專利名稱：一種光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電微系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電微系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成，節(jié)點相互通訊形成自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)某個傳感器節(jié)點檢測到信息時，數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點逐跳地傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶可以通過管理節(jié)點發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制傳感器節(jié)點執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。每個傳感器節(jié)點都是一個集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通訊等功能的微系統(tǒng)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)等特點，在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)保護(hù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能交通等領(lǐng)域有著得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢。
傳感器節(jié)點通常采用容量有限的電池提供能量。但是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點數(shù)目龐大、分布區(qū)域廣、部署環(huán)境復(fù)雜或危險，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以利用人工更換電池、充電等方式來補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實的。當(dāng)攜帶的能量耗盡時，傳感器節(jié)點將無法完成預(yù)定的任務(wù)，這極大限制了傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實用化，就必須解決這個能源瓶頸問題。
光伏電池是把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，光伏電池的工作原理是太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上形成新的空穴-電子對，在P-N結(jié)電場的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。通過改變PN結(jié)的串并聯(lián)形式可以獲得不同數(shù)值的輸出電壓，改變光伏電池的面積可以獲得不同的輸出功率。它是一種清潔、可再生能源。
如果利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能為傳感器節(jié)點供電，將解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸，促進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用。加州大學(xué)洛杉磯分校在文獻(xiàn)《Design considerations for solar energy harvesting wireless embedded systems》，V.Raghunathan，A.Kansal，J.Hsu，et al.Information Processing in Sensor Networks of FourthInternational Symposium.2005，457-462中報導(dǎo)了將光伏能源應(yīng)用于傳感器節(jié)點的相關(guān)結(jié)果，光伏能源的儲能元件采用的是鎳氫電池。德國EnOcean公司研制了太陽能無線傳感器，采用的是電容器儲能。根據(jù)目前技術(shù)水平，鎳氫電池有記憶效應(yīng)，使用不方便，電容器漏電流大，而鋰離子電池具有無記憶效應(yīng)、漏電流小、能量密度大的優(yōu)點，適用于傳感器節(jié)點這類小體積、連續(xù)工作的用電負(fù)載。目前尚未見到關(guān)于由光伏電池生能、鋰離子電池儲能的光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供能微系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)或?qū)＠麍蟮馈?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中由電池供電的傳感器節(jié)點使用壽命短、需要人工維護(hù)的缺點，提供一種光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電、免維護(hù)的微系統(tǒng)。
自供電傳感器節(jié)點微系統(tǒng)包含光伏電池、鋰離子電池、能源管理模塊以及傳感器節(jié)點。能源管理模塊包含與光伏電池、鋰離子電池、傳感器節(jié)點連接的電氣連接裝置。光伏電池為能源轉(zhuǎn)換器件，鋰離子電池為儲能元件。使用時，將光伏電池、鋰離子電池、傳感器節(jié)點與能量管理模塊指定的接口相連。光伏電池通過能源管理模塊的穩(wěn)壓電路為傳感器節(jié)點供電，多余能量通過能源管理模塊的充電電路存儲于鋰離子電池中。在充足光照下，光伏電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能為節(jié)點供電，鋰離子電池將多余電能存儲，以備在夜晚、陰雨天氣無光照時為節(jié)點供電。
將光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電微系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點1、光伏能源能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)化為電能，為節(jié)點供電，從而能延長傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的使用壽命，解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸。
2、當(dāng)光伏電池供能充足時，可實現(xiàn)為傳感器節(jié)點供電的同時為鋰離子電池充電；當(dāng)光伏電池供能不足時，由鋰離子電池為傳感器節(jié)點供電。這樣，傳感器節(jié)點在夜間、陰雨天也能連續(xù)工作。
3、光伏電池成本低，鋰離子電池能量密度大，適合用于體積小、數(shù)量多、分布區(qū)域廣的傳感器節(jié)點，形成實用的自供能、長壽命、免維護(hù)的自治微系統(tǒng)。
4、能源管理模塊包含光伏電池、鋰離子電池和傳感器節(jié)點指定的接口，即插即用，操作簡單。
5、將光伏能源與傳感器節(jié)點一體化混合集成，能夠?qū)Ⅲw積小型化，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢得以發(fā)揮。
6、權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點，其特征在于與光伏能源一體化集成，形成自供能、長壽命的自治微系統(tǒng)。
光伏能源與傳感器節(jié)點集成，傳感器節(jié)點能夠自行供電，解決了傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸，無需人工維護(hù)即可延長節(jié)點的使用壽命。將自供電微系統(tǒng)組網(wǎng)形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別適合用于危險地帶、廣域等不便人工維護(hù)的區(qū)域執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)。


圖1是本發(fā)明自供電微系統(tǒng)示意圖，圖中1光伏電池接口，2鋰離子電池接口，3傳感器節(jié)點接口；圖2是光伏能源管理模塊的電路原理圖；圖3是本發(fā)明自供電微系統(tǒng)工作方式示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明自供電微系統(tǒng)是將光伏能源與傳感器節(jié)點一體化集成，可實現(xiàn)節(jié)點自行供電，從而延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。自供電微系統(tǒng)包含光伏電池、鋰離子電池、能源管理模塊以及傳感器節(jié)點。如圖1所示，使用時，將光伏電池、鋰離子電池、傳感器節(jié)點與能源管理模塊通過光伏電池接口1、鋰離子電池接口2、傳感器節(jié)點接口3相連，將系統(tǒng)置于戶外即可實現(xiàn)傳感器節(jié)點連續(xù)工作。
能源管理模塊包含充電電路和穩(wěn)壓電路。本發(fā)明自供電微系統(tǒng)的工作方式如圖2所示，在光照充足的條件下，光伏電池產(chǎn)生的電能穩(wěn)壓后向傳感器節(jié)點供電，同時通過充電電路將多余能量存儲于鋰離子電池中，以備夜晚、陰雨天等無光照條件時為傳感器節(jié)點供電。
如圖3所示，能源管理模塊的充電電路主要由鋰離子電池充電芯片MAX1811及其外圍電路組成，芯片內(nèi)部邏輯電路實現(xiàn)恒流-恒壓充電制式。光伏電池的正極與MAX1811的IN引腳相接，MAX1811的BATT引腳輸出端經(jīng)過C1電容濾波后接鋰離子電池正極。MAX1811的CHG引腳接發(fā)光二極管D3，經(jīng)串聯(lián)電阻R1分壓后接MAX1811 IN端，D3起到指示充電的作用。光伏電池產(chǎn)生的電能通過MAX1811內(nèi)部邏輯電路的控制向鋰離子電池充電。能源管理模塊的穩(wěn)壓電路將不穩(wěn)定的電壓調(diào)制成傳感器節(jié)點需要的電壓值。光伏電池和鋰離子電池并聯(lián)，其輸出端均與穩(wěn)壓芯片的輸入端相接。即光伏電池的正極、鋰離子電池正極分別串聯(lián)肖特基二極管D1、D2，再與MAX8881的IN引腳相接。穩(wěn)壓芯片MAX8881的輸出端OUT引腳經(jīng)電容C2濾波后接負(fù)載——傳感器節(jié)點。這樣，光伏電池或鋰離子電池均可以通過MAX8881實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出，為負(fù)載——傳感器節(jié)點供電。
以中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制的GAINS傳感器節(jié)點為例，工作電壓在2.7V～5.0V，平均工作電流為8mA。鋰離子電池的容量為1400mAh，光伏電池選擇的是63mm×69mm的單晶硅光伏電池，在AM1.5，t＝25℃條件下，開路電壓是7.11V，短路電流是93.78mA。將光伏電池、鋰離子電池、傳感器節(jié)點分別與相應(yīng)的接口相連，打開傳感器節(jié)點開關(guān)，系統(tǒng)即可開始工作。本發(fā)明的自供電微系統(tǒng)可在晴朗天氣工作正常，并在完全黑暗的條件下，實現(xiàn)180小時連續(xù)工作。
權(quán)利要求
1.一種光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電微系統(tǒng)，其特征在于包含光伏電池、鋰離子電池、能源管理模塊以及傳感器節(jié)點；光伏電池、鋰離子電池、傳感器節(jié)點與能源管理模塊通過光伏電池接口[1]、鋰離子電池接口[2]、傳感器節(jié)點接口[3]相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電微系統(tǒng)，其特征在于能源管理模塊包含充電電路和穩(wěn)壓電路；充電電路主要由鋰離子電池充電芯片MAX1811及其外圍電路組成，穩(wěn)壓電路主要由芯片MAX8881及其外圍電路組成；光伏電池的正極與MAX1811的IN引腳相接，鋰離子電池正極與MAX1811的BATT引腳相接；光伏電池的正極、鋰離子電池正極分別串聯(lián)肖特基二極管D1、D2，再與穩(wěn)壓芯片MAX8881的IN引腳相接。
全文摘要
一種光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電微系統(tǒng)，包含光伏電池、鋰離子電池、能源管理模塊以及傳感器節(jié)點。能源管理模塊包含與光伏電池、鋰離子電池、傳感器節(jié)點連接的電氣連接裝置。將光伏電池、鋰離子電池、傳感器節(jié)點與能量管理模塊指定的接口相連，在光照條件下，光伏電池產(chǎn)生的電能可通過能源管理電路為節(jié)點供電，同時為鋰離子電池充電。無充足光照時，由鋰離子電池為節(jié)點供電。光伏能源與傳感器節(jié)點集成的自供電微系統(tǒng)，無需人工更換電池、充電等維護(hù)即可延長傳感器節(jié)點的使用壽命，從而解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸。
文檔編號H02J7/35GK1960117SQ20061011470
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者李艷秋, 于紅云, 尚永紅 申請人:中國科學(xué)院電工研究所