專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源管理中的電池電壓均衡輸出優(yōu)化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的電源供應(yīng)，特別是涉及一種高效率多電池電壓輸出方法及系統(tǒng)
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)路是由一組分布在設(shè)定位置的多個傳感器節(jié)點以無線自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，用于傳感器節(jié)點協(xié)作地感知采集和處理該網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象信息并及時向用戶發(fā)布感測結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個重要的特點就是能量的局限性，很多情況下無線傳感器網(wǎng)路中節(jié)點都是采用電池供電，能量有限，并且傳感器節(jié)點本身采用軟件或者硬件的方法減少自身和網(wǎng)絡(luò)的耗電量，使得采用電池供電的節(jié)點較長時間甚至幾年的工作壽命成為了可能。無線傳感器節(jié)點本身大多采用3V甚至更低的電源電壓供電，為兩節(jié)干電池的串聯(lián)電壓。而許多傳統(tǒng)的傳感器，如煙霧傳感器、超聲波傳感器、紅外人體探頭等大多都超過 3V電壓，雖然可以通過軟件控制這些外圍傳感器模塊工作周期從而達到使得外圍模塊功耗降低，但是卻很難用使得不同電壓供應(yīng)的方法得到解決。傳統(tǒng)的方法有兩種一種是將多節(jié)干電池串聯(lián)得到較高電壓，然后通過線形穩(wěn)壓的方式獲得傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片所需的3V甚至更低的電壓。這種方法的弊端是采用線形穩(wěn)壓芯片降壓，大部分的能量在降壓中損耗，如9V 的電壓降為3V，能量利用率僅僅為33%，給本來能量緊缺的節(jié)點帶來巨大的能量損耗；第二種方法是從3V的電壓通過非線性升壓的形式升到外圍傳感器所需電壓值，這種方式依托于升壓芯片，升壓芯片大多成本較高，并且絕大多數(shù)的升壓芯片靜態(tài)電流就已經(jīng)超過整個節(jié)點的功耗，使得大量的能量流失。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中高效率多電池電壓輸出方法及其應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)點電池電能的高效率應(yīng)用。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的電池的放置系統(tǒng)由多節(jié)電壓相同的電池組成，兩種或多種輸出電壓皆是每節(jié)電池電壓的整數(shù)倍。每節(jié)電池的正負兩端同時引出到后級的程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)，以改變各節(jié)電池之間的連接方式；程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)在受到單片機的控制下切換電池的連接方式，輸出不同的電壓，并通過切換連接方式使得各個電池在使用時間上平均分配；程控矩陣開關(guān)的輸出端連接到備用電容或者短時充電電池上，為后級設(shè)備提供短時供電電源。由于采用了以上的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明的實用范圍為電池供電的多電壓傳感器系統(tǒng)，能夠供給兩路或者兩路以上的電池串并聯(lián)電壓。
(2)本發(fā)明基于低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在提供外圍傳感器電壓和傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片電壓的同時能夠保證在微電流的情況下能量的利用率在80%以上。(3)本發(fā)明采用程控開關(guān)矩陣控制電池的連接方式，能夠輸出所有電池串聯(lián)的和電壓，也能夠輸出某一節(jié)或者某幾節(jié)電池串聯(lián)的電壓。(4)本發(fā)明的輸出一節(jié)或這幾節(jié)串聯(lián)電壓的模組在MCU的控制下可以以一定頻率切換所使用的電池，以保證所有電池均勻的消耗電量，而不會導(dǎo)致某一節(jié)或這幾節(jié)電池過早的用光。(5)本發(fā)明在以一定頻率切換所使用電池的情況下保留了地線的統(tǒng)一性，也就是供給外部傳感器使用的較高的電壓和供給傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片所使用的較低的電壓供用同一個地線。(6)本發(fā)明在以一定頻率切換所使用電池時對后級傳感器模塊和傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片并沒有明顯影響，輸出端接入小型充電電池或大電容能夠使得電壓保持在后級正常工作的大小和紋波狀態(tài)之下。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的整體示意圖；圖2為本發(fā)明供電實例結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明程控矩陣開關(guān)工作流程示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括三個主要部分電池放置系統(tǒng)、程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)和后級穩(wěn)壓系統(tǒng)。其中，電池放置系統(tǒng)將放入的所有電池的正負極引出，直接連接到程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)的輸入端方便程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)控制。程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)，包括一個電池的輸入端，電壓輸出端和處理器(MCU/CPU)的控制輸入端，程控矩陣開關(guān)內(nèi)部為場效應(yīng)組成的開關(guān)陣列，在處理器控制輸入端的控制下實現(xiàn)對電池輸入端的通斷和多路選擇。其目的是可以通過控制輸入端改變電池之間的連接方式，并使得一組輸出電壓為所有電池串聯(lián)電壓，另外一組輸出電壓為某一數(shù)量電池串聯(lián)電壓，同時可以通過處理器的控制輸入端實現(xiàn)為某一數(shù)量電池串聯(lián)輸出電壓時所選擇的電池可以隨著時間改變。實現(xiàn)電池電量的均勻消耗。后級穩(wěn)壓系統(tǒng)其組成部分為一個防止電流倒灌的二極管和穩(wěn)定電壓的電容或者充電電池，其作用為為后極工作設(shè)備提供穩(wěn)定的工作電壓，在程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)切換的時候保持電壓不至于陡降，在程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)切換之后電池對電容或者充電電池充電以保證下次切換時有一定的電能儲備。圖2為本發(fā)明的具體的實例，在此實例中傳感器需要6V直流電壓，而基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的處理器僅需要3V電壓，實例中有電池A和電池B，分別為3V。其正負端分別連接到由開關(guān)管組成的程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)。程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)的輸出為3V電壓和6V電壓， 分別供給傳感器網(wǎng)絡(luò)處理器和外部傳感器使用。而程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)的控制輸入端以一定頻率改變輸入控制信號，使得6V的輸出總是由電池A和電池B的串聯(lián)電壓，而3V的輸出在電池A和電池B中交替選擇。從而達到3V負載均勻地消耗兩節(jié)電池電量的目的。程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)的輸出串聯(lián)防止電流反灌的二極管和穩(wěn)壓電容。能夠保證在程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)切換的時候電源電壓抖動不影響后繼傳感器和數(shù)字系統(tǒng)的正常工作。圖3為本系統(tǒng)的具體工作流程圖。其工作流程順序如下步驟301，系統(tǒng)上電之后程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)默認處于一種正常工作狀態(tài)，輸出所有電池電壓串聯(lián)的總電壓和其中某一節(jié)電池工作電壓或者其中某幾節(jié)電池串聯(lián)電壓，以提供最初始的系統(tǒng)工作電壓。并且向后級穩(wěn)壓系統(tǒng)充電，以供切換下一狀態(tài)之需。步驟302，等待定時器狀態(tài)階段，在這個階段中，傳感器網(wǎng)絡(luò)的處理器正常的處理網(wǎng)絡(luò)建立以及傳輸?shù)乃羞^程，傳感器也處于正常工作狀態(tài)。如果沒有定時器中斷，在步驟 302等待，如果定時器中斷到，進入步驟303。步驟303，傳感器網(wǎng)絡(luò)的處理器定時中斷之后，計算并得到下一個狀態(tài)應(yīng)該的程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)輸入信號。并將這個狀態(tài)信號輸出。轉(zhuǎn)入步驟304。步驟304，程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)接收輸入狀態(tài)，并改變內(nèi)部的開關(guān)狀態(tài)結(jié)構(gòu)，更改電池連接方式，更改供給低電壓的電池，保證在時間上每一個電池平均供電。并轉(zhuǎn)到步驟302，等待定時器狀態(tài)階段。
權(quán)利要求
1.一種傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效率多電池電壓輸出方法，其特征在于，該方法包括以下步驟A、電池的放置系統(tǒng)由多節(jié)電壓相同的電池組成，兩種或多種輸出電壓皆是每節(jié)電池電壓的整數(shù)倍。B、每節(jié)電池的正負兩端同時引出到后級的程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)，以改變各節(jié)電池之間的連接方式；C、程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)在受到單片機的控制下切換電池的連接方式，輸出不同的電壓， 并通過切換連接方式使得各個電池在使用時間上平均分配；D、程控矩陣開關(guān)的輸出端連接到備用電容或者短時充電電池上，為后級設(shè)備提供短時 {共 ^！^ O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效率多電池電壓輸出方法，其特征在于，所述最后輸出的兩種或多種輸出電壓直接為電池串并聯(lián)電池電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效率多電池電壓輸出方法，其特征在于，所述程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)包括輸入、輸出和控制接口，其輸入為每一節(jié)電池正負極的輸出，其輸出為最終的串并聯(lián)電壓的輸出；而控制接口為控制其內(nèi)部程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)改變連接方式的單片機或其他控制處理器信號輸入端口 ；所述步驟A進一步包括Al、默認上電狀態(tài)下程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)處于原始Al狀態(tài)，輸出所有電池串聯(lián)的最終電壓和其中一節(jié)或者指定節(jié)數(shù)的串聯(lián)電壓，以供后繼數(shù)字系統(tǒng)進入工作狀態(tài)供電。；在后繼數(shù)字系統(tǒng)感知電壓并進入工作狀態(tài)之后進入步驟A2 ；A2、程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)受數(shù)字系統(tǒng)控制以一定的頻率改變內(nèi)部的開關(guān)狀態(tài)，同時輸出所有電池串聯(lián)的和電壓與所要求的一節(jié)或者多節(jié)電池串聯(lián)電壓，程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)通過定時的切換保證內(nèi)部所有電池均勻的承受一節(jié)或多節(jié)電池電壓的輸出，兩組電壓輸出的負極相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效率多電池電壓輸出方法，其特征在于，所述后級短時供電電源由較大電容或者充電電池構(gòu)成，以保證在程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)進行電池連接方式切換的時候能夠為本系統(tǒng)本身和負載提供穩(wěn)定的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)，其特征在于程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)輸入端為每一節(jié)電池的正負極，輸出端為所需要的兩組或多種輸出電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)，其特征在于其在上電的初始狀態(tài)有一個初始的連接方式，默認連接輸出所有電池串聯(lián)電壓和其中某一種所需要的組合的電池串聯(lián)電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)，其特征在于在輸出所有電池串聯(lián)電壓的同時能夠輸出所需要的某一節(jié)電池電壓或者某幾節(jié)電池串聯(lián)的電壓，能夠使得某一節(jié)或某幾節(jié)串聯(lián)的電池電壓的電能輸出在所有電池上均勻分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)電池能量均勻分布，其特征在于，程控輸入矩陣開關(guān)系統(tǒng)在控制端口控制下不斷切換改變電池之間連接方式，從而從時間上使得輸出的能量均勻分布在每一節(jié)電池上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源管理系統(tǒng)中的多電池電壓均衡輸出優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電池放置模塊，程控矩陣開關(guān)模塊、后繼充電及穩(wěn)壓模塊；電池放置模塊用于多個電池的放置串聯(lián)以達到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的正常工作電壓；程控矩陣開關(guān)模塊用于控制與改變電池之間的連接方式，電池放置模塊中的每一節(jié)電池的正負端與程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)相聯(lián)；程控矩陣開關(guān)模塊由超低功耗場效應(yīng)管陣列所組成，其開關(guān)狀態(tài)構(gòu)成不同的電池連接方式，程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)的運行由單片機控制，同時輸出串聯(lián)電池組中的高電壓和某一節(jié)或幾節(jié)串聯(lián)電壓，并且周期性改變某一節(jié)或者幾節(jié)串聯(lián)電池所承受的電壓，達到均勻消耗每一節(jié)電池電量的目的；矩陣開關(guān)系統(tǒng)的電壓輸出端并行連接到后繼充電及穩(wěn)壓模塊，該模塊由大電容或者短時充電電池組成，用以在程控矩陣開關(guān)系統(tǒng)切換時能保證后級傳感器設(shè)備有連續(xù)穩(wěn)定的可靠電源供應(yīng)。
文檔編號H02J7/00GK102263420SQ201010182969
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者易衛(wèi)東, 趙俊淋 申請人:中國科學(xué)院研究生院