專利名稱：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)低能耗供電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用微處理器 控制、利用可再生能源直供電技術(shù)和超級(jí)電容儲(chǔ)能元件的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置及方法。
背景技術(shù)：
由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布區(qū)域廣且長(zhǎng)期布設(shè)在無(wú)人值守的環(huán)境區(qū) 域，其所處環(huán)境復(fù)雜，通過更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源是不實(shí)際的，所以必須采用有效的節(jié) 能策略，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。想要使傳感器節(jié)點(diǎn)可以長(zhǎng)壽命的工作，從環(huán)境中捕獲能量是 一種有效的途徑。目前大多采用儲(chǔ)能器件從環(huán)境中獲取太陽(yáng)能、振動(dòng)能、風(fēng)能或者溫差能等 能源，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供能。僅以太陽(yáng)能為例說(shuō)明，太陽(yáng)能是目前最常見并且使用最成熟的一項(xiàng)可再生能源， 而且它產(chǎn)生的能源充足，適用于布設(shè)在環(huán)境中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且使用環(huán)境能源 對(duì)人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的綠色能源意識(shí)提供了一條切實(shí)可行的方法。由于目前的電源供給對(duì)象大 多是是低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此采用眾多環(huán)境能源中的一種就足以供給傳感器 節(jié)點(diǎn)。目前使用的太陽(yáng)能供電裝置多采用蓄電池作為充電電池，但蓄電池受其先天條件 的制約，存在著循環(huán)壽命差、高低溫性能差、充放電過程敏感、深度放電性能容量恢復(fù)困難 以及環(huán)境污染等問題，傳統(tǒng)蓄電池已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿足人們對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。超級(jí)電容 是近幾年才批量生產(chǎn)的一種新型電力儲(chǔ)能器件，也稱為電化學(xué)電容。超級(jí)電容還具有循環(huán) 壽命長(zhǎng)、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、環(huán)境友好免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)， 因此應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。除此之外，目前許多成型的成熟太陽(yáng)能供電裝置并沒有專門針對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。而且，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供電裝置對(duì)于低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用存 在以下三個(gè)缺點(diǎn)(1)采用許多電容、運(yùn)放以及電阻等模擬信號(hào)元器件，增加了電路本身的 能耗以及運(yùn)行成本；(2)采用蓄電池進(jìn)行充電，存在充電壽命有限、高低溫性能差以及環(huán)境 污染嚴(yán)重等缺陷；(3)太陽(yáng)能電池與充電控制電路相連，而在蓄電池充電蓄滿之后停止運(yùn) 作，轉(zhuǎn)而由蓄電池供電，由于此時(shí)太陽(yáng)能電池處于停止運(yùn)作狀態(tài)，因此沒有高效地利用太陽(yáng) 能，缺乏能量管理和控制步驟，使得供電效率低。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何減少無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中供電設(shè)備的能耗以及運(yùn) 行成本，簡(jiǎn)化供電裝置的電路規(guī)模，提高能源利用效率，降低維修概率，提高安全性能，延長(zhǎng) 整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用周期。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置，包括可再生能源電池、超級(jí)電容儲(chǔ)能電路、與所述可再生能源電池和所述超級(jí)電容儲(chǔ)能 電路相連的充電控制電路以及與所述充電控制電路相連的微處理器以及供電電路，所述供 電電路與所述可再生能源電池、所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路以及所述微處理器相連；其中，
所述可再生能源電池，用于在所述充電控制電路的控制下對(duì)所述供電電路進(jìn)行直 接供電以及對(duì)所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路進(jìn)行充電； 所述充電控制電路，用于根據(jù)所述微處理器傳來(lái)的指令采集并反饋給微處理器所 述可再生能源電池的電壓值以及所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的電壓值，同時(shí)根據(jù)所述微處理器 傳來(lái)的供電指令控制所述可再生能源電池對(duì)所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路和供電電路進(jìn)行供電， 以及根據(jù)所述微處理器傳來(lái)的供電指令來(lái)控制所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路對(duì)所述供電電路進(jìn) 行供電；所述微處理器，用于對(duì)由所述充電控制電路反饋來(lái)的可再生能源電池電壓值以及 超級(jí)電容儲(chǔ)能電路電壓值進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果生成供電指令并輸送至所述充電控制電 路以及所述供電電路；所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路，用于在所述充電控制電路的控制下進(jìn)行充電或?qū)λ龉?電電路進(jìn)行供電；所述供電電路，用于根據(jù)所述供電指令接收所述可再生能源電池或所述超級(jí)電容 儲(chǔ)能電路的供電來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載進(jìn)行能源支持。優(yōu)選地，所述可再生能源電池為太陽(yáng)能電池、振動(dòng)能電池、風(fēng)能電池、溫差能電池 或其余從自然環(huán)境中獲取的可再生資源。優(yōu)選地，所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路包括儲(chǔ)能電路以及升壓穩(wěn)壓電路；所述儲(chǔ)能電路由一個(gè)或若干個(gè)超級(jí)電容單體來(lái)串聯(lián)/并聯(lián)組成。此外，本發(fā)明還提供一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電方法，包括如下步 驟步驟1 采集可再生能源電池的電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的電壓值；步驟2 對(duì)所述可再生能源電池的電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的電壓值進(jìn)行處 理，根據(jù)處理結(jié)果生成供電指令來(lái)控制可再生能源電池對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路以及供電電路 同時(shí)進(jìn)行供電；或者，根據(jù)所述供電指令控制超級(jí)電容儲(chǔ)能電路對(duì)供電電路進(jìn)行供電；步驟3 根據(jù)所述供電指令控制供電電路接受可再生能源電池或超級(jí)電容儲(chǔ)能電 路的供電來(lái)對(duì)負(fù)載進(jìn)行能源支持。優(yōu)選地，所述可再生能源電池電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路電壓值由充電控制電 路采集并反饋給微處理器；所述供電指令根據(jù)所述微處理器對(duì)所述可再生能源電池電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ) 能電路電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及電壓比較判斷處理的結(jié)果來(lái)生成。優(yōu)選地，所述步驟2中，當(dāng)可再生能源電池電壓值大于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電 指令指示可再生能源電池對(duì)供電電路直接供電，同時(shí)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路進(jìn)行充電。當(dāng)可再生能源電池電壓值大于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值時(shí)，且超級(jí)電容儲(chǔ)能電 路電壓值達(dá)到預(yù)先設(shè)置的充電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電指令指示充電控制電路關(guān)閉對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的充電操作，同時(shí)可再生能源電池僅進(jìn)行對(duì)供電電路直接供電的操作。當(dāng)可再生能源電池電壓值低于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值，而超級(jí)電容儲(chǔ)能電路 電壓值高于預(yù)先設(shè)置的第一或第二放電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電指令指示超級(jí)電 容儲(chǔ)能電路對(duì)供電電路進(jìn)行供電。當(dāng)可再生能源電池電壓值低于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值，且超級(jí)電容儲(chǔ)能電路 電壓值低于預(yù)先設(shè)置的最低放電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電指令指示充電控制電路 停止超級(jí)電容儲(chǔ)能電路對(duì)供電電路的供電操作。(三)有益效果對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案所提供的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置及方法具有如下有益 效果(1)該技術(shù)方案在可再生能源電池電壓值較高的時(shí)候采用直供電方式對(duì)供電電路 進(jìn)行直接供電，同時(shí)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路進(jìn)行充電，可以高效地利用環(huán)境能源，加入能量管 理和控制的步驟，從而大大提高能源利用及電源供給的效率。(2)該技術(shù)方案采用超級(jí)電容代替蓄電池作為儲(chǔ)能器件，大大提高了能源儲(chǔ)備裝 置的電容容量，還適用于功率要求高的大電流充放電過程，同時(shí)還簡(jiǎn)化充放電線路，降低維 修概率，提供了能源供給過程中的安全可靠性以及工作效率。(3)該技術(shù)方案通過微處理器結(jié)合充電控制電路來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一的智能控制和管理， 控制可再生能源電池進(jìn)行充電以及直接供電，控制超級(jí)電容儲(chǔ)能電路充電以及放電，控制 供電電路來(lái)調(diào)節(jié)能源輸出方式；同時(shí)，還通過微處理器內(nèi)部的運(yùn)算處理操作來(lái)對(duì)超級(jí)電容 儲(chǔ)能電路進(jìn)行防過充以及防過放的操作，將采集到的電壓值進(jìn)行綜合判斷，生成不同的供 電指令來(lái)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入不同的供電工作模式；該技術(shù)方案由于將眾多功能集成于微處理器 內(nèi)部，因而電路中減少了大量耗能元件，使得裝置本身的能耗降低，節(jié)省了能源，還可以減 少傳統(tǒng)電源設(shè)備的維修工作以及費(fèi)用。綜上所述，本發(fā)明技術(shù)方案所提供的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置及方法采用可再生能源供 電儲(chǔ)能，采用超級(jí)電容代替蓄電池，并引進(jìn)節(jié)點(diǎn)微處理器來(lái)控制充電和供電電路的方案來(lái) 解決供電電路本身的能耗問題，高效地為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電；該技術(shù)方案通過可再 生能源電池持續(xù)地采集環(huán)境能源，并為儲(chǔ)能電路充電，保證能源的持久性，克服了無(wú)法更換 電池以及蓄電池壽命有限的困難，有效地解決了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問題，延長(zhǎng)了 整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的原理示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的充電控制電路原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的超級(jí)電容儲(chǔ)能電路原理圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的供電電路原理圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的節(jié)點(diǎn)工作模式轉(zhuǎn)換圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例3中的節(jié)點(diǎn)智能供電方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例1首先對(duì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，為節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的原理示意圖，節(jié)點(diǎn)智能供電裝置包括可再生 能源電池1、超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3、與可再生能源電池1和超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3相連的充電 控制電路2、與充電控制電路2相連的MCU (Micro Control Unit-微控制單元)微處理器4 以及供電電路5，所述供電電路5與可再生能源電池1、超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3以及MCU微處 理器4相連。其中，可再生能源電池1可以為太陽(yáng)能電池、振動(dòng)能電池、風(fēng)能電池、溫差能電 池或其余從自然環(huán)境中獲取的可再生資源，在本發(fā)明中以可再生能源電池1是太陽(yáng)能電池 Ia為例進(jìn)行說(shuō)明。太陽(yáng)能電池Ia用于在充電控制電路2的控制下對(duì)供電電路5進(jìn)行直接供電以及 對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3進(jìn)行充電；充電控制電路2用于根據(jù)MCU微處理器4傳來(lái)的指令采集太陽(yáng)能電池Ia的電壓 值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的電壓值并將所采集的電壓值反饋給微處理器4，同時(shí)根據(jù)MCU 微處理器4傳來(lái)的供電指令來(lái)控制太陽(yáng)能電池Ia對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3和供電電路5進(jìn) 行供電，以及根據(jù)MCU微處理器4傳來(lái)的供電指令來(lái)控制超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3對(duì)供電電路 5進(jìn)行供電；MCU微處理器4用于對(duì)由充電控制電路2反饋來(lái)的太陽(yáng)能電池Ia電壓值以及超級(jí) 電容儲(chǔ)能電路3電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及電壓比較判斷處理，根據(jù)處理結(jié)果生成供電指令 并輸送至充電控制電路2以及供電電路5 ；超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3用于在充電控制電路2的控制下進(jìn)行充電或?qū)╇婋娐?進(jìn) 行供電；該超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3包括儲(chǔ)能電路以及升壓穩(wěn)壓電路；該儲(chǔ)能電路主要由一個(gè) 或若干個(gè)超級(jí)電容單體來(lái)串聯(lián)/并聯(lián)組成；供電電路5，用于根據(jù)供電指令接收太陽(yáng)能電池Ia或超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的供電 來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載進(jìn)行能源支持。其中，所述供電指令包括如下幾類第一級(jí)供電指令當(dāng)太陽(yáng)能電池Ia電壓值大于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值時(shí)，指 示太陽(yáng)能電池Ia對(duì)供電電路5直接供電，同時(shí)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3進(jìn)行充電；第二級(jí)供電指令當(dāng)太陽(yáng)能電池Ia電壓值大于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值時(shí)，且 超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3電壓值達(dá)到預(yù)先設(shè)置的充電電壓門限值時(shí)，指示充電控制電路2關(guān)閉 對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的充電操作，同時(shí)太陽(yáng)能電池Ia僅進(jìn)行對(duì)供電電路5直接供電的操 作；第三級(jí)供電指令當(dāng)太陽(yáng)能電池Ia電壓值低于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值，而超 級(jí)電容儲(chǔ)能電路3電壓值高于預(yù)先設(shè)置的第一或第二放電電壓門限值時(shí)，指示超級(jí)電容儲(chǔ) 能電路3對(duì)供電電路5進(jìn)行供電；第四類供電指令當(dāng)太陽(yáng)能電池Ia電壓值低于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值，且超 級(jí)電容儲(chǔ)能電路3電壓值低于預(yù)先設(shè)置的最低放電電壓門限值時(shí)，指示充電控制電路2停止超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3對(duì)供電電路5的供電操作。實(shí)施例2下面具體介紹實(shí)施例1中所涉及的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的具體組成模塊以及工作原理。太陽(yáng)能電池Ia包括微型單晶硅太陽(yáng)能電池板；微型單晶硅太陽(yáng)能電池板是一種 由光生伏特效應(yīng)可將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二 極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流；太陽(yáng)能電池Ia通過光電效 應(yīng)來(lái)采集太陽(yáng)能和人造光能并轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生5v左右電壓在充電控制電路2的控制下通 過直供電技術(shù)優(yōu)先對(duì)供電電路5進(jìn)行直接供電，同時(shí)通過充電控制電路2為超級(jí)電容儲(chǔ)能 電路3充電；當(dāng)許多個(gè)太陽(yáng)能電池Ia串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太 陽(yáng)能電池方陣。如圖2所示，為節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的充電控制電路原理圖，如充電控制電路2接收 MCU微處理器4的充電控制命令C_CHR后采集太陽(yáng)能電池Ia的電壓值Vs IN經(jīng)過肖特基整 流器D1生成充電電壓Vaffi為超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3充電。如圖3所示，為節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的超級(jí)電容儲(chǔ)能電路原理圖，如圖3所示，超級(jí) 電容儲(chǔ)能電路3采用新型的超級(jí)電容，由儲(chǔ)能電路31和升壓穩(wěn)壓電路32兩部分構(gòu)成。儲(chǔ)能電路31中，充電電壓Vchk通過限流電阻R5和防反充二極管D2為超級(jí)電容充 電，產(chǎn)生超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3電壓值V。BAT。超級(jí)電容器單體儲(chǔ)存能量有限且耐壓不高，需要 通過相應(yīng)的串連并聯(lián)方法擴(kuò)容，以適用于不同的應(yīng)用。假設(shè)儲(chǔ)能電路31以m個(gè)串聯(lián)，η組
并聯(lián)的方式構(gòu)成，則每個(gè)儲(chǔ)能電路31的能量輸出為W = IctZix-Ict^in，其中C為超級(jí)電
容的單體電容量，Ufflax為單體超級(jí)電容充電完成的電壓值，[/min 二^^ , Uiemin為芯片的最
m一
低啟動(dòng)電壓。故超級(jí)電容陣列的能量總輸出為Wall = mnW。其等效串聯(lián)內(nèi)阻^^ =^f^，
等效電容為Qmiv，其中Ns為串聯(lián)器件數(shù)，Np為并聯(lián)支路數(shù)，gRs指代單個(gè)超級(jí)電容
的內(nèi)阻，gC為單個(gè)超級(jí)電容的電容量。本實(shí)施例采用兩個(gè)2. 3V的超級(jí)電容單體串聯(lián)構(gòu)成 儲(chǔ)能電路31，若要擴(kuò)大其應(yīng)用范圍只需要改變超級(jí)電容的串并聯(lián)數(shù)量和相應(yīng)的芯片即可。升壓穩(wěn)壓電路32中，由于隨著超級(jí)電容工作不斷放電，其兩端的電壓將不斷降 低，當(dāng)超級(jí)電容釋放儲(chǔ)能的50%的能量時(shí)，其端電壓將下降到初始電壓的70%，需要相應(yīng) 的升壓穩(wěn)壓控制電路避免由于超級(jí)電容陣列電壓的降低影響負(fù)載的正常運(yùn)行，提高超級(jí)電 容儲(chǔ)能的利用率。通過一個(gè)DC-DC升壓穩(wěn)壓芯片，外加一個(gè)電感L、一個(gè)肖特基二極管D3和 一個(gè)輸出電容C1就可以提供穩(wěn)定的輸出電壓Vc BK。根據(jù)DC-DC升壓穩(wěn)壓芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)， 選擇合適的電感、電容和肖特基二極管可以獲得高轉(zhuǎn)換效率。作為本實(shí)施例技術(shù)方案的核心部分，MCU微處理器4用于發(fā)送指令至充電控制電 路2，通過充電控制電路2采集太陽(yáng)能電池Ia電壓值Vs IN與超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的電壓值 VC—BAT，經(jīng)過內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)、電壓判斷等一系列的處理，根據(jù)處理結(jié)果得出供電指令。若太陽(yáng) 能電池Ia的電壓值Vs in大于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值(此處選為4V)時(shí)，MCU微處理器4發(fā)送包含充電控制信號(hào)(_0 與輸出控制信號(hào)C_0UT的供電指令；該充電控制信號(hào)C_CHR 打開充電控制電路2與超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的通路，保證充電的進(jìn)行，該輸出控制信號(hào)C_ OUT控制太陽(yáng)能電池Ia對(duì)供電電路5的直供電；若太陽(yáng)能電池Ia的電壓值Vs IN小于預(yù)先 設(shè)置的供電電壓門限值(此處選為4V)時(shí)，且超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的電壓值Vc bat也高于預(yù) 先設(shè)置的最低放電門限值Vd th時(shí)，則MCU微處理器4就發(fā)出包含輸出控制信號(hào)C_0UT的供 電指令，控制打開超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3到供電電路5的能量通路，經(jīng)過供電電路5的穩(wěn)壓處 理，作為節(jié)點(diǎn)的供電能源。如圖4所示，為節(jié)點(diǎn)智能供電裝置的供電電路原理圖，供電電路5連接太陽(yáng)能電池 Ia輸出Vs in和超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的輸出Vc bk，接收MCU微處理器4的包括輸出控制信號(hào) C_0UT的供電指令，將太陽(yáng)能電池Ia與超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3 二者之一的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓處理 后，輸出給節(jié)點(diǎn)負(fù)載供電。若MCU微處理器4選擇太陽(yáng)能電池Ia輸出Vs— 直供電，則控制 信號(hào)C_0UT就控制供電電路5穩(wěn)壓芯片對(duì)太陽(yáng)能電池Ia輸出Vs IN進(jìn)行穩(wěn)壓處理，處理后的 電壓就作為V。■輸出供電，同時(shí)控制信號(hào)C_0UT經(jīng)過反相器D5控制截?cái)喑?jí)電容儲(chǔ)能電 路3的供電輸出通路；同理，若選擇超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3供電輸出，控制信號(hào)C_0UT作用于 三極管Q4和場(chǎng)效應(yīng)管Q5,打通Vc bk的輸出通路，使得Vc bk作為Vcjm輸出供電，此時(shí)太陽(yáng)能 電池Ia輸出Vs in供電通路截?cái)?。進(jìn)一步的，當(dāng)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3放電輸出時(shí)，MCU微處理器4通過充電控制電路 2采集超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的電壓值Vc BAT，通過判斷是否達(dá)到預(yù)先設(shè)置的充電電壓門限值 Ve th，就發(fā)送充電控制信號(hào)C_CHR將充電控制電路2關(guān)斷，以達(dá)到防止超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3 過充的目的。進(jìn)一步的，當(dāng)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3放電輸出時(shí)，MCU微處理器4通過充電控制電路 2采集超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3的電壓值V。BAT，通過判斷是否低于預(yù)先設(shè)置的最低放電電壓門 限值Vd th，若低于了，MCU微處理器4就通過輸出控制信號(hào)C_0UT控制超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3 停止對(duì)供電電路5的供電，達(dá)到防止超級(jí)電容儲(chǔ)能電路3過放的目的。此外，MCU微處理器4通過充電控制電路2采集太陽(yáng)能電池Ia電壓值Vs IN與超級(jí) 電容儲(chǔ)能電路3電壓值V。BAT，通過能量狀態(tài)分析，根據(jù)能量充足、能量良好、能量中等、能量 緊張、能量微弱這5種不同的能量狀態(tài)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入AM0、AM1、AM2、AM3、AM4等5種不同能 量狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)工作模式的對(duì)應(yīng)工作模式，如下表所示
權(quán)利要求
一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置，其特征在于，所述供電裝置包括可再生能源電池、超級(jí)電容儲(chǔ)能電路、與所述可再生能源電池和所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路相連的充電控制電路以及與所述充電控制電路相連的微處理器以及供電電路，所述供電電路與所述可再生能源電池、所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路以及所述微處理器相連；其中，所述可再生能源電池，用于在所述充電控制電路的控制下對(duì)所述供電電路進(jìn)行直接供電以及對(duì)所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路進(jìn)行充電；所述充電控制電路，用于根據(jù)所述微處理器傳來(lái)的指令采集并反饋給微處理器所述可再生能源電池的電壓值以及所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的電壓值，同時(shí)根據(jù)所述微處理器傳來(lái)的供電指令控制所述可再生能源電池對(duì)所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路和供電電路進(jìn)行供電，以及根據(jù)所述微處理器傳來(lái)的供電指令來(lái)控制所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路對(duì)所述供電電路進(jìn)行供電；所述微處理器，用于對(duì)由所述充電控制電路反饋來(lái)的可再生能源電池電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路電壓值進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果生成供電指令并輸送至所述充電控制電路以及所述供電電路；所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路，用于在所述充電控制電路的控制下進(jìn)行充電或?qū)λ龉╇婋娐愤M(jìn)行供電；所述供電電路，用于根據(jù)所述供電指令接收所述可再生能源電池或所述超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的供電來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載進(jìn)行能源支持。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置，其特征在于，所述 可再生能源電池為太陽(yáng)能電池、振動(dòng)能電池、風(fēng)能電池、溫差能電池或其余從自然環(huán)境中獲 取的可再生資源。
3.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置，其特征在于，所述 超級(jí)電容儲(chǔ)能電路包括儲(chǔ)能電路以及升壓穩(wěn)壓電路；所述儲(chǔ)能電路由一個(gè)或若干個(gè)超級(jí)電容單體來(lái)串聯(lián)/并聯(lián)組成。
4.一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟步驟1 采集可再生能源電池的電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的電壓值；步驟2 對(duì)所述可再生能源電池的電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的電壓值進(jìn)行處理， 根據(jù)處理結(jié)果生成供電指令來(lái)控制可再生能源電池對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路以及供電電路同 時(shí)進(jìn)行供電；或者，根據(jù)所述供電指令控制超級(jí)電容儲(chǔ)能電路對(duì)供電電路進(jìn)行供電；步驟3 根據(jù)所述供電指令控制供電電路接受可再生能源電池或超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的 供電來(lái)對(duì)負(fù)載進(jìn)行能源支持。
5.如權(quán)利要求4所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電方法，其特征在于，所述 可再生能源電池電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電路電壓值由充電控制電路采集并反饋給微處 理器；所述供電指令根據(jù)所述微處理器對(duì)所述可再生能源電池電壓值以及超級(jí)電容儲(chǔ)能電 路電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及電壓比較判斷處理的結(jié)果來(lái)生成。
6.如權(quán)利要求4-5任一項(xiàng)所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電方法，其特征在于，所述步驟2中，當(dāng)可再生能源電池電壓值大于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電指令 指示可再生能源電池對(duì)供電電路直接供電，同時(shí)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路進(jìn)行充電。
7.如權(quán)利要求4-5任一項(xiàng)所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電方法，其特征在 于，所述步驟2中，當(dāng)可再生能源電池電壓值大于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值時(shí)，且超級(jí)電容儲(chǔ)能電路電 壓值達(dá)到預(yù)先設(shè)置的充電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電指令指示充電控制電路關(guān)閉對(duì) 超級(jí)電容儲(chǔ)能電路的充電操作，同時(shí)可再生能源電池僅進(jìn)行對(duì)供電電路直接供電的操作。
8.如權(quán)利要求4-5任一項(xiàng)所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電方法，其特征在 于，所述步驟2中，當(dāng)可再生能源電池電壓值低于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值，而超級(jí)電容儲(chǔ)能電路電壓 值高于預(yù)先設(shè)置的第一或第二放電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電指令指示超級(jí)電容儲(chǔ) 能電路對(duì)供電電路進(jìn)行供電。
9.如權(quán)利要求4-5任一項(xiàng)所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電方法，其特征在 于，所述步驟2中，當(dāng)可再生能源電池電壓值低于預(yù)先設(shè)置的供電電壓門限值，且超級(jí)電容儲(chǔ)能電路電壓 值低于預(yù)先設(shè)置的最低放電電壓門限值時(shí)，微處理器發(fā)送供電指令指示充電控制電路停止 超級(jí)電容儲(chǔ)能電路對(duì)供電電路的供電操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)智能供電裝置及方法，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)低能耗供電技術(shù)領(lǐng)域。針對(duì)野外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布廣、布設(shè)環(huán)境復(fù)雜，能量補(bǔ)給和管理不便的難題，本發(fā)明技術(shù)方案中的MCU微處理器通過采集外部電壓，經(jīng)過內(nèi)部比較判斷，選擇太陽(yáng)能電池直供電或超級(jí)電容釋放能量的供電方式，智能控制充電和供電電路，并根據(jù)能量狀態(tài)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入不同的工作模式，提高能量利用效率，可解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身的供能問題，延長(zhǎng)了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號(hào)H02J15/00GK101951033SQ20101026133
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者丁啟勝, 位耀光, 傅澤田, 臺(tái)海江, 李道亮, 溫南楠, 馬道坤 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)