專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電路控制技術領域，具體涉及無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法。
背景技術：
在無線傳感器網(wǎng)絡逐漸普及的今天，如何從環(huán)境中采集能量并將能量合理利用成為無線傳感器網(wǎng)絡中一個重要的研究方向。從環(huán)境中收集能量的方法相對較為容易，通過不同的能量收集裝置，傳感器節(jié)點可以從環(huán)境中收集到風能、太陽能、潮汐能等多種能源，并可以通過相應的轉換裝置可以將收集到的能源轉換為2. 5V可供節(jié)點直接使用的直流電源。布置于建筑物表面上的傳感器網(wǎng)絡能夠監(jiān)視樓宇間空調(diào)等家用電器的能耗，不同樓層所處的噪聲等級，空氣質(zhì)量等級并能起到一定安保報警作用。由于建筑物表面障礙物少、地形平坦，此種網(wǎng)絡的傳輸性能好、效率高。但是由于這些網(wǎng)絡中的節(jié)點一般被放置在建筑物的表面，而鋰電池等供電電源的持續(xù)供電能力有限，所以如何增強該種網(wǎng)絡中節(jié)點的持續(xù)工作能力是當前亟需解決的一大難題。由此，如何從環(huán)境中采集能量并將能量合理利用成為無線傳感器網(wǎng)絡中一個重要的研究方向?？照{(diào)的能耗及使用情況監(jiān)測是傳感器網(wǎng)絡在智能樓宇方面的重要應用，而空調(diào)在工作的同時其外機通過扇葉旋轉實現(xiàn)室內(nèi)外空氣交換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點持續(xù)工作能力的不足，提供了一種基于空調(diào)外機的風能收集方法。本發(fā)明應用于可自行從環(huán)境采集能量的無線傳感器網(wǎng)絡及其節(jié)點。本發(fā)明是無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法，能夠收集空調(diào)外機旋轉所產(chǎn)生的風能并將其轉化成可供節(jié)點使用的2. 5V直流輸出，減少了更換節(jié)點電源的次數(shù)；通過改進的2. 5V直流電源的自動切換電路，可以在采集能量和儲備能量間自動切換，提高了能量利用效率。本發(fā)明利用外機扇葉旋轉所產(chǎn)生的風能，延長傳感器網(wǎng)絡節(jié)點持續(xù)工作能力問題的解決思路如下
I)空調(diào)外機扇葉的旋轉可帶動小型的發(fā)電裝置來產(chǎn)生電能，根據(jù)空調(diào)外機扇葉的旋轉速度不同，本系統(tǒng)中的發(fā)電裝置可產(chǎn)生電壓為2 5V電流約為IOmA的交流輸出。2)需要整流和降壓裝置，將其轉化為2. 5V的直流輸出。3)節(jié)點工作直流電壓范圍約為1. 8 3. 3V，節(jié)點根據(jù)任務的不同、工作模式的不同，能耗也會不一樣。而且由于不同的風力環(huán)境，小型發(fā)電裝置所產(chǎn)生的交流電壓很不穩(wěn)定，由其轉化得來的直流輸出也會有很大的波動，相對穩(wěn)定性差。所以亦需要相應的存儲裝置存儲電能，并作為穩(wěn)定的電能輸出，同時存儲暫時消耗不掉的過剩能源。綜合考慮選擇了高充放電效率的超級電容。本發(fā)明解決其技術問題所采用的關鍵點是能夠通過風力發(fā)電裝置將風能轉變?yōu)殡娔?，通過整流和降壓裝置將交流轉變?yōu)橹绷鳌⒏唠妷恨D變?yōu)榈碗妷?，通過存儲裝置將直流電能存儲在超級電容中，通過2. 5V直流電源自動切換電路在供電時可在采集能量和儲備能量中切換。風力發(fā)電裝置采用直徑4. 5CM扇葉，包裹線圈和轉子。lOm/s的風速下即可有約3V的交流輸出。最高風速下交流輸出電壓會達到5V左右,最大功率約為50毫瓦。整流和降壓裝置整流裝置采用MB6M貼片直插整流橋，三端降壓穩(wěn)壓裝置采用LM317集成1C。本系統(tǒng)的電流電壓相對較低因此，MB6M的特性足以滿足，而為保持三端降壓穩(wěn)壓裝置的正常工作，壓降需要保持的IV左右。能量存儲裝置超級電容是新興的能量儲存設備，不同質(zhì)量的超級電容自身的漏放電情況也不盡相同。本系統(tǒng)中采用的是MAXWELL生產(chǎn)的2. 5V10F的專用能量儲備電容。它的自身漏放電慢，能量存儲時間長，容量大。直流電源切換裝置主電源供電時，主電源電壓擊穿穩(wěn)壓二極管，使控制電阻兩端產(chǎn)生電壓，從而實現(xiàn)后續(xù)電路PNP、NPN三極管的控制，使主電源導通；從電源供電時，由于主電源電壓不足以擊穿穩(wěn)壓二極管，那么后續(xù)電路無法將主電源電路導通，從而啟用備選從電源，借此來實現(xiàn)主從電源的自動切換。本發(fā)明可以作為建筑物表面布置的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電問題的解決方案。能夠最大限度的收集空調(diào)外機產(chǎn)生的風能，一定程度上彌補節(jié)點單電池電源供電時間較短的問題。操作過程簡單，能量轉化率高，從而提高整個無線傳感器網(wǎng)絡的工作效率。


圖1為無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法工作流程 圖2為無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法整流及降壓裝置和充電電路結構 圖3為無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法能量轉換階段 圖4為無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法2. 5V直流電源切換電路工作流程 圖5為無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法2. 5V直流電源切換流程圖； 圖6為無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法2. 5V直流電源切換電路結構
圖7為無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法2. 5V直流電源切換電路電源工作階段圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的分析和介紹，詳細分析實施方式。本發(fā)明目標應用于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點從空調(diào)外機收集風能并供自身使用。該電路是首先在Multisim中仿真，得到實用結果，該電路模擬工具使用方便快捷，便于快速修改和實驗，并且節(jié)省了開發(fā)成本。
圖1改進的空調(diào)外機風能收集系統(tǒng)工作流程圖，如圖1所示風力發(fā)電裝置因空調(diào)外機風力影響，扇葉轉動而產(chǎn)生交流電能。由于節(jié)點的工作環(huán)境為直流，因此交流電會被整流橋整流成直流。使用的超級電容的理想的充電電壓在2. 5 3. 5V之間，電壓過高會給電容造成永久性損傷，電壓過低則會影響充電效率，因此要判斷從整流橋中整流過的電壓在哪個范圍。如果電壓在3. 3V或以下，此時將不通過DC/DC的降壓模塊而直接給電容充電，如果電壓在3. 3V以上，將使用LM317降壓模塊將電壓穩(wěn)定在2. 5 3. 5V之間，然后供給電容充電。圖2改進的空調(diào)外機風能收集系統(tǒng)整流及降壓裝置和充電電路結構圖，圖中Vl為風力發(fā)電裝置，Ul為MB6M整流橋，U2為LM317降壓模塊，U3為MAXWELL生產(chǎn)的2. 5V10F的超級電容。電路中還包括電阻、三極管、穩(wěn)壓二極管等若干。圖4是將主從電源、負載節(jié)點接入該切換電路后的電路工作流程圖，如圖4所示切換電路的電源選擇以穩(wěn)壓二極管的擊穿與否有關。當穩(wěn)壓二極管被擊穿時，由于控制電阻兩端有電壓所以三極管的被導通電源切換為主電源。一旦主電源連續(xù)工作后的電壓下降到穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓以下，穩(wěn)壓二極管和三極管截止，鉭電容臨時放電充當臨時電源，電路電源被切換至從電源。 圖5是2. 5V直流電源切換流程圖，在主電源電壓下降至穩(wěn)壓二極管擊穿電壓以下的瞬間，切換電路中各器件的狀態(tài)及變化流程。如圖6所示，圖中VCCl和V2分別為主從電源，MOTE為負載節(jié)點，Dl為1. 5V穩(wěn)壓二極管，Q1、Q2為PNP和NPN三極管，R1、R2、R3、R4為控制電阻，Cl為鉭電容。下面結合圖2和圖1的結構圖來詳細說明基于空調(diào)外機的風能收集方法的工作步驟和各器件工作狀態(tài)
步驟(I):將風能收集系統(tǒng)的風力發(fā)電裝置、整流裝置、存儲裝置接口依次連接。將風能收集系統(tǒng)固定在空調(diào)外機的排風口處，收集系統(tǒng)開始工作，整個過程分為三個階段風能發(fā)電裝置產(chǎn)能過程、整流和降壓過程、存儲過程。步驟(2):風力發(fā)電裝置產(chǎn)能過程。包括如下步驟
1)風力帶動風能發(fā)電裝置扇葉轉動；
2)轉子切割磁感線產(chǎn)生交流電能；
步驟(3):整流和降壓過程。包括如下步驟
1)通過整流橋MB6M將交流電整流為直流；
2)如果電壓高于3.3V將通過DC/DC將電壓穩(wěn)定在2. 5 3. 5V，否則直接將輸出端與超級電容連接；
a.如果電壓高于3.3V，3. 3V穩(wěn)壓二極管Dl被擊穿，相關三極管Q2、Ql導通，圖3中U2所示的LM317模塊進行穩(wěn)壓。同時控制端使直接與超級電容連接電路中的Q3截止，該段電路斷路。LM317模塊的輸出端輸出2. 5 3. 5V左右的直流電壓，供給超級電容充電；
b.如果電壓低于3.3V，穩(wěn)壓二極管Dl沒有被擊穿，直接與超級電容連接的電路中Q3導通，由其供給超級電容充電。步驟(4):存儲過程。包括如下步驟
I)將超級電容U3并聯(lián)22K電阻，接入電路，電能將被超級電容中，其間的D2 二極管可以防止電流反向釋放帶來的電能損耗； 步驟(5):直流電源切換過程。包括如下步驟
1)將主從各為2.5V的直流電源VCCl和V2及負載節(jié)點MOTE接入電路；主電源正常供電。a.主電源擊穿穩(wěn)壓二極管Dl ;
b.穩(wěn)壓二極管區(qū)域導通電流使控制Rl電阻兩邊產(chǎn)生電壓
c.NPN及PNP三極管Q2、Ql導通；
d.整個電路導通，主電源VCCl開始供電同時為輸出末端鉭電容Cl充電；
e.主電源VCCl為負載節(jié)點MOTE供電；
2)主從電源切換過程。由于主電源容量有限工作一段時間后電壓下降，切換過程開始，包括如下步驟
a.主電源VCCl的提供電壓低于擊穿穩(wěn)壓二極管Dl的電壓；
b.穩(wěn)壓二極管Dl區(qū)域電流截止，控制電阻Rl兩端電壓為零；
c.NPN以及PNP三極管Q2、Ql截止；
d.主電源供電電路截止；
e.鉭電容Cl開始臨時供電，充當臨時電源；
3)從電源供電。包括如下步驟
a.從電源電路導通，為鉭電容Cl充電；
b.從電源V2為負載節(jié)點MOTE供電；
順序完成步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)、步驟(4)、步驟(5)即可實現(xiàn)改進的空調(diào)外機風能收集系統(tǒng)對風能的收集和存儲，以及采集能源和儲備電源的轉換?？偨Y上述工作步驟，改進的空調(diào)外機風能收集系統(tǒng)在風能收集和存儲的過程中，使得能量的存在形式有了如圖3所示的轉化過程，能量經(jīng)歷了風能、機械能、交流電能和直流電能的形式。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.電路結構簡單，成本低，應用方便。2.收集空調(diào)外機風能并存儲和功能，延長了無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的工作時間。3.節(jié)省人為更換電源帶來的時間消耗，提高工作效率。本發(fā)明提出了一種基于空調(diào)外機的風能收集方法，非常適合在智能樓宇中部署的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量供應。能夠充分的利用收集到的風能供給網(wǎng)絡中的節(jié)點使用，提高網(wǎng)絡中節(jié)點的持續(xù)工作能力。
權利要求
1.無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法，特征在于該方法包括以下步驟: 將風能收集系統(tǒng)的風力發(fā)電裝置、整流裝置、存儲裝置接口依次連接；將風能收集系統(tǒng)固定在空調(diào)外機的排風口處，收集系統(tǒng)開始工作，整個過程分為:風能發(fā)電裝置產(chǎn)能過程、整流和降壓過程、存儲過程和直流電源切換過程； 所述的風力發(fā)電裝置產(chǎn)能過程完成如下工作:1.1風力帶動風能發(fā)電裝置扇葉轉動； .1.2轉子切割磁感線產(chǎn)生交流電能； 所述的整流和降壓過程完成的如下工作: .2.1通過整流橋將交流電整流為直流； .2.2如果電壓高于3.3V將通過DC/DC將電壓穩(wěn)定在2.5 3.5V，否則直接將輸出端與超級電容連接； 所述的存儲過程完成如下工作: .3.1通過并聯(lián)22K電阻，將電能存儲在超級電容中； 所述的直流電源切換過程: . 4.1將主從2.5V直流電源與電路接口連接，同時負載節(jié)點接入電路接口 ； .4.2主電源擊穿穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓二極管區(qū)域導通電流使控制電阻兩邊產(chǎn)生電壓，相應的PNP或者PNP三極管導通， 整個電路導通，主電源為輸出端鉭電容充電，主電源為負載供電； . 4.3主電源低于擊穿穩(wěn)壓二極管電壓，穩(wěn)壓二極管區(qū)域電流截止，控制電阻兩邊電壓為零，相應PNP或者NPN三極管截止， 主電源電路截止，鉭電容開始臨時供電，電路被切換至從電源供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基無線傳感器網(wǎng)絡中基于空調(diào)外機的風能收集方法。本發(fā)明通過風力發(fā)電裝置將風能轉變?yōu)殡娔?，通過整流和降壓裝置將交流轉變?yōu)橹绷?、將高電壓轉變?yōu)榈碗妷?，通過存儲裝置將直流電能存儲在超級電容中，通過2.5V直流電源自動切換電路在供電時可在采集能量和儲備能量中切換。本發(fā)明能夠收集空調(diào)外機旋轉所產(chǎn)生的風能并將其轉化成可供節(jié)點使用的2.5V直流輸出，減少了更換節(jié)點電源的次數(shù)；通過改進的2.5V直流電源的自動切換電路，可以在采集能量和儲備能量間自動切換，提高了能量利用效率。
文檔編號F03D9/02GK103075306SQ201310007090
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權日2013年1月8日
發(fā)明者劉鵬, 劉春平, 張松, 周曉軍, 仇建 申請人:杭州電子科技大學