either manually by the operator or automatically from the processor of the WSN central node, with which it is connected by channels of two-way exchange of working and service information (these channels are not shown in the diagram of Fig. 1). The power supply of the
В результате указанной коммутации солнечная батарея 2, во-первых, осуществляет электропитание узла БСС 1, во-вторых, производит подзарядку аккумуляторной батареи 5. Информацию о включенном состоянии первого управляемого переключателя 3, а также об уровне напряжения UЭ, блок контроля и управления 4 по служебному каналу в установленном порядке передает на центральный узел БСС.As a result of this switching, the solar battery 2, firstly, supplies power to the
В ситуации, когда напряжение UЭ уменьшается ниже установленной нормы, устройство переходит во второй режим. При этом на второй вход блока контроля и управления 4 от узла БСС 1 поступает сигнал UК, который через его второй выход воздействует на второй вход первого управляемого переключателя 3 и отключает солнечную батарею 2 от узла БСС 1. Одновременно сигнал с третьего выхода блока контроля и управления 4 воздействует на первый вход второго управляемого переключателя 6 и обеспечивает подачу через его второй вход и выход напряжения UЭ от аккумуляторной батареи 5 к узлу БСС 1. Информацию о включенном втором управляемом переключателе 6 и отключенном первом управляемом переключателе 3 блок контроля и управления 4 по служебному каналу передает на центральный узел БСС.In a situation where the voltage U E decreases below the established norm, the device switches to the second mode. At the same time, a signal U K is supplied to the second input of the monitoring and
Во втором режиме система Prometeus работает до тех пор, пока оператору или процессору центрального узла БСС не удастся вновь подключить солнечную батарею 2 через первый управляемый переключатель 3 к узлу БСС 1 на том основании, что напряжение на ее выходе имеет уровень, достаточный как для электропитания узла БСС 1 напряжением UЭ, так и для его резервирования путем подзарядки аккумуляторной батареи 5.In the second mode, the Prometeus system operates until the operator or processor of the WSN central node manages to reconnect the solar battery 2 through the first controlled
Недостатки прототипа обусловлены неопределенностью условий работы солнечной и аккумуляторной батарей. В сумеречное и темное время суток, а также при отсутствии интенсивного освещения днем, энергетики солнечной батареи 2 может быть недостаточно для обеспечения нормального уровня напряжения UЭ и параллельной подзарядки аккумуляторной батареи 5. Поскольку емкость последней существенно ограничена допустимыми массогабаритными параметрами оборудования, велика вероятность, что ее не хватит для нормального функционирования узла БСС 1 до тех пор, пока работоспособность солнечной батареи 2 не будет восстановлена. Центральный узел БСС никакой возможности повлиять на ситуацию в устройстве-прототипе не имеет. The disadvantages of the prototype are due to the uncertainty of the operating conditions of the solar and storage batteries. In the twilight and dark hours of the day, as well as in the absence of intense lighting during the day, the energy of the solar battery 2 may not be enough to ensure a normal voltage level U e and parallel charging of the
С целью устранения указанного недостатка целесообразно использовать управляемый БПЛА, осуществляющий доставку зарядного устройства к узлам БСС с точностью, заданной средствами ручного операторского, автоматизированного и др. позиционирования БПЛА - данный способ в настоящее время известен из уровня техники. Однако для этого конструкция устройства электропитания узлового элемента БСС должна быть изменена предлагаемым образом.In order to eliminate this disadvantage, it is advisable to use a controlled UAV that delivers the charger to the WSN nodes with an accuracy specified by means of manual operator, automated, and other positioning of the UAV - this method is currently known from the prior art. However, for this, the design of the power supply device of the WSN node element must be changed in the proposed way.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device works as follows.
В представленной критической ситуации, когда действий блока контроля и управления 4, а также центрального узла БСС, предусмотренных в устройстве-прототипе, недостаточно для нормализации уровня напряжения UЭ, узел БСС 1 по служебному каналу осуществляет запрос на подзарядку аккумуляторной батареи 5 посредством БПЛА. Оператор (в автоматизированной системе управления БСС процессор) центрального узла БСС, с которым узел БСС 1 связан каналами двухстороннего обмена рабочей и служебной информацией, реализует трансфер и приземление БПЛА в месте размещения узла БСС 1 на расстоянии от него, при котором обеспечивается необходимое по эффективности беспроводное электромагнитное воздействие зарядного устройства БПЛА на аккумуляторную батарею 5. Одновременно сигнал UК с контрольного выхода узла БСС 1 через второй вход и четвертый выход блока контроля и управления 4 воздействует на первый вход третьего управляемого переключателя 7 и подключает, через его второй вход и выход, ректенный блок 8 к аккумуляторной батарее 5 на время, необходимое для ее эффективной подзарядки.In the presented critical situation, when the actions of the monitoring and
После нормализации напряжения UЭ коммутация элементов схемы Фиг. 2 соответствует второму режиму работы устройства-прототипа. Предлагаемое устройство соответствует современному уровню техники в области БСС, удобно для практической реализации и позволяет повысить эффективность функционирования узловых элементов БСС.After the normalization of the voltage U E, the switching of the circuit elements of Fig. 2 corresponds to the second mode of operation of the prototype device. The proposed device corresponds to the state-of-the-art in the field of WSN, is convenient for practical implementation and allows to increase the efficiency of functioning of the WSN key elements.
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- http://www.batteryspace.com/nimhpacks24-48v.aspx.2. Nickel metal hydride battery - 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. X. Jiang, J. Polastre, D. Culler, Perpetual environmentally powered sensor networks, in: Information Processing in Sensor Networks, 2005. IPSN 2005. Fourth International Symposium on, IEEE, 2005, pp. 463-468. 4. X. Jiang, J. Polastre, D. Culler, Perpetual environmentally powered sensor networks, in: Information Processing in Sensor Networks, 2005. IPSN 2005. Fourth International Symposium on, IEEE, 2005, pp. 463-468.
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. http://www.powercastco.com/products/development-kits/.9. Powercast corporation, p2000 series 902 928 mhz powerharvester development kit. http://www.powercastco.com/products/development-kits/.
10. Лихтциндер Б.Я., Маслов О.Н. Способ подзарядки аккумуляторов в беспроводной сенсорной сети. Патент РФ № 2730468 от 24.08.2020.10. Lichtsinder B.Ya., Maslov O.N. A method of recharging batteries in a wireless sensor network. Patent of the Russian Federation No. 2730468 dated 08/24/2020.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2793177C1 true RU2793177C1 (en) | 2023-03-29 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2817523C1 (en) * | 2023-07-11 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" | Wireless sensor network nodal element accumulator charging device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2596613C2 (en) * | 2012-02-22 | 2016-09-10 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Contactless power transmission, power receiving device and system for contactless power transmission |
RU2643177C1 (en) * | 2016-12-14 | 2018-01-31 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Microwave wireless charger device with focusing of microwave field |
RU2658332C1 (en) * | 2017-08-04 | 2018-06-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Wireless power transmission system for a multi-path environment |
US10075017B2 (en) * | 2014-02-06 | 2018-09-11 | Energous Corporation | External or internal wireless power receiver with spaced-apart antenna elements for charging or powering mobile devices using wirelessly delivered power |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2596613C2 (en) * | 2012-02-22 | 2016-09-10 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Contactless power transmission, power receiving device and system for contactless power transmission |
US10075017B2 (en) * | 2014-02-06 | 2018-09-11 | Energous Corporation | External or internal wireless power receiver with spaced-apart antenna elements for charging or powering mobile devices using wirelessly delivered power |
RU2643177C1 (en) * | 2016-12-14 | 2018-01-31 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Microwave wireless charger device with focusing of microwave field |
RU2658332C1 (en) * | 2017-08-04 | 2018-06-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Wireless power transmission system for a multi-path environment |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
X. JIANG, J. POLASTRE, D. CULLER, Perpetual environmentally powered sensor networks, in: Information Processing in Sensor Networks, 2005. IPSN 2005. Fourth International Symposium on, IEEE, 2005, pp. 463-468. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2817523C1 (en) * | 2023-07-11 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" | Wireless sensor network nodal element accumulator charging device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sangare et al. | Mobile charging in wireless-powered sensor networks: Optimal scheduling and experimental implementation | |
Engmann et al. | Prolonging the lifetime of wireless sensor networks: a review of current techniques | |
US9088052B2 (en) | Battery multi-series system and communication method thereof | |
Akhtar et al. | Energy replenishment using renewable and traditional energy resources for sustainable wireless sensor networks: A review | |
Park et al. | Optimal mode selection for cognitive radio sensor networks with RF energy harvesting | |
KR101564365B1 (en) | System and method for balancing of battery using wireless communications | |
US20150080018A1 (en) | Location management system | |
EP4084538A1 (en) | Energy harvesting arrival aware joint sensing and transmission | |
CN102792555A (en) | Wireless power charging method and apparatus | |
US20220029204A1 (en) | Battery system and slave battery management system | |
Ijemaru et al. | Wireless power transfer and energy harvesting in distributed sensor networks: Survey, opportunities, and challenges | |
Mishra et al. | Optimal relay placement in two-hop RF energy transfer | |
Bulut et al. | Opportunistic wireless charging for mobile social and sensor networks | |
CN109257697B (en) | Implantable positioning module based on weak energy collection and communication method thereof | |
CN104578254A (en) | Method and device for wireless charging of power battery | |
US20120320510A1 (en) | Mobile networked optimized supply, data, and power generation & distribution system | |
RU2793177C1 (en) | Wireless sensor network node power supply device | |
RU2730468C1 (en) | Charging method of accumulators in wireless sensory network | |
US10211649B2 (en) | System for generating power and capacitively charging and monitoring a battery pack | |
KR20150146188A (en) | Aparatus And Method For Automatic Frequency-Assisted Power Charging | |
Hoang et al. | Optimal decentralized control policy for wireless communication systems with wireless energy transfer capability | |
RU2790652C1 (en) | Method for servicing sensor nodes of wireless sensor networks | |
Nxumalo et al. | Lithium-based batteries in tactical military applications: A review | |
RU2817523C1 (en) | Wireless sensor network nodal element accumulator charging device | |
Nguyen et al. | Energy harvesting for devices in wireless sensor networks: A Review |