[发明专利]一种无线网络传感器节点的能量供装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于环境能量利用技术领域，涉及一种无线传感器网络节点的能量供给装置和方法。

背景技术

基于电池供电的传感器网络节点电源无法替换或者可以替换却成本很高，导致能量消耗问题直接影响网络的生命周期。获得环境能量的方法可以使低功耗设计免除传统电力线和电池的束缚。

很多系统如小型无线连网传感器节点和消费市场上的低成本计算器对电源有严格限制，这涉及到远程位置、成本考虑、便携程度的需求以及其他因素。另外，转向无线通信的大趋势淘汰了系统中很多有线电缆，因而设计师希望能使系统脱离电源线和充电器的束缚，而采用能量采集器(Energy harvester)。这种小型模块可将大多数工作环境中的能量转化为适宜的电能。最常用的能量采集器是小型太阳能电池，或将机械振动转化为电能的电磁模块等。

当然，电池也可以使系统免除电源线的麻烦，但由于成本的原因限制了系统的工作寿命。在两年使用期以后，振动能量采集器便能优于锂电池。如果你的设备寿命在10年以上，则振动能源或太阳能能源就要好于任何电池技术。在系统整个生命周期的拥有成本中，劳动力成本也会增添一种起抑制使用作用的额外费用，因此最好能免除更换电池的工作。

从不利的一面来看，依赖于采集能量的系统其功耗必须尽量低。系统的功耗涉及传感器网络软件、硬件各个层面的能量消耗问题，功耗问题甚至决定了网络生命周期。从网络构成及其运行过程而言，节点各个子系统的能量消耗又相互影响，此消彼长，针对单一子系统的能量消耗控制策略并不能从根本上解决问题。因此必须结合网络的应用环境，从器件选择、数据处理算法的有效性和复杂性、数据通信量和网络运行机制等方面兼顾各个子系统的功能特点和性能要求，整体上评估能量消耗问题，必要时甚至适当降低性能标准，以设计相应的消耗控制策略，有效延长网络生命周期。总体上而言，传感器网络能量消耗控制策略应着重从器件本身的功耗特殊性、休眠进入原则、缩短通信距离和减少网络流量这几个方面进行量化和设计。然而到目前为止，传感器网络的能量有效性还没有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的标准，需要更进一步地深入研究。

除了研究系统的低功耗技术外，就要尽可能多的从环境汲取能量。为了达到这一目的，可以用几种能量采集器获得不同形式的能源，包括光开关致动器、直线运动变换器、机械振动、热梯度，以及阳光等。

随着越来越多的设计工程师采用能量采集器作为电源，设计低耗能系统与选择能源同等重要的事情，本发明主要针对能源供应方面的设计。

发明内容

本发明的目的在于给无线网络传感器节点提供一个连续供电的系统，为此，本发明提供一种无线网络传感器节点的能量供装置和方法。

为达到上述目的，本发明的第一方面，是提供一种无线网络传感器节点的能量供给装置包括：

能量挖掘模块、能量存储模块、后备能源供给模块和能量管理控制模块，其中：

能量挖掘模块，用于采集环境中的能量，能量挖掘模块输出的能量由能量管理控制模块进行管理；

能量存储模块，用于存储能量挖掘模块采集到的能量；

后备能源供给模块，用于在环境能量不满足系统能量消耗的情况下负责系统的能量供给，实现无线网络传感器节点的能量供应；

能量管理控制模块，用于控制能量存储模块和后备能源供给模块为系统供电。

根据本发明的实施例，所述的能量挖掘模块是采用将各种形式的环境能源转化为电能的模块。

根据本发明的实施例，所述的能量存储模块有一个或多个层次，根据具体需要确定层次的数目，每个层次的能量存储模块分别给系统供电，每个层次的能量存储模块能重复储存和释放能量。

根据本发明的实施例，所述的后备能源供给模块是长期保持自身能量的模块，即在不使用后备能源供给模块中的能量时，后备能源供给模块中的能量重复为自身补充能量。

根据本发明的实施例，所述的能量管理控制模块监控能量存储模块和后备能源供给模块的能量状态，根据监控所得的能量状态数据，控制能量存储模块和后备能源供给模块给系统供电。

根据本发明的实施例，所述的能量管理控制模块的能量状态监控端I/O分别与能量存储模块和后备能源供给模块的被监控输出端连接，用于监控能量存储模块和后备能源供给模块的能量，根据监控所得的能量数据，自动控制能量存储模块和后备能源供给模块给系统供电；所述的能量管理控制模块包括：开关模块和微控制器，开关模块的一输入端与微控制器的开关控制端I/O连接，用于控制开关模块的闭合和断开。