一种无线传感器剩余电量监测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器剩余电量监测系统及方法，该系统至少包括：从机，用于对无线传感器的锂电池进行电压采集并转换为数字量，将数字量的电压信息通过无线网络传送给主机；主机，利用无线网络接收该从机采集的电压信息，根据接收的数字量的电压信息通过开路电压法计算出该锂电池的剩余电量并予以显示，通过本发明，可解决无线传感器网络因电池电量低引起网络突然失效的问题，并根据对剩余电量的预报及时更换电池，提高无线传感器网络的可靠性，延长无线传感器网络寿命。
【专利说明】一种无线传感器剩余电量监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及剩余电量监测系统及方法，特别是涉及一种无线传感器剩余电量监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]伴随着传感器技术、嵌入式以及通信和半导体技术的迅速发展和日益成熟，无线传感器网络已经步入后PC时代。更小、更方便的低功耗计算设备打破了传统的台式计算机和高性能服务器的设计模式。目前无线传感器网络已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支，已经引起学术界和工业界的高度重视，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术
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[0003]目前传感器节点一般均采用电池供电，这使得传感器网络布置更加灵活，不必依赖于现有的电力基础设施。然而电池有限的能量与无线传感器长时间工作等指标的要求仍存在较大差距。即使是对于一个由20-30个节点组成的小规模无线传感器网络而言，由于电池电量过低导致整个网络失效也是令人无法容忍的事情,会增加网络的维护费用。因此无线传感器剩余电量监测技术对于无线传感器网络而言非常重要。没有对传感器的电量进行有效的监测，很容易在操作过程中因为某个或某组传感器的电量不足导致整个网络的运转失灵。
【发明内容】
[0004]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种无线传感器剩余电量监测系统及方法，可解决无线传感器网络因电池电量低引起网络突然失效的问题，并根据对剩余电量的预报及时更换电池，提高无线传感器网络的可靠性，延长无线传感器网络寿命。
[0005]为达上述及其它目的，本发明提出一种无线传感器剩余电量监测系统，至少包括:
[0006]从机，用于对无线传感器的锂电池进行电压采集并转换为数字量，将数字量的电压信息通过无线网络传送给主机；
[0007]主机，利用无线网络接收该从机采集的电压信息，根据接收的数字量的电压信息通过开路电压法计算出该锂电池的剩余电量并予以显示。
[0008]进一步地，该从机包括电压采集及转换模块和从机无线模块，该电压采集及转换模块连接该无线传感器的锂电池，对该锂电池的电压进行采集，并进行AD转换；该从机无线模块连接该电压采集及转换模块，用于将数字量的电压信息通过无线网络传送给该主机及接收该主机的控制信号。
[0009]进一步地，电压采集及转换模块采用纳瓦级的超低功耗PIC单片机，具有睡眠与低功耗模式，该单片机自带AD转换器及SPI接口，该从机无线模块为ZigBee无线模块，该PIC单片机利用自带的AD转换器进行电压采集及转换，通过SPI接口与该Zigbee无线模块进行通信，把电压信息通过Zigbee无线网络传给该主机。
[0010]进一步地，该从机定期采集电压信息或由主机决定采集时刻，除采集时刻，该从机其他时间则工作在休眠状态下，由该主机唤醒。
[0011]进一步地，该主机包括主机无线模块、剩余电量计算模块以及显示模块，该主机无线模块通过无线网络接收从机无线模块发送的电压信息或发送该主机的控制信号，该剩余电量计算模块通过试验建立开路电压与电池的剩余电量的关系表，根据接收的电压信息通过查询所建立的开路电压与电池的剩余电量的关系表获取电池的剩余电量，根据电池的剩余电量相应计算电池的剩余工作时间，并把结果传送给显示模块予以显示。
[0012]进一步地，该主机无线模块为Zigbee无线收发模块，支持ZigBee软件堆栈，该剩余电量计算模块为中央处理单元。
[0013]进一步地，该主机还包括报警模块，当该剩余电量计算模块计算获得电池的剩余电量低于一预设值时，触发该报警模块进行报警，同时该剩余电量计算那模块将通过显示模块给出更换电池的相关提示信息。
[0014]为达到上述目的，本发明还提供一种无线传感器剩余电量监测方法，包括如下步骤:
[0015]步骤一，从机进行电压采集，获取无线传感器的锂电池内的电压信息并将其转换为数字量；
[0016]步骤二，该从机通过无线网络将数字量的电压信息发送给主机；
[0017]步骤三，该主机接收数字量的电压信息，利用开路电压法计算获得电池的剩余电量，并予以显示。
[0018]进一步地，于步骤三之后，还包括如下步骤:
[0019]判断电池的剩余电量是否小于一预设值；
[0020]若小于预设值，则进行报警，并提示更换电池。
[0021]进一步地，在步骤三之前，该主机通过试验建立开路电压与电池的剩余电量的关系表；在步骤三中，该主机根据电压信息查询开路电压与电池的剩余电量的关系表获得电池的剩余电量。
[0022]与现有技术相比，本发明一种无线传感器剩余电量监测系统及方法采用超低功耗主从机和Zigbee无线网络监测无线传感器电池的剩余电量，预报传感器的剩余工作时间，解决了无线传感器网络因电量低突然失效带来的损失，提高了无线网络的可靠性，延长了无线传感器网络寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为锂电池的开路电压与SOC的实验曲线图；
[0024]图2为本发明一种无线传感器剩余电量监测系统的系统架构图；
[0025]图3为本发明一种无线传感器剩余电量监测系统之较佳实施例的架构图；
[0026]图4为本发明一种无线传感器剩余电量监测方法的步骤流程图；
[0027]图5为本发明较佳实施例中下位机(从机)的主程序流程图；
[0028]图6为本发明较佳实施例中上位机(主机)的主程序流程图。【具体实施方式】
[0029]以下通过特定的具体实例并结合【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0030]在说明本发明之前，先介绍下本发明的研究基础:
[0031]通过研究发现，锂电池的开路电压与电池SOC (State of Charge，荷电状态)的对应关系是比较明确的，基于这种对应关系，根据图1的实验曲线图可以看出，当SOC在O?20%的阶段时，开路电压呈非线性曲线趋势关系；当SOC在20%?80%的阶段时，开路电压呈近似线性关系；当SOC在80%?100%的阶段时，开路电压又呈非线性曲线趋势关系。
[0032]无线传感器中的锂电池，一般使用时间为20个月，为了缩短实验时间，通过充放电来进行试验。当SOC计算低于20%时，上位机收到信号，发出警报，提示更换电池。
[0033]无线传感器中锂电池的电压范围为3.3V-4.2V，通过研究发现，当电池放电到
3.35V就不能继续放电了，并且SOC在20%-80%时，电池电压趋于平稳缓慢的放电，所以当电池电量低于20%则应该停止使用，以免突然断电影响无线传感器的正常使用，并且可以延长锂电池的使用寿命。
[0034]表I为锂电池的开路电压与电池的SOC的关系。本发明将通过开路电压法估计电池的剩余电量(S0C)，预报传感器剩余工作时间，通过查询表I得到电压对应的剩余电量。
[0035]图2为本发明一种无线传感器剩余电量监测系统的系统架构图，图3为本发明一种无线传感器剩余电量监测系统之较佳实施例的架构图。如图2及图3所示，本发明一种无线传感器剩余电量监测系统，用于监测无线传感器的锂电池的剩余电量，包括:从机10及主机20。
[0036]其中，从机10用于对无线传感器的锂电池进行电压采集，并将采集的电压信息通过无线网络传送给主机20。从机10可以定期采集电压信息，也可以由主机决定采集时刻(主机决定采集时通过无线网络传递相应命令)，从机其他时间则工作在休眠状态下，由主机唤醒(于主机决定采集时刻，通过无线网络唤醒)。具体的，从机10包括电压采集及转换模块101及从机无线模块102，其中，电压采集及转换模块101连接无线传感器的锂电池，对锂电池的电压进行采集，并进行AD转换，从机无线模块102连接电压采集及转换模块101，用于将采集的电压信息(数字量)通过无线网络传送给主机20及接收主机20的控制信号。在本发明较佳实施例中，电压采集及转换模块101采用纳瓦级的超低功耗PIC单片机，具有睡眠与低功耗模式，该单片机自带10位AD转换器及SPI接口，从机无线模块102为Zigbee无线收发模块，支持ZigBee软件堆栈，该PIC单片机利用自带的10位AD进行电压采集，通过SPI接口与Zigbee无线模块进行通信,把电压信息通过Zigbee无线网络传给主机20。
[0037]主机20利用无线网络接收从机10采集的电压信息，根据接收的电压信息通过开路电压法计算出无线传感器的锂电池的剩余电量(State of Charge，荷电状态)并予以显示，主机20包括主机无线模块201、剩余电量计算模块202以及显示模块203，主机无线模块201通过无线网络接收从机无线模块102发送的电压信息，剩余电量计算模块202通过试验建立开路电压与电池的剩余电量(S0C)的关系表，根据接收的电压信息通过查询所建立的开路电压与电池的剩余电量的关系表获取电池的剩余电量，同时还可相应计算电池的剩余工作时间，并把结果传送给显示模块203，显示模块203用于显示剩余电量计算模块202的计算结果，即显示无线传感器电池的剩余电量及剩余工作时间，显示模块可为LCD(液晶显示屏)。在本发明较佳实施例中，主机无线模块201相应地也为Zigbee无线模块，支持ZigBee软件堆栈，剩余电量计算模块202为中央处理单元(CPU)。
[0038]承前所述，通过研究发现，当电池放电到3.35V就不能继续放电了，并且SOC在20%-80%时，电池电压趋于平稳缓慢的放电，所以当电池电量低于20%则应该停止使用，以免突然断电影响无线传感器的正常使用。因此，较佳的，主机20还包括报警模块204，当剩余电量计算模块202计算获得的电池的剩余电量低于一预设值时(电池容量的20%)，剩余电量计算模块202将触发报警模块202进行报警，同时剩余电量计算模块102将通过显示模块203给出无线传感器的地址，提醒更换电池，在本发明较佳实施例中，报警模块202可以采用声音报警，也可以采用其他方式如灯光报警等，本发明不以此为限。
[0039]图4为本发明一种无线传感器剩余电量监测方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种无线传感器剩余电量监测方法，包括如下步骤:
[0040]步骤401，从机进行电压采集，获取无线传感器的锂电池内的电压信息并将其转换为数字量；
[0041]步骤402，从机通过无线网络将数字量的电压信息发送给主机；
[0042]步骤403，主机接收数字量的电压信息，利用开路电压法计算获得电池的剩余电量(S0C)，并予以显示。
[0043]较佳的，在步骤403之后，还包括如下步骤:
[0044]判断电池的剩余电量(SOC)是否小于一预设值(如电池容量的20%);
[0045]若小于预设值，则进行报警，并提示更换电池。
[0046]在本发明较佳实施例中，在步骤303之前，主机通过试验建立开路电压与电池的剩余电量的关系表；在步骤303中，主机根据电压信息查询开路电压与电池的剩余电量的关系表犾得电池的剩余电量(S0C)。
[0047]图5为本发明较佳实施例中下位机(从机)的主程序流程图，图6为本发明较佳实施例中上位机(主机)的主程序流程图。以下将通过一具体实施例来进一步说明本发明之剩余电量的监测过程:无线传感器剩余电量监测系统在上电之后，系统首先进行初始化，包括PIC单片机本身的初始化和无线通信的初始化。下位机(从机)负责对电压进行采集，获取锂电池内的电压信息，通过Pic单片机的模数转换将电压变成数字量并通过SPI 口与ZigBee无线模块进行无线通信并发送至上位机(主机)。
[0048]上位机(主机)同样进行初始化命令，在确认接收到下位机(从机)发来的数据后，进行OCV-SOC (开路电压一荷电状态)的计算，当SOC小于20%则立即报警，提示更换电池并结束流程；当SOC大于20%，则整个监测流程结束。
[0049]综上所述，本发明一种无线传感器剩余电量监测系统及方法采用超低功耗主从机和Zigbee无线网络监测无线传感器电池的剩余电量，预报传感器的剩余工作时间，解决了无线传感器网络因电量低突然失效带来的损失，提高了无线网络的可靠性，延长了无线传感器网络寿命。
[0050]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
【权利要求】
1.一种无线传感器剩余电量监测系统，至少包括: 从机，用于对无线传感器的锂电池进行电压采集并转换为数字量，将数字量的电压信息通过无线网络传送给主机； 主机，利用无线网络接收该从机采集的电压信息，根据接收的数字量的电压信息通过开路电压法计算出该锂电池的剩余电量并予以显示。
2.如权利要求1所述一种无线传感器剩余电量监测系统，其特征在于:该从机包括电压采集及转换模块和从机无线模块，该电压采集及转换模块连接该无线传感器的锂电池，对该锂电池的电压进行采集，并进行AD转换；该从机无线模块连接该电压采集及转换模块，用于将数字量的电压信息通过无线网络传送给该主机及接收该主机的控制信号。
3.如权利要求2所述一种无线传感器剩余电量监测系统，其特征在于:电压采集及转换模块采用纳瓦级的超低功耗PIC单片机，具有睡眠与低功耗模式，该单片机自带AD转换器及SPI接口，该从机无线模块为ZigBee无线模块，该PIC单片机利用自带的AD转换器进行电压采集及转换，通过SPI接口与该Zigbee无线模块进行通信,把电压信息通过Zigbee无线网络传给该主机。
4.如权利要求1所述一种无线传感器剩余电量监测系统，其特征在于:该从机定期采集电压信息或由主机决定采集时刻，除采集时刻，该从机其他时间则工作在休眠状态下，由该主机唤醒。
5.如权利要求1所述一种无线传感器剩余电量监测系统，其特征在于:该主机包括主机无线模块、剩余电量计算模块以及显示模块，该主机无线模块通过无线网络接收从机无线模块发送的电压信息或发送该主机的控制信号，该剩余电量计算模块通过试验建立开路电压与电池的剩余电量的 关系表，根据接收的电压信息通过查询所建立的开路电压与电池的剩余电量的关系表获取电池的剩余电量，根据电池的剩余电量相应计算电池的剩余工作时间，并把结果传送给显示模块予以显示。
6.如权利要求5所述一种无线传感器剩余电量监测系统，其特征在于:该主机无线模块为Zigbee无线收发模块，支持ZigBee软件堆栈，该剩余电量计算模块为中央处理单元。
7.如权利要求6所述一种无线传感器剩余电量监测系统，其特征在于:该主机还包括报警模块，当该剩余电量计算模块计算获得电池的剩余电量低于一预设值时，触发该报警模块进行报警，同时该剩余电量计算那模块将通过显示模块给出更换电池的相关提示信肩、O
8.一种无线传感器剩余电量监测方法，包括如下步骤: 步骤一，从机进行电压采集，获取无线传感器的锂电池内的电压信息并将其转换为数子里； 步骤二，该从机通过无线网络将数字量的电压信息发送给主机； 步骤三，该主机接收数字量的电压信息，利用开路电压法计算获得电池的剩余电量，并予以显示。
9.如权利要求8所述的一种无线传感器剩余电量监测方法，其特征在于，于步骤三之后，还包括如下步骤: 判断电池的剩余电量是否小于一预设值； 若小于预设值，则进行报警，并提示更换电池。
10.如权利要求8所述的一种无线传感器剩余电量监测方法，其特征在于:在步骤三之前，该主机通过试验建立开路电压与电池的剩余电量的关系表；在步骤三中，该主机根据电压信息查询开路电压与电 池的剩余电量的关系表获得电池的剩余电量。
【文档编号】G01R31/36GK103558559SQ201310560349
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】郑翔, 朱华光, 沙令恺, 张强 申请人:上海电机学院