[發明專利]無線傳感器網絡節點電源管理中的電池電壓均衡輸出優化系統

無效

• 申請號: 201010182969.7
• 申請日: 2010-05-26
• 公開（公告）號: CN102263420A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 易衛東;趙俊淋
• 申請（專利權）人: 中國科學院研究生院
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡領域的電源供應，特別是涉及一種高效率多電池電壓輸出方法及系統

背景技術

無線傳感器網路是由一組分布在設定位置的多個傳感器節點以無線自組織方式構成的無線網絡，用于傳感器節點協作地感知采集和處理該網絡覆蓋的地理區域中感知對象信息并及時向用戶發布感測結果的網絡。

無線傳感器網絡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路中節點都是采用電池供電，能量有限，并且傳感器節點本身采用軟件或者硬件的方法減少自身和網絡的耗電量，使得采用電池供電的節點較長時間甚至幾年的工作壽命成為了可能。

無線傳感器節點本身大多采用3V甚至更低的電源電壓供電，為兩節干電池的串聯電壓。而許多傳統的傳感器，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的方法得到解決。傳統的方法有兩種：一種是將多節干電池串聯得到較高電壓，然后通過線形穩壓的方式獲得傳感器網絡芯片所需的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，并且絕大多數的升壓芯片靜態電流就已經超過整個節點的功耗，使得大量的能量流失。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種傳感器網絡節點中高效率多電池電壓輸出方法及其應用系統，實現節點電池電能的高效率應用。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

電池的放置系統由多節電壓相同的電池組成，兩種或多種輸出電壓皆是每節電池電壓的整數倍。每節電池的正負兩端同時引出到后級的程控矩陣開關系統，以改變各節電池之間的連接方式；程控矩陣開關系統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；程控矩陣開關的輸出端連接到備用電容或者短時充電電池上，為后級設備提供短時供電電源。

由于采用了以上的技術方案，本發明具有如下優點：

(1)本發明的實用范圍為電池供電的多電壓傳感器系統，能夠供給兩路或者兩路以上的電池串并聯電壓。

(2)本發明基于低功耗無線傳感器網絡，在提供外圍傳感器電壓和傳感器網絡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)本發明采用程控開關矩陣控制電池的連接方式，能夠輸出所有電池串聯的和電壓，也能夠輸出某一節或者某幾節電池串聯的電壓。

(4)本發明的輸出一節或這幾節串聯電壓的模組在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，而不會導致某一節或這幾節電池過早的用光。

(5)本發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絡芯片所使用的較低的電壓供用同一個地線。

(6)本發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絡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之下。

附圖說明

圖1為本發明系統組成結構的整體示意圖；

圖2為本發明供電實例結構框圖；

圖3為本發明程控矩陣開關工作流程示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明包括三個主要部分：電池放置系統、程控矩陣開關系統和后級穩壓系統。

其中，電池放置系統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系統的輸入端方便程控矩陣開關系統控制。

程控矩陣開關系統，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，程控矩陣開關內部為場效應組成的開關陣列，在處理器控制輸入端的控制下實現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電壓，另外一組輸出電壓為某一數量電池串聯電壓，同時可以通過處理器的控制輸入端實現為某一數量電池串聯輸出電壓時所選擇的電池可以隨著時間改變。實現電池電量的均勻消耗。