專利名稱:自供電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型屬于無線傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種自供電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。
背景技術(shù):
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已在工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、消費(fèi)、軍事和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但其能量供給成為制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定和長(zhǎng)壽命工作的關(guān)鍵因素。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布區(qū)域廣且布設(shè)在無人值守的區(qū)域、通過更換電池的方式來補(bǔ)充能源是不實(shí)際的。從環(huán)境中捕獲能量是一種有效的途徑。目前可以從環(huán)境中獲取能量的方式有太陽(yáng)能、振動(dòng)能、風(fēng)能、溫差能等,其中太陽(yáng)能以其較高的能量密度和較成熟的開發(fā)技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用。通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn),目前的太陽(yáng)能供電方式存在以下幾個(gè)問題:目前的能量自供給傳感器節(jié)點(diǎn)都是針對(duì)光強(qiáng)足夠的室外環(huán)境,不能收集微弱的太陽(yáng)能;電路簡(jiǎn)單地使用光伏電池通過充電芯片為超級(jí)電容或鋰電池供電,未能考慮能量的利用效率和頻繁的充放電對(duì)電池壽命的影響,設(shè)備的安全性和工作的穩(wěn)定性不高;通過額外增加單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行能量管理,增加了設(shè)備的成本和功耗;粗放的能量管理,未考慮到太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤,沒有提高太陽(yáng)能的利用率。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),本實(shí)用新型的目的在于提供一種自供電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,通過合理的能量管理策略,實(shí)現(xiàn)了能量的最大化存儲(chǔ)和利用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:自供電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,包括帶有處理器模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊,所述傳感器節(jié)點(diǎn)模塊:接傳感器模塊接收其采集的數(shù)據(jù);接能量存儲(chǔ)模塊由其進(jìn)行供電;接光敏電阻進(jìn)行光照條件判斷;接開關(guān)模塊進(jìn)行能量供給策略選擇;所述能量存儲(chǔ)模塊包括太陽(yáng)能電池模塊、超級(jí)電容模塊以及鋰電池模塊,所述超級(jí)電容模塊作為設(shè)備主能源,在其能量大于設(shè)定值的情況下為設(shè)備供電;所述鋰電池模塊作為設(shè)備次級(jí)能源,在所述超級(jí)電容模塊能量小于設(shè)定值的情況下為設(shè)備供電;所述太陽(yáng)能電池模塊通過開關(guān)SI接并聯(lián)的升壓充電泵和最大功率點(diǎn)跟蹤模塊,通過控制開關(guān)SI的啟閉選擇由升壓充電泵或者最大功率點(diǎn)跟蹤模塊工作,升壓充電泵和最大功率點(diǎn)跟蹤模塊的輸出端通過開關(guān)S2接DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器,DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器輸出端接超級(jí)電容模塊 和鋰電池模塊的充電端,通過控制開關(guān)S2的啟閉選擇直接為超級(jí)電容模塊充電或者經(jīng)由DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容模塊或者鋰電池模塊充電;所述鋰電池模塊的充電端接有開關(guān)S3,輸出端接有開關(guān)S4,通過控制開關(guān)S3的啟閉選擇超級(jí)電容模塊是否為鋰電池模塊充電,通過控制開關(guān)S4的啟閉選擇是否由鋰電池模塊供電。所述開關(guān)SI和開關(guān)S2為CMOS單刀雙擲模擬開關(guān),開關(guān)S3和開關(guān)S4為CMOS單刀單擲開關(guān)。當(dāng)所述光敏電阻輸出為高電平時(shí),設(shè)備進(jìn)入白天模式,由太陽(yáng)能電池模塊為超級(jí)電容模塊充電或者鋰電池模塊充電,并由超級(jí)電容模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電;當(dāng)所述光敏電阻輸出為低電平時(shí),設(shè)備進(jìn)入夜間模式,由超級(jí)電容模塊或者鋰電池模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電。所述太陽(yáng)能電池模塊包括太陽(yáng)能電池板以及電池板電壓電流監(jiān)測(cè)模塊,在白天模式下,所述傳感器節(jié)點(diǎn)模塊接收電池板電壓電流監(jiān)測(cè)模塊采集到的太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流,如果輸出電壓小于等于閾值A(chǔ),則開關(guān)SI和開關(guān)S2常閉觸點(diǎn)閉合,太陽(yáng)能電池板通過升壓充電泵-DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器給超級(jí)電容模塊充電;如果輸出電壓在閾值B和閾值A(chǔ)之間,則開關(guān)SI常開觸點(diǎn)閉合,開關(guān)S2常閉觸點(diǎn)閉合,太陽(yáng)能電池板通過最大功率點(diǎn)跟蹤模塊-DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器給超級(jí)電容模塊充電;如果輸出電壓大于等于閾值B,則開關(guān)SI和開關(guān)S2常開觸點(diǎn)閉合,太陽(yáng)能電池板通過最大功率點(diǎn)跟蹤模塊直接給超級(jí)電容模塊充電。所述閾值A(chǔ)為3V,閾值B為4.2V。當(dāng)太陽(yáng)能電池板通過升壓充電泵-DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器給超級(jí)電容模塊供電情況下,或者通過最大功率點(diǎn)跟蹤模塊-DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器給超級(jí)電容模塊供電情況下,檢測(cè)超級(jí)電容模塊的電壓: 若超級(jí)電容模塊的電壓在閾值C和閾值D之間,則開關(guān)S4斷開,由超級(jí)電容模塊直接為節(jié)點(diǎn)模塊供電;若超級(jí)電容模塊的電壓大于等于閾值D,則檢測(cè)鋰電池模塊的電壓:若測(cè)鋰電池模塊的電壓大于等于閾值E,則鋰電池電量滿不需要充電,開關(guān)S3斷開,由超級(jí)電容模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電;若測(cè)鋰電池模塊的電壓小于閾值E,則開關(guān)S3閉合,超級(jí)電容模塊給鋰電池充電,同時(shí)為節(jié)點(diǎn)模塊供電;若超級(jí)電容模塊的電壓小于等于閾值C,則進(jìn)入夜間模式。所述閾值C為2V,閾值D為4.2V,閾值E為4.2V。當(dāng)太陽(yáng)能電池板通過最大功率點(diǎn)跟蹤模塊直接給超級(jí)電容模塊供電的情況下,檢測(cè)鋰電池模塊的電壓:若測(cè)鋰電池模塊的電壓大于等于閾值E,則鋰電池電量滿不需要充電,開關(guān)S3斷開,由超級(jí)電容模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電;若測(cè)鋰電池模塊的電壓小于閾值E,則開關(guān)S3閉合,超級(jí)電容模塊給鋰電池充電,同時(shí)為節(jié)點(diǎn)模塊供電。所述夜間工作模式下,首先判斷超級(jí)電容模塊的電壓:若超級(jí)電容模塊的電壓大于閾值C,則開關(guān)S4斷開,由超級(jí)電容模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電;若超級(jí)電容模塊的電壓小于等于閾值C,則開關(guān)S4閉合,由鋰電池模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電,同時(shí)檢測(cè)鋰電池模塊電壓:若鋰電池模塊電壓大于3V,則由鋰電池模塊直接繼續(xù)供電,直至鋰電池模塊電壓小于或者等于3V,在由鋰電池模塊進(jìn)行供電的同時(shí)發(fā)送電量不足信息。所述超級(jí)電容模塊由多個(gè)串聯(lián)電容組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型的有益效果是:I)可支持強(qiáng)太陽(yáng)能和微弱太陽(yáng)能的收集,通用性強(qiáng);2)設(shè)備根據(jù)太陽(yáng)能電池板的不同能量狀態(tài),選擇最優(yōu)的能量管理策略、提高了太陽(yáng)能的利用率;3)兩級(jí)能量存儲(chǔ),通常情況下采用超級(jí)電容供電、極端條件采用鋰電池供電,延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命;4)能量管理控制芯片和傳感器節(jié)點(diǎn)采用同一塊芯片,提高了設(shè)備利用率和集成度;5)設(shè)備在極端條件下的可自恢復(fù)性,提高了設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。
圖1是本實(shí)用 新型的設(shè)備組成框圖。圖2是能量管理方法的實(shí)施例程序流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式。如圖1所示,本實(shí)用新型自供電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,包括傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、傳感器模塊、升壓充電泵、最大功率點(diǎn)跟蹤模塊、DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器、開關(guān)模塊和由太陽(yáng)能電池模塊、超級(jí)電容模塊以及鋰電池模塊組成的能量存儲(chǔ)模塊。傳感器模塊采集數(shù)據(jù),然后傳輸至傳感器節(jié)點(diǎn)模塊,傳感器節(jié)點(diǎn)模塊以處理器模塊為核心,包括用于通信的RF功能模塊、用于接收數(shù)據(jù)的擴(kuò)展功能接口模塊以及用于傳輸編程及測(cè)試信息的JTAG接口模塊。擴(kuò)展功能接口模塊連接了由光敏電阻組成的光照傳感器,用于判斷白天還是夜晚。本實(shí)用新型的能量存儲(chǔ)模塊中,由太陽(yáng)能電池模塊為超級(jí)電容模塊以及鋰電池模塊進(jìn)行充電,太陽(yáng)能電池模塊包括太陽(yáng)能電池板以及電池板電壓電流監(jiān)測(cè)模塊,根據(jù)其電壓大小選擇充電方式。超級(jí)電容模塊由多個(gè)串聯(lián)電容組成,作為設(shè)備主能源,在其能量大于設(shè)定值的情況下為設(shè)備供電;而鋰電池模塊包括單節(jié)鋰電池及鋰電池充電管理模塊和鋰電池放電保護(hù)模塊,作為設(shè)備次級(jí)能源,在所述超級(jí)電容模塊能量小于設(shè)定值的情況下為設(shè)備供電。通過處理器模塊對(duì)開關(guān)模塊的工作模式選擇,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的能量供給策略選擇。充電環(huán)節(jié)中,太陽(yáng)能電池模塊通過開關(guān)SI接并聯(lián)的升壓充電泵和最大功率點(diǎn)跟蹤模塊,從而使得通過控制開關(guān)Si的啟閉即可選擇由升壓充電泵或者最大功率點(diǎn)跟蹤模塊工作。升壓充電泵和最大功率點(diǎn)跟蹤模塊的輸出端通過開關(guān)S2接DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器,DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器輸出端接超級(jí)電容模塊和鋰電池模塊的充電端,從而使得通過控制開關(guān)S2的啟閉選擇直接為超級(jí)電容模塊充電或者經(jīng)由DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容模塊或者鋰電池模塊充電。而鋰電池模塊的充電端接有開關(guān)S3,輸出端接有開關(guān)S4,通過控制開關(guān)S3的啟閉選擇為超級(jí)電容模塊充電或者為鋰電池模塊充電。其中,開關(guān)SI和開關(guān)S2為CMOS單刀雙擲模擬開關(guān),開關(guān)S3和開關(guān)S4為CMOS單刀單擲開關(guān)。最大功率點(diǎn)(MPPT)跟蹤模塊由boost升壓電路構(gòu)成,通過傳感器節(jié)點(diǎn)模塊控制太陽(yáng)電池端電壓使電池能在各種不同外部環(huán)境下智能地以最大功率輸出,提高太陽(yáng)能的利用率。供電環(huán)節(jié)中,通過控制開關(guān)S4的啟閉選擇由超級(jí)電容模塊供電或者由鋰電池模塊供電,二者的輸出端均通過DC/DC穩(wěn)壓模塊接入,穩(wěn)壓模塊包括3.3V的DC/DC穩(wěn)壓器和5V的DC/DC穩(wěn)壓器,保證為設(shè)備提供可選擇的、穩(wěn)定的電源。實(shí)施例中,強(qiáng)光條件下采用的是5V單晶硅太陽(yáng)能電池板,其尺寸為134mmX82mm,短路電流為300mA。弱光條件如室內(nèi)采用的是1.5-3V弱光型非晶硅太陽(yáng)能電池,其尺寸為50mmX 125mm,短路電流為2mA。超級(jí)電容為兩塊電壓為2.7V容量為IOF的超級(jí)電容串聯(lián)。鋰電池為4.2V/200mAh,其充電控制芯片為CN3063,放電保護(hù)芯片為CN301,開關(guān)SI和S2共用CMOS模擬開關(guān)SGM3002,S3、S4共用CMOS模擬開關(guān)ADG821,最大功率點(diǎn)(MPPT)跟蹤模塊采用boost升壓電路,控制算法采用增量電導(dǎo)法。升壓充電泵為S-882Z超低電壓充電泵最小啟動(dòng)電壓為0.3V,DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)6920DB最小啟動(dòng)電壓為0.8V,可輸出5V穩(wěn)定電壓。DC/DC (3.3V)穩(wěn)壓器和DC/DC (5V)穩(wěn)壓器采用兩塊TPS63030,其可將1.8V 5V電壓調(diào)整為3.3V和5V穩(wěn)壓輸出。傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的微處理器采用低功耗的MSP430F2274,RF功能模塊采用CC2500。太陽(yáng)能電池電流的檢測(cè)MAX9928F,對(duì)太陽(yáng)能電池板超級(jí)電容和鋰電池電壓的檢測(cè)采用分壓的方法由微處理器芯片上具有A/D功能的1/0 口檢測(cè)。如圖2所示,本實(shí)用新型的工作過程如下:在極端條件下,所有的超級(jí)電容、鋰電池和太陽(yáng)能電池板都沒有電量時(shí),節(jié)點(diǎn)上的所有芯片因沒有電源供應(yīng)不再 工作。當(dāng)有光照時(shí),太陽(yáng)能電池板開始工作,能量沿著開關(guān)SI上的常閉觸點(diǎn),經(jīng)過升壓充電泵、開關(guān)S2上的常閉觸點(diǎn)、DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器開始給超級(jí)電容模塊供電,當(dāng)超級(jí)電容模塊的充電電壓大于DC/DC穩(wěn)壓模塊的啟動(dòng)電壓時(shí)開始給節(jié)點(diǎn)模塊供電,節(jié)點(diǎn)模塊上的處理器模塊開始工作。微處理器開始工作后每隔2分鐘執(zhí)行以下相應(yīng)的步驟:1.當(dāng)所述光敏電阻輸出為高電平時(shí),設(shè)備進(jìn)入白天模式,由太陽(yáng)能電池模塊為超級(jí)電容模塊充電或者鋰電池模塊充電,并由超級(jí)電容模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電。在白天模式下,傳感器節(jié)點(diǎn)模塊接收電池板電壓電流監(jiān)測(cè)模塊采集到的太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流。1.1如果太陽(yáng)能電池板的輸出電壓小于等于3V,則開關(guān)SI和開關(guān)S2常閉觸點(diǎn)閉合,太陽(yáng)能電池板通過升壓充電泵-DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器給超級(jí)電容模塊充電,同時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容模塊的電壓。1.1.1若超級(jí)電容模塊的電壓在2V和4.2V之間,則開關(guān)S4斷開,由超級(jí)電容模塊直接為節(jié)點(diǎn)模塊供電。1.1.2若超級(jí)電容模塊的電壓大于等于4.2V,則檢測(cè)鋰電池模塊的電壓:1.1.2.1若測(cè)鋰電池模塊的電壓大于等于4.2V,則鋰電池電量滿不需要充電,開關(guān)S3斷開,由超級(jí)電容模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電。1.1.2.2若測(cè)鋰電池模塊的電壓小于閾值E,則開關(guān)S3閉合,超級(jí)電容模塊給鋰電池充電,同時(shí)為節(jié)點(diǎn)模塊供電。1.1.3若超級(jí)電容模塊的電壓小于等于閾值C,則進(jìn)入夜間模式。1.2如果太陽(yáng)能電池板的輸出電壓在4.2V和3V之間,則開關(guān)SI常開觸點(diǎn)閉合,開關(guān)S2常閉觸點(diǎn)閉合,太陽(yáng)能電池板通過最大功率點(diǎn)跟蹤模塊-DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器給超級(jí)電容模塊充電,同時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容模塊的電壓,執(zhí)行步驟1.1.1-1.1.3同樣的步驟。1.3如果輸出電壓大于等于4.2V,則開關(guān)SI和開關(guān)S2常開觸點(diǎn)閉合,太陽(yáng)能電池板通過最大功率點(diǎn)跟蹤模塊直接給超級(jí)電容模塊充電,同時(shí)檢測(cè)鋰電池模塊的電壓,執(zhí)行步驟1.1.2.1-1.1.2.2同樣的步驟。2.當(dāng)所述光敏電阻輸出為低電平時(shí),設(shè)備進(jìn)入夜間模式,由超級(jí)電容模塊或者鋰電池模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電。夜間工作模式下,首先判斷超級(jí)電容模塊的電壓:2.1若超級(jí)電容模塊的電壓大于2V,則開關(guān)S4斷開,由超級(jí)電容模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電;2.2若超級(jí)電容模塊的電壓小于等于2V,則開關(guān)S4閉合,由鋰電池模塊為節(jié)點(diǎn)模塊供電,同時(shí)檢測(cè)鋰電池模塊電壓:2.2.1若鋰電池模塊電壓大于3V,則由鋰電池模塊直接繼續(xù)供電;2.2.2若鋰電池模塊電壓小于或者等于3V,在由鋰電池模塊進(jìn)行供電的同時(shí)發(fā)送電量不足信息。
權(quán)利要求1.自供電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,包括帶有處理器模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊,所述傳感器節(jié)點(diǎn)模塊: 接傳感器模塊接收其采集的數(shù)據(jù); 接能量存儲(chǔ)模塊由其進(jìn)行供電; 接光敏電阻進(jìn)行光照條件判斷; 接開關(guān)模塊進(jìn)行能量供給策略選擇; 其特征在于, 所述能量存儲(chǔ)模塊包括太陽(yáng)能電池模塊、超級(jí)電容模塊以及鋰電池模塊,所述超級(jí)電容模塊作為設(shè)備主能源,在其能量大于設(shè)定值的情況下為設(shè)備供電;所述鋰電池模塊作為設(shè)備次級(jí)能源,在所述超級(jí)電容模塊能量小于設(shè)定值的情況下為設(shè)備供電; 所述太陽(yáng)能電池模塊通過開關(guān)Si接并聯(lián)的升壓充電泵和最大功率點(diǎn)跟蹤模塊,通過控制開關(guān)Si的啟閉選擇由升壓充電泵或者最大功率點(diǎn)跟蹤模塊工作,升壓充電泵和最大功率點(diǎn)跟蹤模塊的輸出端通過開關(guān)S2接DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器,DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器輸出端接超級(jí)電容模塊和鋰電池模塊的充電端,通過控制開關(guān)S2的啟閉選擇直接為超級(jí)電容模塊充電或者經(jīng)由DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容模塊或者鋰電池模塊充電; 所述鋰電池模塊的充電端接有開關(guān)S3,輸出端接有開關(guān)S4,通過控制開關(guān)S3的啟閉選擇超級(jí)電容模塊是否為鋰電池模塊充電,通過控制開關(guān)S4的啟閉選擇是否由鋰電池模塊供電; 所述開關(guān)SI 和開關(guān)S2為CMOS單刀雙擲模擬開關(guān),開關(guān)S3和開關(guān)S4為CMOS單刀單擲開關(guān)。
專利摘要自供電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,包括帶有處理器模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊,傳感器節(jié)點(diǎn)模塊接能量存儲(chǔ)模塊由其進(jìn)行供電,并接開關(guān)模塊進(jìn)行能量供給策略選擇;能量存儲(chǔ)模塊包括太陽(yáng)能電池模塊、超級(jí)電容模塊以及鋰電池模塊,超級(jí)電容模塊作為系統(tǒng)主能源,鋰電池模塊作為系統(tǒng)次級(jí)能源;太陽(yáng)能電池模塊通過開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容模塊或者鋰電池模塊充電方式的選擇,本實(shí)用新型支持強(qiáng)太陽(yáng)能和微弱太陽(yáng)能的收集;系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)入白天和夜間工作模式,根據(jù)太陽(yáng)能電池板的不同能量狀態(tài),選擇最優(yōu)的能量管理策略且具有自恢復(fù)性,系統(tǒng)通用性強(qiáng)、集成度和設(shè)備的利用率高、安全性和穩(wěn)定性強(qiáng)、提高了太陽(yáng)能的利用率、延長(zhǎng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。
文檔編號(hào)H02J7/00GK203135479SQ20132002806
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者張海輝, 張 杰, 張勇猛, 張林超, 盧博友 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)