本發(fā)明涉及一種無線可充電移動節(jié)點，屬于無線傳感器網(wǎng)絡領域。

背景技術：

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡逐漸走出實驗室，廣泛地應用于環(huán)境、建筑設施、動植物及人體等的追蹤和監(jiān)控，具體應用包括海洋監(jiān)測、火山觀測、生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、城市設施監(jiān)測、建筑狀況監(jiān)測、智能電網(wǎng)監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、車輛跟蹤、智能交通、室內(nèi)定位、室溫監(jiān)控、災難救助、智能園藝、精確農(nóng)業(yè)及人體健康監(jiān)測等等。這些應用對無線傳感器網(wǎng)絡提出一個共同的要求，即網(wǎng)絡能夠持續(xù)地、有效地工作。特別是在偏遠地區(qū)或自然環(huán)境惡劣地區(qū)，網(wǎng)絡得到維護和更新時間更長，甚至自部署起就沒有人工參與。為了能夠完成監(jiān)測任務，網(wǎng)絡還需要保持連通性、覆蓋性等要求，這對無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點能量提出巨大的挑戰(zhàn)。通常，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點體積較小，攜帶的電池電量較少，因此，能量問題已成為無線傳感器網(wǎng)絡應用的一大瓶頸，也是無線傳感器網(wǎng)絡應用所面臨的約束和挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡中的某些節(jié)點因能量耗盡進而失效，進而導致整個無線傳感器網(wǎng)絡失效，但網(wǎng)絡其它節(jié)點仍有能量，造成網(wǎng)絡資源的嚴重浪費。

無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點通常由鋰電池供電。電池電量的有限，無法為傳感器節(jié)點工作提供永久電量。為了解決這個能量受限問題，主要有如下兩種方法：一是降低節(jié)點功耗；二是通過某種形式對能量進行補充。前者可以通過優(yōu)化路由協(xié)議和降低數(shù)據(jù)傳輸速率等方式，降低能量消耗，延長傳感器節(jié)點的工作時間，但是電池能量始終處于消耗狀態(tài)，會終將耗盡，沒有從根本上解決能量受限問題；后者為鋰電池進行補充能量方式，目前有如下幾種：(1)更換電池，如發(fā)明專利“一種基于雙電源模塊的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點”(CN101951631A)采用雙電源供電模式，當一個電源電量耗盡時，工作人員到現(xiàn)場更換，對于人無法達到的環(huán)境來說，無法實現(xiàn)，具有一定局限性；(2)傳感器節(jié)點對太陽能、風能等能量進行收集，轉(zhuǎn)化成電能，提供給節(jié)點正常工作，如發(fā)明專利“傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量自供給方法和裝置”(CN102306949A)，采用雙電源供電模式，當一個電源電量耗盡時，通過太陽能進行充電，但這種方法易受環(huán)境影響，能量獲取不穩(wěn)定。(3)通過電磁感應或電磁輻射方式對傳感器節(jié)點進行充電，如發(fā)明專利“無線充電傳感器節(jié)點”(CN102013737A)，這種方式的接收端體積小，有成熟的IC芯片易實現(xiàn)，但傳輸距離近，隨著距離的增大，傳輸效率急劇衰減，接收效率低；(4)通過電磁耦合諧振方式對傳感器節(jié)點進行能量補充，如發(fā)明專利“一種無線傳感器網(wǎng)絡的無線充電系統(tǒng)”(CN105006894A)采用磁耦合技術對單個節(jié)點充電，發(fā)明專利“無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點充電系統(tǒng)”(CN203326733U)采用磁耦合技術同時對多個節(jié)點充電。

上述基于磁耦合充電過程中，只是給出充電原理，對于多個節(jié)點需要進行充電時如何處理，以及提供充電能量的節(jié)點自身能量如果不能滿足多個節(jié)點充電需要情況如何處理，沒有考慮。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要針對無線可充電傳感器網(wǎng)絡中多個節(jié)點需要充電，而提供充電能量的節(jié)點自身能量不能滿足時，發(fā)明一種無線可充電移動節(jié)點。無線可充電移動節(jié)點通過磁耦合技術為網(wǎng)絡節(jié)點充電，通過檢測自身能量及移動到基站進行續(xù)能，在網(wǎng)絡中來回移動為多個節(jié)點進行充電。

無線可充電移動節(jié)點包括控制模塊、無線通信傳輸模塊、無線能量傳輸模塊、電機驅(qū)動模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和信息顯示模塊；電源模塊由電池和電量監(jiān)測模塊組成，為其它模塊提供能量；無線能量傳輸模塊通過磁耦合諧振技術，從基站獲得能量，為無線可充電移動節(jié)點中的電池充電；也可根據(jù)無線可充電傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點需要，通過磁耦合諧振為網(wǎng)絡節(jié)點充電；無線通信傳輸模塊可接收無線可充電傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)據(jù)信息和能量信息；電機驅(qū)動模塊控制無線可充電移動節(jié)點的運動；電壓轉(zhuǎn)換模塊為其它模塊提供正常的工作電壓；控制模塊依據(jù)從無線通信傳輸模塊獲得的網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)信息和能量信息，為其它模塊提供控制信息。

本發(fā)明所解決的技術問題可以采用以下技術方案實現(xiàn)：

具體來說，所述的無線通信傳輸模塊接收無線可充電傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點能量信息數(shù)據(jù)包，該部分與控制模塊內(nèi)部集成的UART接口相連，該部分在接收數(shù)據(jù)包之后，通過UART接口，將數(shù)據(jù)包發(fā)送至控制模塊。

進一步地，所述的無線通信傳輸模塊接收到的控制信息，通過SPI通信方式，發(fā)送至控制模塊，控制模塊接收到信息后，解析信息，并發(fā)出相應的控制信號，控制舵機和電機運轉(zhuǎn)。

進一步地，所述的電壓轉(zhuǎn)換模塊包括如下這幾部分：(1)將電池電壓轉(zhuǎn)為VOUT_1；(2)將電池電壓轉(zhuǎn)為VOUT_3；(3)將電池電壓轉(zhuǎn)為VOUT_4；(4)將VOUT_1轉(zhuǎn)為VOUT_2。VOUT_1主要為節(jié)點無線通信傳輸模塊提供電源。VOUT_2主要為信息顯示模塊提供電源。VOUT_3主要為電機驅(qū)動模塊、控制模塊提供電源。VOUT_4主要為無線能量傳輸模塊提供電源。

進一步地，所述的信息顯示模塊與控制模塊內(nèi)部集成的IIC接口相連，信息顯示模塊初始化后，控制模塊將要顯示的數(shù)據(jù)通過IIC寫入信息顯示模塊，該模塊OLED屏上顯示相應信息。

進一步地，所述的電機驅(qū)動模塊主要通過控制模塊輸出的兩路周期相同的PWM波進行控制，通過修改兩路PWM波的占空比，實現(xiàn)電機的正向和反向轉(zhuǎn)動。

進一步地，所述的無線能量傳輸模塊主要通過控制模塊輸出兩路一定頻率的互補PWM波進行控制，兩路互補PWM通過相應電路增強PWM波負載能力后，控制上下半橋開關斷，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，引起LC電路振蕩，實現(xiàn)無線能量傳輸。

進一步地，所述的控制模塊輸出的一路周期的PWM波控制舵機，通過改變PWM的占空比，實現(xiàn)舵機的向左或者向右轉(zhuǎn)動。

進一步地，所述的控制模塊初始化各個模塊，啟動網(wǎng)絡；等待傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡；判定是否收到充電請求，如果沒有收到請求，繼續(xù)等待，否則，從請求充電節(jié)點中，選擇最需要充電的節(jié)點；根據(jù)最需要充電節(jié)點的位置，無線可充電移動節(jié)點達到其位置附近；無線可充電移動節(jié)點與最需要充電節(jié)點進行通信，獲取該節(jié)點的數(shù)據(jù)信息；監(jiān)測無線可充電移動節(jié)點本身能量信息；通過信息顯示模塊顯示無線可充電移動節(jié)點能量信息及節(jié)點數(shù)據(jù)信息；開啟無線能量傳輸，無線可充電移動節(jié)點為最需要充電節(jié)點充電；判斷無線可充電移動節(jié)點是否達到其能量下限，如果達到，則返回基站進行自身能量補充，否則，周期地獲取充電節(jié)點的能量；判斷是否充電完成，如果完成，則關閉無線能量傳輸，否則，返回重新選擇最需要充電的節(jié)點。

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1是無線可充電移動節(jié)點的整體結(jié)構示意圖

圖2是無線可充電移動節(jié)點的控制模塊最小系統(tǒng)原理圖

圖3是無線可充電移動節(jié)點的電機驅(qū)動模塊原理圖

圖4是無線可充電移動節(jié)點的基于磁耦合諧振的無線能量傳輸模塊原理圖

圖5是無線可充電移動節(jié)點的電壓轉(zhuǎn)換模塊原理圖

圖6是無線可充電移動節(jié)點的電量監(jiān)測模塊原理圖

圖7是無線可充電移動節(jié)點的結(jié)構設計圖

圖8是無線可充電移動節(jié)點的工作流程圖

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種無線可充電移動節(jié)點做出詳細說明。

本發(fā)明的無線可充電移動節(jié)點基于磁耦合諧振技術，根據(jù)需要對配有基于磁耦合能量接收裝置的傳感器節(jié)點進行充電，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的電池循環(huán)利用，有效解決無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點能量耗盡問題，延長整個無線傳感器網(wǎng)絡的壽命。

如圖1所示，本發(fā)明無線可充電移動節(jié)點，包括控制模塊，所述的控制模塊分別連接用于向控制模塊提供當前電池能量、剩余能量等信息的電量監(jiān)測模塊、保持無線可充電移動節(jié)點正常工作的電池、用于向配有磁耦合接收裝置的傳感器節(jié)點進行無線充電，且能從基站對自身電池進行無線能量補充的無線能量傳輸模塊、用于接收節(jié)點的無線通信傳輸模塊、用于顯示接收到節(jié)點信息和自身能量信息的信息顯示模塊、用于輸出保證各個模塊正常工作的電壓的電壓轉(zhuǎn)換模塊。

控制模塊主要由控制模塊的最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

控制模塊的功能是：1)控制輸出一路PWM波，控制舵機轉(zhuǎn)向；2)控制輸出兩路PWM波，控制電機的轉(zhuǎn)速和正向反向轉(zhuǎn)動；3)通過無線通信傳輸模塊接收到基站的控制信息，解析控制信息，根據(jù)解析后的信息制定控制策略；4)通過無線通信傳輸模塊接收到傳感器節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)信息和能量信息，根據(jù)接收到能量信息，判定節(jié)點能量是否已經(jīng)完成補充；5)通過輸出互補PWM波，實現(xiàn)無線可充電移動節(jié)點的發(fā)射線圈和傳感器節(jié)點的接收線圈諧振，進行能量傳輸，對節(jié)點供能裝置進行能量補充；6)通過電量監(jiān)測模塊對無線可充電移動節(jié)點的電池進行監(jiān)測，當電池處于放電(為傳感器節(jié)點充電)時，電量監(jiān)測模塊監(jiān)測到能量低于閾值1，該節(jié)點停止充電，立即返回基站，進行能量補充。當電池處于充電狀態(tài)(從基站獲得能量)，電量監(jiān)測模塊監(jiān)測到電池能量高于閾值2，則停止充電，并進入待機狀態(tài)；7)將自身的能量信息和接收到節(jié)點傳感器的能量信息，進行整合，發(fā)送給信息顯示模塊顯示。

信息顯示模塊與控制的模塊通過IIC數(shù)據(jù)通信方式進行通信。

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與傳感器節(jié)點無線通信主要運用2.4G ZigBee技術，基于Ztack協(xié)議棧進行開發(fā)，無線通信模塊與網(wǎng)絡節(jié)點通信，獲取節(jié)點的傳感器信息和能量信息，通過串口通信方式，將獲取的信息，發(fā)送至控制模塊，進行數(shù)據(jù)處理。與基站無線通信主要使用的是2.4G收發(fā)模塊，獲取信息至控制模塊，對電機舵機做出相應的控制。

控制模塊接口輸出一路PWM波，通過改變PWM的占空比，實現(xiàn)舵機模塊向左、向右轉(zhuǎn)動。

電機驅(qū)動模塊如圖3所示，電池電壓通過U7和U6降壓至VDD_1和VDD_2，圖3中的U8將系統(tǒng)輸出的兩路PWM波與后端的控制電路進行隔離，防止后端的電流倒灌等問題出現(xiàn)。將U3輸出的兩路信號分別輸入U9和U10，增強信號的負載能力，通過Q1～Q4四個MOS管形成的H橋電路，對電機進行正反轉(zhuǎn)控制。

無線能量傳輸模塊如圖4所示該模塊分為磁耦合發(fā)送端與磁耦合接收端構成。磁耦合發(fā)送端：通過LX1、C35、C36構成的LC振蕩電路，確定無線能量傳輸?shù)闹C振頻率?？刂颇K輸出兩路諧振頻率的PWM波HIN和LIN，將這兩路PWM波同時輸入U12和U13，并通過圖4中電源VCC_3、D10、D15、C30、C31、C37、C38構成兩路自舉電路，提高HIN和LIN的負載能力，控制VT1～VT4構成H橋控制電路，實現(xiàn)無線能量的傳輸。磁耦合接收端：通過RLX1和RC6構成LC振蕩電路確定接收到能量頻率，當接收能量后通過RC3～RC4進行儲能濾波，進入由RD1～RD4構成的整流電路進行整流。通過RL1限制高頻部分電流，通過直流。RC1、RC2則進行儲能。圖4中將VCC_2和VCC_3通過0歐姆電阻與電池隔離，兩者電壓值為電池電壓值，將電池電壓通過U11轉(zhuǎn)換為VCC_3，該電壓為U12、U13芯片正常工作供電。

電壓轉(zhuǎn)換模塊如圖5所示，電池電壓VIN通過U1和C51、C51兩個極性電容，穩(wěn)定輸出VOUT_1，為無線通信傳輸模塊進行供電。電池電壓VOUT_1通過U2和C49、C50兩個極性電容，穩(wěn)定輸出VOUT_2，VOUT_2主要為電量監(jiān)測模塊進行供電。電池電壓VIN通過C55、C56進行濾波輸入到U17中，圖5中U17的FB管腳輸出電壓為一固定電壓值，調(diào)節(jié)圖5中滑動變阻器VR1的阻值，并通過圖5中L2和C53、C54組成的LC振蕩電路進行濾波，使U17輸出的電壓值為VOUT_3，VOUT_3主要為電機驅(qū)動模塊和控制模塊供電。電池電壓同理輸入圖5中U18中，輸出電壓值VOUT_4。

電量監(jiān)測模塊如圖6所示，電池的正極接入P₊端，電池的負極接入P_-端，R46為感知電阻，R55、R57和C68構成低頻濾波器，對電池放電流過R46產(chǎn)生的壓降進行濾波，平穩(wěn)的輸入到U21的V+和V-端。DQ為U21與控制模塊通信的數(shù)據(jù)總線?？刂颇K將命令通過DQ寫入U19中，U21將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過DQ總線，返回給控制模塊。

便于更新和維修，本發(fā)明的無線可充電移動節(jié)點采集多層結(jié)構化設計方案，如圖7所示。圖7中的左邊分為兩層，上面是電機驅(qū)動模塊、下面是無線能量傳輸模塊；圖7中間的分為四層：底層用來擺放電池，第二層是能量監(jiān)測模塊，第三層是電壓轉(zhuǎn)換模塊，第四層是控制模塊，頂層是信息顯示模塊；圖7中右邊分為兩層：頂層是無線通信傳輸模塊，底層是舵機。

無線可充電移動節(jié)點的工作流程圖如圖8所示，無線可充電移動節(jié)點上電之后，運行模塊初始化程序，然后檢測節(jié)點通信部分是否加入網(wǎng)絡，如果成功加入網(wǎng)絡，則檢測是否有節(jié)點需要補充能量，如果收到節(jié)點充電請求，無線可充電移動節(jié)點到達節(jié)點指定位置，與節(jié)點進行通信，獲取節(jié)點的溫濕度信息、剩余能量等信息并在信息顯示模塊顯示，然后輸出兩路互補PWM波，開啟無線能量傳輸。在能量傳輸過程中，周期檢查自身能量是否到達能量下限和節(jié)點是否能量補充完畢，如果節(jié)點能量補充完畢，返回基站。