專利名稱：一種無線傳感器網絡節點的移動式無線充供電方法
技術領域：
本發明涉及對電器設備的無線充供電技術，尤其涉及一種無線傳感器網絡節點的移動式無線充供電方法，屬于傳感器網絡技術領域。
背景技術：
隨著傳感器技術、嵌入式技術、通信技術、半導體技術與微電子技術的飛速發展， 含有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器開始出現在軍事、工業、環境、農業和宇航各個領域。無線網絡傳感器(Wireless Sensor Networks,WSN)是集傳感器執行器、控制器和通信裝置于一體，集傳感與驅動控制能力、計算能力、通信能力于一身的資源。根據分布在不同區域的傳感器節點，無線傳感器網絡能夠實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種被監測對象信息，并對這些信息進行處理，傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網絡在軍事偵察、環境檢測、農業生產、醫療監護、建筑與城市管理、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。然而，為測量現實世界的各種環境的真實數據，節點分布于待測量各個區域內，移動節點依靠電池或從環境中汲取能量來提供工作所需的能量，一般無法進行能量補充，能量耗盡后節點失去數據采集處理及路由功能，節點能量受限是無線傳感器網絡不可忽視的一個重要特點。因此，實現無線傳感器網絡的長壽命供電，顯著地推動無線傳感器網絡應用的發展，使無線傳感器網絡擺脫能量限制。由于節點電池難以取出，只能在節點添加收集能量的模塊，可利用的能量形式有很多，如生物電、太陽能、熱能、風力、振動等，但每個節點均加入能量收集模塊使節點的靈活性、可靠性降低，受環境因素影響很大，因此我們引入無線充電技術。無線充電技術增加了節點的可靠性，可以自動識別不同的設備和能量需求進行個性化工作，也可以對難以有線充供電的位置，如水下、極端環境、人體內等進行充供電。無線充供電技術有三種實現方式電磁感應、磁場共振和微波。目前，國內外已經有很多公司將無線充供電技術應用于小型電器、電動汽車及醫用微型設備的充供電。考慮將無線傳感器網絡技術與無線充供電技術結合，可以充分發揮無線傳感器網絡自由分布的特性，使得無線網絡真正擺脫電纜的限制，延長無線傳感器網絡的壽命。同時，無線充供電可以同時為多個節點充供電，能源管理也更加有效。本申請人在此前提出一種無線傳感器網絡節點的無線充供電方法，是利用位置固定的無線充供電小車和節點充供電從機組無線電能傳輸系統，無線充供電小車通過發射頻率掃描找到發射電路和接收電路間的最佳耦合頻率，利用磁場共振方法充電。但在采用磁場共振方法充電時，小型化、高效率實現較難，現在的技術能力大約是直徑半米的線圈，能在一米左右距離提供60w電力。并且該無線傳感器網絡節點的無線充供電方法中的無線充供電小車位置固定，分布在不同位置的節點充供電從機與無線充供電小車的位置不同，充供電效率不同，當節點充供電從機與無線充供電小車相距較遠時，難以達到較高的無線充供電效率。目前在小型電器及大型電動汽車的應用中，目前廣泛使用的充供電方式是電磁感應式，發射線圈和接收線圈緊密貼近(一般為毫米級或厘米級)，無線充供電效率較高，但需要將電動汽車開往充電樁及充電站處或將小型電器移動至無線充供電小車處。而隨機分布的無線傳感器網絡節點在工作時不可自主移動，要將高效率的電磁感應無線充供電方法運用于節點隨機性分布的無線傳感器網絡以實現近距離高效率無線充電時，需要使充供電發射部分與分布在不同位置的待充供電節點近距離貼近。
發明內容
本發明的目的在于提供一種無線傳感器網絡節點的移動式無線充供電方法，該方法將無線傳感器網絡技術與無線充供電技術結合，可以自動收集外部能量作為無線充供電的能量供給，自動判斷無線傳感器網絡節點是否需要充供電，通過小車的移動改變無線充供電小車與傳感器節點充供電從機的相對距離與相對位置，利用電磁感應原理，自動實現近距高效地無線充供電。本發明采用如下技術方案一種無線傳感器網絡節點移動式無線充供電方法，設有無線充供電小車和無線傳感器網絡無線充供電接收節點組成的無線傳感器網絡電能傳輸系統，其特征在于無線充供電小車設有控制處理器以及受控制處理器控制的電能收集模塊、無線充供電發射模塊、用于與無線充供電接收節點進行充供電信息實時交互的無線通信模塊和小車自身運動傳動機構，其中控制處理器系含有A/D轉換模塊的低功耗的處理器；電能收集模塊設有外部能量收集、轉換模塊和蓄電池；無線充供電發射模塊設有定頻發生電路、功率放大電路、能量發射天線，定頻發生和功率放大電路系由開關控制產生固定頻率功率信號并進行功率放大的電路，能量發射天線系由控制處理器控制的單自由度旋轉餅狀一維線圈；無線傳感器網絡無線充供電接收節點包括節點處理器、電能接收天線、整流電路、 充供電電壓檢測電路、充供電電路和與無線充供電小車無線通信模塊對應交互的無線通信模塊，電能接收天線系餅狀一維線圈；在節點電池容量低于設定值時，節點處理器產生一個外部中斷，通過節點無線通信模塊向無線充供電小車發送無線充供電請求，無線充供電小車的無線通信模塊接受到請求信號后輸出至控制處理器，控制處理器定位無線充供電接收節點的位置并發出指令給小車自身運動傳動機構，小車按控制處理器計算得到的規定路徑移動至充供電接收節點周圍，定頻、功率輸出信號至能量發射天線，然后控制處理器控制小車進行原地旋轉運動，調節發射線圈與接收線圈的水平夾角，無線充供電接收節點的電能接收天線感應接收到的充供電電流、電壓，電壓檢測電路對接收到的充供電電壓進行檢測，當電路檢測到最大電壓后，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止小車旋轉信號，無線充供電小車的控制處理器通過無線通信模塊接受到該信息后控制小車停止運動，再由控制處理器控制發射線圈沿水平中心線俯仰旋轉，改變發射線圈與接收線圈的俯仰夾角，無線充供電接收節點的電壓檢測電路檢測到最大電壓后，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止發射線圈旋轉信號，無線充供電小車控制處理器通過無線通信模塊接受到該信息后控制小車停止運動，通過小車的原地旋轉運動和發射線圈的俯仰運動共同調整找到發射線圈和接收線圈最佳耦合位置；當無線充供電接收節點的電池容量已滿時，節點處理器又產生一個外部中斷， 通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止無線充供電信號，小車接收到此信號后，停止發射能量電磁場，繼續進行電能收集，一個無線充供電過程結束。
所說電能收集模塊的外部能量包括風能、太陽能等，作為無線充供電小車進行無線充供電的能量來源。本發明除了具備無線充供電技術已有的優點以外，還含有以下顯著優點和有益效果(1)使用無 線充供電小車，通過小車的原地旋轉運動和發射線圈的俯仰旋轉找到發射線圈和接收線圈的最佳耦合位置，使充電效率最大，可減少現有發射線圈方向調整機構的復雜度。(2)已有的無線傳感器網絡節點的無線充供電方法的接收線圈是三個按正交方向布置的線圈組合，本發明接收天線采用的一維線圈，減小線圈面積，克服了采用磁場共振方法充電時小型化難以實現的不足，節點體積減小；同時，由于發射線圈和接收線圈緊密貼近，充供電效率大，可直接連接充供電電路，無需連接倍壓整流電路或利用大電容蓄電，無線充供電接收節點的電路簡化。此外，已有無線傳感器網絡節點的無線充供電方法的發射線圈是三維空間旋轉餅狀一維線圈，而本發明采用單自由度旋轉餅狀一維線圈，通過小車的原地旋轉和發射線圈的俯仰旋轉共同調整發射線圈和接收線圈的相對位置，減少了發射線圈方向調整機構的復雜度。無線充供電接收節點的電路簡化、能量接收天線的面積較小， 更好地實現了傳感器節點的微型化。(3)本發明中的無線充供電小車含有能量收集功能，可以收集外界能量為小車上的蓄電池充電，作為整個無線充供電系統的能量供給，自動地實現從電能收集到無線充供電整個過程。(4)通過小車的常規運動實現能量發射線圈和能量接收線圈之間的厘米級貼近， 通過電磁感應原理進行高效率充電和大功率快速充電，縮短充電時間。傳感器節點的分布位置不會影響無線充供電效率。(5)能夠自動實現從電能收集到定位移動，再到無線充供電的整個過程，實現了無線充供電系統的智能化，極大提高了無線傳感器網絡的壽命。(6)可以直接為無線傳感器網絡節點供電，節點可使用小容量的電池，縮小節點體積，延長了無線傳感器網絡的壽命。
圖1是本發明無線充供電系統示意圖；圖2是以太陽能為例的本發明電能收集和無線充供電示意圖；圖3是小車原地旋轉和發射線圈俯仰選擇示意圖；圖4是無線傳感器無線充供電接收節點電路示意圖；圖5是無線充供電小車的電能收集、無線充供電發射和無線通信部分的電路框圖；圖6是無線傳感器節點無線充供電接收節點電路框圖；圖7是無線充供電小車的無線充供電流程圖。
具體實施例方式參看圖1，無線充供電小車設有控制處理器以及受控制處理器控制的電能收集模塊、無線充供電發射模塊、用于與無線充供電接收節點進行充供電信息實時交互的無線通信模塊和小車自身運動傳動機構，其中控制處理器系含有A/D轉換模塊的低功耗的處理器；電能收集模塊設有外部能量(包括風能、太陽能等)收集、轉換模塊和蓄電池；無線充供電發射模塊設有定頻發生電路、功率放大電路、能量發射天線，定頻發生和功率放大電路系由開關控制產生固定頻率功率信號并進行功率放大的電路，能量發射天線系由控制處理器控制的單自由度旋轉餅狀一維線圈；無線傳感器網絡無線充供電接收節點包括節點處理器、電能接收天線、整流電路、充供電電壓檢測電路、充供電電路和與無線充供電小車無線通信模塊對應交互的無線通信模塊，電能接收天線系餅狀一維線圈。無線充供電小車含有電能收集功能，電能收集部分由電能收集設備、蓄電池充電電路組成，電能收集設備收集外部能量(如風能、太陽能)轉化為電能，后接蓄電池充供電電路為蓄電池充電，蓄電池作為小車為無線充供電接收節點進行無線充供電時的電能供給；在沒有節點給無線充供電小車發送無線充供電請求信號時，無線充供電小車的控制處理器控制電能收集模塊進行電能收集，收集外部能量轉化為電能為蓄電池充電，當蓄電池容量滿時，停止電能收集，等待節點發送的無線充供電請求；在小車進行電能收集的過程中若通過無線模塊收到節點的無線充供電請求，則停止電能收集，進入無線充供電的過程。如圖3，小車可以在控制處理器的控制下進行常規運動，無線充供電小車通過無線通信模塊接受到無線充供電接收節點發送的無線充供電請求后，定位無線充供電接收節點并計算出小車運動路徑，控制處理器控制小車按計算得到的規定路徑移動至無線充供電接收節點周圍，使無線充供電小車和無線充供電接收節點實現厘米級的貼近，輸出定頻信號至能量發射天線，利用電磁感應原理實現近距高效無線充供電。小車運動到充供電接收節點周圍并輸出定頻信號后，控制處理器控制小車開始進行原地旋轉運動，調節發射線圈與接收線圈的水平夾角，傳感器無線充供電接收節點感應小車原地旋轉不同角度時接收到的充供電電流、電壓。電壓檢測電路對接收到的充供電電壓進行檢測，當電路檢測到最大電壓后，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止小車旋轉信號，無線充供電小車的控制處理器通過無線通信模塊接受到該信息后控制小車停止運動；然后由控制處理器控制發射線圈沿水平中心線俯仰旋轉，改變發射線圈與接收線圈的俯仰夾角，傳感器無線充供電感應發射線圈旋轉不同到俯仰角時接收到的充供電電流、電壓，電壓檢測電路對接收到的充供電電壓進行檢測，當電路檢測到最大電壓后，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止發射線圈旋轉信號，無線充供電小車的控制處理器通過無線通信模塊接受到該信息后控制小車停止運動；通過小車的原地旋轉運動和發射線圈的俯仰運動共同調整找到發射線圈和接收線圈最佳耦合位置。
小車的無線充供電發射模塊如圖5所示，含有定頻發生和功率放大電路和可單自由度旋轉能量發射天線。定頻發生和功率放大電路系由開關控制產生固定頻率功率信號 (預設定的固定頻率信號)并進行功率放大的電路；定頻發 生和功率放大電路輸出接無線充供電能量發射天線，驅動天線周圍形成與驅動信號頻率相近的變化電磁場，接收天線在這個電磁場中時就會產生感生電動勢；能量發射天線系由控制處理器控制的單自由度旋轉餅狀一維線圈，在控制處理器的控制下，發射天線以水平中心線為軸線可進行單自由度俯仰旋轉，發射天線的俯仰旋轉與小車的原地旋轉(圖3)共同調節發射線圈與接收線圈的耦合位置和角度，通過檢測無線充供電接收節點感應充供電電壓，找到發射線圈和接收線圈間的最佳耦合位置。
無線傳感器網絡充供電節點如圖4、6所示，含有節點處理器、電能接收天線、整流電路、充供電電路、無線通信模塊。電能接收天線采用餅狀一維線圈，接收電磁波信號并轉換成交流電。由于采用電磁感應耦合進行無線充電時效率高、充供電電壓較大，交流電經整流后電流較大，直接接到充供電電路為節點供電或為其電池充電。與當前已有的無線傳感器網絡節點的無線充供電方法相同的是，無線充供電接收節點轉換得到的交流電信號經整流后采樣提供給節點處理器可進行電壓檢測，當小車原地旋轉和發射線圈俯仰旋轉時，若節點檢測到最大電壓，能量發射線圈與電能接收線圈水平耦合位置和俯仰耦合位置最佳， 充電效率最大；另外，無線充供電小車與傳感器接收節點通過無線通信模塊進行信息交互， 交互無線充供電請求信號、小車停止旋轉信號、發射線圈停止旋轉信號、停止無線充供電信號。充供電節點電壓檢測部分的實現方法為根據電磁感應原理，充供電節點能量接收天線在移動小車發射的能量磁場中產生的感生電動勢，經過整流濾波后，接一個精密電阻，測電阻兩端的電壓，這個電壓應該是較平滑的直流信號，并將這個模擬信號通過A/D轉換輸入節點的MCU，如果A/D是8位的，轉換后的數字信號=2~8 X被測電壓/參考電壓(以處理器供電電壓作為參考電壓)，節點的MCU可得到電壓值，電壓值的精度與A/D的位數有關。通過預設的程序比較數字信號即可得到感生電壓最大值。在沒有節點給無線充供電小車發送無線充供電請求信號時，無線充供電小車進行電能收集，以利用太陽能為蓄電池充電為例(圖2)，攝像頭用于采集太陽位置圖像，電能收集設備是單晶硅太陽能電池板，攝像頭拍攝的一幀圖片進行圖像處理，計算出太陽的重心坐標(即太陽光斑的中心位置)，然后控制云臺的水平和俯仰轉動使太陽能電池板對準太陽，太陽能電池板進行電能收集，此時電能收集效率最大。由可以進行水平和俯仰方向轉動的雙自由度云臺控制太陽能電池板的方向變化，太陽能電池板將太陽能轉換為電能，后接蓄電池充電電路，為蓄電池充電。當蓄電池容量滿時，處理器控制停止電能收集，等待節點發送的無線充供電請求。在無線充供電小車進行電能收集的過程中若通過無線模塊收到節點的無線充供電請求，則停止電能收集，進入無線充供電的過程。 在節點電池容量低于設定值時，節點處理器產生一個外部中斷，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送無線充供電請求，無線充供電小車通過無線通信模塊接受到請求信號后如圖7所示，定位無線充供電接收節點，控制處理器控制小車按計算的到的規定路徑移動至無線充供電接收節點周圍，使無線充供電小車和無線充供電接收節點實現厘米級的貼近，控制輸出定頻功率信號至能量發射天線，利用電磁感應方法進行無線充供電，同時，控制處理器控制小車在無線充供電接收節點周圍進行原地旋轉運動。由電磁理論可知， 天線之間的耦合有很強的方向性，需要調節發射線圈和接收線圈的相對位置來達到最佳耦合，使接收天線產生的感應電動勢最大。小車進行原地旋轉運動時可以調節發射線圈與接收線圈的水平夾角，無線充供電接收感應接收到的充供電電壓、電流，電壓檢測電路對接收到的充供電電壓進行檢測，當檢測到最大電壓時，發射線圈和接收線圈的達到最佳水平耦合位置，此時充供電節點通過無線通信模塊向無線充供電小車發送信息，無線充供電小車的控制處理器通過無線通信模塊接受到該信息后控制小車停止運動，然后控制能量發射天線進行俯仰旋轉，同樣地，無線充供電接收節點的電壓檢測電路對接收到的充供電電壓進行檢測，當檢測到最大電壓時，能量發射線圈與能量接收線圈的俯仰耦合位置最佳，此時通過無線通信模塊向無線充供電小車發送信息，無線充供電小車的控制處理器接收通過無線通信模塊接受到信息后控制發射線圈停止旋轉。如圖3所示，通過小車的原地旋轉運動和發射線圈俯仰旋轉的共同調整使能量發射線圈與能量接收線圈的耦合位置最佳，得到最大的充電效率。當無線充供電接收節點電池容量已滿時，節點處理器又產生一個外部中斷，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止無線充供電信號，小無線充供電小車接收到此信號后，停止發射能量電磁場，繼續進行電能收集，一個無線充供電過程結束。假如在無線充供電小車同時接到了多個無線傳感器網絡節點發送的充供電請求， 通過定位，選擇此時距離小車最近的待充供電節點先進行無線充供電。在該節點的充電結束后，無線充供電小車通過定位再選擇此時距離小車最近的其它待充電節點進行充供電。 通過這種選擇方法對所有發送充供電請求的傳感器節點完成無線充供電。假設在無線充供電小車在為某一傳感器節點進行充供電過程的同時收到其它節點的充供電請求信息，無線充供電小車的控制處理器記錄該節點信息，等待正在進行的充供電結束后再對其它的待充電節點進行無線充供電。如圖6所示，無線傳感器網絡無線充供電接收節點的充電電路換成供電電路后， 無線充供電小車的無線充供電發射部分可以直接為接收節點供電，接收節點可使用小容量電池，無線傳感器網絡壽命更長，體積更小。
權利要求
1.一種無線傳感器網絡節點的移動式無線充供電方法，設有無線充供電小車和無線傳感器網絡無線充供電接收節點組成的無線傳感器網絡電能傳輸系統，其特征在于無線充供電小車設有控制處理器以及受控制處理器控制的電能收集模塊、無線充供電發射模塊、用于與無線充供電接收節點進行充供電信息實時交互的無線通信模塊和小車自身運動傳動機構，其中控制處理器系含有A/D轉換模塊的低功耗的處理器；電能收集模塊設有外部能量收集、轉換模塊和蓄電池；無線充供電發射模塊設有定頻發生電路、功率放大電路、能量發射天線，定頻發生和功率放大電路系由開關控制產生固定頻率功率信號并進行功率放大的電路，能量發射天線系由控制處理器控制的單自由度旋轉餅狀一維線圈；無線傳感器網絡無線充供電接收節點包括節點處理器、電能接收天線、整流電路、充供電電壓檢測電路、充供電電路和與無線充供電小車無線通信模塊對應交互的無線通信模塊，電能接收天線系餅狀一維線圈；在節點電池容量低于設定值時，節點處理器產生一個外部中斷，通過節點無線通信模塊向無線充供電小車發送無線充供電請求，無線充供電小車的無線通信模塊接受到請求信號后輸出至控制處理器，控制處理器定位無線充供電接收節點的位置并發出指令給小車自身運動傳動機構，小車按控制處理器計算得到的規定路徑移動至充供電接收節點周圍，定頻、功率輸出信號至能量發射天線，然后控制處理器控制小車進行原地旋轉運動，調節發射線圈與接收線圈的水平夾角，無線充供電接收節點的電能接收天線感應接收到的充供電電流、電壓，電壓檢測電路對接收到的充供電電壓進行檢測，當電路檢測到最大電壓后，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止小車旋轉信號，無線充供電小車的控制處理器通過無線通信模塊接受到該信息后控制小車停止運動，再由控制處理器控制發射線圈沿水平中心線俯仰旋轉，改變發射線圈與接收線圈的俯仰夾角，無線充供電接收節點的電壓檢測電路檢測到最大電壓后，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止發射線圈旋轉信號，無線充供電小車控制處理器通過無線通信模塊接受到該信息后控制小車停止運動，通過小車的原地旋轉運動和發射線圈的俯仰運動共同調整找到發射線圈和接收線圈最佳耦合位置；當無線充供電接收節點的電池容量已滿時，節點處理器又產生一個外部中斷，通過無線通信模塊向無線充供電小車發送停止無線充供電信號，小車接收到此信號后，停止發射能量電磁場，繼續進行電能收集，一個無線充供電過程結束。
2.根據權利要求1所述無線傳感器網絡節點的移動式無線充供電方法，其特征在于 所說電能收集模塊收集包括風能、太陽能外部能量，作為小車進行無線充供電的能量來源。
全文摘要
一種無線傳感器網絡節點的移動式無線充供電方法，設有無線充供電小車和無線充供電接收節點組成的無線傳感器網絡電能傳輸系統。無線充供電小車設有控制處理器、電能收集模塊、無線充供電發射模塊、用于充供電信息交互的無線通信模塊和小車自身運動傳動機構。電能收集模塊設有外部能量收集、轉換模塊和蓄電池；無線充供電發射模塊設有定頻發生電路、功率放大電路、能量發射天線。無線充供電接收節點包括節點處理器、電能接收天線、整流電路、充供電電壓檢測電路、充供電電路和與小車的無線通信模塊對應交互的無線通信模塊。通過控制處理器控制小車的原地旋轉和能量發射線圈的俯仰旋轉找到發射線圈和接收線圈的最佳耦合位置，得到最大無線充供電效率。
文檔編號H02J17/00GK102355067SQ201110186260
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月4日 優先權日2011年7月4日
發明者吳劍鋒, 宋愛國, 張立波, 李小敏, 李建清, 杜莉, 王愛民 申請人:東南大學