一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线能量收集领域的电源管理技术，更具体地，设及了一种适用于无 线供电传感器节点的新型电源管理系统及方法。
【背景技术】
[0002] 伴随着无线传感网的技术发展，对其节点的供电研究逐渐成为热点。节点的供电 方式可通过收集环境中散布的能量，如风能、热能、动能、太阳能等。在各种能量收集的技术 中，存在一种通过对手机通信基站、电视广播塔所发出的电磁信号进行收集的无线能量收 集技术。在野外或者是室内，通过接收天线接收固定频段的电磁信号，然后通过RF-DC整流、 升压处理之后，可为后级电路提供适宜的工作电压。正是运种无需通过有线电缆的供电方 式，使得无线能量收集技术在低功耗无线传感节点供电、植入式医疗设备充电等方面表现 出广阔的应用前景。
[0003] 基于电磁信号的无线能量收集技术，通过接收天线接收到电磁信号只能达到毫瓦 级别，不足W为传感器节点提供足够的工作电压，所W通常运种技术需要经过RF-DC电荷累 升压、整流、低通滤波等步骤。具体步骤为：（1)设计接收固定频率的天线进行接收信号，捕 获到微弱交流信号。（2)将接收到的交流信号进行RF-DC电荷累升压整流，获得较高的信号 电压幅值。（3)升压整流后的信号能量集中在基频和谐波分量，需要经过低通滤波器滤波， 获得达到传感器节点的直流工作电压。
[0004] 在现有的技术中，由于传感器节点的移动性，传感器节点距离信号基站或者是电 视广播塔的距离变化W及电磁信号在传播过程中存在的衍射、反射和多径传播的影响，使 得传感器节点接收到的能量存在一定的电压范围波动，无法为传感器节点提供持续、稳定 的工作电压。
[0005] 因此，在传感器节点的电源供电管理中，如何为其提供持续、稳定的工作电压成为 本领域需要解决的问题。
【发明内容】
[0006] 鉴于本领域现有技术上存在的上述不足，本发明提供了一种适用无线供电传感器 节点的新型电源管理系统，目的在于为野外无法充电或者是有线充电不适宜的场合下的传 感器节点提供无线供电的电源管理解决方案。即整个电源管理系统在休眠模式下仅消耗很 少的能量，输入能量在电源模块中储存；当储存到足够的能量时，MCU控制传感器节点工作； 当工作到能量无法维持时，MCU控制系统进入休眠状态，继续储存能量，从而使传感器节点 在无电池的情况下长期工作。
[0007] 本发明所提供的技术方案详述如下：
[000引一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统，包括电源模块、中断产生模块、 MCU控制器模块、无线收发模块W及外部传感器模块；
[0009]上述电源模块用于对经过天线接收、电荷累整流升压、滤波器滤波处理后的微弱 信号能量进行储存，并分别向中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块W及外部传感 器模块提供工作电压；
[0010] 中断产生模块：电源模块提供的电压在2V---3.5V范围转变时，产生标准数字信号 0/1，达到改变MCU控制器模块的工作状态，使得MCU控制器模块分别工作于LPM3低功耗睡眠 模式W及Active工作模式；
[0011] MCU控制器模块:根据中断产生模块所产生的中断信号来改变工作状态，接收外部 传感器模块所采集的环境数据，并通过无线收发传感器模块将环境数据发送传输出去，通 过无线收发模块接收数据，并执行相关操作。
[0012] 上述技术方案中，电源模块前端接有经过接收天线收集特定频率能量、经过整流 电路整流、电荷累升压的毫瓦级别微弱能量，但运些能量过于微小，无法为电源管理系统的 后级电路提供能够运行的稳定电源，故加入电源模块作为储能元件，用于存储经过电荷累 升压的微弱能量，经过一定时间充电储能后，达到能为后级电路供电的目的。
[0013] 上述中断产生模块根据电源模块在一定时间内所储存的能量多少，将储存的电压 值与基准源电压值进行比较，如果电源模块储存电压值大于基准源电压值时，则中断产生 模块产生高电平1;若电源模块储存电压值小于基准源电压值时，则中断产生模块产生低电 平0。
[0014] 上述中断产生模块产生的高、低电平用W改变MCU控制器模块的工作状态，让其 只有在中断产生高电平时候才处于正常工作状态，其余时间处于低功耗睡眠模式，达到最 大程度节省能量的作用。
[0015] 优选的，所述电源模块包括电容Cl,且该电容Cl为超级电容，超级电容，具有高容 量、高能量密度特性，即电源模块采用超级电容进行能量的储存，储存电荷累能量。
[0016] 为了防止上述电容两端充电过量，导致烧毁后级电路，则所述电源模块还包括与 电容Cl并联连接的二极管Dl，该二极管Dl为齐纳二极管。
[0017] 优选的，所述中断产生模块包括电阻R1-R4、电压比较器和基准源，电源模块输出 电压接电阻Rl的一端，电阻Rl的另一端通过电阻R2接地，电阻Rl的另一端通过电阻R3接电 压比较器的正输入端，电压比较器的正输入端通过电阻R4接电压比较器的输出端，电源模 块输出电压通过基准源接电压比较器的负输入端。
[0018] 优选的，所述外部传感器模块包括溫度传感器、湿度传感器W及太阳光紫外线强 度检测传感器。
[0019] 与现有技术相比，本发明的优点为:本发明的一种适用无线供电传感器节点的电 源管理系统，可W适用输入功率低至0.1-ImW的无线能量收集/传输的传感器节点，给无线 无电池的传感器网络带来指导性的实践意义。
[0020] 本发明的无线供电传感器节点的电源管理系统采用分立元件可实现的电源模块， 利用中断产生模块产生标准数字信号0/1改变MCU控制器模块的工作状态，使其工作于LPM3 低功耗模式和Active工作模式。在LPM3超低功耗模式状态下，MCU控制器模块处于睡眠模 式，此时中断产生模块监测电源模块中电容Cl所储存的天线接收到的微弱能量，如果充电 箱两端的电压达到3.3V时，中断产生模块会立即产生高电平中断信号，并将此高电平中断 信号发送给MCU控制器模块。MCU控制器模块接收到高电平之后，立即使得MCU控制器模块工 作于Acti ve模式，即正常工作状态:此时接收外部传感器所采集的数据，并将数据通过无线 发送模块发送出去，否则，MCU控制器模块工作于LPM3低功耗模式，即休眠状态。
【附图说明】
[0021] 图1为无线供电传感器节点的电源管理系统的结构框图。
[0022] 图2为电源供电模块电路图。
[0023] 图3为中断产生模块电路图。
[0024] 图4为中断比较器电路图。
[0025] 图5为MCU控制器模块电路图。
[0026] 图6为MCU随外部电压变化工作状态图。
[0027] 图7为所述的外部传感器模块及无线收发模块框图。
[0028] 图8为无线供电传感器节点的电源管理系统的工作流程图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
[0030] 如图1，一种适用无线供电传感器节点的电源管理系统，包括电源模块、中断产生 模块、MCU控制器模块、无线收发模块W及外部传感器模块;电源模块分别向中断产生模块、 MCU控制器模块、无线收发模块W及外部传感器模块提供电压，中断产生模块、外部传感器 模块的输出端接MCU控制器模块，MCU控制器模块与无线收发模块连接；
[0031] 上述电源模块用于对经过天线接收、电荷累整流升压、滤波器滤波处理后的微弱 信号能量进行储存，并分别向中断产生模块、MCU控制器模块、无线收发模块W及外部传感 器模块提供工作电压；
[0032] 中断产生模块：电源模块提供的电压在2V---3.5V范围转变时，产生标准数字信号 0/1，达到改变MCU控制器模块的工作状态，使得MCU控制器模块分别工作于LPM3低功耗睡眠 模式W及Active工作模式；
[0033] MCU控制器模块:根据中断产生模块所产生的中断信号来改变工作状态，接收外部 传感器模块所采集的环境数据，并通过无线收发传感器模块将环境数据发送传输出去，通 过无线收发模块接收数据，并执行相关操作。
[0034] 如图2,电源模块由电容C1、二极管Dl两个分立元器件并联连接构成。电源模块前 端所接为经过接收天线收集特定频率能量、经过整流电路整流、电荷累升压的毫瓦级别微 弱能量，但运些能量过于微小，无法为后级电路提供能够运行的稳定电源，故加入超级电容 Cl作为储能元件，用于存储经过电荷累升压的微弱能量，经过一定时间充电储能后，达到能 为后级电路供电的目的。对于超级电容Cl储能过程，可用如下公式进行表述：
[0(X3日]Cl两端收集电荷量:Q = CU
[0036] Cl所储存的能量：
[0037] 随着充电时间的增加，电容两端电荷量逐渐增多，电容所储存的能量也逐渐增多。
[0038] 在本实施例中，超级电容Cl后所接二极管Dl为齐纳二极管MM3Z3V6T1，其作用为防 止Cl两端电压过高，从而烧坏后级电路。
[0039] 如图3,所述的中断产生模块作用为根据电容Cl在一定时间内所储存的能量多少， 将储存的电压值与基准源电压值进行比较，如果电容Cl储存电压值大于基准源电压值时， 比较器产生高电平1;若电容Cl储存电压值小于基准源电压值时，比较器产生低电平0。
[0040] 中断产生模块产生的高、低电平用W改变MCU控制器模块(微处理器MSP430F247) 的工作状态，让其只有在中断产生高电平时候才处于正常工作状态，其余时间处于低功耗 睡眠模式，达到最大程度节省能量的作用。
[0041] 如图3,中断产生模块的管脚连接方式如下：中断产生模块包括电阻R1-R4、电压比 较器化V3491和基准源REFF3312,电源模块输出电压接电阻Rl的一端，电阻Rl的另一端通过 电阻R2接地，电阻Rl的另一端通过电阻R3接电压比较器的正