專利名稱：光伏－溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成的自治微系統(tǒng)，尤其涉及一種基于光伏效應(yīng)和熱電效應(yīng)的混合微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成的自治微系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶可以通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，收集數(shù)據(jù)以及發(fā)布任務(wù)。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)、大面積農(nóng)田的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積微小，只能攜帶能量十分有限的電池。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個數(shù)多、分布區(qū)域廣、部署環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過更換電池的方式來補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。如何解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。
如果將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)化為電能為節(jié)點(diǎn)供電，將延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命，解決上述能源問題。
光伏電池是把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，其發(fā)電的原理是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)太陽光(或其他光)照射到光伏電池上時，電池吸收光能產(chǎn)生光生電子-空穴對。在電池內(nèi)建電場的作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)”。在電池內(nèi)建電場兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，即可獲得功率輸出。
溫差發(fā)電是由賽貝克效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，它的工作原理是由N型和P型半導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成的回路中若兩個接頭處存在溫度梯度，高溫端的空穴和電子濃度較低溫端高，在載流子濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在高、低溫端形成電勢差，當(dāng)回路接通時會有電流輸出。將多對P型和N型熱電半導(dǎo)體材料連接起來組成模塊就可獲得不同數(shù)值的輸出電壓和功率。
將光伏發(fā)電技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)結(jié)合，將太陽輻射能、光伏電池背溫與環(huán)境的溫差轉(zhuǎn)化為電能，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，將有效解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸，促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的推廣和應(yīng)用。
2003年，美國麻省理工學(xué)院在文獻(xiàn)Low power signal processing architectures fornetwork microsensors，Dong，M.J，et al，Low Power Electronics and Design，1997.Proceedings，1997 International Symposium on 18-20 Aug 1997，173-177中研究由單能量轉(zhuǎn)換器件(太陽電池)和單儲能器件(電容器)構(gòu)成的能源系統(tǒng)為Cricket節(jié)點(diǎn)提供能量。加州大學(xué)洛杉磯分校在文獻(xiàn)《Design considerations for solar energy harvesting wirelessembedded systems》，V.Raghunathan，A.Kansal，J.Hsu，et al.Information Processing inSensor Networks of Fourth International Symposium.2005，457-462中報導(dǎo)了將單能量轉(zhuǎn)換器件(太陽電池)和單儲能器件(鎳氫電池)構(gòu)成的能源系統(tǒng)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)結(jié)果。但是，光伏電池和溫差電池結(jié)合作為雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，鋰離子電池和超級電容器結(jié)合作為雙儲能子系統(tǒng)，將雙能量轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)和雙儲能子系統(tǒng)結(jié)合的混合微能源為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的文獻(xiàn)和專利還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用壽命短的缺點(diǎn)，提供一種將光伏-溫差混合微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成的自治微系統(tǒng)。
自治微系統(tǒng)是由光伏電池和溫差電池組成的雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、鋰離子電池和超級電容器組成的雙儲能子系統(tǒng)、能源管理子系統(tǒng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。
光伏電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，同時多余電能存儲于鋰離子電池中。溫差電池貼在光伏電池背面，利用光伏電池背溫與環(huán)境的溫差來發(fā)電，產(chǎn)生的電能存儲到超級電容器中。
能源管理子系統(tǒng)主要包含能源切換電路。能源切換電路包含3個輸入端和1個輸出端，光伏電池、鋰離子電池、超級電容器三種能源分別與能源切換電路的指定的輸入端相接，能源切換電路根據(jù)三種能源的能量狀態(tài)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功率需求，選擇一種能源為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與能源管理電路中的穩(wěn)壓電路的輸出端相接。
溫差電池充分利用了因光照引起的光伏電池溫升，將熱能轉(zhuǎn)化為電能；同時及時將產(chǎn)生的熱量傳遞給溫差電池，解決了光伏電池散熱問題，避免由于溫度高而引起光伏電池輸出功率的降低。
由于超級電容器可以大功率放電，因此，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有瞬間大功率用電需求時可以選擇超級電容器作為能源。鋰離子電池具有較高的能量密度，可以增加儲能系統(tǒng)的容量，這樣，可以延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無光照條件下連續(xù)工作的時間。超級電容器和鋰離子電池能夠優(yōu)勢互補(bǔ)，構(gòu)成長壽命、高容量、高輸出功率的雙儲能系統(tǒng)。
綜上所述，光伏-溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、光伏電池與溫差電池能夠從環(huán)境中攝取能量為節(jié)點(diǎn)供電，從而延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。
2、溫差電池充分利用光伏電池?zé)崃繉崮苻D(zhuǎn)化為電能，并且將光伏電池的熱量吸收。因此，溫差電池既作為能量轉(zhuǎn)化換器件增加了能量來源，又能解決了光伏電池的散熱問題，一舉兩得。
3、超級電容器和鋰離子電池結(jié)合的雙儲能系統(tǒng)綜合了單個儲能元件的優(yōu)勢，既能為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供大功率輸出，又具有高存儲量，具有靈活性、實(shí)用性。
4、能源切換電路設(shè)計(jì)合理，能夠根據(jù)能源的能量狀態(tài)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功率需求自動切換到合適的能源為負(fù)載供電，減少操作的復(fù)雜性。


圖1是本發(fā)明組成結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2是雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
示意框圖；圖4是能源管理子系統(tǒng)電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的自治微系統(tǒng)包含光伏電池和溫差電池組成的雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、鋰離子電池和超級電容器組成的雙儲能子系統(tǒng)、能源管理子系統(tǒng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
以中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研制的GAINS節(jié)點(diǎn)為例，敘述
具體實(shí)施例方式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作電壓在2.7V～5.0V，平均工作電流為8mA。單晶硅光伏電池尺寸為63mm×69mm，在AM1.5，t＝25℃條件下，開路電壓是7.11V，短路電流是93.78mA。溫差電池是由4片30mm×30mm×3.92mm串聯(lián)組成，每片又由126對熱電偶串聯(lián)構(gòu)成。在環(huán)境溫度為33～35℃時，光伏電池的背面溫度與環(huán)境溫度的差值早上9點(diǎn)到下午3點(diǎn)變化范圍為5～20℃，因此估算該發(fā)電組件在冷、熱端溫差在5℃、10℃和20℃時能獲得的開路電壓分別為0.97V、1.95V和3.91V，最大輸出電流為16.67mA、33.33mA和66.67mA。超級電容器的單體電壓為2.7V，容量為30F。鋰離子電池單體電壓為3.6V，容量為1400mAh。
如圖2所示，雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)由光伏電池和溫差電池組成。光伏電池的下電極與溫差電池?zé)岫私^緣導(dǎo)熱板通過導(dǎo)熱硅膠緊密粘合在一起，以便將太陽能光伏電池吸收的熱量無損失、快速地傳遞給半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件。半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件的冷端絕緣導(dǎo)熱板板與鋁質(zhì)散熱器通過導(dǎo)熱硅膠緊密粘合在一起，鋁質(zhì)散熱器的作用是將由熱端傳導(dǎo)過來的熱量、半導(dǎo)體發(fā)電組件自身產(chǎn)生的焦耳熱和湯姆遜熱導(dǎo)出，使得半導(dǎo)體發(fā)電組件冷端溫度與環(huán)境溫度一致，保證半導(dǎo)體發(fā)電組件冷、熱端有一定的溫度梯度。
本發(fā)明具體實(shí)施方式
如圖3所示，光伏電池和鋰離子電池通過充電保護(hù)電路連接，溫差電池和超級電容器通過DC/DC升壓電路連接，光伏電池、鋰離子電池、超級電容器的輸出端分別與能源管理電路中切換電路指定的輸入端相接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與能源管理電路中的穩(wěn)壓電路輸出端連接。將系統(tǒng)置于戶外，打開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作開關(guān)，系統(tǒng)便開始工作。
圖4為能源管理子系統(tǒng)。如圖4所示，光伏電池的輸出端分別接鋰離子電池充電保護(hù)電路A和狀態(tài)切換電路C，鋰離子電池充電保護(hù)電路A的輸出端接鋰離子電池，鋰離子電池接至狀態(tài)切換電路C；溫差電池的輸出端接DC/DC升壓電路B，升壓電路B輸出端接超級電容器，超級電容器接至狀態(tài)切換電路C；狀態(tài)切換電路C的輸出端接穩(wěn)壓電路D。具體電路實(shí)現(xiàn)如下1、鋰離子電池充電保護(hù)電路A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(shí)現(xiàn)恒流-恒壓充電制式。光伏電池的正極輸出端與MAX1811的IN引腳通過MBR0520L二極管相接，鋰離子電池正極與MAX1811的BATT引腳通過MBR0520L二極管相接，MBR0520L二極管是起到單向?qū)ㄗ饔谩９夥姵禺a(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。SELV和CHG引腳間接LED為充電指示燈和分壓電阻R2，當(dāng)光伏電池輸出電壓在3.5～6.2V安全充電電壓范圍時，指示燈亮，起到指示充電狀態(tài)的作用。SELI引腳與鋰離子電池負(fù)極通過100mA電流充電模式選擇電阻R1相連。C1、C2、C3、C4為旁路濾波電容。
2、DC/DC升壓電路B溫差電池輸出先經(jīng)過濾波電容C5、電阻R5和高頻扼流線圈L1(它們的作用是防止與其他電路間的電磁串?dāng)_)，與升壓芯片MAX1676的BAIT和LX引腳相連。BAIT和LBI引腳通過電阻R7相連，LBI和CLSEL引腳通過電阻R8相連，R7和R8的作用是設(shè)置電池電壓監(jiān)控閾值。REF引腳串聯(lián)旁路電容后接地。SHDN和LBO引腳通過上拉電阻R6串聯(lián)。LX和OUT引腳通過肖特基二極管MBR0520L連接，二極管的作用是降低開啟電壓。經(jīng)過升壓后由OUT引腳輸出大于2.8V的直流電，經(jīng)過分壓電阻R11與超級電容器相連并為其充電。其中外圍電路中的C6和C7分別為旁路電容和濾波電容，其作用是減小輸出微波。
3、狀態(tài)切換電路C由A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543、單片機(jī)AT89C2051、模擬開關(guān)MAX393組成。A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543的AIN0、AIN1、AIN2端口分別檢測光伏電池、鋰離子電池及超級電容器的端電壓(R11的電壓)。通過單片機(jī)AT89C2051向模擬開關(guān)發(fā)出指令和模擬開關(guān)MAX393的自動通斷控制，完成NO1、NO2及NO4引腳的開關(guān)動作，實(shí)現(xiàn)三種電源光伏電池、鋰離子蓄電池和超級電容器的交替供電，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在有無光照條件下均能連續(xù)工作。單片機(jī)AT89C2051中RST引腳的外部電路為復(fù)位電路，與XTAL1和XTAL1相連的為單片機(jī)時鐘產(chǎn)生電路。模擬開關(guān)MAX393的輸出端與穩(wěn)壓電路DMAX8881芯片的IN端口相連。
4、穩(wěn)壓電路D由穩(wěn)壓芯片MAX8880實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出和電壓調(diào)整。IN引腳與模擬開關(guān)MAX393的NO1、NO2及NO4的輸出引腳相接，OUT引腳接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出3V電壓。與SHDN引腳相連的R3為電池反向保護(hù)電阻。
本發(fā)明的自治微系統(tǒng)可在晴朗天氣工作正常，并可在完全黑暗的條件下，實(shí)現(xiàn)180小時連續(xù)工作。
權(quán)利要求
1.一種光伏-溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)，其特征在于包含光伏電池和溫差電池構(gòu)成的雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、鋰離子電池和超級電容器構(gòu)成的雙儲能子系統(tǒng)、能源管理子系統(tǒng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；光伏電池和鋰離子電池通過充電電路連接，溫差電池和超級電容器通過充電電路連接，光伏電池、鋰離子電池、超級電容器的輸出端分別與能源管理電路指定的輸入端相接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與能源管理電路的輸出端相接。
2.按照權(quán)利要求1所述的光伏-溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)，其特征在于雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)包含光伏電池和溫差電池；光伏電池的下電極與溫差電池?zé)岫私^緣導(dǎo)熱板通過導(dǎo)熱硅膠緊密粘合，半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件的冷端絕緣導(dǎo)熱板與鋁質(zhì)散熱器通過導(dǎo)熱硅膠緊密粘合，溫差電池貼在光伏電池背面，利用光伏電池背溫與環(huán)境的溫差發(fā)電。
3.按照權(quán)利要求1所述的光伏-溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)，其特征在于雙儲能子系統(tǒng)包含鋰離子電池和超級電容器，光伏電池為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，并將多余電能存儲到鋰離子電池中，溫差電池產(chǎn)生的電能存儲在超級電容器中。
4.按照權(quán)利要求1所述的光伏-溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)，其特征在于能源管理子系統(tǒng)主要包含能源切換電路，能源切換電路包括鋰離子電池充電保護(hù)電路A、DC/DC升壓電路B、狀態(tài)切換電路C和穩(wěn)壓電路D；光伏電池的輸出端分別接鋰離子電池充電保護(hù)電路A和狀態(tài)切換電路C，鋰離子電池充電保護(hù)電路A的輸出端接鋰離子電池，鋰離子電池接至狀態(tài)切換電路C；溫差電池的輸出端接DC/DC升壓電路B，DC/DC升壓電路B輸出端接超級電容器，超級電容器接至狀態(tài)切換電路C；狀態(tài)切換電路C的輸出端接穩(wěn)壓電路D；穩(wěn)壓電路D輸出端與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接，為其提供穩(wěn)定的3V直流電壓。
5.按照權(quán)利要求4所述的光伏-溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)，其特征在于鋰離子電池充電保護(hù)電路A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(shí)現(xiàn)恒流-恒壓充電制式；光伏電池的正極輸出端與MAX1811的IN引腳通過MBR0520L二極管相接，鋰離子電池正極與MAX1811的BATT引腳通過MBR0520L二極管相接，MBR0520L二極管是起到單向?qū)ㄗ饔?；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；SELV和CHG引腳間接LED充電指示燈和分壓電阻R2，SELI引腳與鋰離子電池負(fù)極通過100mA電流充電模式選擇電阻R1相連；DC/DC升壓電路B中，溫差電池輸出先經(jīng)過濾波電容C5、電阻R5和高頻扼流線圈L1，與升壓芯片MAX1676的BAIT和LX引腳相連，BAIT和LBI引腳通過電阻R7相連，LBI和CLSEL引腳通過電阻R8相連；REF引腳串聯(lián)旁路電容后接地；SHDN和LBO引腳通過上拉電阻R6串聯(lián)；LX和OUT引腳通過肖特基二極管MBR0520L連接；狀態(tài)切換電路C由A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543、單片機(jī)AT89C2051、模擬開關(guān)MAX393組成；A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543的AIN0、AIN1、AIN2端口分別檢測光伏電池、鋰離子電池及超級電容器的端電壓；單片機(jī)AT89C2051中RST引腳的外部電路為復(fù)位電路，與XTAL1和XTAL1相連的為單片機(jī)時鐘產(chǎn)生電路；模擬開關(guān)MAX393的輸出端與穩(wěn)壓電路DMAX8881芯片的IN端口相連；穩(wěn)壓電路D由穩(wěn)壓芯片MAX8880實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出和電壓調(diào)整；IN引腳與模擬開關(guān)MAX393的NO1、NO2及NO4的輸出引腳相接，OUT引腳接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
一種光伏—溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成自治微系統(tǒng)，光伏電池和鋰離子電池通過充電保護(hù)電路連接，溫差電池和超級電容器通過DC/DC升壓電路連接，光伏電池、鋰離子電池、超級電容器的輸出端與能源管理電路對應(yīng)的輸入端相接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與能源管理電路的輸出端相接。光伏電池與溫差電池從環(huán)境中攝取光能和熱能轉(zhuǎn)化為電能，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，同時為雙儲能子系統(tǒng)充電。當(dāng)雙能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)不足以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電時，由雙儲能子系統(tǒng)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。本發(fā)明可延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸問題。
文檔編號H02N6/00GK1960119SQ200610114708
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, 尚永紅, 于紅云, 蘇波 申請人:中國科學(xué)院電工研究所