[发明专利]一种基于能量采集的传感器节点供电系统及供电方法

说明书

一种基于能量采集的传感器节点供电系统，包括依次连接的能量采集单元、能量存储单元和电压变换单元，电压变换单元输出端连接传感器节点，其特征在于：还包括供电协调器，供电协调器包括电压监控器和电控开关，电控开关的第一端与能量存储单元的输出端连接，电控开关的第二端与电压变换单元的输入端连接；电压监控器的第一输入端与能量存储单元连接，电压监控器的第二输入端与传感器节点连接，电压监控器的第一输出端与电控开关的控制端连接；电压监控器的第二输出端与传感器节点连接，能量收集状态为能量值满足或不满足传感器节点。还公开了一种供电方法，加快了传感器节点任务执行周期的循环和最大效率使用采集的能量，使传感器节点自适应切换。

技术领域

本发明涉及能量采集领域，特别涉及一种基于能量采集的传感器节点供电系统及供电方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输，传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元，传感器节点基本组成模块有：传感单元、处理单元、通信单元以及电源模块。其中，电源模块为传感器节点提供能量，是整个无线传感器网络的基础模块。受传感器节点体积限制，传感器节点一般采取有限的电池供电，其能量非常有限。为了解决使用电池的缺陷，能量收集技术迅速发展起来，环境中存在丰富的能源，如光能、热能、振动能和射频能量，这些绿色能源“取之不尽，用之不竭”，且不会对环境造成污染。

为了能合理地存储及使用所采集到的能量，基于能量采集的传感器节点运行必须进行有效的能量管理，能量管理方案负责从环境中高效率获取能量，并对此能量的使用进行管理。为了降低传感器节点功耗，目前能量管理方案中传感器节点基本采用运行—休眠切换的方式降低功耗，每次运行时只完成一个任务即进入休眠状态，最大程度地减少能量消耗。

现有的依靠能量采集供电的传感器节点结构如图1所示，其中，能量采集单元将环境能量转换为电能，再利用电压变换单元将其变换成适合传感器节点工作的电压(即电压值V_out)，以便传感器节点运行使用，由于环境能量微弱，采集到的电能不足以维持传感器节点一直处于运行状态，平时传感器节点处于休眠状态，耗电非常小，采集到的电能先存储在能量存储单元中，待能量存储到一定程度(即能量存储单元的输出端电压V_cap升高到一定值)后，传感器节点开启工作，完成一个任务后，又进入休眠状态。由于传感器节点消耗了存储的能量，能量存储单元的输出端电压V_cap会出现下降，须要进行再一次能量采集与存储，方可执行下一次传感器节点任务。

理想情况下，每次存储的采集能量刚好能维持传感器节点一个任务完成，这样使得传感器节点处于最佳的运行--休眠--断电状态之间切换。但是由于以下原因：

(1)、环境能量不确定性，采集到的能量时大时小，每次存储的能量不一定相等；

(2)、由于传感器节点在收发数据时不确定性(如遮挡、多径效应等)，需要多次重发，故同一个任务完成所需要的时间不是定长的。

因此，每次存储的采集能量难以刚好维持传感器节点一个任务执行，大多数会出现如下情况：

(a)、传感器节点完成一个任务后，能量存储单元还存在多余的能量，这表明前期能量采集的时间偏长，即传感器节点休眠时间偏长。

(b)、传感器节点一个任务尚未全部完成，能量存储单元不能为传感器节点正常供电，造成传感器节点因无电供应而停止运行，即前期能量采集的时间偏短，不足以维持传感器节点完成一个完整的任务。

对于问题(a)，虽然未影响传感器节点的任务完成，但延长了任务执行的等待时间，对于实时性要求比较高的物联网来说，未达到理想状态；对于问题(b)，不但传感器节点未完成任务，而且消耗了能量存储单元存储的前期采集到的能量，恶劣情况下还会出现连续几个甚至每次循环都是消耗前期采集到的能量，而传感器节点均无法完成一个完整的任务。

发明内容