CN102157988B - 一种无线传感器网络节点的无线充供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络节点无线充供电方法，设有充供电主机和节点充供电从机组成的无线电能传输***，充供电主机具有能量发射电路，其发射频率和功率可调，发射电流可测，发射天线可旋转，节点充供电从机具有无线耦合接收电路，具有多向耦合接收天线、充供电电压检测电路、升压电路。通过发射频率扫描并检测发射电流找到发射电路和接收电路间最佳耦合频率和最佳发射功率，通过充供电天线旋转找到发射天线和接收天线的最佳耦合方向。通过无线通信通道交换充供电信息，确定主机和从机间是否需要进行充供电、以及充供电的频率和功率、发射天线的方向，从而避免无从机充供电时空载能源浪费，无线充供电的效率高、距离远和速度快。

Description

一种无线传感器网络节点的无线充供电方法

技术领域

本发明涉及对电器设备的无线充供电技术，尤其涉及一种无线传感器网络节点的无线充供电方法，属于传感器网络技术领域。

背景技术

传感器技术、电子技术、无线通信技术和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。很多人都认为，无线传感器网络这项技术的重要性可与因特网相媲美：正如因特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。然而从很多方面来说，现在的无线传感器网络就如同远在1970年的因特网，那时因特网仅仅连接了不到200所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协议和寻址方案。而现在，大多数传感器网络只连接了不到100个节点，更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作。另外单个传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。传感器节点自身携带能量不足，而节点的电池一般不易更换，能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，实现传感器网络的长寿命供电，将对其大规模工程应用起到显著的推动作用，从而推进“物联网”的概念进一步转化为现实。

由于节点电池难以取出，只能在节点添加收集能量的模块，可利用的能量形式有很多，如大树的生物电、太阳能、风力、振动等，但这些方案也受到环境、天气等的制约不能稳定使用。为了既能自动为无线传感器网络节点充供电，不降低节点的灵活性，又能广泛应用到更多环境条件，我们引入了无线充供电技术。无线充供电设备有很多优势。首先，没有了外露的连接器使很多设备的安全性、可靠性有较大提高。而且，对于不同的电子产品，电源接口能自动对应，需要充供电时发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时两方就会自动关闭，避免了不必要的能耗。它还能自动识别不同的设备和能量需求进行个性化工作。其次，可以对难以有线充供电的位置，如水下、极端环境、人体内等进行充供电。

无线充供电技术有三种实现方式：电磁感应、磁谐振和微波。目前，国内外已经有很多公司将无线充供电技术应用于小型电器充供电及电动汽车的充供电。考虑将无线传感器网络技术与无线充供电技术结合选择无线充供电技术，将充分发挥无线传感器网络自由分布的特性，使得无线网络真正摆脱电缆的限制。同时，无线供电可以同时为多个节点充供电，能源管理也更加有效。但无论小型电器还是大型电动汽车，目前广泛使用的充供电方式是电磁近场耦合，发射线圈和接收线圈紧密贴近(一般为毫米级或厘米级)，显然并不适合于节点随机性分布的无线传感器网络。而且，电动汽车和家电的无线充供电设备一般功率较大，而传感器节点都是低功耗电子器件，所以，并不能直接将现有无线充供电设备直接引入无线传感器网络领域。再者，传感器网络节点的微型化是一大趋势，因此节点电能接收设备体积也需尽量小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将无线传感器网络技术与无线充供电技术结合的一种无线传感器网络节点的无线充供电方法，该方法可以自动判断无线传感器网络节点是否需要充供电，并自动为节点无线充供电，并通过扫描频率和旋转发射天线，使主从机工作在谐振点附近，提高了无线充供电的效率和距离。

本发明采用如下技术方案：一种无线传感器网络节点的无线充供电方法，其特征在于：设有充供电主机和传感器网络节点充供电从机组成的无线传感器网络电能传输***，其中：

充供电主机包括控制处理器、扫描频率源、能量发射天线和用于与传感器网络节点充供电从机进行充供电信息实时交互的无线通信模块，控制处理器系含有A/D转换模块的低功耗的处理器，扫描频率源系由控制处理器控制的压控振荡器，能量发射天线系由控制处理器控制的三维空间旋转饼状一维线圈；

传感器网络节点充供电从机包括节点处理器、多向耦合能量接收天线、整流电路、充供电电压检测电路、充供电电路和与充供电主机无线通信模块对应交互的无线通信模块，多向耦合能量接收天线系三个按正交方向布置的线圈组合；

当节点供电电压低于设定值时，节点处理器产生一个外部中断，通过无线通信模块向主机发送充供电请求，主机通过无线通信模块接收到请求信号后输出至控制处理器启动锯齿波信号发生电路输出扫频信号至扫描频率源，扫描频率源输出变频交流电信号至能量发射天线，同时，控制处理器对扫描频率源输出的变频交流电信号采样并驱动能量发射天线三维空间旋转，能量发射天线产生频率变化的能量磁场；传感器网络节点充供电从机的多向耦合能量接收天线置于充供电主机发送的能量磁场范围内，感应接收到充供电电压、电流，节点从机的电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当检测到最大电压时，通过无线通信模块向充供电主机的无线通信模块发送信息，充供电主机的控制处理器对能量发射天线的旋转角度和扫描频率源的输出频率进行定位；当节点电池电压到达设定值时，节点处理器又产生一个外部中断，通过无线通信模块向充供电主机发送停止供电信号，充供电主机接收到此信号后，控制处理器进入休眠，一个充供电过程结束。

所说传感器网络节点充供电从机的整流电路整流后，当充供电电压值够大，直接接充供电电路为节点供电或为其电池充电，当充供电电压值较小，先通过大电容蓄电，再接充供电电路或者通过倍压整流电路后再接充供电电路。

所说充供电信息实时交互与能量传输两个通道可合而为一，省去充供电主机和传感器网络节点充供电从机中的无线通信模块，利用充供电主机的能量发射天线和节点充供电从机的多向耦合能量接收天线实现充供电信息交互，充供电信息叠加在电能信号上，再在从机中解码出来。

本发明除了具备无线充供电技术已有的优点以外，还具有以下显著的优点和有益效果：

(1)能自动为无线传感器网络节点充供电，需要充供电时发射器和接收芯片会同时自动开始工作，满电时两方就会自动关闭，避免了不必要的能耗，实现了智能化，极大提高了无线传感器网络的寿命。

(2)充供电主机采用可控扫描频率源，无线充供电发射频率和功率可调，无线充供电发射电流可测，可找到主从机间的无线充供电最佳耦合频率，采用可旋转发射天线，可找到主从机间的无线充供电最佳耦合方向。

(3)节点充供电从机接收电路采用的多向耦合接收天线，可增加无线充供电的角度；采用充供电电压检测电路，可便于寻找到无线充供电最佳耦合频率和最佳耦合方向，并提高无线充供电的速度、效率和距离。

(4)充供电主机和节点从机具有专用无线通信通道，将能量传输通道和信息传输通道分离，使能量传输和信息传输能够同时进行，通过无线通信可确定主机和从机间是否需要进行无线充供电、无线充供电的频率和功率、发射天线的方向，可避免无从机充供电时的空载能源浪费，并提高无线充供电的速度、效率和距离。

(5)可以直接为无线传感器网络节点供电，使节点不再需要电池供电，节点体积更小，延长了传感器网络的寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

图1是本发明无线充供电***示意图；

图2是充供电主机天线旋转示意图；

图3是节点从机多向耦合接收天线示意图；

图4是充供电主机电路框图；

图5是主机能量通信共用天线示意图；

图6是节点充供电从机电路框图；

图7是从机能量信息共用天线示意图；

图8是一个主机对多个从机充供电示意图；

图9是充供电主机电路原理示意图；

图10是从机充供电电路原理示意图；

图11是主机对从机信息的判断流程；

图12是可控扫描频率源示意图。

具体实施方式

图1为本发明方法所采用的设有充供电主机和传感器网络节点充供电从机组成的无线传感器网络电能传输***，充供电主机如图2、4、9所示，含有控制处理器、可控扫描频率源、可旋转发射天线和无线通信模块。控制处理器(MCU)采用低功耗含有AD模块的处理器，可控扫描频率源是压控振荡器(VCO)，改变输入电压就可以改变振荡器输出信号的频率，当输入电压为恒定直流电压时，它就是稳定的振荡器，当输入电压为三角波或锯齿波时，成为扫描频率源。如图12。在充供电主机电路中可控扫描频率源的调制电压由控制处理器(MCU)控制，控制处理器和锯齿波发生电路组成扫描频率源的控制电路，控制信号输入扫描频率源，输出频率可控的交流电信号。可控扫描频率源的输出接可旋转无线充供电天线，驱动天线周围形成与驱动信号频率相近的变化磁场，接收天线在这个磁场中时就会产生感生电动势。主机的无线通信电路接收并解调得到从机的数据，发送到控制处理器，做为控制是否充供电、天线是否旋转、并对旋转角度进行定位，发射信号频率的条件。在控制处理器(MCU)的控制下，发射天线在三维空间内旋转，通过其发射扫频信号并检测从机感应电压找到发射电路和接收电路间最佳耦合频率和最佳发射功率。发射线圈一般采用饼状一维线圈，充供电主机的可旋转发射线圈为单一一维线圈，可以沿水平中心线和垂直中心线在三维空间旋转。

无线传感器网络节点充供电从机如图3、6、10所示，含有多向耦合接收天线、整流电路、蓄电大电容、升压、充供电电路、无线通信模块。多向耦合接收天线接收电磁波信号并转换成交流电，交流电经整流后采样提供给节点处理器进行电压检测。同时，整流后的电流有3种处理方式，如图10，(a)电压值够大，直接接充供电电路为节点供电或为其电池充电；(b)电压值较小，先通过大电容蓄电，再为充供电电路提供电源；(c)电压值较小，接倍压整流电路，再接充供电电路。采用多向耦合天线，即三个由正交方向布置的线圈组合而成，不同方向的天线接收到的信号强弱不同，这样发射线圈和接收线圈的相对位置不能精确对准时，三个接收线圈中总会有一个耦合最大，产生的感应电动势最大，由三个线圈产生的能量合成后仍可以维持在一个相对稳定的状态。将各个方向天线接收到的信号中信号最强的一组接到从机的后续电路，以此提高电能传输效率。

从机电压检测部分的实现方法为：从机接收天线在主机磁场中产生的感生电动势，经过整流滤波后，接一个精密电阻，测电阻两端的电压，这个电压应该是较平滑的直流信号，并将这个模拟信号通过A/D转换输入节点的MCU，如果AD是10位的，AD值＝2^10×被测电压/参考电压(以处理器供电电压做为参考电压)就可以得到电压值，电压值的精度与AD的位数有关。通过预设的程序比较数字信号即可得到感生电压最大。主机的电流检测方法同上，将得到的精密电阻的电压除以精密电阻的电阻值即可得电流变化。

图4、图6构成的***中，充供电主机和节点从机之间的通信可以选用专门的无线收发芯片和无线传输天线，能量传输通道和信息传输通道分离，使能量传输和信息传输能够同时进行，但是，无线通信电路的增加对节点电能有很大的损耗，降低了充供电效率。如果去除专门的无线通信电路，如图5、图7，充供电主机和无线传感器网络充供电从机之间没有专门的无线通信，而是和能量传输部分共用发射和接收天线，原理是依靠电压电流的变化来交换信息，由主机向从机的信号采用电压值的变化来表示，从机向主机的信号采用电流值的变化来表示，高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0。如图11所示，不充供电时，主机和从机均为持续的0状态，从机需要充供电时，向主机发送高电平。主机通过天线感应到从机发送的电信号，并通过控制处理器检测电流大小，当检测到高电平时，立即响应，控制可控扫描频率源工作，并控制发射天线旋转。当从机感应电压最大时，向主机发送高电平信号，主机立即控制天线停止旋转。之后主机控制可控扫描频率源扫频，当从机感应电压最大时，向主机发送高电平信号，主机立即控制可控扫描频率源停止扫频。主机在确定的参数下开始工作，直到结束，从机发送高电平信号通知主机结束充供电。利用能量发送和接收的天线做为信息传输通道时，从机将信息编码为简单的高低电平，驱动接收天线形成磁场，主机天线位于这个磁场中，产生感生电动势也会出现高低变化，通过电压检测从中解调出从机的数据。此时，减小了节点电路的体积。

当节点电压不足时，从机电路控制节点的微处理器产生一个外部中断，同时微处理器通过无线通信模块发送充供电请求。充供电主机通过无线通信模块接收到请求信号后，控制可控扫描频率源产生定频信号，并控制可旋转发射天线旋转，发射天线是饼状一维线圈，可以在三维空间中沿水平和垂直中心线旋转。由电磁理论可知，天线之间的耦合有很强的方向性，而发射和接收天线都是一维片状，因此当两天线平行时，接收天线产生的感应电动势最大。节点从机有电压检测电路，可以检测到这个最大电压，并通过无线通信传递给充供电主机，充供电主机将得到的信息在MCU中换算成天线的位置信息，并通过MCU控制天线旋转，使主机天线处于最佳耦合位置。同时，充供电主机的控制处理器启动锯齿波信号发生电路，将锯齿波输入可控扫描频率源，使其输出扫频信号，驱动天线生成频率变化的磁场。当发射信号的频率与节点充供电从机的固有频率相近或相等时，节点充供电从机产生的感应电压最大，同理，由从机的电压检测电路检测感应电压，通过无线通信与主机通信。主机接收信号并换算得到相应的发射频率，通过控制可控扫描频率源的输入电压使主机发射信号频率固定在这个最佳耦合频率。当节点电压到达一定值时，电路控制节点的微处理器产生外部中断，微处理器响应中断向主机发送停止供电信号。充供电主机接收信号，控制主机进入休眠，一个充供电过程结束。

如图8所示，一种无线传感器网络充供电的无线充供电设备，一个充供电主机可以同时对多个无线传感器网络节点充供电从机同时充供电。假设在充供电主机的发射范围内，有两个无线传感器网络节点从机同时向充供电主机发送充供电请求，主机随机选择其中一个节点为主要充供电对象，另一个为次要充供电对象，充供电从机与主要充供电从机进行通信并确定可旋转发射天线的位置和发射频率。由于无线传感器网络节点充供电从机有多向耦合天线，不同方向的耦合天线得到的感应电压大小不一，选择感应电压最大的信号接入后续充供电电路，而且各充供电从机电路相似，共振频率也相差不大，因此此时，次要充供电从机也能获得较高的充供电功率。

如图6、7所示，无线传感器网络节点从机的充电电路换成供电电路后，充供电从机可以直接为节点供电，使无线传感器网络摆脱电池的制约，寿命更长，体积更小。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络节点的无线充供电方法，其特征在于：设有充供电主机和传感器网络节点充供电从机组成的无线传感器网络电能传输***，其中：

充供电主机包括控制处理器、扫描频率源、能量发射天线和用于与传感器网络节点充供电从机进行充供电信息实时交互的无线通信模块，控制处理器系含有A/D转换模块的低功耗的处理器，扫描频率源系由控制处理器控制的压控振荡器，能量发射天线系由控制处理器控制的三维空间旋转饼状一维线圈；

传感器网络节点充供电从机包括节点处理器、多向耦合能量接收天线、整流电路、充供电电压检测电路、充供电电路和与充供电主机无线通信模块对应交互的无线通信模块，多向耦合能量接收天线系三个按正交方向布置的线圈组合；

当节点电池电压低于设定值时，节点处理器产生一个外部中断，通过与充供电主机无线通信模块对应交互的无线通信模块向充供电主机发送充供电请求，充供电主机通过与传感器网络节点充供电从机进行充供电信息实时交互的无线通信模块接收到传感器网络节点充供电从机的充供电请求信号后发送到控制处理器，控制处理器和锯齿波发生电路组成扫描频率源的控制电路，扫描频率源的调制电压由控制处理器控制，启动锯齿波信号发生电路输出扫频信号至扫描频率源，扫描频率源输出变频交流电信号至能量发射天线，同时，控制处理器对扫描频率源输出的变频交流电信号采样并驱动能量发射天线三维空间旋转，能量发射天线产生频率变化的能量磁场；传感器网络节点充供电从机的多向耦合能量接收天线置于充供电主机发送的能量磁场范围内，感应接收到充供电电压、电流，传感器网络节点充供电从机的充供电电压检测电路对接收到的充供电电压进行检测，当检测到最大电压时，通过与充供电主机无线通信模块对应交互的无线通信模块向充供电主机的无线通信模块发送信息，充供电主机的控制处理器对能量发射天线的旋转角度和扫描频率源的输出频率进行定位；当节点电池电压到达设定值时，节点处理器又产生一个外部中断，通过与充供电主机无线通信模块对应交互的无线通信模块向充供电主机发送停止供电信号，充供电主机接收到此信号后，控制处理器进入休眠，一个充供电过程结束。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点的无线充供电方法，其特征在于：所说传感器网络节点充供电从机中的整流电路将感应接收到的充供电主机传输来的充供电电压整流后，当充供电电压值够大，直接通过传感器网络节点充供电从机的充供电电路为传感器网络节点供电或为其电池充电，当电压值较小，先通过大电容蓄电，再接充供电电路或者通过倍压整流电路后再接充供电电路。

3.根据权利要求1或2所述无线传感器网络节点的无线充供电方法，其特征在于：充供电信息实时交互与能量传输两个通道合而为一，省去充供电主机和传感器网络节点充供电从机中的无线通信模块，利用充供电主机的能量发射天线和传感器网络节点充供电从机的多向耦合能量接收天线实现充供电信息交互，充供电信息叠加在能量传输信号上，再在传感器网络节点充供电从机中解码出来。

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