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:V0=V2+V1+IR2 (3)
V1表示电容 C1两端的电压,V2为锂电池的开路电压OCV,I为锂电池等效模型的电流,C2为锂电池的存储容量,R2为电池的欧姆电阻,R1、C1分别为电池的极化内阻和极化电容,V0为电池两端电压由于电池两端的开路电压和剩余电量Soc存在对应,此对应关系在DS2786(U6)已由厂家内置了典型的曲线,把曲线看作分段线性的,每段曲线可用如下方程定义:V2=kSoc+d (4)
其中系数k和d随Soc和温度变化,且不为零
整理上述方程,最终的系统方程为:
V0=kSoc+V1+IR2+d (6)
建立卡尔曼状态方程,其中x1=Soc,x2=V1:
y=g(x,u)+v (8)
g(x,u)=kx1+x2+Riu+d (10)其中 x、u、y分别为系统状态变量、输入量和输出量,且u=I、y=V0;f(x,u)和g(x,u)为连续时变函数,w是过程噪声变量,v为观测噪声变量经过一阶泰勒公式展开和离散化后可得到
xk+1=Adxk+Bduk (11)
yk+1=Cdxk+Dduk (12)
其中 Cd=[k 1],Dd=R2,xk为k时刻的系统状态变量,uk为k时刻的输入量;
步骤二:在无线传感器节点上电后,电池剩余电量计算单元112立即读取数据存储处理单元111中从DS2786(U6)芯片获得的电池两端电压、温度,根据此电压、温度查找曲线对应的电池剩余电量SOC,作为前一时刻的状态值,根据此状态值估算当前的状态变量值;
步骤三:更新估计方差Pk,根据方差计算卡尔曼增益Lk;
步骤四:根据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V2,将上述数据记录在数据存储处理单元111中;
步骤五:若检测到数据存储处理单元111中关于DS2786(U6)的电压、电流和温度数据发生变化,将寄存器中的电压与步骤五中得到的V2进行对比,其误 差范围超过d值时,从步骤二开始执行,否则从步骤三执行,其中d可视具体情况调节;同时估计方差更新。
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10mA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Dallas Semiconductor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1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。