本實(shí)用新型涉及一種無(wú)線可充電節(jié)點(diǎn)，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)觀察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息(如光強(qiáng)、溫度、濕度等物理現(xiàn)象)，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線方式發(fā)送。WSN在生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、城市設(shè)施監(jiān)測(cè)、橋梁監(jiān)測(cè)、智能交通、室內(nèi)定位、室溫監(jiān)控、災(zāi)難救助、智能園藝、精確農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。制約WSN應(yīng)用的因素之一是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電。因而WSN中節(jié)點(diǎn)通常因能量耗盡而失效。

針對(duì)WSN中節(jié)點(diǎn)能量受限問(wèn)題，提出節(jié)流和開(kāi)源兩種方案。節(jié)流即通過(guò)對(duì)WSN中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合等方法減少數(shù)據(jù)傳輸頻次，降低能量消耗，但該種方案不能徹底解決節(jié)點(diǎn)能量問(wèn)題。開(kāi)源即節(jié)點(diǎn)通過(guò)能量獲取設(shè)備，能夠持續(xù)獲得能量，理論上徹底解決這一問(wèn)題。開(kāi)源方法有更換電池、獲取環(huán)境能量或無(wú)線傳能幾種方法；更換電池方法如發(fā)明專利“一種基于雙電源模塊的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”(CN101951631A)采用雙電源供電模式，當(dāng)一個(gè)電源電量耗盡時(shí)，工作人員到現(xiàn)場(chǎng)更換，對(duì)于人無(wú)法達(dá)到的環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)，具有一定局限性。獲取環(huán)境能量，即風(fēng)能、太陽(yáng)能等，如發(fā)明專利“傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量自供給方法和裝置”(CN102306949A)，采用雙電源供電模式，當(dāng)一個(gè)電源電量耗盡時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)能進(jìn)行充電，但這種方法易受環(huán)境影響，能量獲取不穩(wěn)定。無(wú)線傳能方法避免前面兩種方法的局限性，能全天候?qū)崿F(xiàn)能量供給；無(wú)線傳能方法又可分為電磁感應(yīng)方式、電磁輻射方式、磁耦合諧振方式等，其中磁耦合諧振方式因傳輸功率大、效率高、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)逐步被重視，如發(fā)明專利“一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線充電系統(tǒng)”(CN105006894A)采用磁耦合技術(shù)對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)供電，發(fā)明專利“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電系統(tǒng)”(CN203326733U)采用磁耦合技術(shù)同時(shí)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)供電。

基于磁耦合諧振的無(wú)線可充電節(jié)點(diǎn)，目前廣泛采用直接供電或單一充電電池方案，這帶來(lái)了電池充電過(guò)程工作不穩(wěn)定性。為了避免電池在充電過(guò)程中繼續(xù)放電(給節(jié)點(diǎn)供電)的不穩(wěn)定性問(wèn)題，本實(shí)用新型采用雙電源架構(gòu)，設(shè)計(jì)一款無(wú)線可充電節(jié)點(diǎn)，基于磁耦合諧振充電技術(shù)，檢測(cè)雙電源，自動(dòng)切換電源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限及能量供給穩(wěn)定性問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種無(wú)線可充電節(jié)點(diǎn)。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：無(wú)線可充電節(jié)點(diǎn)由電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊和無(wú)線通信模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)自身能量獲取及監(jiān)控、環(huán)境數(shù)據(jù)采集和處理以及無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能；無(wú)線可充電節(jié)點(diǎn)采用雙電源架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)供電電池不充電，充電電池不放電(即不給節(jié)點(diǎn)供電)，通過(guò)檢測(cè)自動(dòng)進(jìn)行電源切換，避免了電池在充電過(guò)程中繼續(xù)放電(供電)帶來(lái)的不穩(wěn)定性問(wèn)題。

具體來(lái)說(shuō)，所述的無(wú)線通信模塊接收無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基站或其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)到基站或其它節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述的傳感器模塊采集周圍環(huán)境的溫度、濕度、煙霧和結(jié)露數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)提供給處理器模塊。

進(jìn)一步地，所述的處理器模塊通過(guò)無(wú)線通信模塊接收WSN中的基站或其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器模塊采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)以及通過(guò)電源模塊獲取電池?cái)?shù)據(jù)，分析處理這些數(shù)據(jù)，控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的操作。處理器模塊以微處理器為核心，處理數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)，控制節(jié)點(diǎn)的工作方式。

進(jìn)一步地，所述的電源模塊包括能量接收單元、整流單元、濾波單元、穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、能量監(jiān)控和保護(hù)單元、能量存儲(chǔ)單元、放電控制單元、電壓轉(zhuǎn)換單元。能量接收單元是由線圈和電容組成的諧振體，接收電磁波能量，轉(zhuǎn)換成交流電能信號(hào)。整流單元、濾波單元把交流電能信號(hào)整流成直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵?5V電源，供電給能量監(jiān)控和保護(hù)單元。放電控制單元由處理器模塊控制，負(fù)責(zé)選擇主用電池或備用電池作為供電源。電壓轉(zhuǎn)換單元包括+3.7轉(zhuǎn)+5V電路和+3.7V轉(zhuǎn)+3.3V電路，+3.7轉(zhuǎn)+5V電路輸出信號(hào)為傳感器模塊提供電源，+3.7轉(zhuǎn)+3.3V電路輸出信號(hào)為處理器模塊和無(wú)線通信模塊提供電源。

進(jìn)一步地，所述的電源模塊中的能量監(jiān)控和保護(hù)單元檢測(cè)的主用電池和備用電池的能量；判斷主用電池是否滿足供電條件，如果滿足，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電；否則，判斷備用電池是否滿足供電條件，如果滿足，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電；如果主用電池和備用電池都不滿足供電條件，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，等待為其充電；如果主用電池為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，判斷備用電池電量是否滿足充電條件，如果滿足對(duì)其進(jìn)行磁耦合充電，否則不充電；如果備用電池為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，發(fā)出充電請(qǐng)求，準(zhǔn)備為主用電池進(jìn)行磁耦合充電。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)框圖

圖2是本實(shí)用新型的無(wú)線通信模塊原理圖

圖3是本實(shí)用新型的傳感器模塊原理圖

圖4是本實(shí)用新型的處理器模塊原理圖

圖5是本實(shí)用新型的電源模塊原理圖

圖6是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖7是本實(shí)用新型處理器模塊的工作流程圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。

可充電節(jié)點(diǎn)：

如圖1所示，磁耦合諧振可充電節(jié)點(diǎn)包括電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊和無(wú)線通信模塊。

1.無(wú)線通信模塊：

如圖2所示，無(wú)線通信模塊U1的25、26引腳通過(guò)電容C11、C14、C9、C10及電感L2、L3、L4與天線相接，22、23引腳與晶振X1相接，32、33引腳與晶振X2相接，30引腳外接精密電阻R1后接地，40引腳外接電容C16后接地，10、21、24、27、28、29、31、39引腳通過(guò)電感L1接入電源模塊的電源VDD_2，5、6、20、34、35、37、38引腳為調(diào)試接口，41引腳接地。U1的UART接口17、16引腳與處理器U5的2、3引腳相接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.傳感器模塊：

如圖3所示，傳感器模塊包括溫濕度傳感器模塊U3、煙霧傳感器模塊U2和結(jié)露傳感器模塊U4。溫濕度傳感器模塊2引腳接上拉電阻R3與微處理器U5的20引腳相接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，1引腳接電源模塊的電源VDD_2，4引腳接地。煙霧傳感器模塊1、3、5引腳接電源模塊中的電源VDD_3，4、6引腳通過(guò)電阻R4及電容C22接地，6引腳與微處理器U5的19引腳相接，2引腳接地。結(jié)露傳感器模塊U4的1引腳通過(guò)電阻R2接入電源VDD_2，1引腳與微處理器U5的14引腳相接，2引腳接地。

3.處理器模塊：

如圖4所示，微處理器U5的第9引腳連接到VDD_2電源上并通過(guò)電容C23接地，5、6引腳接時(shí)鐘晶振Y1，7引腳接地，8引腳通過(guò)電容C27接地，2、3引腳為UART接口分別和無(wú)線通信模塊的U1的UART接口17、16引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，20引腳與溫濕度傳感器U3的2引腳相接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，19引腳與煙霧傳感器U2的6引腳相接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，14引腳與結(jié)露傳感器U4的1腳相接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，13、15引腳分別與電源模塊的U12、U17的8引腳相接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，1、10引腳分別與電源模塊Q1、Q2連接的R14、R27相接對(duì)U11、U16進(jìn)行控制，11、12引腳分別與電源模塊的U10、U15的4引腳相接進(jìn)行控制，4、18引腳為SWIM接口。

4.電源模塊：

如圖5所示，電源模塊由線圈L7和電容C28、C29組成的諧振體，接收電磁波能量，經(jīng)過(guò)橋式整流電路D1、D2、D4和D5整流，在濾波電容C33、C35、C36作用下輸出穩(wěn)定的直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓電路U8，在濾波電容C38和去耦電容C37作用下穩(wěn)壓成VDD_1電源。U8的輸出作為U11的輸入電源，U11的BAT引腳可以給充電電池充電。U11是一款單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其工作電壓VCC：-0.3V～+8V；待機(jī)模式下的供電電流：55uA；BAT引腳電流：高達(dá)1000mA的可編程充電電流。當(dāng)電池剩余電量不足時(shí)，U11開(kāi)始對(duì)電池進(jìn)行充電，如果電池電壓低于+3V時(shí)，充電器用小電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓超過(guò)+3V時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電池充電，充電電流由電阻R18、R14確定。當(dāng)電池電壓接近+4.2V時(shí)，充電電流逐漸減小，U11進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時(shí)，充電周期結(jié)束。電池保護(hù)單元由U14和U13組成，具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及短路保護(hù)功能。放電控制單元是由微處理器驅(qū)動(dòng)的U12。充電電池的剩余電量、電壓以及電流由智能電池監(jiān)視器U12實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，處理器可以通過(guò)1-Wire總線獲取電池狀態(tài)信息。電池經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓電路U7，在濾波電容C34作用下穩(wěn)壓成VDD_3電源，給傳感器模塊中的煙霧傳感器U2供電。電池經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓電路U6，在濾波電容C30、C31作用下穩(wěn)壓成VDD_2電源，給處理器模塊、無(wú)線通信模塊和傳感器模塊供電。

電源由主用電池和備用電池組成雙電源。一般情況下，主用電池負(fù)責(zé)向節(jié)點(diǎn)供電，當(dāng)節(jié)點(diǎn)主用電池進(jìn)行無(wú)線充電或故障時(shí)，備用電池開(kāi)始工作。

5.節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮更新和維修方便，本實(shí)用新型采用三層結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方案，如圖6所示。上層是無(wú)線通信模塊，中層是傳感器模塊和處理器模塊，下層是電源模塊。

本實(shí)用新型的主流程圖如圖7所示。無(wú)線可充電節(jié)點(diǎn)上電后，運(yùn)行初始化程序。然后讀取存儲(chǔ)區(qū)指令，判斷是否組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后，會(huì)接收匯聚節(jié)點(diǎn)指令，同時(shí)采集能量和傳感信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。檢測(cè)能量存儲(chǔ)模塊中的主用電池和備用電池的能量；判斷主用電池是否滿足供電條件，如果滿足，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，備用電池處于斷開(kāi)狀態(tài)；否則，判斷備用電池是否滿足供電條件，如果滿足，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，主用電池處于斷開(kāi)狀態(tài)；如果主用電池和備用電池都不滿足供電條件，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，等待為其充電；如果主用電池為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，備用電池處于斷開(kāi)狀態(tài)，判斷備用電池電量是否滿足充電條件，如果滿足對(duì)其進(jìn)行磁耦合充電，否則不充電；如果備用電池為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，發(fā)出充電請(qǐng)求，準(zhǔn)備為主用電池進(jìn)行磁耦合充電。