Устройство электропитания узлового элемента беспроводной сенсорной сети
WIRELESS SENSOR NETWORK NODE POWER SUPPLY DEVICE

Изобретение относится к области электропитания радиоэлектронного оборудования и может быть использовано с целью обеспечения бесперебойного питания элементов беспроводной сенсорной сети (БСС).
Обеспечение надежного круглосуточного электропитания имеет важное значение для эффективной работы элементов БСС. В зависимости от назначения, специфики построения и условий работы БСС [3], их узловые элементы могут питаться как от автономных источников электроэнергии, нуждающихся в периодической подзарядке или замене (аккумуляторные, химические батареи) [1, 2], так и от альтернативных источников (солнечные батареи, ветровые генераторы и др.) [1, 2]. Из уровня техники известен также ряд способов комбинированного применения разных источников, которые сочетают их достоинства.
В широко распространенных сенсорных узлах Mica, Telos, Iris и др. [4] основным источником электропитания является аккумуляторная батарея, нуждающаяся в периодической подзарядке. В системе энергоменеджмента элементов БСС Prometeus [4] для подзарядки аккумуляторов и резервирования электропитания используется солнечная батарея, постоянно подключенная к узлу БСС. Перспективной технологией подзарядки аккумуляторов является беспроводная передача электроэнергии [7] с использованием автоматизированных транспортных носителей (автомобилей, подвижных роботов, беспилотных летательных аппаратов - БПЛА) [9]. Передача электроэнергии при этом осуществляется посредством доставки зарядного устройства транспортным носителем к узлу БСС на расстояние, при котором достигается его необходимое по эффективности воздействие электромагнитным путем на аккумуляторные батареи.
Наиболее близким по технической сущности является система Prometeus [4], где для подзарядки аккумуляторной батареи используется солнечная батарея. Прототип обеспечивает удовлетворительное по энергетическим показателям, однако недостаточно надежное электропитание элемента БСС ввиду невозможности подзаряжать аккумуляторную батарею в сумеречное и темное время суток, а также на слабоосвещенных участках сенсорного поля [4]. Замена солнечной батареи другим альтернативным источником электроэнергии: ветровым генератором, вибропреобразователем механических колебаний, радиоактивным элементом и т.д. - не позволяет решить проблему ввиду ограничений, обусловленных стоимостью, массогабаритными показателями и безопасностью для окружающей среды узловых элементов БСС.
Предлагаемое решение проблемы состоит в том, чтобы использовать в составе узла БСС управляемый ректенный блок, позволяющий производить беспроводную подзарядку аккумуляторной батареи от зарядного устройства, доставляемого БПЛА к узлу БСС на расстояние, при котором достигается его необходимое по эффективности воздействие на перезаряжаемую аккумуляторную батарею. Способ подзарядки аккумуляторов в системах электропитания БСС с применением транспортных носителей разного типа, включая БПЛА, в настоящее время известен из уровня техники [10].
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение надежного электропитания узла БСС благодаря возможности круглосуточной подзарядки аккумуляторной батареи при помощи зарядного устройства, доставляемого к нему посредством БПЛА на расстояние, при котором достигается необходимое по эффективности беспроводное электромагнитное воздействие зарядного устройства на аккумуляторную батарею.
Сущность предлагаемого устройства электропитания узлового элемента БСС, которое включает узел БСС, солнечную батарею, первый управляемый переключатель, блок контроля и управления, аккумуляторную батарею и второй управляемый переключатель, где выход солнечной батареи подключен к первому входу первого управляемого переключателя, первый выход которого подключен ко входу узла БСС, а вторые вход и выход соединены со вторым выходом и первым входом блока контроля и управления; первый выход которого подключен к аккумуляторной батарее, а третий выход - к первому входу второго управляемого переключателя, второй вход которого подключен к аккумуляторной батарее, а выход - ко входу узла БСС, состоит в том, что в его состав введены третий управляемый переключатель и ректенный блок, выход которого подключен ко второму входу третьего управляемого переключателя, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока контроля и управления, а выход - с аккумуляторной батареей.
Фиг. 1 показывает систему энергоменеджмента узловых элементов БСС Prometeus (прототип предлагаемого устройства), где фигурируют узел БСС 1, солнечная батарея 2, первый управляемый переключатель 3, блок контроля и управления 4, аккумуляторная батарея 5 и второй управляемый переключатель 6.
Фиг. 2 иллюстрирует вариант реализации предлагаемого устройства, где элементы Фиг. 1 дополнены третьим управляемым переключателем 7 и управляемым ректенным блоком 8, который состоит из многовитковой рамочной антенны с выпрямителем.
Фиг. 3 демонстрирует возможные варианты реализации ректенного блока 8, которые используются в миниатюрных и микромодульных конструкциях узловых элементов БСС.
Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.
Э
В первом штатном режиме узел БСС 1 (см. Фиг. 1) управляется либо вручную оператором, либо автоматически от процессора центрального узла БСС, с которым связан каналами двухстороннего обмена рабочей и служебной информацией (на схеме Фиг. 1 эти каналы не показаны). Электропитание узла БСС 1 в системе Prometeus осуществляется от солнечной батареи 2, выход которой через первый вход и первый выход первого управляемого переключателя 3 подключен к первому основному входу узла БСС 1, на который подается напряжения электропитания U. Одновременно осуществляется резервирование электропитания путем подключения солнечной батареи 2, через второй выход первого управляемого переключателя 3, а также первый вход и первый выход блока контроля и управления 4, к аккумуляторной батарее 5.
Э
В результате указанной коммутации солнечная батарея 2, во-первых, осуществляет электропитание узла БСС 1, во-вторых, производит подзарядку аккумуляторной батареи 5. Информацию о включенном состоянии первого управляемого переключателя 3, а также об уровне напряжения U, блок контроля и управления 4 по служебному каналу в установленном порядке передает на центральный узел БСС.
Э
К
Э
В ситуации, когда напряжение U уменьшается ниже установленной нормы, устройство переходит во второй режим. При этом на второй вход блока контроля и управления 4 от узла БСС 1 поступает сигнал U, который через его второй выход воздействует на второй вход первого управляемого переключателя 3 и отключает солнечную батарею 2 от узла БСС 1. Одновременно сигнал с третьего выхода блока контроля и управления 4 воздействует на первый вход второго управляемого переключателя 6 и обеспечивает подачу через его второй вход и выход напряжения U от аккумуляторной батареи 5 к узлу БСС 1. Информацию о включенном втором управляемом переключателе 6 и отключенном первом управляемом переключателе 3 блок контроля и управления 4 по служебному каналу передает на центральный узел БСС.
Э
Во втором режиме система Prometeus работает до тех пор, пока оператору или процессору центрального узла БСС не удастся вновь подключить солнечную батарею 2 через первый управляемый переключатель 3 к узлу БСС 1 на том основании, что напряжение на ее выходе имеет уровень, достаточный как для электропитания узла БСС 1 напряжением U, так и для его резервирования путем подзарядки аккумуляторной батареи 5.
Э
Недостатки прототипа обусловлены неопределенностью условий работы солнечной и аккумуляторной батарей. В сумеречное и темное время суток, а также при отсутствии интенсивного освещения днем, энергетики солнечной батареи 2 может быть недостаточно для обеспечения нормального уровня напряжения U и параллельной подзарядки аккумуляторной батареи 5. Поскольку емкость последней существенно ограничена допустимыми массогабаритными параметрами оборудования, велика вероятность, что ее не хватит для нормального функционирования узла БСС 1 до тех пор, пока работоспособность солнечной батареи 2 не будет восстановлена. Центральный узел БСС никакой возможности повлиять на ситуацию в устройстве-прототипе не имеет.
С целью устранения указанного недостатка целесообразно использовать управляемый БПЛА, осуществляющий доставку зарядного устройства к узлам БСС с точностью, заданной средствами ручного операторского, автоматизированного и др. позиционирования БПЛА - данный способ в настоящее время известен из уровня техники. Однако для этого конструкция устройства электропитания узлового элемента БСС должна быть изменена предлагаемым образом.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Э
К
В представленной критической ситуации, когда действий блока контроля и управления 4, а также центрального узла БСС, предусмотренных в устройстве-прототипе, недостаточно для нормализации уровня напряжения U, узел БСС 1 по служебному каналу осуществляет запрос на подзарядку аккумуляторной батареи 5 посредством БПЛА. Оператор (в автоматизированной системе управления БСС процессор) центрального узла БСС, с которым узел БСС 1 связан каналами двухстороннего обмена рабочей и служебной информацией, реализует трансфер и приземление БПЛА в месте размещения узла БСС 1 на расстоянии от него, при котором обеспечивается необходимое по эффективности беспроводное электромагнитное воздействие зарядного устройства БПЛА на аккумуляторную батарею 5. Одновременно сигнал U с контрольного выхода узла БСС 1 через второй вход и четвертый выход блока контроля и управления 4 воздействует на первый вход третьего управляемого переключателя 7 и подключает, через его второй вход и выход, ректенный блок 8 к аккумуляторной батарее 5 на время, необходимое для ее эффективной подзарядки.
Э
После нормализации напряжения U коммутация элементов схемы Фиг. 2 соответствует второму режиму работы устройства-прототипа. Предлагаемое устройство соответствует современному уровню техники в области БСС, удобно для практической реализации и позволяет повысить эффективность функционирования узловых элементов БСС.
ЛИТЕРАТУРА
1. B. Scrosati, R.J. Neat. Lithium polymer batteries, in: Applications of Electroactive Polymers, Springer, 1993, pp. 182-222.
2. Nickel metal hydride battery- http://www.batteryspace.com/nimhpacks24-48v.aspx.
3. B. Tong, G. Wang, W. Zhang, C. Wang, Node reclamation and replacement for long-lived sensor networks, in: Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2009. SECON’09. 6th Annual IEEE Communications Society Conference on, IEEE, 2009, pp. 1-9.
4. X. Jiang, J. Polastre, D. Culler, Perpetual environmentally powered sensor networks, in: Information Processing in Sensor Networks, 2005. IPSN 2005. Fourth International Symposium on, IEEE, 2005, pp. 463-468.
5. J. Sheu, P. Cheng, K. Hsieh, Design and implementation of a smart mobile robot, in: Wireless And Mobile Computing, Networking And Communications, 2005.(WiMob’2005), IEEE International Conference on, Vol. 3, IEEE, 2005, pp. 422-429.
6. A. LaMarca, W. Brunette, D. Koizumi, M. Lease, S. Sigurdsson, K. Sikorski, D. Fox, G. Borriello, Making sensor networks practical with robots, Pervasive Computing (2002) рр. 615-622.
7. R. Doost, K. Chowdhury, M. Di Felice. Routing and link layer protocol design for sensor networks with wireless energy transfer, in: GLOBECOM 2010, 2010 IEEE Global Telecommunications Conference, IEEE, 2010, pp. 1-5.
8. L. Xie, Y. Shi, Y. T. Hou, H. D. Sherali, Making sensor networks immortal: An energy-renewal approach with wireless power transfer, IEEE/ACM Transactions on Networking (TON) 20 (6) (2012) рр. 1748-1761.
9. Powercast corporation, p2000 series 902 928 mhz powerharvester development kit. http://www.powercastco.com/products/development-kits/.
10. Лихтциндер Б.Я., Маслов О.Н. Способ подзарядки аккумуляторов в беспроводной сенсорной сети. Патент РФ № 2730468 от 24.08.2020.