专利名称：无线传感器网络节点光伏能源自治系统及其自治方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的系统及其方法，具体是一种无线传感器网络节点光伏能源自治系统及其自治方法。
背景技术：
无线传感器网络自20世纪90年代末期提出研究以来，由于其巨大的应用价值已 经引起了各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。与传统网络系统相比，无线传感器网 络大规模、随机布设、多跳通信方式、自组织和协同工作等特点使得它在军事、工业、家居、 环境等诸多领域都有着广阔的应用前景。无线传感器网络节点大多为随机播撒安放，且由 于环境恶劣或节点移动等原因，各节点一般采用一次性电池供电，一旦安放后电池更换困 难或无法更换。基于上述原因，节点的能源供应与管理一直是无线传感器网络技术中研究 的重点。随着研究的深入，尽管通过优化网络结构和降低节点功耗等措施在一定程度上可 以减少能量消耗，但无法从根本上解决节点的能量耗尽问题，而利用能量收集技术从周围 环境中源源不断地采集可用能量为这类问题的解决开辟了一个新的方向。能量收集技术包括从光照、振动、温差以及机械运动等资源中获取能量的各种技 术。其中，光能，尤其是太阳能，以其较高的能量密度和较成熟的开发技术得到了最为普遍 的应用。如今，太阳能供电系统已广泛应用于生产、生活中的各个领域，但这些大功率的供 电系统从成本、安装以及使用效率等角度来讲，都不适合应用于无线传感器网络。而现有的 针对小型太阳能供电系统的设计局限于利用太阳能直接为可充电电池充电的方式，这种方 式在一定程度上延长了使用时间，但由于电池的频繁充放电造成其性能衰退加快，在效率 和使用寿命上存在很多缺陷。因此，如何设计合理高效的能源供应系统，以保证节点的能量 供应并延长节点的使用寿命，就成为需要解决的重要问题。经对现有文献检索发现，中国专利申请号为=200610114706. 6，名称为一种光伏 能源与传感器节点集成的自供电微系统，该技术采用光伏电池和锂离子电池共同给传感器 节点电路供电，延长了节点的工作时间，但由于电路设计中简单地使用光伏电池通过充电 芯片为锂电池充电，未考虑能量的利用效率和电池的频繁充放电寿命，在能量管理和电路 设计上存在不足。又经检索发现，中国专利申请号为200610114708. 5和200710117796. 9，名称分
别为光伏-温差微能源与无线传感器网络节点集成自治微系统和一种传感器节点能量管 理系统，这两种技术中都采用了光伏电池和温差电池构成了双能量转换系统，更好地利用 了环境能源，但两种技术中所设计的电路都通过额外增加单片机和AD转换器进行能量管 理，复杂的设计必然造成整体功耗增加，效率降低，在能量管理和效率利用上存在不足。经检索还发现，中国专利申请号为=200710065331. 3，名称为一种无线网络传感 器节点的能量供装置和方法，该技术公开了一种无线传感器网络节点的能量供给装置和方 法，但其公开不充分，可实施性不能得到证实，且未将能量状态监测纳入无线传感器网络系 统中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种无线传感器网络节点光 伏能源自治系统及其自治方法。本发明将能量自治方法纳入无线传感器网络系统中，利用 重复使用寿命长的超级电容和能量密度高的锂聚合物电池，并辅以电源选择模块，有效地 延长了系统的连续使用寿命，解决了无线传感器网络节点的能源供应难题。
本发明涉及的无线传感器网络节点光伏能源自治系统包括能量存储模块、电源 选择模块、稳压模块和传感器节点模块，其中能量存储模块与电源选择模块相连传输能量 信息，电源选择模块与稳压模块相连传输电源信息，稳压模块与传感器节点模块相连传输 稳定的电压信息，能量存储模块与传感器节点模块相连传输监测信息，传感器节点模块和 电源选择模块相连传输控制信号。所述的能量存储模块包括太阳能电池板、电容模块、充电管理模块和锂聚合物电 池，其中太阳能电池板与电容模块相连传输太阳能，电容模块与充电管理模块相连传输电 源信息和控制信息，电容与电源选择模块相连传输控制信息，电容与传感器节点模块相连 传输电容模拟电压信号，锂聚合物电池与充电管理模块相连传输电源信息和控制信息，锂 聚合物电池与电源选择模块相连传输控制信息，锂聚合物电池与传感器节点模块相连传输 锂聚合物电池电压信号。所述的电容模块是若干串联的电容。所述的传感器节点模块包括处理器模块、JTAG接口模块、RF功能接口模块以及 扩展功能接口模块，其中处理器模块与JTAG接口模块相连传输编程及测试信息，处理器 模块与RF功能接口模块相连传输射频信号处理信息，处理器模块与扩展功能接口模块相 连传输系统功能控制信息。本发明涉及的上述无线传感器网络节点光伏能源自治系统的自治方法，包括步骤 如下第一步，系统启动时，电源选择模块选择太阳能电池板为电容模块充电，当电容模 块具有的能量达到传感器节点模块的能量需求后，电容模块的能量经稳压模块为传感器节 点模块提供能量，传感器节点模块开始工作。第二步，传感器节点模块监测电容模块和锂聚合物电池的电压，并对电容模块和 锂聚合物电池的电压进行能量判断，从而传感器节点模块控制电源选择模块选择电容模块 或锂聚合物电池为传感器节点模块供电。所述的能量判断，具体是当电容模块能量状态不满足传感器节点模块能量需求 时，切换至锂聚合物电池供电，且电容模块通过太阳能电池板补充能量；当电容模块能量状 态达到节点能量需求时，传感器节点模块切换至电容模块供电模式，电容模块由太阳能电 池板补充能量，且电容模块同时为锂聚合物电池充电，当锂聚合物电池的电压大于阈值V 时，电容模块停止为锂聚合物电池充电，消耗的能量通过太阳能电池板充电补充；在电容模 块供电模式下，当电容模块状态不能满足传感器节点模块能量需求时再次切换至锂聚合物 电池供电。第三步，传感器节点模块完成电源选择后正常工作，在工作的空闲时段进入休眠 状态以节省能量。
第四步，按照设定的时间间隔t，依次重复第二步和第三步，保证传感器节点模块的正常供电和工作。与现有技术相比，本发明的有益效果是采用两级能量存储器结构，寿命长的电容 作为前级能量存储器，锂聚合物电池作为后级能量存储器，辅以自动电源选择模块，可以有 效地减少充放电次数，延长节点的使用寿命；整体电路设计简单，降低了能量损耗；将能量 供应系统与传感器节点系统相结合，只需进行软件加载和相应硬件模块连接即可实现无线 传感器网络通讯功能，便于系统能量管理，有助于传感器节点电路的模块化、能量管理的智 能化；将能量状态监测纳入无线传感器网络系统中，整体结构更为合理，并且其实施性得到 证实。
图1是本发明的系统组成框图；图2是实施例的系统电路图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。实施例如图1所示，本实施例涉及的无线传感器网络节点光伏能源自治系统包括太阳 能电池板1、电容模块2、充电管理模块3、锂聚合物电池4、电源选择模块5、稳压模块6和传 感器节点模块7，其中太阳能电池板1和电容模块2相连传输能量信息，电容模块2和充 电管理模块3相连传输能量信息，电容模块2和电源选择模块5相连传输能量信息，充电管 理模块3和锂聚合物电池4相连传输能量信息，锂聚合物电池4和电源选择模块5相连传 输能量信息，电源选择模块5和稳压模块6相连传输能量信息，稳压模块6和传感器节点模 块7相连传输能量信息，传感器节点模块7和电容模块2相连传输电压信号，传感器节点模 块7和锂聚合物电池4相连传输电压信号，传感器节点模块7和电源选择模块5相连传输 控制信号。本实施例的系统电路图如图2所示所述的太阳能电池板1为单个太阳能电池板，尺寸为40mmX80mm，峰值电压为 4. 8V，开路电压5为.5V，短路电流为80mA，通过接口 JPl，太阳能电池板1的正极与二极管 D1(SS24)的正极相连，太阳能电池板1的负极与地相连。所述的电容模块2为两个相同电容Cl和C2串连，每个电容电压为2. 7V，容量为 25F，电容Cl的正极与二极管Dl的负极相连，电容Cl的负极与电容C2的正极相连，电容C2 的负极与地相连。所述的充电管理模块3采用锂电池充电管理芯片BQ2057C，其中二极管Dl的负 极与电容模块2中电容Cl正极、电阻Rl、BQ2057C的引脚VCC和引脚COMP以及电容C4的 一端相连，电容C4的另一端与地相连；锂聚合物电池4的正极与BQ2057C的引脚BAT、二极 管D2(SS24)的负极以及电容C3的一端相连，电容C3的另一端与地相连；BQ2057C的引脚CC与PMOS管Ql (A03401)的栅极相连，PMOS管Ql的源极与电阻Rl以及BQ2057C的引脚SNS相连，PMOS管Ql的漏极与二极管D2的正极相连；BQ2057C的引脚STAT与电阻R2相连，电 阻R2的另一端与LED指示灯DSl相连，来指示充电状态；BQ2057C的引脚VSS与地相连。整 个充电过程及状态显示均由BQ2057C单独实现，并可以通过调整电阻Rl的阻值来调整充电 电流。所述的锂聚合物电池4为单个锂聚合物电池，电池电压为3. 7V，容量为300mAh，通 过接口 JP2，锂聚合物电池4的正极与充电管理模块3中BQ2057C的引脚BAT、二极管D2的 负极以及电容C3的一端相连，锂聚合物电池4的负极与地相连。所述的电源选择模块5采用双路模拟开关芯片MAX4544完成供电电源的选择功 能，其中MAX4544的引脚NC与电容模块2中电容Cl的正极相连；MAX4544的引脚NO与锂 聚合物电池4的正极相连；MAX4544的引脚COM与稳压模块6中稳压芯片MIC5209的引脚 IN相连；MAX4544的引脚GND与地相连；MAX4544的引脚V+与二极管D3 (1N4148)的负极、二 极管D4(1N4148)的负极以及电阻R4相连，电阻R4的另一端与地相连，二极管D3的正极与 锂聚合物电池4的正极相连，二极管D4的正极与电容模块2中电容Cl的正极相连，保证只 要锂聚合物电池4或电容模块2 二者中任一可提供电源，MAX4544都能正常工作；MAX4544 的引脚IN与传感器节点模块7中处理器MSP430F2418的引脚P2. 0以及电阻R3相连，电阻 R3的另一端与地相连，传感器节点模块7通过处理器MSP430F2418的IO接口，发送指令控 制MAX4544的NO或NC与COM连通，以选择合适的供电电源。所述的稳压模块6采用稳压芯片MIC5209实现稳定的3. 3V输出，其中MIC5209的 引脚IN与电源选择模块5中MAX4544的引脚COM相连；MIC5209的引脚OUT与传感器节点 模块7中处理器MSP430F2418的引脚DVCC和AVCC相连；MIC5209的引脚GND与地相连。所述的传感器节点模块7包括处理器模块、JTAG接口模块、RF功能接口模块以 及扩展功能接口模块，其中处理器模块与JTAG接口模块相连传输编程及测试信息，处理 器模块与RF功能接口模块相连传输射频信号处理信息，处理器模块与扩展功能接口模块 相连传输系统功能控制信息。本实施例中传感器节点模块7采用超低功耗16位处理器MSP430F2418完成系统 的整体功能，其中MSP430F2418的引脚DVCC和AVCC与稳压模块6中MIC5209的引脚OUT 相连；MSP430F2418的引脚P6. 5和引脚P6. 6为AD转换接口，分别与电容模块2中电容Cl 的正极和锂聚合物电池4的正极相连；MSP430F2418的引脚P2. 0作10接口使用，与电源选 择模块5中MAX4544的引脚IN连接，发送指令实现电源的供应选择；MSP430F2418的其余 功能引脚分别引出为RF功能接口、扩展功能接口和JTAG接口，可根据具体的应用需求扩展 功能。这种模块化设计不仅将能量管理集成到整体系统之中，同时又能灵活地满足系统的 应用功能需求。本实施例涉及的上述无线传感器网络节点光伏能源自治系统的自治方法，包括步 骤如下第一步，系统处于初始状态，电源选择模块5中MAX4544的引脚NC与COM连通，即 选择电容模块2作为初始供电电源，以保证只要有光照时节点即可工作。此时，太阳能电池 板1为电容模块2充电，达到传感器节点工作电压要求后，经稳压模块6为传感器节点模块 7提供能量，传感器节点模块7启动，能量管理系统程序运行。
第二步，传感器节点模块7启动后，通过处理器MSP430F2418内部的AD接口监测电容模块2和锂聚合物电池4的电压，经能量选择程序逻辑判断，通过其内部的IO接口发 出指令控制电源选择模块选择合适的电源工作。具体判断过程为当电容模块2的电压小 于设定的阈值V时，通过处理器MSP430F2418内部与电源选择模块5中MAX4544相连的IO 接口发送指令，控制MAX4544的引脚NO与COM连通，即切换至锂聚合物电池4供电，此时， 电容模块2通过太阳能电池板1补充能量；当电容模块2的电压大于或者等于设定的阈值 时，切换至电容模块2供电模式，此时，电容模块2同时为传感器节点模块7供电和为锂聚 合物电池4充电，消耗的能量通过太阳能电池板1充电补充；在电容模块2供电模式下，当 电容模块2的电压小于设定的阈值V时再次切换至锂聚合物电池4供电；在锂聚合物电池 4供电模式下，当锂聚合物电池4的电压小于设定的保护阈值时切换至电容模块2供电，以 起到保护锂聚合物电池的作用。锂聚合物电池4的能量由其专用的充电电路管理，当电池 电压低至设定值且满足充电条件时自动通过充电管理模块3为其充电，反之则停止充电。第三步，传感器节点模块7完成电源选择后正常工作，在工作的空闲时段进入休 眠状态以节省能量。第四步，按照设定的时间间隔t，依次重复第二步和第三步，保证传感器节点模块 7的正常供电和工作。本实施例在每天3至4小时的光照条件下，可保证传感器节点模块7以10%的工 作占空比持续运行约4至5年(充电电池寿命一般为4至5年，如果充电电池到时仍可使 用，则工作时间更长)，还可以通过降低节点通讯频率等方式进一步延长节点工作时间。
权利要求
一种无线传感器网络节点光伏能源自治系统，包括能量存储模块、电源选择模块、稳压模块和传感器节点模块，其中能量存储模块与电源选择模块相连传输能量信息，电源选择模块与稳压模块相连传输电源信息，稳压模块与传感器节点模块相连传输稳定的电压信息，能量存储模块与传感器节点模块相连传输监测信息，传感器节点模块和电源选择模块相连传输控制信号，其特征在于，所述的能量存储模块包括太阳能电池板、电容模块、充电管理模块和锂聚合物电池，其中太阳能电池板与电容模块相连传输太阳能，电容模块与充电管理模块相连传输电源信息和控制信息，电容与电源选择模块相连传输控制信息，电容与传感器节点模块相连传输电容模拟电压信号，锂聚合物电池与充电管理模块相连传输电源信息和控制信息，锂聚合物电池与电源选择模块相连传输控制信息，锂聚合物电池与传感器节点模块相连传输锂聚合物电池电压信号。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点光伏能源自治系统，其特征是，所述的 电容模块是若干串联的电容。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点光伏能源自治系统，其特征是，所述的 传感器节点模块包括处理器模块、JTAG接口模块、RF功能接口模块以及扩展功能接口模 块，其中处理器模块与JTAG接口模块相连传输编程及测试信息，处理器模块与RF功能接 口模块相连传输射频信号处理信息，处理器模块与扩展功能接口模块相连传输系统功能控 制信息。
4.一种根据权利要求1所述的无线传感器网络节点光伏能源自治系统的自治方法，其 特征在于，包括步骤如下第一步，系统启动时，电源选择模块选择太阳能电池板为电容模块充电，当电容模块具 有的能量达到传感器节点模块的能量需求后，电容模块的能量经稳压模块为传感器节点模 块提供能量，传感器节点模块开始工作；第二步，传感器节点模块监测电容模块和锂聚合物电池的电压，并对电容模块和锂聚 合物电池的电压进行能量判断，从而传感器节点模块控制电源选择模块选择电容模块或锂 聚合物电池为传感器节点模块供电；第三步，传感器节点模块完成电源选择后正常工作，在工作的空闲时段进入休眠状态 以节省能量；第四步，按照设定的时间间隔t，依次重复第二步和第三步，保证传感器节点模块的正 常供电和工作。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络节点光伏能源自治方法，其特征是，所述的 能量判断，具体是当电容模块能量状态不满足传感器节点模块能量需求时，切换至锂聚合 物电池供电，且电容模块通过太阳能电池板补充能量；当电容模块能量状态达到节点能量 需求时，传感器节点模块切换至电容模块供电模式，电容模块由太阳能电池板补充能量，且 电容模块同时为锂聚合物电池充电，当锂聚合物电池的电压大于阈值V时，电容模块停止 为锂聚合物电池充电，消耗的能量通过太阳能电池板充电补充；在电容模块供电模式下，当 电容模块状态不能满足传感器节点模块能量需求时再次切换至锂聚合物电池供电。
全文摘要
一种无线通信技术领域的无线传感器网络节点光伏能源自治系统及其自治方法，系统包括能量存储模块、电源选择模块、稳压模块和传感器节点模块，其中能量存储模块与电源选择模块相连传输能量信息，电源选择模块与稳压模块相连传输电源信息，稳压模块与传感器节点模块相连传输稳定的电压信息，能量存储模块与传感器节点模块相连传输监测信息，传感器节点模块和电源选择模块相连传输控制信号，所述的能量存储模块包括太阳能电池板、电容模块、充电管理模块和锂聚合物电池。本发明可以有效地减少充放电次数，延长节点的使用寿命；整体电路设计简单，降低了能量损耗。
文档编号H01M10/42GK101808423SQ20101013291
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者刘成良, 刘海宁, 李彦明, 李楠 申请人:上海交通大学