CN107394906A - 一种传感器节点电源管理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种传感器节点的电源管理电路，传感器节点采用能量收集技术供电，电源管理电路包括前级储能模块、升压模块、后级储能模块、控制电路模块和应用电路模块，前级储能模块通过升压模块接后级储能模块及控制电路模块的输入端，后级储能模块的输出端接控制电路模块及应用电路模块的输入端，控制电路模块的输出端接应用电路模块的输入端；前级储能模块储存收集的环境能量，作为升压模块的输入电源，后级储能模块储存升压后的能量，为控制电路模块和应用电路模块提供能量；当后级储能模块两端电压在设定值的范围变动时，控制电路模块控制应用电路模块。本电源管理电路能够合理的控制收集到的能量作为应用电路的能量源，使其能够较稳定的工作。

Description

一种传感器节点电源管理电路

技术领域

本发明涉及能量收集领域的电源管理技术，更具体地，涉及了一种适用能量收集技术供电的无线传感器网络节点电源管理电路。

背景技术

在多数应用场景中，无线传感器网络终端节点是通过电池来供电的，电池储存的能量有限，网络节点的多数工作场合又不方便更换电池或进行有线电缆充电，因此，由电池成节点能量短缺的问题需要有效的解决方法。

环境能量收集技术是通过收集环境中的能量，如太阳能、热能、无线射频能量等，将其转化为能够利用的直流电源，因此，环境能量收集技术在无线传感器网络中节点的供电、植入式医疗设备充电等其他低功耗设备供电方面表现出广阔的应用前景。

由于应用环境的影响，如雨天太阳能收集的能量微弱、无线射频能量由于整流天线效率问题使得收集的能量微弱，能量收集技术并不能持续稳定的收集环境中的能量，因此，设计一种电源管理电路使得收集到的能量能持续稳定的给后续电路提供电源是非常有意义的。

发明内容

鉴于本领域现有技术上存在的不足，本发明提供了一种适用能量收集技术供电的无线传感器网络节点电源管理电路。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种传感器节点的电源管理电路，其中传感器节点采用能量收集技术供电，电源管理电路包括前级储能模块、升压模块、后级储能模块、控制电路模块和应用电路模块，前级储能模块的输出端接升压模块的输入端，升压模块的输出端接后级储能模块的输入端及控制电路模块的输入端，后级储能模块的输出端接控制电路模块的输入端及应用电路模块的输入端，控制电路模块的输出端接应用电路模块的输入端；

所述前级储能模块储存收集的环境能量，作为升压模块的输入电源，后级储能模块储存升压后的能量，并为控制电路模块和应用电路模块提供工作所需能量；当后级储能模块两端电压在设定值的范围变动时，控制电路模块控制应用电路模块是否工作，工作时，后级储能模块向应用电路模块供电，否则不供电。

本发明根据升压模块、控制电路模块、前后级储能模块储能供电的方式，能够将环境无线射频能量收集技术获取的微弱能量，为后续的电路提供持续、稳定的工作电压，使基于环境能量收集技术供电的传感器网络节点能持续稳定的工作。

优选的，所述前级储能模块为超级电容C1，后级储能模块为超级电容C2，其中C1的电容值小于C2的电容值。

优选的，所述控制电路模块包括反相器和MOS管，其中反相器输入端与升压模块的输出端连接，反相器输出端与MOS管的栅极连接，MOS管的源极与后级储能模块相连，漏极与应用电路模块相连。

优选的，所述MOS管为P沟道增强型的MOS管。

优选的，所述升压模块包括升压芯片BQ25504和电阻，升压芯片通过引脚6和7外接的电阻R3、R4控制升压输出的电压幅值大小，其中引脚7接电阻R3、R4，引脚6接于两个电阻之间，升压模块输出电压值U用如下公式进行计算：

其中，VBIAS＝1.25V为升压芯片的偏置电压，通过调整R3、R4的阻值，得到满足后续电路工作的电压值；

升压芯片的指示信号引脚11接控制电路模块输入端，升压芯片内部具有监测引脚14所接后级储能模块电压大小的功能，通过设置引脚9和10之间所接电阻的大小，指示信号引脚11能够根据后级储能模块两端电压做出相应的变化，其中：

当后级储能模块两端电压上升到大于时，指示信号引脚输出高电平，等于此时后级储能模块两端电压幅值；

当后级储能模块两端电压下降至小于时，指示信号引脚输出低电平，值为零。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

一种适用能量收集技术供电的无线传感器网络终端节点的电源管理电路，该电源管理电路包括：前级、后级储能模块，利用超级电容作为储能元件取代传统的电池；升压模块，将前级储能模块两端电压幅值升至预设的幅值；控制电路模块，采用反相器和MOS管，与升压芯片结合控制后级储能模块的放电与否；应用电路模块，利用组建无线传感器网络的终端节点作为应用电路。所述的电源管理电路能够合理的控制能量收集技术收集到的能量作为应用电路的能量源，使应用电路能够在无电池供电的情形下持续稳定的工作。

附图说明

图1为节点电源管理***结构图。

图2为实施例具体结构图。

图3为升压模块电路图。

图4为PMOS管符号与转移特性曲线图。

图5为应用电路结构图。

图6为***工作流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，但本发明的实施方式并不限于此；

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

如图1，一种适用能量收集技术供电的无线传感器网络节点电源管理电路，包括前级储能模块、升压模块、后级储能模块、控制电路模块、应用电路模块；

前级储能模块储存环境能量收集技术收集的能量，作为升压模块的输入电源，并在后级升压电路负载较大变化时提供稳定的电流；

前级储能模块能量微弱，电压幅值低，利用升压模块将电压幅值升至后续电路的工作电压值；

后级储能模块储存升压后的能量，并为控制信号产生模块、应用电路模块提供工作所需能量；

当后级储能模块两端电压在设定值的范围变动时，控制电路模块控制开关管的导通与关闭，从而控制终端节点是否工作；

应用电路模块包括通用的无线传感器网络终端节点，用以组成无线传感器网络，实现数据的采集、传输。

如图2，为本实施例的具体实现图。本实施例利用环境无线射频能量收集技术的输出作为能量源，前级储能模块(1)与整流天线的输出相连，后级储能模块(2)与升压芯片输出端相连，由于超级电容具有充电速度快、能量密度高、充放电线路简单等优点，因此前、后级储能模块利用超级电容作为储能元件。对于超级电容充电储能过程，可用如下公式进行表述：

超级电容储存的能量：

由于在射频能量收集技术中经整流天线转换得到的能量比较微弱，前级储能模块选用容值较小的超级电容，使得充电更快；同时，为使后级储能模块的超级电容经过一定时间的充电储能后能持续稳定的为后续电路提供能量，后级储能模块的超级电容采用容值较大的超级电容。

如图2所示，升压功能由升压芯片实现。整流输出的微弱能量储存在前级电源模块中，电压幅值不能达到后级电路正常的工作电压值，故通过升压模块把电压幅值升至后级电路能正常工作的电压幅值。同时，升压芯片的信号指示引脚与控制电路模块相接，根据后级电源模块的储能元件两端电压的不同产生不同的指示信号，输出给控制电路模块。

如图3，本实施例中采用升压芯片BQ25504，升压芯片通过引脚6和7外接的电阻R3、R4控制升压输出的电压幅值大小，其中引脚7接电阻R3、R4，引脚6接于两个电阻之间，具体可用如下公式进行计算：

其中，VBIAS＝1.25V为芯片的偏置电压。通过调整R3、R4的阻值，得到满足后续电路工作的电压值。

如图3，指示信号引脚11接控制电路模块输入端。BQ25504芯片内部具有监测引脚14所接后级储能模块电压大小的功能，通过设置引脚9和10之间所接电阻的大小，指示信号引脚11能够根据后级储能模块两端电压做出相应的变化，其中：

当后级储能模块两端电压上升到大于时，指示信号引脚输出高电平，等于此时后级储能模块两端电压幅值；

当后级储能模块两端电压下降至小于时，指示信号引脚输出低电平，值为零。

如图2，控制电路模块(3)包括反相器、MOS开关管。反相器输入端与BQ25504芯片的11引脚相连，输出与MOS管栅极连接，同时，MOS管源极与后级电源模块的储能元件相连，漏极与应用电路模块相连。

MOS管能够用于开关电路，控制电路的导通、关闭。如图4(a)所示，本实例选用P沟道增强型的MOS管。增强型PMOS管的转移特性如图4(b)所示，其开启电压U_GS(th)＜0，当U_GS＜U_GS(th)时管子导通，同时，漏-源之间应加负电压，故PMOS管源极接后级储能模块，栅极接反相器输出，漏极与应用电路模块电源模块输入端相连：

当栅极为低电平时，有U_GS＜U_GS(th)，PMOS管导通，漏极电压即为后级储能模块两端电压，应用电路开始工作；

当栅极为高电平时，有U_GS＞U_GS(th)，PMOS管闭合，应用电路模块停止工作。

由于后级储能模块两端电压达到设定的工作电压U₊时，升压芯片的指示信号引脚输出的是高电平，为使节点此时能够工作，引入反相器将高电平指示信号转换为低电平，使得PMOS管导通。当后级储能模块两端电压降至U_-时，指示信号为低电平，为将节点停止工作，通过反相器，将低电平信号变为高电平，PMOS管关闭。

如图5，本实施例的应用电路模块采用基于ZigBee协议的无线传感器网络节点电路，由核心板和底板组成。应用电路模块在后级储能模块两端电压达到设定的U₊时开始工作，通过程序配置，节点将工作在定时休眠的工作方式，周期性地唤醒传感器采集外界数据并将其发送至上位机，工作时消耗储能元件能量，休眠时可以储存能量，当后级储能模块两端电压下降至U_-时节点停止工作，后级储能模块继续储存能量，从而有效的利用环境无线能量采集技术收集到的能量。

如图6，为本发明适用环境无线能量采集技术的无线传感器网络节点的电源管理***的工作流程图，具体为：

先将环境无线射频能量收集技术收集到的能量存储到储能元件C1中，再通过升压模块升压储存至后级电源模块的储能元件C2中，C2开始充电，并判断C2两端电压是否达到工作电压值，若未达到，C2继续充电，节点不工作；若达到工作电压值，升压模块中的升压芯片产生指示信号给控制电路模块，控制开关管导通，节点开始工作，并工作于定时休眠方式，启动外部传感器采集数据，发送至上位机。

综上所述，本实施例根据升压模块、控制电路模块、前后级超级电容储能供电的方式，能够将环境无线射频能量收集技术获取的微弱能量，为后续的电路提供持续、稳定的工作电压，使基于环境能量收集技术供电的传感器网络节点能持续稳定的工作。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种传感器节点的电源管理电路，其中传感器节点采用能量收集技术供电，其特征在于，电源管理电路包括前级储能模块、升压模块、后级储能模块、控制电路模块和应用电路模块，前级储能模块的输出端接升压模块的输入端，升压模块的输出端接后级储能模块的输入端及控制电路模块的输入端，后级储能模块的输出端接控制电路模块的输入端及应用电路模块的输入端，控制电路模块的输出端接应用电路模块的输入端；

所述前级储能模块储存收集的环境能量，作为升压模块的输入电源，后级储能模块储存升压后的能量，并为控制电路模块和应用电路模块提供工作所需能量；当后级储能模块两端电压在设定值的范围变动时，控制电路模块控制应用电路模块是否工作，工作时，后级储能模块向应用电路模块供电，否则不供电。

2.根据权利要求1所述的一种传感器节点的电源管理电路，其特征在于，所述前级储能模块为超级电容C1，后级储能模块为超级电容C2，其中C1的电容值小于C2的电容值。

3.根据权利要求1所述的一种传感器节点的电源管理电路，其特征在于，所述控制电路模块包括反相器和MOS管，其中反相器输入端与升压模块的输出端连接，反相器输出端与MOS管的栅极连接，MOS管的源极与后级储能模块相连，漏极与应用电路模块相连。

4.根据权利要求3所述的一种传感器节点的电源管理电路，其特征在于，所述MOS管为P沟道增强型的MOS管。

5.根据权利要求3或4所述的一种传感器节点的电源管理电路，其特征在于，所述升压模块包括升压芯片BQ25504和电阻，升压芯片通过引脚6和7外接的电阻R3、R4控制升压输出的电压幅值大小，其中引脚7接电阻R3、R4，引脚6接于两个电阻之间，升压模块输出电压值U用如下公式进行计算：

<mrow> <mi>U</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>V</mi> <mi>B</mi> <mi>I</mi> <mi>A</mi> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mn>4</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，VBIAS＝1.25V为升压芯片的偏置电压，通过调整R3、R4的阻值，得到满足后续电路工作的电压值；

升压芯片的指示信号引脚11接控制电路模块输入端，升压芯片内部具有监测引脚14所接后级储能模块电压大小的功能，通过设置引脚9和10之间所接电阻的大小，指示信号引脚11能够根据后级储能模块两端电压做出相应的变化，其中：

当后级储能模块两端电压上升到大于时，指示信号引脚输出高电平，等于此时后级储能模块两端电压幅值；

当后级储能模块两端电压下降至小于时，指示信号引脚输出低电平，值为零。