无线传感器网络节点的剩余电量的监测方法及其装置制造方法
【专利摘要】无线传感器网络节点的剩余电量的监测方法，包括：建立锂电池RC等效模型，得到离散化后的状态方程；估算当前的状态变量值；更新估计方差，根据方差计算卡尔曼增益；更新状态变量电池剩余电量SOC和电池开路电压；将寄存器中的电压与步骤五中得到的电池开路电压进行对比。使用该方法的装置，包括：用于采样电池的电压、电流和温度的数据收集模块、用于存储数据的Flash存储模块、用于为装置及传感器供电的电压转换模块、电池充电模块、用于接收并处理数据收集模块的电池相关数据的嵌入式微处理器；所述的数据收集模块通过I2C总线与嵌入式微处理器相连接。
【专利说明】无线传感器网络节点的剩余电量的监测方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信中的传感器网络【技术领域】，尤其涉及一种无线传感网络节点的剩余电量监测的装置。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术、MEMS技术、技术技术和无线通信等技术的进步，同时伴随着工业、民用等的需要，越来越多的无线传感器网络运用到生产生活中。由于一般无线传感器节点的体积较小、节点所处环境恶劣、节点数量庞大且随机分布等因素，一般本身所携带的能量十分有限制。传感网络通常以第一个失效节点出现的时间作为衡量无线传感网络节点生命周期的标准。多数情况下，节点所携带的电池能量有限往往是造成节点工作时间有限的主要因素。网络中部分节点掉电失效可导致整个拓扑结构发生变化,甚至导致整个网络通信失败。在无法增加无线传感网络节点的电源容量，同时又无法预知电池的使用时间的情况下，失效的节点需要人为查找。针对节点能量的限制，估算无线传感网络节点电池的剩余电量可以合理充分地利用传感网络中各个节点的电池，增加单个节点的生命周期，从而延长整个网络的寿命。
[0003]在无线传感网络的众多研究中会根据电池的剩余电量来决定算法。在经典的低能耗自适应分簇算法(LEACH)中，簇头结点通信繁忙，工作时间长，能量消耗大，如果把电池剩余电量作为参数之一来选择簇头，则可以有效避免簇头节点提前掉电，无法工作。在媒体介质访问控制MAC协议的研究中，研究人员提出了多种基于竞争的MAC协议，如T-MAC协议、S-MAC协议和Sift-MAC协议等也可引入节点电池剩余电量值作为协议的参数，从而选择低电量的节点进入休眠模式。
[0004]在本发明之前，中国实用新型专利ZL200820143409.9提出了一种由Maxim公司的DS2786独立式电量计芯片和C8051F920组成的检测器，根据电池闲置一段时间后的开路电压来估算可充电锂离子和锂离子聚合物电池的可用电量；高速率放电时使用库仑计来估算相对电量，并根据测得的温度数据进行补偿。该技术主要依靠Maxim公司的DS2786芯片内置的开路电压法和库伦计数法剩余电量检测来估算电池剩余电量。DS2786内部存储了开路电压与电池剩余电量的关系曲线，当电池处于松弛状态时，可以根据芯片内部的存储曲线得到电池剩余电量。DS2786检测到超过15分钟电池放电电流小于10mA，则认为电池进入松弛状态。由于无线传感器网络的特点，节点本身由多种芯片组成并携带有多种传感器，加上需要频繁的进行无线通信，静态电流往往超过这个阈值，加上时间的限定，导致DS2786检测时电池一直处于非空闲状态，从而持续使用库伦计数法估算锂电池的剩余电量，最终使获取的剩余电量估算结果误差较大。2011年3月出版的期刊《化工自动化及仪表》第8卷第350页中指出了一种基于CC2530的锂电池电量检测方案。在设备不工作时，采用电压法来寻找电池的剩余电量，免除了在不工作期对自放电校正的需求；当设备处于工作状态且给电池施加负载时，转而采用电流积分法，无需对负载下的压降进行复杂且不精确的补偿。该技术主要存在的问题是:不能在线方式获得剩余电量，需要通过测量电池空载时的开路电压才能获得较为准确的剩余电量，而传感器网络中的节点往往处于频繁或持续的工作状态，并且只有在工作状态中获得的剩余电量才有意义。
【发明内容】
[0005]本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种无线传感器网络节点的剩余电量的监测方法及其装置，在传感器节点持续工作或无法长时间静置的情况下，实现剩余电量的在线快速估算，且估算精度较高。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]无线传感器网络节点的剩余电量的监测方法，包括下列步骤
[0008]步骤一:建立锂电池RC等效模型，得到离散化后的状态方程；
[0009]首先建立锂电池等效模型，设正电流方向为流入电池正极方向，根据电池模型可以得到如下电路方程:
【权利要求】
1.无线传感器网络节点的剩余电量的监测方法，包括下列步骤 步骤一:建立锂电池RC等效模型，得到离散化后的状态方程； 首先建立锂电池等效模型，设正电流方向为流入电池正极方向，根据电池模型可以得到如下电路方程:
2.如权利要求1所述的方法的实现装置，其特征在于:包括用于采样电池的电压、电流和温度的数据收集模块、用于存储数据的Flash存储模块、用于为装置及传感器供电的电压转换模块、电池充电模块、用于接收并处理数据收集模块的电池相关数据的嵌入式微处理器；所述的数据收集模块通过I2C总线与嵌入式微处理器相连接；所述嵌入式微处理器包括: 数据采集和预处理单元，用于读取DS2786芯片中的电压、电流和温度数据并对读取的数据进行简单的预处理，由嵌入式微处理器采用I2C总线的方式，在初始时立刻读取DS2786中的电压、电流和温度参数，连续读取3次；同时实时监测电池的放电电流小于IOmA且持续15分钟，如满足条件则连续读取3次；对上述读取的数据进行均值化处理，其输出与数据存储处理单元连接； 数据存储处理单元，用于将数据收集模块输出的数据和电池剩余电量计算单元所产生的中间数据存储至Flash存储模块中，同时在DS2786的电压、电流和温度数据发生变化时，需立即通知电池剩余电量计算单元；其输出与电池剩余电量计算单元相连接； 电池剩余电量计算单元，首先建立电池电路等效电路状态方程，然后通过卡尔曼滤波来计算电池剩余电量Soc，同时在收到数据存储处理单元中电压、电流和温度数据更新时，根据新的电压、电流和温度数据进行算法修正。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于:所述的电池为可充电锂离子或锂离子聚合物电池。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于:所述数据收集模块包括美国DallasSemiconductor公司的芯片DS2786和外围无源器件构成电压、电流和温度的采集电路；电池的正极和负极分别与DS2786的第5脚和第9脚相链接，热敏电阻与DS2786的第I脚相连接；DS2786通过I2C总线与嵌入式微处理器相连接。
5.如权利要求2或4所述的装置，其特征在于:所述热敏电阻设置于电池的表面，紧贴电池。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于:所述Flash存储模块通过SPI方式与嵌入式微处理器相连接。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于:所述电压转换模块包括第一升压稳压电路和第二升压稳压电路；所述第一升压稳压电路用于提供3.3V直流电源；所述第二升压稳压电路用于提供5V直流电源。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于:所述电池充电模块包括保险丝、第一滤波电容、充电管理电路和指示灯电路；所述的充电管理电路包括充电开关芯片和充电控制芯片。
9.如权利要求2或8所述的无线传感器网络节点的剩余电量监测装置，其特征在于:所述电池充电模块通过MinUSB给电池进行充电，在充电时由USB提供供电。
10.如权利要求2所述的装置，其特征在于:所述的嵌入式微处理器可采用独立微处理器或与无线传感器节点 中的微处理器共用。
【文档编号】G01R31/36GK103823187SQ201410029470
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】顾东袁, 杨东勇, 何伟, 卢瑾, 傅晓婕, 王杰, 周龙, 朱超峰 申请人:浙江工业大学