[0038] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0039] 如图2所示，一种基于能量采集的传感器节点供电系统包括用于将环境能量转换成电能的能量采集单元、能量存储单元、供电协调器和电压变换单元，能量采集单元、能量存储单元和电压变换单元依次连接，电压变换单元输出端连接传感器节点，用于将能量存储单元储存的电能变换成适合传感器节点工作的电压，供电协调器包括电压监控器和电控开关K，电控开关K的第一端与能量存储单元的输出端连接，电控开关K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，用于采集能量存储单元的能量收集状态；电压监控器的第二输入端与传感器节点连接，用于采集传感器节点的工作状态；电压监控器的第一输出端与电控开关K的控制端连接，用于控制电控开关K的断开与闭合；电压监控器的第二输出端与传感器节点连接，用于将能量收集状态传输至传感器节点；能量收集状态为能量值满足传感器节点工作或能量值不满足传感器节点工作。
[0040] 当传感器节点处于工作状态时，电压监控器的第二输入端En采集的电平为高电平；当传感器节点处于非工作状态时，电压监控器的第二输入端En采集的电平为低电平，非工作状态分为两种情况：第一种，当能量存储单元的输出端电压Vcap大于最小电压值Vmin且小于最大电压值Vmax时，表示传感器节点处于休眠状态；第二种，能量存储单元的输出端电压Vcap放电降至最小电压值Vmin时，则电压监控器控制电控开关K断开与电压变换单元的连接，电压变换单元的输出端电压Vout为零，电压监控器的第二输入端En采集的电平被拉至低电平。
[0041] 当能量存储单元的输出端电压Vcap升至最大电压Vmax时，则电压监控器的第二输出端Int电压置为高电平，通知传感器节点开启工作，并且此时将电压监控器控制电控开关K闭合，使能量存储单元与电压变换单元相导通，电压变换单元给传感器节点供电，使传感器节点开始工作；电压监控器的第二输入端En处于低电平，即传感器节点处于非工作状态，电压监控器的第二输出端Int电压置为低电平；其中最大电压值Vmax和最小电压值Vmin为两个预设的电压值。
[0042] 如图3所示，为使用该传感器节点供电系统的供电方法时，能量存储单元的输出端电压Vcap、电压变换单元的输出端电压Vout，电压监控器的第二输出端Int电平和电压监控器的第二输入端En的电平状态变化图，使用该传感器节点供电系统的供电方法包括以下步骤：
[0043] 步骤(1)、初始状态时，能量存储单元的输出端电压Vcap和电压变换单元的输出端电压Vout均为零，电压监控器的第二输出端Int和电压监控器的第二输入端En的电平均为低电平，电控开关K断开，能量存储单元与电压变换单元之间断开连接；
[0044] 步骤(2)、能量采集单元开始采集能量，能量存储单元开始对采集的能量进行储存，当能量存储单元的输出端电压Vcap达到电压监控器的最低工作电压时，电压监控器开始工作；
[0045] 步骤(3)、当能量存储单元的输出端电压Vcap达到最大电压值Vmax时，则执行步骤(4)，开始一个工作周期，如图3所示的工作周期Ⅰ；
[0046] 步骤(4)、电压监控器控制电控开关K闭合，使能量存储单元与电压变换单元相导通，电压变换单元的输出端电压Vout有输出(如图3中a)，电压变换单元给传感器节点供电，同时电压监控器的第二输出端Int电压置为高电平(如图3中b)，电压监控器通知传感器节点开启工作；
[0047] 步骤(5)、传感器节点开启一个任务执行周期，此时电压监控器的第二输入端En采集的电平为高电平(如图3中c)，传感器节点进行数据收发和传感监测任务，一段时间后判断传感器节点是否正常执行完一个任务，当传感器节点正常工作完成一个任务后，传感器节点将处于休眠状态，此时，电压监控器的第二输入端En采集的电平为低电平(如图3中d)，此时电压变换单元保持输出电压Vout(如图3中e)，然后转入步骤(6)；反之，在传感器节点执行任务中，当能量存储单元的输出端电压Vcap低于最小电压值Vmin，则转至步骤(7)，开启一个非正常的工作周期；如图3所示的工作周期Ⅲ；
[0048] 步骤(6)、能量采集单元继续采集能量使能量存储单元继续充电，此时能量存储单元的输出端电压Vcap缓慢变大(如图3中f)，转至步骤(3)，传感器节点进行下一个任务的执行，如图3所示的工作周期II；
[0049] 步骤(7)、电压监控器的第一输出端控制电控开关K断开，使能量存储单元与电压变换单元之间断开连接，电压变换单元输出端电压Vout为零(如图3中g)，此时，电压监控器的第二输入端En采集的电平为低电平(如图3中h)，电压监控器将第二输出端Int电压置成低电平(如图3中i)，转入步骤(3)，开始一个新的工作周期，如图3中所示的工作周期IV和V。
[0050] 由于在非正常工作周期内时，电控开关K断开，使能量存储单元与电压变换单元之间断开连接，因此当结束完一个非正常工作周期后，能量存储单元继续储电时，由于能量存储单元与电压变换单元之间断开了连接，从而停止了电压变换单元和传感器节点的供电，但在正常工作周期结束时，由于能量存储单元的输出端电压Vcap放电未降至最小电压值Vmin，电压监控器不控制电控开关K断开与电压变换单元的连接，此时能量存储单元仍与电压变换单元连接，在正常工作周期结束后，能量采集单元进行能量存储单元充电过程中，由于能量存储单元仍能对电压变换单元和传感器节点供电，因此能量储能单元的输出端电压Vcap上升速度比正常情况下(如图3中的工作周期I和II之间的能量储能单元的输出端电压Vcap上升速度)更快一些(如图3中j)。
[0051] 在使用该系统进行供电时，电压监控器能通过第二输入端En采集的电平和第二输出端Int监控传感器节点与能量存储单元的状态，从而当能量存储单元的输出端电压Vcap达到最大电压值Vmax时，立马能够控制传感器节点开启工作，并且能够在传感器节点执行任务还未结束时，当能量存储单元的输出端电压Vcap低于最小电压值Vmin，马上断开电控开关K与电压变换单元的连接，停止了传感器节点与电压变换单元的供电，从而减小了能量的消耗，因此能量储能单元的输出端电压Vcap储能的上升速度比正常情况下更快一些，加快了传感器节点任务执行周期的循环并且能够最大效率的使用采集到的能量。
[0052] 本实施例中，如图4所示，能量采集单元为收集天线、RF‑DC转换器和倍压整流器组成，能量存储单元采用电容C，电压变换单元采用DC‑DC变换器，电控开关K采用电子开关，收集天线接收射频能量，并将接收的射频能量输入到RF‑DC转换器中，然后通过倍压整流器转化成直流电，并通过电容C储能，经过电子开关K送至DC‑DC变换器内升压，输出稳定的直流电Vout至传感器节点使用。
[0053] 电压监控器采用超低功耗微处理器或者专用集成电路实现，例如采用TI公司的MSP430F1122的超低功耗微处理器，其工作电流只需要200uA@1MHz/2.2V，休眠状态下只需要0.7μA，工作电源电压1.8V至3.6V，拥有1个16位定时器与定时器中断、10Bit/200ksps ADC，可用来定时监测能量存储单元的输出端电压Vcap、电压监控器的第二输入端En变化情况、电压监控器的第二输出端Int以及控制电控开关K闭合或断开；如图5所示，为微处理器的主程序流程图，主要工作是初始化ADC(模数转换器，Analog‑to‑Digital Converter)和设置定时器中断，定时器中断间隔时间可以根据仿真精度设定，其中如图6所示，为定时器中断服务子程序流程图，定时器中断服务子程序工作完成后微处理器一直处于休眠状态；如图7所示，电压监控器采用专用集成电路实现，专用集成电路采用CMOS工艺，工作电流达到nA级别，以使得其自身功耗低、工作电压宽，如图7所示，采用该专用集成电路可以实现电压监控器的功能，其中，信号H为高电平，Vmax、Vmin分别为预设的两个门限阈值，当能量存储单元的输出端电压Vcap升高至最大电压值Vmax时，电压比较器C1输出由低电平变成高电平，触发器D2输出高电平，闭合电子开关K；当能量存储单元的输出端电压Vcap降低至最小电压值Vmin时，电压比较器C2输出低电平，触发器D2复位清零，输出低电平，断开电子开关K。另外，图7中所有非门具有施密特触发特性，其目的是为了防止输入信号在门限值附近的抖动。
[0054] 电子开关K可以采用N‑MOS场效应管，其特点是高速度、高性能、低损耗、低导通电阻等；也可以选用市面上已有的N‑MOS管产品，如东芝(Toshiba)公司的SSM3K344R、2SK1828。
[0055] DC‑DC变换器可采用DC‑DC开关稳压器，也可选用市面上已有的高效开关稳压器芯片，如MAX17223/17221，其最低与最高输入电压可达0.4V、5.5V。
[0056] 能量存储单元可以选用传统的充电电池、新型薄膜电池以及电容对能量进行能量储存。本实施例中选用超级电容C作为能量存储单元。
[0057] 目前无线传感器节点设计方案很多，如蓝牙、ZigBee、LoRa、NB‑IoT方案。为了实现与射频能量采集协同工作，利用MCU的IO口作为第二信号En、第一信号Int连接，且第二信号En通过一个电阻下拉接地。
[0058] 在本实施例中，能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin、最大值Vmax和电容C为预设值，其值的选取会影响供电协调器的准确使用。
[0059] a.能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin选取
[0060] 能量采集单元进行能量采集时，会输出电流至电容C，能量存储单元的输出电压Vcap会逐渐变高，只有到达电压监控器的最低工作电压时电压监控器才能正常工作，而只有电压监控器正常工作时才能将能量存储单元的输出电压Vcap与能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin进行比较，因此能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin的取值必须大于电压监控器的最低工作电压，而小于能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax。另外，能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin还必须大于DC‑DC变换器的最低输入电压。比如，射频能量采集时，通过多阶倍压整流器升压，可以使得能量存储单元的输出端电压Vcap达到2.5V，而CMOS工艺的电压监控器最低工作电压可以小至1.25V，DC‑DC变换器为开关稳压器时，开关稳压器承担最低输入电压一般小于1.25V(如开关稳压器MAX17223/17221最低输入电压可小至0.4V)，因此能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin可以选取为1.25至2.5V之间的值，比如1.5V。
[0061] b.能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax取值范围
[0062] 根据制定的供电工作机制，很明显能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax的取值必须大于能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin，但不能大于能量存储单元的输出端电压Vcap能到达的最大值。
[0063] c.能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax与电容C的取值
[0064] 从能量采集来说，储能电容C的取值越大越好，但其值越大，能量存储单元的输出端电压Vcap从能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin充电到能量存储单元的输出端电压的最小值Vmax的时间就越长，传感器节点任务处理的循环周期也就越长，影响传感器节点任务执行周期；电容C值越小，能量存储单元的输出端电压Vcap从能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin充电到能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax的时间就越短，电容C的储能可能无法维持传感器节点一个任务的执行。因此，能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax、电容C的取值与传感器节点的一个任务执行时间T、传感器节点运行时的功耗P0(或者是电压变换单元的输出电压Vout与平均工作电流Iout)有关。
[0065] 根据电容放电原理，可得能量存储单元的输出端电压Vcap在时刻t时电压Vt：
[0066] Vt＝E×e(‑t/RC) (1)
[0067] 其中，E为电容C充满电荷时的电压值，R为电容C放电时的负载值。
[0068] 当时刻t取最小值tmin和最大值tmax时，电容C放电至电压变成最小值Vmin和最大值Vmax，根据公式1可推导出：
[0069]
[0070] 选取(tmin‑tmax)刚好等于T，即电容C从能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax放电至能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin时传感器节点刚好执行完一个任务，则公式(1)变换为：
[0071] T＝RCln(Vmax/Vmin) (3)
[0072] 即
[0073]
[0074] 其中，T为传感器节点的一个任务执行时间，R为DC‑DC变换器输入负载值，记R＝2
V/P0，其中P0、V分别为DC‑DC变换器输入功率、输入电压，故公式(4)变换为[0075]
[0076] 下面考虑P0的取值问题。
[0077] 由于传感器节点运行的功耗为
[0078] P0＝Vout×Iout (6)
[0079] 其中，Vout为电压变换单元的输出端电压，也即传感器节点工作的电压；Iout为电压变换单元的平均输出电流，也即传感器节点工作的平均电流。
[0080] 为了方便计算，假设DC‑DC变换器的转换效率为η(η<1)，故公式(5)中，P0取为Vout×Iout/η，则公式(5)变成
[0081]
[0082] 考虑到电容C储能能保证维持一个任务的完成，故电容C值尽量取值适当大，故可取V＝Vmin，为了加快传感器节点任务执行周期的循环，最大效率使用采集到的能量，即每次采集到的能量刚好供传感器节点执行完一个任务。在能量存储单元为电容时，电容C、能量存储单元的输出端电压的最小值Vmin、能量存储单元的输出端电压的最大值Vmax的取值与传感器节点一个任务执行时间T、输出电压Vout以及传感器节点运行时平均电流Iout之间的关系，从公式(7)变成为
[0083]
[0084] 本实施例中，对于CC2640芯片的传感器节点方案，根据芯片手册取Vout＝3.3V、T＝3ms、Iout＝15mA，即传感器节点工作电压为3.3V、工作电流15mA，一个工作周期为3ms；同时选取Vmin＝1.5V；根据DC‑DC变换器芯片手册，转换效率一般为η≈0.9，故C、Vmax关系为：
[0085]
[0086] 即
[0087]
[0088] 其中C单位为μF、Vmax单位为V。当选取Vmax＝2.2V时，可得C＝191.48(μF)。
