CN206658064U - 一种无线传感器网络节点的无线充电*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线传感器网络节点的无线充电***，主要由充电桩、无线充电小车、无线传感器网络节点和基站构成；充电桩中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块和无线电能发射模块连接；无线充电小车中单片机通过线路分别与无线收发模块、GPS导航模块、超声波避障模块、电池电量检测模块、电机驱动模块、无线电能发射模块、无线电能接收模块和电源模块连接；无线传感器网络节点中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块、电池电量检测模块、无线电能接收模块和传感器模块连接。本实用新型能够通过无线充电小车实现对无线传感器网络节点在无人干预的情况下持续稳定的工作，成功解决了无线传感器网络节点能量耗尽报废的问题。

Description

一种无线传感器网络节点的无线充电***

技术领域

本实用新型属于无线充电装置技术领域，具体涉及一种无线传感器网络节点的无线充电***。

背景技术

随着无线传感器网络技术的迅速发展，近年来无线传感器网络在医疗健康、工业监测和军事等方面应用越来越广泛。无线传感器网络节点能够在小规模、低成本的器件上实现处理、存储、传感和通信的一体化，同时也可以实现大面积无线传感器网络节点的自动组网，为各种新的应用开启大门。但是无线传感器网络节点的能耗问题一直是无线传感器网络长期稳定工作的瓶颈问题，虽然很多研究者提出各种通信协议和***工作方式的优化算法，但是并不能从根本上解决无线传感器网络的能耗问题。

随着无线电能传输（wireless power transfer，WPT）技术的发展，最近有研究者提出采用无线充电的方式给无线传感器网络节点提供电能，WPT技术研究可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式和微波辐射式三大类，其中磁感应耦合式采用空心变压器原理通过原副边线圈感应传输电能其传输功率较大，但是传输距离较近，容易产生涡流效应；磁耦合谐振式是磁感应耦合式的一种特例，使发射线圈和接收线圈的磁耦合谐振达到最高效的非辐射能量传输，传输距离较磁感应式距离远，且传输功率较大，效率较高；微波辐射式采用电磁场远场辐射的方式在自由空间中进行电能传输，其传输距离较远但是传输过程中能量损耗较大，传输功率和效率都较低。在这几种无线电能传输技术中，采用磁耦合谐振式的电能传输方式既满足传输距离要求又满足传输效率和功率的要求，将其应用到无线传感器网络节点的充电中具有较好的前景。

发明内容

本实用新型为克服现有无线传感器网络节点能量耗尽而报废的问题而提供了一种结构设计合理且运行方式简单的无线传感器网络节点的无线充电***。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案， 一种无线传感器网络节点的无线充电***，其特征在于主要由充电桩、无线充电小车、无线传感器网络节点和基站构成；

所述充电桩包括充电桩本体及设置于充电桩本体上的电源模块、单片机、无线收发模块和无线电能发射模块，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块和无线电能发射模块连接，该无线收发模块与基站双向无线通讯，电源模块用于为整个充电桩提供电能，无线电能发射模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式为无线充电小车的锂电池组充电；

所述无线充电小车包括无线充电小车本体及设置于无线充电小车本体上的单片机、电源模块、无线收发模块、GPS导航模块、超声波避障模块、电池电量检测模块、电机驱动模块、无线电能发射模块、无线电能接收模块和锂电池组，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、GPS导航模块、超声波避障模块、电池电量检测模块、电机驱动模块、无线电能发射模块、无线电能接收模块和电源模块连接，该电源模块用于为整个无线充电小车提供电能，无线电能接收模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式接收充电桩无线电能发射模块所发送的电能并将该电能存储于锂电池组中，无线电能发射模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式向无线传感器网络节点的无线电能接收模块发送电能，无线收发模块与基站双向无线通讯，GPS导航模块用于为无线充电小车提供到达目标位置的最优路径，超声波避障模块用于探测无线充电小车前进的道路上是否存在障碍物，使无线充电小车前进过程中顺利避过障碍，电池电量检测模块用于检测锂电池组的剩余电量，电机驱动模块用于在GPS导航模块和超声波避障模块的共同配合下驱动无线充电小车顺利向目标方向移动；

所述无线传感器网络节点包括无线传感器网络节点本体及设置于无线传感器网络节点本体上的无线收发模块、单片机、电源模块、电池电量检测模块、无线电能接收模块和传感器模块，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块、电池电量检测模块、无线电能接收模块和传感器模块连接，该无线收发模块与基站双向无线通讯，电源模块用于为整个无线传感器网络节点提供电能，电池电量检测模块用于检测无线传感器网络节点中电源模块的剩余电量，无线电能接收模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式接收无线充电小车无线电能发射模块所发送的电能并将该电能存储于无线传感器网络节点的电源模块中，传感器模块用于采集无线传感器网络节点所在位置的数据信息。

进一步优选，所述的传感器模块包括温度传感器模块、压力传感器模块和湿度传感器。

本实用新型的具体运行过程为：无线充电小车上携带锂电池组，通过无线充电方式在距离小车最近的固定充电桩进行充电，同时无线传感器网络节点将自己的位置信息和电池剩余电量通过簇首节点上报给控制中心，然后由控制中心将电量低于阈值的无线传感器网络节点信息发送至无线充电小车，无线充电小车根据自身当前位置和需要充电的不同无线传感器网络节点位置自动优化出一条最优路径，再通过GPS定位***辅助移动至需要充电的无线传感器网络节点，同时无线充电小车和无线传感器网络节点之间通过磁耦合谐振式的电能传输方式对无线传感器网络节点进行无线充电，当无线传感器网络节点电池充满电后向无线充电小车发送充电结束命令，无线充电小车停止充电继续进行下一个无线传感器网络节点的能量补给。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：本实用新型能够通过无线充电小车实现对无线传感器网络节点在无人干预的情况下持续稳定的工作，成功解决了无线传感器网络节点能量耗尽报废的问题，而且充电过程中采用非接触式的无线充电方式更加安全可靠，可以有效避免接触式充电因元件外漏被空气中水侵蚀氧化而短路的问题，同时避免因解除引起的机械磨损和跳火等现象，更加适合易燃易爆、酸碱等恶劣的环境下使用。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型中无线充电小车的结构示意图；

图3是本实用新型中充电桩的模块连接图；

图4是本实用新型中无线充电小车的模块连接图；

图5是本实用新型中无线传感器网络节点的模块连接图。

图中：1、超声波避障模块，2、锂电池组，3、无线收发模块，4、GPS导航模块，5、无线充电小车，6、无线电能接收模块，7、无线电能发射模块，8、充电桩，9、无线传感器网络节点，10、基站。

具体实施方式

结合附图详细描述本实用新型的具体内容。

如图1-3所示，一种无线传感器网络节点的无线充电***，主要由充电桩8、无线充电小车5、无线传感器网络节点9和基站10构成；

所述充电桩8包括充电桩本体及设置于充电桩本体上的电源模块、单片机、无线收发模块和无线电能发射模块，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块和无线电能发射模块连接，该无线收发模块与基站10双向无线通讯，电源模块用于为整个充电桩8提供电能，无线电能发射模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式为无线充电小车的锂电池组充电；

所述无线充电小车5包括无线充电小车本体及设置于无线充电小车本体上的单片机、电源模块、无线收发模块3、GPS导航模块4、超声波避障模块1、电池电量检测模块、电机驱动模块、无线电能发射模块7、无线电能接收模块6和锂电池组2，其中单片机通过线路分别与无线收发模块3、GPS导航模块4、超声波避障模块1、电池电量检测模块、电机驱动模块、无线电能发射模块7、无线电能接收模块6和电源模块连接，该电源模块用于为整个无线充电小车5提供电能，无线电能接收模块6通过磁耦合谐振式的电能传输方式接收充电桩8无线电能发射模块所发送的电能并将该电能存储于锂电池组2中，无线电能发射模块7通过磁耦合谐振式的电能传输方式向无线传感器网络节点9的无线电能接收模块发送电能，无线收发模块3与基站10双向无线通讯，GPS导航模块4用于为无线充电小车5提供到达目标位置的最优路径，超声波避障模块1用于探测无线充电小车5前进的道路上是否存在障碍物，使无线充电小车5前进过程中顺利避过障碍，电池电量检测模块用于检测锂电池组2的剩余电量，电机驱动模块用于在GPS导航模块4和超声波避障模块1的共同配合下驱动无线充电小车5顺利向目标方向移动；

所述无线传感器网络节点9包括无线传感器网络节点本体及设置于无线传感器网络节点本体上的无线收发模块、单片机、电源模块、电池电量检测模块、无线电能接收模块、压力传感器模块、温度传感器模块和湿度器传感模块，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块、电池电量检测模块、无线电能接收模块、压力传感器模块、温度传感器模块和湿度传感器模块连接，该无线收发模块与基站10双向无线通讯，电源模块用于为整个无线传感器网络节点9提供电能，电池电量检测模块用于检测无线传感器网络节点9中电源模块的剩余电量，无线电能接收模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式接收无线充电小车5无线电能发射模块所发送的电能并将该电能存储于无线传感器网络节点9的电源模块中，压力传感器模块用于采集无线传感器网络节点所在位置的压力信号，温度传感器模块用于采集无线传感器网络节点所在位置的温度信号，湿度传感器模块用于采集无线传感器网络节点所在位置的湿度信号。

无线传感器网络节点被随机部署在需要探测的环境中，初始化时无线充电小车随机选取几个簇首节点与之通过基站建立双向无线通信，无线充电小车与无线传感器网络节点建立RSSI测量模型估算出被测节点估计坐标，然后优化出最短路径找到所有被测节点，并将GPS导航模块得到的精确坐标发送给该无线传感器网络节点，同时将无线传感器网络节点精确坐标传输给后台服务器，无线传感器网络节点通过几个已知的簇首节点的精确位置可以进而建立模型，估算出所有无线传感器网络节点的位置。

当某个无线传感器网络节点剩余电量低于设定阈值时将该节点ID和坐标通过簇首节点上报给后台服务器，最终将数据汇总给无线充电小车，无线充电小车根据需要补充电量的无线传感器网络节点的位置优化出一条最短路径，然后依次寻找需要补充能量的无线传感器网络节点，在寻找无线传感器网络节点的过程中可以通过RSSI模型修正被寻找无线传感器网络节点的估算位置，直至找到被寻找的无线传感器网络节点，然后将精确坐标信息替换估算位置并写入后台方便下次给该无线传感器网络节点充电定位。当无线充电小车找到需要充电的无线传感器网络节点后需要调整无线充电小车位置将安装在无线充电小车底部的无线电能发射模块对准被充电的无线传感器网络节点，然后开始无线充电，当无线传感器网络节点的电池充满时向无线充电小车发送停止充电指令，无线充电小车收到指令后停止充电，然后进行寻找下一个需要充电的无线传感器网络节点进行充电。当无线充电小车所携带锂电池组剩余电量不足时，选择距离自己位置最近的充电桩进行充电。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络节点的无线充电***，其特征在于主要由充电桩、无线充电小车、无线传感器网络节点和基站构成；

所述充电桩包括充电桩本体及设置于充电桩本体上的电源模块、单片机、无线收发模块和无线电能发射模块，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块和无线电能发射模块连接，该无线收发模块与基站双向无线通讯，电源模块用于为整个充电桩提供电能，无线电能发射模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式为无线充电小车的锂电池组充电；

所述无线充电小车包括无线充电小车本体及设置于无线充电小车本体上的单片机、电源模块、无线收发模块、GPS导航模块、超声波避障模块、电池电量检测模块、电机驱动模块、无线电能发射模块、无线电能接收模块和锂电池组，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、GPS导航模块、超声波避障模块、电池电量检测模块、电机驱动模块、无线电能发射模块、无线电能接收模块和电源模块连接，该电源模块用于为整个无线充电小车提供电能，无线电能接收模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式接收充电桩无线电能发射模块所发送的电能并将该电能存储于锂电池组中，无线电能发射模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式向无线传感器网络节点的无线电能接收模块发送电能，无线收发模块与基站双向无线通讯，GPS导航模块用于为无线充电小车提供到达目标位置的最优路径，超声波避障模块用于探测无线充电小车前进的道路上是否存在障碍物，使无线充电小车前进过程中顺利避过障碍，电池电量检测模块用于检测锂电池组的剩余电量，电机驱动模块用于在GPS导航模块和超声波避障模块的共同配合下驱动无线充电小车顺利向目标方向移动；

所述无线传感器网络节点包括无线传感器网络节点本体及设置于无线传感器网络节点本体上的无线收发模块、单片机、电源模块、电池电量检测模块、无线电能接收模块和传感器模块，其中单片机通过线路分别与无线收发模块、电源模块、电池电量检测模块、无线电能接收模块和传感器模块连接，该无线收发模块与基站双向无线通讯，电源模块用于为整个无线传感器网络节点提供电能，电池电量检测模块用于检测无线传感器网络节点中电源模块的剩余电量，无线电能接收模块通过磁耦合谐振式的电能传输方式接收无线充电小车无线电能发射模块所发送的电能并将该电能存储于无线传感器网络节点的电源模块中，传感器模块用于采集无线传感器网络节点所在位置的数据信息。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点的无线充电***，其特征在于：所述的传感器模块包括温度传感器模块、压力传感器模块和湿度传感器。