Устройство подзарядки аккумуляторов узловых элементов беспроводной сенсорной сети Российский патент 2024 года по МПК G01R29/08 B64U101/66 H02J50/20 

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 [5] с использованием автоматизированных транспортных носителей (автомобилей, подвижных роботов, беспилотных летательных аппаратов - БПЛА) [7]. 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. В системе Prometeus [4], для подзарядки аккумуляторной батареи используется солнечная батарея. Система 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.

Наиболее близким по технической сущности является устройство подзарядки аккумуляторных батарей [6]. Это решение состоит в том, чтобы использовать в составе узла БСС управляемый 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.

Сущность прототипа состоит в том, что в качестве транспортного средства доставки используется управляемый беспилотный летательный аппарат, на котором размещается устройство, осуществляющее электромагнитное воздействие на элементы беспроводной сенсорной сети с целью подзарядки аккумуляторных батарей, используемых для их электропитания.

Предлагаемое решение проблемы состоит в применении конусообразной крышки сенсорного элемента БСС в качестве направляющей при взаимном перемещении обмоток, образующих трансформатор, через который электрическая энергия поступает на сенсорный элемент.

Сущность предлагаемого решения состоит в том, что конусообразная крышка и обмотка обеспечивают их сближение и взаимную фиксацию обмоток трансформатора, повышая тем самым его коэффициент полезного действия.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение надежного электропитания узла БСС и уменьшение времени, затрачиваемого на подзарядку его аккумуляторов.

Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.

В критической ситуации, когда разрядка аккумулятора какого-либо сенсорного элемента (СЭ) превышает допустимые значения, на базу расположения БПЛА, по сети, от данного СЭ поступает сигнал запроса. БПЛА, содержащий средства, необходимые для подзарядки, прибывает к месту расположения СЭ и включает генератор радиочастотного сигнала, который направляет передающую антенну в сторону СЭ, содержащего приемную антенну и ректенный элемент, осуществляющий прием электромагнитных колебаний и преобразующий их в энергию постоянного тока. Указанный канал передачи электромагнитной энергии обладает низким коэффициентом полезного действия, поэтому время, необходимое для подзарядки аккумулятора СЭ оказывается чрезвычайно большим, а требуемая значительная емкость аккумуляторных батарей, расположенных на БПЛА и обеспечивающих подзарядку, существенно увеличивает полетный вес БПЛА.

С целью устранения указанных недостатков необходимо осуществлять возможно большее сближение передающего и приемного элементов и переход от радиопередачи энергии к ее трансформаторной передаче.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В устройстве обеспечивается трансформаторный режим передачи электроэнергии от БПЛА к СЭ. Схема работы предлагаемого устройства показана на Фиг. 1.

На СЭ-1 размещается конусообразная крышка (из изоляционного материала). Внутри нижней части крышки размещается жестко связанная с крышкой кольцевая обмотка-2 трансформатора. В рабочем состоянии на крышку-3 надевается сверху обмотка-5, имеющая форму усеченного конуса. Обмотка-5 с помощью подвесов-6 и гибкого электрического проводника-10 (одновременно выполняющего роль троса, наматываемого на вращающийся блок-7, установленный на БПЛА-8) перемещается вместе с БПЛА. Обмотка-5 может перемещаться относительно БПЛА в вертикальном положении с помощью троса-10. На БПЛА может также размещаться механизм перемещения блока-7 (совместно обмоткой-5) в горизонтальном положении относительно БПЛА (на Фиг. 1 не показан). На БПЛА устанавливается видеокамера-9 в поле зрения которой находятся крышка-3 и обмотка-5. Перемещением обмотки-5 вводят ее в зацепление с верхней частью конической крышки-3, а затем, освобождая трос-10, опускают обмотку-5 до полного вхождения в нее крышки-3. (Конические поверхности обеспечивают такое совмещение). Для более качественной относительной фиксации обмоток в нижней части обмотки-5 размещается кольцевой постоянный магнит-11, а вокруг нижней части крышки-3 размещается кольцевой элемент-4 из магниточувствительного материала.

Взаимное перемещение крышек отслеживается и управляется при помощи видеокамеры-9. Обмотка-5 через проводники подвеса-6 и -11 питается электрическим током от генератора высокочастотных колебаний, установленного на БПЛА-8, образуя первичную обмотку трансформатора. Вторичную обмотку трансформатора образует обмотка-3, которая подключается к детектору и фильтру, расположенному на СЭ-1 и соединенному с заряжаемым аккумулятором (на Фиг. 1 не показаны). Для облегчения поиска СЭ в верхней части конуса может устанавливаться светодиод (на Фиг. 1 не показан), включаемый дистанционно по сигналу из сети или непосредственно от БПЛА. Жесткая взаимная фиксация обмоток трансформатора обеспечивает его высокий КПД и ускоренный заряд аккумуляторов СЭ.

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. Memsic wireless modules - http://www.memsic.com/products/wireless-sensor-networks/wireless-modules.html.

5. 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.

6. Устройство электропитания узлового элемента беспроводной сенсорной сети. Патент РФ.2793177.

7. Powercast corporation, p2000 series 902 928 mhz powerharvester development kit. http://www.powercastco.com/products/development-kits/.

Изобретение относится к области электропитания радиоэлектронного оборудования и может быть использовано с целью обеспечения бесперебойного питания элементов беспроводной сенсорной сети (БСС). Предлагаемое решение проблемы состоит в применении конусообразной крышки сенсорного элемента (СЭ) в качестве направляющей при взаимном перемещении обмоток, образующих трансформатор, через который электрическая энергия поступает на сенсорный элемент. Сущность предлагаемого решения состоит в том, что конусообразная крышка и обмотка обеспечивают их сближение и взаимную фиксацию обмоток трансформатора, повышая тем самым его коэффициент полезного действия. В устройстве обеспечивается трансформаторный режим передачи электроэнергии от беспилотного летательного аппарата (БПЛА) к СЭ. В рабочем состоянии на крышку надевается сверху обмотка, имеющая форму усеченного конуса. Обмотка может перемещаться относительно БПЛА и крышки. Перемещением обмотки вводят ее в зацепление с верхней частью конической крышки, а затем опускают обмотку до полного вхождения в нее этой крышки, чем обеспечивается надежная трансформаторная связь. Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение надежного электропитания узла БСС и уменьшение времени, затрачиваемого на подзарядку его аккумуляторов. 1 ил.

Устройство подзарядки аккумуляторов узловых элементов беспроводной сенсорной сети, доставляемое с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и включающее электромагнитное воздействие, отличающееся тем, что содержит неподвижную и закрепленную на сенсорном элементе конусообразную крышку с размещенной на ней первой обмоткой, а также содержит размещенную посредством подвесов на БПЛА вторую обмотку в форме усеченного конуса с возможностью перемещения обмотки в вертикальном направлении при помощи электрического проводника-троса, образующую совместно с первой обмоткой трансформатор, при этом для обеспечения жёсткой взаимной фиксации конусообразных крышек обмотки снабжены кольцевыми магнитными элементами, а для отслеживания и управления перемещением крышек на БПЛА установлена видеокамера.