无线可充电节点的制作方法

本实用新型涉及一种无线可充电节点，属于无线传感器网络领域。

背景技术：

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种由传感器节点构成的网络，能够实时监测、感知和采集节点部署区观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线方式发送。WSN在生态系统监测、城市设施监测、桥梁监测、智能交通、室内定位、室温监控、灾难救助、智能园艺、精确农业等领域有着广泛应用。制约WSN应用的因素之一是网络中的节点能量，因为网络节点通常采用电池供电。因而WSN中节点通常因能量耗尽而失效。

针对WSN中节点能量受限问题，提出节流和开源两种方案。节流即通过对WSN中的拓扑结构、路由协议、数据融合等方法减少数据传输频次，降低能量消耗，但该种方案不能彻底解决节点能量问题。开源即节点通过能量获取设备，能够持续获得能量，理论上彻底解决这一问题。开源方法有更换电池、获取环境能量或无线传能几种方法；更换电池方法如发明专利“一种基于双电源模块的无线传感器网络节点”(CN101951631A)采用双电源供电模式，当一个电源电量耗尽时，工作人员到现场更换，对于人无法达到的环境来说，无法实现，具有一定局限性。获取环境能量，即风能、太阳能等，如发明专利“传感器网络节点能量自供给方法和装置”(CN102306949A)，采用双电源供电模式，当一个电源电量耗尽时，通过太阳能进行充电，但这种方法易受环境影响，能量获取不稳定。无线传能方法避免前面两种方法的局限性，能全天候实现能量供给；无线传能方法又可分为电磁感应方式、电磁辐射方式、磁耦合谐振方式等，其中磁耦合谐振方式因传输功率大、效率高、距离远等优点逐步被重视，如发明专利“一种无线传感器网络的无线充电系统”(CN105006894A)采用磁耦合技术对单个节点供电，发明专利“无线传感器网络节点充电系统”(CN203326733U)采用磁耦合技术同时对多个节点供电。

基于磁耦合谐振的无线可充电节点，目前广泛采用直接供电或单一充电电池方案，这带来了电池充电过程工作不稳定性。为了避免电池在充电过程中继续放电(给节点供电)的不稳定性问题，本实用新型采用双电源架构，设计一款无线可充电节点，基于磁耦合谐振充电技术，检测双电源，自动切换电源。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，解决无线传感器网络能量受限及能量供给稳定性问题，设计一种无线可充电节点。

本实用新型所采用的技术方案是：无线可充电节点由电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块构成，实现对节点自身能量获取及监控、环境数据采集和处理以及无线收发数据的功能；无线可充电节点采用双电源架构，实现供电电池不充电，充电电池不放电(即不给节点供电)，通过检测自动进行电源切换，避免了电池在充电过程中继续放电(供电)带来的不稳定性问题。

具体来说，所述的无线通信模块接收无线传感器网络中的基站或其它节点发来的数据，并发送节点所采集数据到基站或其它节点。

进一步地，所述的传感器模块采集周围环境的温度、湿度、烟雾和结露数据，并把这些数据提供给处理器模块。

进一步地，所述的处理器模块通过无线通信模块接收WSN中的基站或其它节点发来的数据，通过传感器模块采集周围环境数据以及通过电源模块获取电池数据，分析处理这些数据，控制节点执行相应的操作。处理器模块以微处理器为核心，处理数据，存储参数数据，控制节点的工作方式。

进一步地，所述的电源模块包括能量接收单元、整流单元、滤波单元、稳压单元、能量监控和保护单元、能量存储单元、放电控制单元、电压转换单元。能量接收单元是由线圈和电容组成的谐振体，接收电磁波能量，转换成交流电能信号。整流单元、滤波单元把交流电能信号整流成直流信号，经过稳压单元输出+5V电源，供电给能量监控和保护单元。放电控制单元由处理器模块控制，负责选择主用电池或备用电池作为供电源。电压转换单元包括+3.7转+5V电路和+3.7V转+3.3V电路，+3.7转+5V电路输出信号为传感器模块提供电源，+3.7转+3.3V电路输出信号为处理器模块和无线通信模块提供电源。

进一步地，所述的电源模块中的能量监控和保护单元检测的主用电池和备用电池的能量；判断主用电池是否满足供电条件，如果满足，对节点进行供电；否则，判断备用电池是否满足供电条件，如果满足，对节点进行供电；如果主用电池和备用电池都不满足供电条件，节点处于休眠状态，等待为其充电；如果主用电池为节点进行供电，判断备用电池电量是否满足充电条件，如果满足对其进行磁耦合充电，否则不充电；如果备用电池为节点进行供电，发出充电请求，准备为主用电池进行磁耦合充电。

附图说明

图1是本实用新型的系统框图

图2是本实用新型的无线通信模块原理图

图3是本实用新型的传感器模块原理图

图4是本实用新型的处理器模块原理图

图5是本实用新型的电源模块原理图

图6是本实用新型的结构设计图

图7是本实用新型处理器模块的工作流程图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

可充电节点：

如图1所示，磁耦合谐振可充电节点包括电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块。

1.无线通信模块：

如图2所示，无线通信模块U1的25、26引脚通过电容C11、C14、C9、C10及电感L2、L3、L4与天线相接，22、23引脚与晶振X1相接，32、33引脚与晶振X2相接，30引脚外接精密电阻R1后接地，40引脚外接电容C16后接地，10、21、24、27、28、29、31、39引脚通过电感L1接入电源模块的电源VDD_2，5、6、20、34、35、37、38引脚为调试接口，41引脚接地。U1的UART接口17、16引脚与处理器U5的2、3引脚相接进行数据传输。

2.传感器模块：

如图3所示，传感器模块包括温湿度传感器模块U3、烟雾传感器模块U2和结露传感器模块U4。温湿度传感器模块2引脚接上拉电阻R3与微处理器U5的20引脚相接进行数据传输，1引脚接电源模块的电源VDD_2，4引脚接地。烟雾传感器模块1、3、5引脚接电源模块中的电源VDD_3，4、6引脚通过电阻R4及电容C22接地，6引脚与微处理器U5的19引脚相接，2引脚接地。结露传感器模块U4的1引脚通过电阻R2接入电源VDD_2，1引脚与微处理器U5的14引脚相接，2引脚接地。

3.处理器模块：

如图4所示，微处理器U5的第9引脚连接到VDD_2电源上并通过电容C23接地，5、6引脚接时钟晶振Y1，7引脚接地，8引脚通过电容C27接地，2、3引脚为UART接口分别和无线通信模块的U1的UART接口17、16引脚进行数据传输，20引脚与温湿度传感器U3的2引脚相接进行数据传输，19引脚与烟雾传感器U2的6引脚相接进行数据传输，14引脚与结露传感器U4的1脚相接进行数据传输，13、15引脚分别与电源模块的U12、U17的8引脚相接进行数据传输，1、10引脚分别与电源模块Q1、Q2连接的R14、R27相接对U11、U16进行控制，11、12引脚分别与电源模块的U10、U15的4引脚相接进行控制，4、18引脚为SWIM接口。

4.电源模块：

如图5所示，电源模块由线圈L7和电容C28、C29组成的谐振体，接收电磁波能量，经过桥式整流电路D1、D2、D4和D5整流，在滤波电容C33、C35、C36作用下输出稳定的直流信号，经过集成稳压电路U8，在滤波电容C38和去耦电容C37作用下稳压成VDD_1电源。U8的输出作为U11的输入电源，U11的BAT引脚可以给充电电池充电。U11是一款单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其工作电压VCC：-0.3V～+8V；待机模式下的供电电流：55uA；BAT引脚电流：高达1000mA的可编程充电电流。当电池剩余电量不足时，U11开始对电池进行充电，如果电池电压低于+3V时，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压超过+3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由电阻R18、R14确定。当电池电压接近+4.2V时，充电电流逐渐减小，U11进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束。电池保护单元由U14和U13组成，具有过充、过放、过流及短路保护功能。放电控制单元是由微处理器驱动的U12。充电电池的剩余电量、电压以及电流由智能电池监视器U12实时监测，处理器可以通过1-Wire总线获取电池状态信息。电池经过集成稳压电路U7，在滤波电容C34作用下稳压成VDD_3电源，给传感器模块中的烟雾传感器U2供电。电池经过集成稳压电路U6，在滤波电容C30、C31作用下稳压成VDD_2电源，给处理器模块、无线通信模块和传感器模块供电。

电源由主用电池和备用电池组成双电源。一般情况下，主用电池负责向节点供电，当节点主用电池进行无线充电或故障时，备用电池开始工作。

5.节点结构设计

考虑更新和维修方便，本实用新型采用三层结构模块化设计方案，如图6所示。上层是无线通信模块，中层是传感器模块和处理器模块，下层是电源模块。

本实用新型的主流程图如图7所示。无线可充电节点上电后，运行初始化程序。然后读取存储区指令，判断是否组网，组网成功后，会接收汇聚节点指令，同时采集能量和传感信息，进行数据处理。检测能量存储模块中的主用电池和备用电池的能量；判断主用电池是否满足供电条件，如果满足，对节点进行供电，备用电池处于断开状态；否则，判断备用电池是否满足供电条件，如果满足，对节点进行供电，主用电池处于断开状态；如果主用电池和备用电池都不满足供电条件，节点处于休眠状态，等待为其充电；如果主用电池为节点进行供电，备用电池处于断开状态，判断备用电池电量是否满足充电条件，如果满足对其进行磁耦合充电，否则不充电；如果备用电池为节点进行供电，发出充电请求，准备为主用电池进行磁耦合充电。