CN101902079A - 免电池再生电源无线数字传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及免电池再生电源无线数字传感器，包括微处理单元、传感单元、无线射频发射单元、能源单元、能源收集管理单元，能源单元输出端与能源收集管理单元输入端连接，能源收集管理单元输出端与微处理单元电源端连接，微处理单元输入端与传感单元数据信号输出端连接，微处理单元输出端与无线射频发射单元相连接，能源单元可拾取多种能量，并转化为极微小的电流和电压，通过能源收集管理单元收集和储存为传感器供电。本发明的有益效果是：1)能把各种场合的多种能量(如机械能、光能、电磁能)中收集转化为电能并储存起来；2)传感器输入的信号为模拟量和数字量；3)本发明传感器不必设置干电池或外加电源供电即可工作。
Description
技术领域
本发明涉及无线数字传感器领域，尤其涉及一种不用干电池或外接电源的免电池再生电源无线数字传感器。
背景技术
目前全球能源日趋枯竭，加上二氧化碳排放问题造成地球暖化，对于环境生态造成重大威胁，能源的永续利用与环境保护平衡考量的兼顾，早已成为各国家的共识。积极地开发洁净的再生能源，更需要在能源的运用上，强调转换效率的提高，借助两者的相乘效果，塑造最佳的能源使用环境。
许多低功率工业传感器由原来外部电源的供电方式，正在逐步转而采用可替代能源作为主要或辅助的供电方式。理想情况下，这些收集的能量将可免除增设有线电源或电池。利用现成的物理能源(例如：电磁感应装置“感应线圈”、机械振动“压电或机电设备”和光“光伏设备”)来产生电力的换能器正逐渐成为许多应用的实用电源。众多的无线传感器和其他低功率应用发展正逐渐成为近乎“零”功率的器件，为使用收集能量(有些人通常称之为“毫微功率”)奠定了基础。
目前，无线数字传感器几乎全是使用干电池做为电源，由于电路功耗高等原因使得干电池的使用寿命很短，需要及时更换，增加了生产中的管理和成本的支出，而且因为报废的干电池不方便回收，造成了资源的浪费和环境的污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种免电池再生电源无线数字传感器，不必设置干电池或外加电源供电，能利用各种场合的机械能、光能、电场能转化为电能供传感器发射无线数据信号。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
免电池再生电源无线数字传感器，包括微处理单元、传感单元、无线射频发射单元，其特征在于，还包括能源单元、能源收集管理单元，能源单元输出端与能源收集管理单元输入端连接，能源收集管理单元输出端与微处理单元电源端连接，微处理单元输入端与传感单元数据信号输出端连接，微处理单元输出端与无线射频发射单元相连接，能源单元可拾取多种能量，并转化为极微小的电流和电压，通过能源收集管理单元收集和储存为传感器供电。
所述能源单元为压电晶体回路，将机械能转化为电能，其输出端为电源输出。
所述能源单元为光能回路，将光能转化为电能，其输出端为电源输出。
所述能源单元为电磁感应回路，将附近的电场的能量通过线圈的磁通量变化转化为电能，其输出端为电源输出。
所述能源收集管理单元主芯片为LTC3588，当输入能源为机械能和电磁能时，PZ1端与PZ2端为输入端，当输入能源为太阳能时，PZ1端和GND为输入端；当输入电流大于20uA，小于50mA、电压＞400mV，小于20V时即可再生出电能，当主芯片LTC3588收集的能量达到额定数值，Vout端和PG0OD端输出连续的工作电压。
所述微处理单元主芯片为ATMEGA88PA或其它单片机。
所述无线射频发射单元主芯片为CC1100或其它射频芯片。
所述传感单元输入信号为数字量或模拟量加A/D转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)能把各种场合的多种能量(如机械能、光能、电场磁能)中收集转化为电能并储存起来；2)传感器中微功耗单片机，在极低的功耗的情况下，保持睡眠状态，一旦被外部施加可连续的工作电压后，即可读取传感器输出的模拟量和数字量数据信号，并把数据利用无线射频的方式，发射出去，微功耗单片机为脉冲式工作方式；3)本发明传感器不必设置干电池或外加电源供电即可工作。
附图说明
图1是本发明结构框图；
图2是本发明能源单元为压电晶体回路时结构示意图；
图3是本发明能源单元为太阳能电池回路时结构示意图；
图4是本发明能源单元为电磁感应回路时结构示意图；
图5是本发明能源收集管理单元结构示意图；
图6是本发明传感单元结构示意图；
图7是本发明微处理单元与无线射频发射单元连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：
见图1是本发明结构框图，免电池再生电源无线数字传感器，包括微处理单元s101、传感单元s102、无线射频发射单元s103、能源单元s104、能源收集管理单元s105，能源单元s104输出端与能源收集管理单元s105输入端连接，能源收集管理单元s105输出端与微处理单元s101电源端连接，微处理单元s101输入端与传感单元s102数据信号输出端连接，微处理单元s101输出端与无线射频发射单元s103相连接。
见图2是本发明能源单元为压电晶体回路时结构示意图，将机械能转化为电能，其输出端有电流输出，如在空气振动、气流通过场合，振动、气压变动触动压电晶体s201，在回路的输出端A21、A22间产生微弱电流。
见图3是本发明能源单元为太阳能电池回路时结构示意图，将光能转化为电能，其输出端为电压输出，如在室外光线充足场合，太阳能光伏电池s301受光照在输出端A31、A32产生一定功率的电压输出，限流电阻R1保证电压波动较小。太阳能光伏电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能。
见图4是本发明能源单元为电磁感应回路时结构示意图，将附近的电场的能量通过线圈s401的磁通量变化转化为电能，通过限流电阻R2、R3，输出端A41、A42有电压输出。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小与穿过回路的磁通量变化率成正比。
见图5是本发明能源收集管理单元结构示意图，能源收集管理单元主芯片U1为LTC3588，当输入电能为电流时，PZ1端与PZ2端为输入端，当输入电能为电压时，PZ1端和GND为输入端；当主芯片LTC3588收集的能量达到额定数值，Vout端和PG0OD端与输出端A51、A52相连接，输出连续的工作电压，并唤醒微处理单元。其中A51为输出管脚，A52为控制使能脚，U1的管脚连接方式如下：Vin脚与CAP脚通过电容C1相连，Vin2脚通过电容C2连接到GND脚，Vin脚通过电容C3连接到GND，SW脚通过电感L1连接到A51，A51通过电容C4与GND相连，D1脚与Vin2相连，D0脚与GND相连，PG0OD脚与A52脚相连，Vout脚与A51相连。
见图6是本发明传感单元结构示意图，传感单元主芯片U2为DS18B20，输出端A61、A62输出温度感应模拟量和数字量信号，U2的连接方式为：GND脚与VDD脚相连接地，DQ脚为输出脚A62，输出脚A62和输出脚A61之间通过电阻R4相连。输出脚A62和A61可采用多种通讯方式与微处理单元相连接，如通用的串行总线I2C接口，SPI接口，单总线接口，RS232/485接口或者模拟量4-20mA，0-10V，或mV信号均可。
见图7是本发明微处理单元与无线射频发射单元连接结构示意图，微处理单元主芯片U3为微功耗单片机ATMEGA88PA，无线射频发射单元主芯片U4为CC1100。其U4的连接方式如下所述：脚3通过电容C9与天线连接，脚3与脚4通过电容C10连接，脚4通过电容C11与GND连接，脚3通过电感L3与GND连接，脚4通过L2与GND连接，脚10与脚11通过电感L4连接，13脚通过电阻R5与GND连接，脚17、脚18通过J2晶体相连，并通过电容C7、C8与GND相连，脚21与脚1、脚15与VDD相连，脚2、脚6、脚7、脚8、脚14、脚16、脚19、脚20、脚22均与GND相连。
U3的连接方式如下所述：脚4与VDD相连，脚3、脚5、脚21与GND相连，脚7、脚8通过J1晶体相连，并分别通过电容C5，C6与GND相连，脚29为RST脚；U3与能量收集管理单元的连接方式如下所述：VDD与A51相连，RST与A52相连，做为电源端。U3与传感单元的连接方式如下所述：脚1与传感单元中的A62连接，VDD与A61相连，作为数据输入端。
实施例中微功耗单片机ATMEGA88PA，可以在极低的功耗的情况下，保持睡眠状态，一旦被外部施加可连续的工作电压后，可以读取外部传感单元输入的模拟量和数字量数据，并把数据结果利用无线射频的方式，发射出去。
本发明通过采用多种电能量的拾取方法，利用现成的物理能源(机械能和光能及电场能)转化为极微小的电流和电压，通过收集和储存，为传感器提供工作的能源，使传感器不必设置干电池或外加电源供电即可工作。
Claims (8)
1.免电池再生电源无线数字传感器，包括微处理单元、传感单元、无线射频发射单元，其特征在于，还包括能源单元、能源收集管理单元，能源单元输出端与能源收集管理单元输入端连接，能源收集管理单元输出端与微处理单元电源端连接，微处理单元输入端与传感单元数据信号输出端连接，微处理单元输出端与无线射频发射单元相连接，能源单元可拾取多种能量，并转化为极微小的电流和电压，通过能源收集管理单元收集和储存为传感器供电。
2.根据权利要求1所述的免电池再生电源无线数字传感器，其特征在于，所述能源单元为压电晶体回路，将机械能转化为电能，其输出端为电源输出。
3.根据权利要求1所述的免电池再生电源无线数字传感器，其特征在于，所述能源单元为光能回路，将光能转化为电能，其输出端为电源输出。
4.根据权利要求1所述的免电池再生电源无线数字传感器，其特征在于，所述能源单元为电磁感应回路，将附近的电场的能量通过线圈的磁通量变化转化为电能，其输出端为电源输出。
5.根据权利要求1所述的免电池再生电源无线数字传感器，其特征在于，所述能源收集管理单元主芯片为LTC3588，当输入能源为机械能和电磁能时，PZ1端与PZ2端为输入端，当输入能源为太阳能时，PZ1端和GND为输入端；当输入电流大于20uA，小于50mA、电压＞400mV，小于20V时即可再生出电能，当主芯片LTC3588收集的能量达到额定数值，Vout端和PG0OD端输出连续的工作电压。
6.根据权利要求1所述的免电池再生电源无线数字传感器，其特征在于，所述微处理单元主芯片为ATMEGA88PA。
7.根据权利要求1所述的免电池再生电源无线数字传感器，其特征在于，所述无线射频发射单元主芯片为CC1100。
8.根据权利要求1所述的免电池再生电源无线数字传感器，其特征在于，所述传感单元，输入信号可是模拟量+A/D转换的型式，也可为数字量。
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