[發明專利]一種無線網絡傳感器節點的能量供裝置和方法

有效

• 申請號: 200710065331.3
• 申請日: 2007-04-11
• 公開（公告）號: CN101286853A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: 趙湛;張玉國;方震;郭鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: H04L12/10
• 分類號: H04L12/10;H02J9/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明屬于環境能量利用技術領域，涉及一種無線傳感器網絡節點的能量供給裝置和方法。

背景技術

基于電池供電的傳感器網絡節點電源無法替換或者可以替換卻成本很高，導致能量消耗問題直接影響網絡的生命周期。獲得環境能量的方法可以使低功耗設計免除傳統電力線和電池的束縛。

很多系統如小型無線連網傳感器節點和消費市場上的低成本計算器對電源有嚴格限制，這涉及到遠程位置、成本考慮、便攜程度的需求以及其他因素。另外，轉向無線通信的大趨勢淘汰了系統中很多有線電纜，因而設計師希望能使系統脫離電源線和充電器的束縛，而采用能量采集器(Energy?harvester)。這種小型模塊可將大多數工作環境中的能量轉化為適宜的電能。最常用的能量采集器是小型太陽能電池，或將機械振動轉化為電能的電磁模塊等。

當然，電池也可以使系統免除電源線的麻煩，但由于成本的原因限制了系統的工作壽命。在兩年使用期以后，振動能量采集器便能優于鋰電池。如果你的設備壽命在10年以上，則振動能源或太陽能能源就要好于任何電池技術。在系統整個生命周期的擁有成本中，勞動力成本也會增添一種起抑制使用作用的額外費用，因此最好能免除更換電池的工作。

從不利的一面來看，依賴于采集能量的系統其功耗必須盡量低。系統的功耗涉及傳感器網絡軟件、硬件各個層面的能量消耗問題，功耗問題甚至決定了網絡生命周期。從網絡構成及其運行過程而言，節點各個子系統的能量消耗又相互影響，此消彼長，針對單一子系統的能量消耗控制策略并不能從根本上解決問題。因此必須結合網絡的應用環境，從器件選擇、數據處理算法的有效性和復雜性、數據通信量和網絡運行機制等方面兼顧各個子系統的功能特點和性能要求，整體上評估能量消耗問題，必要時甚至適當降低性能標準，以設計相應的消耗控制策略，有效延長網絡生命周期。總體上而言，傳感器網絡能量消耗控制策略應著重從器件本身的功耗特殊性、休眠進入原則、縮短通信距離和減少網絡流量這幾個方面進行量化和設計。然而到目前為止，傳感器網絡的能量有效性還沒有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的標準，需要更進一步地深入研究。

除了研究系統的低功耗技術外，就要盡可能多的從環境汲取能量。為了達到這一目的，可以用幾種能量采集器獲得不同形式的能源，包括光開關致動器、直線運動變換器、機械振動、熱梯度，以及陽光等。

隨著越來越多的設計工程師采用能量采集器作為電源，設計低耗能系統與選擇能源同等重要的事情，本發明主要針對能源供應方面的設計。

發明內容

本發明的目的在于給無線網絡傳感器節點提供一個連續供電的系統，為此，本發明提供一種無線網絡傳感器節點的能量供裝置和方法。

為達到上述目的，本發明的第一方面，是提供一種無線網絡傳感器節點的能量供給裝置包括：

能量挖掘模塊、能量存儲模塊、后備能源供給模塊和能量管理控制模塊，其中：

能量挖掘模塊，用于采集環境中的能量，能量挖掘模塊輸出的能量由能量管理控制模塊進行管理；

能量存儲模塊，用于存儲能量挖掘模塊采集到的能量；

后備能源供給模塊，用于在環境能量不滿足系統能量消耗的情況下負責系統的能量供給，實現無線網絡傳感器節點的能量供應；

能量管理控制模塊，用于控制能量存儲模塊和后備能源供給模塊為系統供電。

根據本發明的實施例，所述的能量挖掘模塊是采用將各種形式的環境能源轉化為電能的模塊。

根據本發明的實施例，所述的能量存儲模塊有一個或多個層次，根據具體需要確定層次的數目，每個層次的能量存儲模塊分別給系統供電，每個層次的能量存儲模塊能重復儲存和釋放能量。

根據本發明的實施例，所述的后備能源供給模塊是長期保持自身能量的模塊，即在不使用后備能源供給模塊中的能量時，后備能源供給模塊中的能量重復為自身補充能量。

根據本發明的實施例，所述的能量管理控制模塊監控能量存儲模塊和后備能源供給模塊的能量狀態，根據監控所得的能量狀態數據，控制能量存儲模塊和后備能源供給模塊給系統供電。

根據本發明的實施例，所述的能量管理控制模塊的能量狀態監控端I/O分別與能量存儲模塊和后備能源供給模塊的被監控輸出端連接，用于監控能量存儲模塊和后備能源供給模塊的能量，根據監控所得的能量數據，自動控制能量存儲模塊和后備能源供給模塊給系統供電；所述的能量管理控制模塊包括：開關模塊和微控制器，開關模塊的一輸入端與微控制器的開關控制端I/O連接，用于控制開關模塊的閉合和斷開。