一种基于多元能量收集的能量管理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多元能量收集的管理方法，能够保证节点收发数据的完整性，有效减少系统能量的泄露和损耗：第一，本发明专利技术利用天线接收射频信号，设计阻抗匹配并进行多级倍压，提高充电电压和能量利用效率；第二，选择超级电容保证储能充分，通过中心极限定理得到电容能量利用效率与电容电压之间存在着近似正态分布的关系，求解电容最优充放电区间；第三，系统设计了有限状态机来控制充电和放电的状态，同时保证了节点数据传输完整性；该方法能够为物联网实现不受电池限制的大规模部署奠定基础。

An energy management method based on multi energy collection

【技术实现步骤摘要】
一种基于多元能量收集的能量管理方法
本专利技术属于无源感知的应用领域，具体涉及一种基于多元能量收集的能量管理方法。
技术介绍
物联网新应用在智能家居、智能穿戴、智慧城市，以及健康护理等等受到广泛应用，但是物联网节点能源问题是限制其发展的重要瓶颈。目前大多数节点都是电池作为能源驱动的，电池驱动的限制之处在于：第一，需要频繁更换，增加成本；第二，在很多可穿戴设备应用场景中，节点体积会受到电池大小的局限。因此，如果能使物联节点在“无源”(不带电池)的情况下，仍然保障信息的感知、处理和远距离传输，就有望突破物联网的能耗瓶颈，促使物联网大型化和普适化。例如，针对健康护理方面，当人体植入电子器官时，更换器件电池十分麻烦，若能够做到无源充电将很大程度上减轻患者的痛苦，实现长期监测。现有的能量收集工作分为以下几类：太阳能、热能、风能、机械能以及射频能量收集等，但太阳能、风能、热能都会因环境和时间的改变而影响收集。机械能不受时间限制，但物体静止时无法获得。射频能量不受环境和物体运动状态的限制，但环境能量微弱，从自然环境中提取出来存在一定难度。大多基于单一能量源收集能量，收集效率有限；缺乏具有系统级能耗优化和解决方案的能量管理模块。第一，不能合理安排电容的充放电状态，即在充电状态(能量收集)和放电状态(后向散射和传感)之间进行合理切换。第二，不能保证有足够能源，驱动后级电路接收完整的数据，因能源消耗而造成的数据丢失。第三，能源管理模块本身需要消耗功耗，而且又要保证后级电路具有较低的静态功耗以及能量的泄露。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于多元能量收集的能量管理方法，该能量管理方法具有低功耗的特点，并能够保证数据传输的完整性。该方法包括以下步骤：步骤1，采用射频能量收集源对射频信号、光、机械运动、温差及其结合作为能量源来实现多元能量收集；步骤2，利用ADS仿真画出史密斯原圆图，实现阻抗匹配，构建单天线多频段阻抗匹配网络，多频带收集由单个宽带天线组成，馈送收集器频带阵列，每个频带均用于瞄准特定频率范围；步骤3，构建杰克逊五级倍压电路，将通过天线收集到的射频信号整流为直流电压，同时实现五级倍压放大的作用；步骤4，采用分布式小电容组替代单个大电容，将每种能量收集方式收集的能量收集到电容组中的一个电容中，实现多通道多元能量收集，并选取超级电容SCDM3R3224作为储能电容，为后续节点和传感器供电；步骤5，利用中心极限定理确定合适的充放电电压范围；步骤6，利用基于有限状态机模型的电流闸，实现系统级能量管理优化。其中，所述射频能量收集端，射频能量源信号的发射端和能量收集接收端均采用商用的全向天线。其中，所述倍压电路的构建包括五个肖特基二极管HSM-285C，4个10pf电容和5个7pf电容。其中，所述确定合适的充放电电压范围包括：采用细粒度划分方法，并根据中心极限定理，计算充放电的中值电量E0，求解邻域σ，使充放电过程中电容电量始终处于E0±σ之间，求解电容充放电的最优区间。其中，所述实现系统级能量管理优化利用电源管理模块进行管理，所述的电源管理模块包括能量收集模块、控制模块、输出模块，能量收集模块实现能量的有效收集；控制模块控制合理的充放电时间、切换系统的工作和休眠状态；输出模块保证输出稳定的电压。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：本专利技术采用多元能量收集方式，保证了能量收集的高效性；能量管理模块本身具有低功耗的特性，且电流闸的设计最大限度的避免了传感器和处理器的静态能量消耗；基于有限状态机模型设计，保证了数据传输的完整性。附图说明图1史密斯圆图；图2多阻抗匹配图电路图；图3多通道多元能量收集原理图；图4电源管理设计原理图；图5有限状态机状态转换图；图6三种能量收集模式充电效率对比图；图7电容充放电及其正态分布图。具体实施方式步骤1，可选取射频信号、光、机械运动、温差结合作为能量源来实现多元能量收集；光照可以使太阳光，也可以是室内LED灯的正常照明光照下。射频信号可以选取WIFI信号(常用的WIFI路由器即可)、Lora信号(商用LoRa节点)。步骤2，针对射频能量收集，射频能量源信号的发射端，和能量收集接收端均可采用商用的全向天线。步骤3，构建单天线多频段阻抗匹配网络。在进行RF射频能量收集之前，需要通过阻抗匹配，避免由于阻抗不匹配造成信号相位频率发生偏移，进而导致能量损失。如图(1)左图所示，我们通过ADS仿真得到史密斯原图并根据结果进行阻抗匹配。同时，考虑到现实场景中往往是多频段射频信号共存，本专利技术采取多阻抗匹配实现多频段射频能量收集。步骤4，构建杰克逊倍压电路，将通过天线收集到的交流电压转换为直流电压(即整流)，并将电信号进行多级放大。由于可传输的功率量和与电磁传播相关的路径损耗的限制，实际到达标签的功率非常小。因此，功率采集电路必须通过将非常有限的输入射频功率转换为具有足够电压的直流功率来激活标签来实现最大化操作距离。天线接收到的射频功率被馈送到标签的前端，进行阻抗匹配之后，需要设计倍压电路进行放大。本专利技术采用杰克逊倍压电路，功率放大，并将交流输入信号转换为直流电，然后馈入存储电容器。倍压电路原理图如图(3)所示。该倍压电路的构建包括五个射频肖特基二极管(HSM-285C)，4个10pf电容、5个7pf电容。步骤5，选取储能电容，本专利技术选取超级电容(SCDM3R3224)为例作为储能电容，能够存储足够的能量，为后续节点和传感器供电。在进行能量收集时，本专利技术结合了光、射频信号、机械运动、温差进行多元能量收集。但是通过实验中发现，当结合光和射频能量进行能量收集时，太阳能的能量收集效率大于射频能量和太阳能协同工作充电效率，大于仅射频能量收集。实验结果如图(7)所示。这是因为本专利技术采取多元能量收集，多种异质能量源同时将电量存储到超级电容，由于导能通道竞争和储能元件资源竞争，出现不同能量源的电量在电容处抵消的现象，导致多元能量收集充电效率反而低于单一能源充电效率的现象。因此，为提高能量收集效率，采用分布式小电容组替代单个大电容，可以将每种能量收集方式收集的能量收集到电容组中的一个电容，实现多通道多元能量收集。另外值得注意的是，为了避免反向充电，将射频信号进行整流和放大之后，在五级倍压电路后串联一个二极管(RB751S40T1)。为了防止电流过大损坏后级电路，反向并联一个二极管(ESD5Z3.3T1)和电容(10uf)。具体电路图见图(3)。步骤6，实现多元能量收集之后，将能量存储在电容中，为了平衡充电效率和尽可能延长标签工作时间，需要选取合适的工作电压范围，保证较高的充电速度，并储存足够的能量给节点供电。因为电容能量大时负载能力高但放电速度快，电容能量小时速度慢但负载能力低；根据图(7)所描述的电容充放电曲线，综合考虑电容电量和充、放电速度关系，并进行概率计算，求解得到电容充放电过程中的能量利用率具有如图(7)所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多元能量收集的能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，采用射频能量收集源对射频信号、光、机械运动、温差及其结合作为能量源来实现多元能量收集；/n步骤2，利用ADS仿真画出史密斯原圆图，实现阻抗匹配，构建单天线多频段阻抗匹配网络，多频带收集由单个宽带天线组成，馈送收集器频带阵列，每个频带均用于瞄准特定频率范围；/n步骤3，构建杰克逊五级倍压电路，将通过天线收集到的射频信号整流为直流电压，同时实现五级倍压放大的作用；/n步骤4，采用分布式小电容组替代单个大电容，将每种能量收集方式收集的能量收集到电容组中的一个电容中，实现多通道多元能量收集，并选取超级电容作为储能电容，为后续节点和传感器供电；/n步骤5，利用中心极限定理确定合适的充放电电压范围；/n步骤6，利用基于有限状态机模型的电流闸，实现系统级能量管理优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多元能量收集的能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用射频能量收集源对射频信号、光、机械运动、温差及其结合作为能量源来实现多元能量收集；
步骤2，利用ADS仿真画出史密斯原圆图，实现阻抗匹配，构建单天线多频段阻抗匹配网络，多频带收集由单个宽带天线组成，馈送收集器频带阵列，每个频带均用于瞄准特定频率范围；
步骤3，构建杰克逊五级倍压电路，将通过天线收集到的射频信号整流为直流电压，同时实现五级倍压放大的作用；
步骤4，采用分布式小电容组替代单个大电容，将每种能量收集方式收集的能量收集到电容组中的一个电容中，实现多通道多元能量收集，并选取超级电容作为储能电容，为后续节点和传感器供电；
步骤5，利用中心极限定理确定合适的充放电电压范围；
步骤6，利用基于有限状态机模型的电流闸，实现系统级能量管理优化。


2.根据权利要求1所述的一种基于多元能量收集的能量管理方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭瑶，王俊，郭军，何娟，赵宇航，陈晓江，汪霖，章勇勤，房鼎益，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61