專利名稱：一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及其微型化集成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及其微型化集成方法，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常應(yīng)用于邊遠(yuǎn)、野外等常規(guī)電網(wǎng)所不及之處，因此需要攜帶電池，但由于生態(tài)、經(jīng)濟(jì)或是一次電池壽命短等原因，人們正在尋求盡可能少用一次性電池，以達(dá)到延長微能源系統(tǒng)壽命，同時(shí)優(yōu)化能源消耗結(jié)構(gòu)，并尋求周邊能源易得性，一次電池的最大缺點(diǎn)是，當(dāng)電池電力消耗完后，節(jié)點(diǎn)停止工作，需要更換電池，這在野外是非常困難的。也有研究者采用二次電池供電但當(dāng)電池電力消耗完后，整個(gè)節(jié)點(diǎn)需要重新充電，這在野外環(huán)境和數(shù)量較多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中尋找電力來源是非常困難的。每小時(shí)發(fā)送I次數(shù)據(jù)，無阻擋通訊距離700m計(jì)算，電池使用壽命為3天。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在野外、邊遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用需求的不斷增加，人們對(duì)于單個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作時(shí)間提出了越來越高的要求。在眾多的周圍環(huán)境的能量(包括太陽能、風(fēng)能、微小熱能、電磁波能、振動(dòng)能、輻射能等)中太陽能是可以獲得的單位面積上能量密度最高(戶外lOmW/cm2)的選擇?？紤]到聚合物鋰離子電池，具有比液體電解質(zhì)鋰離子電池更高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性、長循環(huán)壽命與低成本特點(diǎn)，采用高效太陽電池捕獲光能，同時(shí)采用聚合物鋰離子電池儲(chǔ)存，提供節(jié)點(diǎn)夜間工作所需能量，將有望解決這一問題。本發(fā)明擬提出采用太陽電池捕獲光能，與高能量密度的鋰電微型化集成方法，提高節(jié)點(diǎn)陰天連續(xù)工作時(shí)間。德國Fraunhofer可靠性和微型化集成研究所Michael Niedermayer等人發(fā)表題為 “Design for Miniaturization of Wireless Sensor Nodes Based on3D_PackagingTechnologies”的文章對(duì)于微能源系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)概念，但尚未有實(shí)驗(yàn)證實(shí)。中國科學(xué)院電工研究所李艷秋等人發(fā)表題為“用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光伏微能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的文章(2008年第二期，功能材料學(xué)報(bào))，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征和需求，設(shè)計(jì)了光伏微能源系統(tǒng)，并與微型傳感器節(jié)點(diǎn)集成，形成自供電的微系統(tǒng)。但未提及小型化和具體節(jié)點(diǎn)微型化尺度。在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)中外專利數(shù)據(jù)庫上，搜索“微型and節(jié)點(diǎn)”，發(fā)現(xiàn)西南科技大學(xué)楊濤等人的實(shí)用新型專利“基于壓電振動(dòng)發(fā)電的自供電微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”(申請?zhí)?00710048553. 4)。涉及一種用于狀態(tài)監(jiān)控的基于壓電振動(dòng)發(fā)電的自供電微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主要由壓電振動(dòng)電源、微控制器、RF發(fā)送裝置和傳感器組成。但未涉及節(jié)點(diǎn)微型化體積或重量指標(biāo)。在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)(中外專利數(shù)據(jù)庫)上，搜索“微型and節(jié)點(diǎn)”，發(fā)現(xiàn)中國科學(xué)院電工研究所李艷秋等人的發(fā)明專利“光伏一溫差微能源與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成微系統(tǒng)”(申請?zhí)?00610114708. 5)介紹了一種光伏一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(jí)電容器通過DC/DC升壓電路連接，光伏電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器的輸出端與能源管理電路對(duì)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。也未涉及系統(tǒng)的微型化體積或、重量指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種長壽命物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及其微型化集成方法。所述物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括5片高效太陽電池、I片聚合物鋰離子電池，I片總控制電路板，I塊無線發(fā)送電路及光照、溫度、濕度傳感器。其中，總控制電路板，聚合物鋰離子電池和無線發(fā)送電路采用MCM封裝方式疊放互聯(lián)，每一層通過雙列header2X50 (雙列，50腳)與鄰層連接。4片太陽電池圍繞四周，I片太陽電池蓋于頂部(如圖2)，5片太陽電池并聯(lián)為鋰電和電路供電，白天時(shí)對(duì)鋰電充電，晚上由聚合物鋰離子電池對(duì)無線發(fā)送電路供電，保證傳感數(shù)據(jù)的長時(shí)間，不間斷發(fā)送。本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，組成節(jié)點(diǎn)的電路原理圖如圖I所示，所述電路圖中所使用的LT3105芯片具有如下特點(diǎn)具有低的啟動(dòng)電壓(250mV)，具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，寬的輸入電壓范圍，具有備用6mA低電壓調(diào)節(jié)器，具有低的觸發(fā)工作電流24 μ A，如圖I。本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的微型化集成方法。其特征在于所述物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)微型化集成的方法，包括如下步驟1)、制作總控制電路包括傳感器控制電路制作；2)、無線發(fā)送電路制作；3)、將總控制電路、無線發(fā)送電路、聚合物鋰離子電池采用MCM封裝方式疊放互聯(lián)，每一層通過雙列插針header2X50 (雙列，50腳)與鄰層連接；4)、將4片高效(效率為27%)太陽電池圍繞模塊四周，I片太陽電池蓋于頂部(如圖1)，5片太陽電池并聯(lián)為鋰電和電路供電，白天時(shí)對(duì)鋰電充電，晚上由鋰離子電池對(duì)無線發(fā)送電路供電，保證傳感數(shù)據(jù)的長時(shí)間，不間斷發(fā)送。所提供的長壽命物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及其微型化集成方法主要特色在于1、體積小，總體積為18cm3，不易被發(fā)現(xiàn)；2、體積功率密度高(20. 5ffh/L) ;3、無人值守，長的能源壽命，具有太陽電池光捕獲和鋰離子電池存儲(chǔ)功能，每小時(shí)發(fā)送I次數(shù)據(jù)，可連續(xù)陰天工作時(shí)間為28天；4、總控制電路功耗低，采用Linear公司的LT3105芯片，觸發(fā)工作電流24 μ Α,靜態(tài)電流I μ Α，從而有效地降低節(jié)點(diǎn)的待機(jī)損耗；LTCe 3105作為一款高效率的升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，可在輸入電壓低至225mV的情況下工作。250mV啟動(dòng)能力和集成的最大功率點(diǎn)控制器(MPPC)使得能夠直接從低電壓、高阻抗的替代型電源來運(yùn)作，一個(gè)可由用戶設(shè)置的MPPC設(shè)定點(diǎn)最大限度地增加了可從任何電源吸取的能量。突發(fā)模式操作(BurstMode )及專有的自調(diào)節(jié)峰值電流優(yōu)化了所有工作條件下的轉(zhuǎn)換器效率和輸出電壓紋波。由AUX (輔助電壓)引腳供電的6mA LDO (調(diào)制輸出)負(fù)責(zé)在主輸出處于充電狀態(tài)的情況下為外部微控制器和傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定電源。在停機(jī)模式中，Iq減小至10 μ A，而集成的熱停機(jī)功能電路則可保護(hù)器件免遭過熱故障的損壞。LTC3105采用10引腳3mm x 3mm x0. 75mm DFN封裝和12引腳MSOP封裝。5、傳輸距離遠(yuǎn)，無遮擋傳輸距離700m，草叢環(huán)境傳輸距離大于50米。


圖I、太陽電池對(duì)鋰離子電池充電控制電路原理圖。圖2、無線發(fā)送鏈路圖。圖3、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)前視示意圖。I表示無線發(fā)送模塊，2表示鋰離子電池，3表示總控制電路，4a、4b、4c、4d、4f表示太陽電池片，5表示導(dǎo)電膠,6表示雙列插針header2x50(雙列，50腳)。
具體實(shí)施例方式節(jié)點(diǎn)制作包括如下步驟I、制作總控制電路，a)按照圖I所示太陽電池的對(duì)鋰離子電池充電電路原理圖，制作充電電路。電路中采用Linear公司的LTC3105芯片給單個(gè)鋰離子電池充電，當(dāng)太陽電池電壓大于225mV后，SHDN工作，LTC3105開始工作，工作電流24 μ A，靜態(tài)電流小于I μ Α，為降低物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的待機(jī)損耗，LTC3015通過內(nèi)部升壓，提供3. 9V的充電電壓，對(duì)Li離子電池充電；電池電壓小于225mV時(shí)，SHDN不工作，鋰離子電池為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載供電。本發(fā) 明采用深圳市和悅電子有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為PL332530的鋰離子電池。所述的LTC3015 中FB:變壓器反饋輸入設(shè)置(Step-Up Converter Feedback Input),連接 Vout 電阻分壓器接頭到電壓輸入端.輸出電壓在I. 5V到5. 25V間可調(diào)。LD0:調(diào)制輸出，在LDO和GND之間連接了 I個(gè)大于4. 6 μ F電容器。FBLDO:LDO反饋輸入.連接LDO電阻分壓器接頭到電壓輸入端.同時(shí)，直接將FBLDO接地會(huì)使得LDO輸出電壓內(nèi)部設(shè)定為2. 2V。SHDN:邏輯控制停止輸入。SHDN=Low: IC不工作，SHDN=High: IC工作。MPPC,設(shè)定最大功率點(diǎn)，通過一個(gè)電阻與“地”端相連，實(shí)現(xiàn)MPPC回線的移動(dòng)點(diǎn)編程。要取消MPPC功能可以將MPPC端與“地”端相連。VIN:電源輸入電壓端，O. 2-5V，連接PiN與地端之間的去耦電容器，大于10 μ。GND:集成電路小信號(hào)和電源地端.GND與PCB間采用低阻抗焊料焊接(如Au、Ag)。Sff (Switch Pin)由AUX引腳供電的6mA LDO負(fù)責(zé)在主輸出處于充電狀態(tài)的情況下為外部微控制器和傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定電源。在停機(jī)模式中，Iq減小至ΙΟμΑ，而集成的熱停機(jī)功能電路則可保護(hù)器件免遭過熱故障的損壞。LTC3105采用10引腳3mm x 3mm x0. 75mm DFN封裝和12引腳MSOP封裝。PGOOD:電源良好顯示器，本電路中懸空。VOUT:升壓轉(zhuǎn)換器輸出.主輸出內(nèi)部同步鎮(zhèn)流器漏端連接。VOUT與GND間需要連接一個(gè)IOyF以上的電容。AUX:輔助電壓。AUX與GND間連接I μ F電容。AUX通常被啟動(dòng)電路用于產(chǎn)生電壓軌,從而給內(nèi)部電路供電直到主輸出電壓達(dá)到規(guī)定值。一旦VOUT超過VAUX. AUX和VOU內(nèi)部相連b)制作傳感器控制電路(總控制電路的一部分)，將各類傳感器焊接到傳感器控制電路板上，采用深圳杰英特傳感儀器有限公司生產(chǎn)的MS5540型微型大氣壓力傳感器，深圳龍信達(dá)科技有限公司的LXD/GB5-A1DPA型光敏傳感器，廣州海谷電子科技有限公司的HG12型濕度傳感器，廣州敏星傳感技術(shù)有限公司的PT100型溫度傳感器。從傳感器控制電路發(fā)出的信號(hào)通過兩種途徑傳輸出去1)、如果發(fā)送器與接受器比較近(小于700m)，直接通過無線發(fā)送器發(fā)送到接收器，接收器接收到信號(hào)后傳入接收器控制電路，最后通過RS232接口傳到計(jì)算機(jī)；2)、如果發(fā)送器與接受器比較遠(yuǎn)(大于700m)，通過與控制器相連的無線發(fā)送器，發(fā)送到鄰近計(jì)算機(jī)無線連接，通過帶有固定IP的計(jì)算機(jī)，經(jīng)過Internet與通用無線分組業(yè)務(wù)(GPRS)模塊相連，GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)處的無線接收器，接收器接收到信號(hào)后傳入接收器控制電路，最后通過RS232接口傳到計(jì)算機(jī)。所述的GPRS(General Packet RadioService)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，是以"分組"的形式傳送資料到用戶手上。2、無線發(fā)送模塊RF模塊制作，采用杭州飛拓電子科技有限公司的低功耗遠(yuǎn)距離收發(fā)模塊，型號(hào)為RF1212SE。具有非常低的接收功耗，典型接收電流約為3mA，遠(yuǎn)小于同類收發(fā)器的接收電流。工作電壓為2. 1-3. 6V，最大發(fā)射功率+12. 5dBm，開闊地(無遮擋)通訊距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到700米。3、將無線發(fā)送電路、聚合物鋰離子電池、總控制電路采用MCM封裝方式疊放互聯(lián)，每一層通過雙列插針header2X50 (雙列，50腳)與鄰層連接。圖2中，傳感器控制電路與圖 一中充電控制電路中LTC3015芯片的SHDN端連接，溫度、濕度、光敏、壓力傳感器與控制電路相連接，通過無線發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信號(hào)的控制。圖3中各單元3D組裝順序?yàn)?)、將無線發(fā)送模塊置于底部，上面疊放鋰離子電池，通過雙列插針連接；2)、再在鋰離子電池上方疊放總控制電路(包括圖I中的充電控制電路和傳感器控制電路兩個(gè)部分)，鋰離子電池與總控制電路間通過雙列插針連接；3 )、將圖3中4b、4c、4d、4e等4片高效(效率為27 % )太陽電池圍繞模塊四周，先安裝側(cè)面第I片(3b)太陽電池，用Al線引出其背面電極；依次安裝第2 (4c),3 (4d)、4 (4e)片，實(shí)現(xiàn)4片(4e)電池片并聯(lián)，每塊電池片通過導(dǎo)電銀膠與PCB板橫截面邊緣連接；4)、將第5片(4a)電池片背面電極引出，與上述4片并聯(lián)，最后將上述頂太陽電池片(4a)背面朝下(吸光面朝上)放在總控制電路上，通過導(dǎo)電銀膠連接到總控制電路板上方，對(duì)鋰電和電路供電，總的充電電流是5片太陽電池電流累加，而開路電壓為單片電池的開路電壓。白天時(shí)，由于有太陽照射，太陽電池片接受到光能，通過電池片轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢?duì)鋰電充電，晚上，總控制電路通過光敏傳感器探測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)小于某一設(shè)定值(如20Lux)時(shí)，總控制電路通過LTC3015使能端關(guān)閉LTC3105，同時(shí)將鋰離子電池輸出到負(fù)載(控制電路、無線發(fā)送模塊)，保證傳感數(shù)據(jù)的長時(shí)間，不間斷發(fā)送。當(dāng)光敏傳感器探測到光強(qiáng)超過20Lux時(shí),再次開始直接由光電輸出供給負(fù)載電力。
權(quán)利要求
1.一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由5片太陽電池、I片聚合物鋰離子電池，I片總控制電路板，I塊無線發(fā)送電路組成，總控制電路，聚合物鋰離子電池和無線發(fā)送電路采用MCM封裝方式疊放互連，每層通過雙列插針header2X50與鄰層互連；4片太陽電池圍繞四周，I片太陽電池蓋于頂部，5片太陽電池并聯(lián)為聚合物鋰離子電池和電路供電；總控制電路板包括充電控制電路和傳感器控制電路兩部分。
2.按權(quán)利要求I所述的節(jié)點(diǎn)，其特征在于 a)所述的聚合物鋰電池的型號(hào)為PL332530； b)總控制電路板中的充電控制電路采用Linear公司的LTC3105芯片，觸發(fā)電流為24 μ A，靜態(tài)電流ΙμΑ ； c)所述的太陽電池為效率高于27%的GaAs太陽電池。
3.按權(quán)利要求I所述的節(jié)點(diǎn)的微型化集成方法，其特征在于包括以下步驟 a)制作總控制電路，包括充電控制電路和各類傳感器控制電路兩部分，傳感器控制電路與充電控制電路中LTC3015芯片的SHDN端連接，通過無線發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信號(hào)的控制； b)制作無線發(fā)送電路，采用型號(hào)為RF1212SE的低功耗遠(yuǎn)距離收發(fā)模塊，接收電流為3mA，工作電壓3. 1-3. 6V,最大發(fā)射功率為12. 5dBm ； c)將步驟b制作的無線發(fā)送電路、聚合物鋰離子電池與步驟a制作的總控制電路采用MCM封裝方式疊放互聯(lián),每一層通過雙列50腳插針header2x50與鄰層連接；具體是， ①將無線發(fā)送模塊置于底部，上面疊放鋰離子電池，兩者通過雙列插針連接； ②再在聚合物鋰離子電池上方疊放總控制電路，聚合物鋰離子電池與總控制電路間通過雙列插針連接； ③4片效率為27%的高效太陽電池圍繞模塊四周，先安裝側(cè)面第I片太陽電池，用Al線引出其背面電極；依次安裝第2、第3、第4片，實(shí)現(xiàn)4片電池片并聯(lián)，每塊電池片通過導(dǎo)電銀膠與PCB板橫截面邊緣連接； ④將第5片電池片背面電極引出，與上述4片并聯(lián)，最后將上述頂太陽電池片背面朝下，即吸光面朝上放在總控制電路上，通過導(dǎo)電銀膠連接到總控制電路板上方，對(duì)聚合物鋰離子電池和電路供電，總的充電電流是5片太陽電池電流累加，而開路電壓為單片電池的開路電壓。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于傳感器控制電路板上的傳感器包括深圳杰英特傳感儀器有限公司生產(chǎn)的MS5540型微型大氣壓力傳感器，深圳龍信達(dá)科技有限公司的LXD/GB5-A1DPA型光敏傳感器，廣州海谷電子科技有限公司的HG12型濕度傳感器，廣州敏星傳感技術(shù)有限公司的PT100型溫度傳感器。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于從傳感器控制電路板發(fā)出的信號(hào)通過兩種途徑傳輸出去1)、如果發(fā)送器與接受器的距離小于700m，直接通過無線發(fā)送器發(fā)送到接收器，接收器接收到信號(hào)后傳入接收器控制電路，最后通過RS232接口傳到計(jì)算機(jī)；2)、如果發(fā)送器與接受器的距離大于700m，通過與控制器相連的無線發(fā)送器，發(fā)送到鄰近計(jì)算機(jī)無線連接，通過帶有固定IP的計(jì)算機(jī)，經(jīng)過Internet與通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS模塊相連，GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)處的無線接收器，接收器接收到信號(hào)后傳入接收器控制電路，最后通過RS232接口傳到計(jì)算機(jī)；所述的GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接；GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)是以"分組"的形式傳送資料到用戶手上。
6.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的RF1212SE模塊無遮擋通訊距離為700米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及其微型化集成方法，所述物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由5片高效太陽電池、1片聚合物鋰離子電池，1片總控制電路板，1塊無線發(fā)送電路及各類傳感器組成?？偪刂齐娐?，聚合物鋰離子電池和無線發(fā)送電路采用MCM封裝方式疊放互聯(lián)，每一層通過雙列50腳插針header2x50與鄰層連接。4片圍繞四周的太陽電池與蓋于頂部的1片太陽電池并聯(lián)，白天時(shí)對(duì)鋰電充電，晚上由鋰離子電池對(duì)無線發(fā)送電路供電，保證節(jié)點(diǎn)長壽命。特色在于1、體積僅為18cm3，體積功率密度高達(dá)20.5Wh/l；2、長壽命，按照每小時(shí)發(fā)送1次數(shù)據(jù)計(jì)算，連續(xù)28天陰天可正常工作；3、總控制電路功耗低，工作電流24μA，靜態(tài)電流小于1μA；4、無遮擋傳輸距離為700m。為未來拋撒式微型化物聯(lián)網(wǎng)提供了新思路。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102664437SQ20121014769
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者周健, 周天之, 周建華, 周舟, 孫曉瑋, 李洪飛 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所