CN102255565B - 室内弱光微能量采集系统及自供能无线传感器供能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内弱光微能量采集系统及自供能无线传感器供能方法，通过光伏电池将弱光能量转化为电能并输出到能量储存模块储存，最大功率点追踪模块调节光伏电池输出电能的输出参数，确保光伏电池以最大功率适时为能量储存模块充电；通过能量瞬时泄放模块将能量储存模块内的电能向负载瞬时泄放；升压变换器对能量储存模块输出的电能进行升压并输出稳定电压到负载。本发明的有益技术效果是：对由弱光微能量转化得到的微电能进行储存，当能量积聚到一定量后，向负载瞬时输出，驱动负载完成一个周期的运行，从而保障无线传感器负载在无固定容量电池的条件下长期工作，避免了由固定容量电池驱动的无线传感器需要定期更换电池的问题。

Description

室内弱光微能量采集系统及自供能无线传感器供能方法

技术领域

    本发明涉及一种光电转化技术，尤其涉及一种室内弱光微能量采集系统及自供能无线传感器供能方法。

背景技术

无线传感器网络由于其巨大的经济价值和广阔的应用前景，成为国内外关注和研究的热点。然而，当前许多有关无线传感器的技术都是采用电池为传感器供电，但在一些特殊的场合，如在条件恶劣的野外及危险的场所分布的传感器，对其电池的更换或维护的成本将非常昂贵；在结构健康检测或医疗植入式领域分布的传感器，电池的更换和维护非常困难甚至不可能，因而长期有效地为无线传感器提供免维护的电能供给是非常重要和关键的问题。

自供能又称为能量采集，是通过采集环境中的能量，如光能、热能或动能等，并将其转化为电能，为微功耗电子设备供电。它不需要通常的化学电池，可以长期不断地得到电能，成为一种可代替电池和自我维持的新型电源。随着无线传感器功耗的降低和能量采集系统效率的提高，使采集环境能量为无线网络传感器节点供电已经成为可能。室外太阳光能量采集技术已相对较为成熟，但在室内微弱光条件下，由于采集到的能量低至微瓦数量级，而无线传感器一个工作周期的消耗的平均功率通常在毫瓦数量级，如采用直接连接驱动，显然不足以驱动无线传感器工作，这无疑给无线传感器供电带来了很大的挑战。微能量采集系统已成为当前世界研究的一个热点，同时也是一个难题。因为在通常情况下，由于受到换能器材料、体积和质量等限制，换能器输出的电信号能量非常微弱（数量级为μW级），如何通过电源管理电路进行高效率能量管理和能量积聚后给无线传感器供电具有极大的挑战。目前在国内外的光能量采集系统中还没有任何相关的可在输入为几十微瓦条件下能驱动无线传感器节点工作的室内微弱光能量管理系统。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种室内弱光微能量采集系统，其结构为：它由光伏电池、最大功率点追踪模块、电能储存模块、能量瞬时泄放模块和升压变换器组成；光伏电池与能量储存模块之间电路连接，光伏电池与能量储存模块之间的电路的导通、截止通过最大功率点追踪模块控制；能量储存模块与升压变换器之间电路连接，能量储存模块与升压变换器之间的电路的导通、截止通过能量瞬时泄放模块控制；升压变换器与负载电路连接；光伏电池将弱光能量转化为电能并输出到能量储存模块储存，最大功率点追踪模块控制光伏电池输出电能的输出参数，确保光伏电池以最大功率适时为能量储存模块充电；能量瞬时泄放模块控制电能储存模块的输出时机；升压变换器对电能储存模块输出的电能进行升压处理后输出到负载。

所述的光伏电池采用非晶硅太阳能电池。

最大功率点追踪模块由一个迟滞电压比较器、一个控制开关及其外围电路组成；控制开关控制光伏电池和电能储存模块之间线路的导通或截止；迟滞电压比较器将光伏电池的输出电压与设定电压进行比较，达到设定电压时，迟滞电压比较器通过控制开关使光伏电池和电能储存模块之间的线路导通，光伏电池向电能储存模块输出电能；未达到设定电压时，迟滞电压比较器通过控制开关使光伏电池和能量储存模块之间的线路截止。

能量储存模块的电路采用超级电容和外围电路搭建。

能量瞬时泄放模块的电路由一个迟滞电压比较器、一个控制开关及其外围电路组成，迟滞电压比较器监视能量储存模块的电压，能量储存模块的电压达到放电阈值上限时，迟滞电压比较器通过控制开关使能量储存模块和升压变换器之间的线路导通，能量储存模块向升压变换器放电；能量储存模块的电压达到放电阈值下限时，迟滞电压比较器通过控制开关使能量储存模块和升压变换器之间的线路截止。

升压变换器的电路采用LTC3525升压变换器和外围电路搭建。

本发明还提出了一种自供能无线传感器供能方法，其步骤为：1）采用光电转换装置持续将微弱光能转化为电能；2）对光电转换装置的最大功率点进行追踪，在最大功率点处，对经光电转换装置转化得到的电能进行输出并储存；3）当储存的电能的能量至少满足传感器工作一个周期所需的能量（也即传感器工作一个周期所需的平均功率）时，向传感器瞬时泄放电能，以满足无线传感器发射信号瞬时功率较大的特征；4）当传感器工作一个周期后，也即储存的电能的能量下降到一定程度，无法继续维持传感器完成一个完整周期的运行时，切断储能装置与传感器的电路，继续积聚电能；5）当储存的电能的能量达到传感器下一轮工作周期所需的能量时，向传感器输出电能并重复步骤4）。

本发明的有益技术效果为：对由弱光微能量转化得到的微电能进行储存，当能量积聚到一定量后，向负载瞬时输出，驱动负载完成一个周期的运行，从而保障无线传感器负载在无固定容量电池的条件下长期工作，避免了由固定容量电池驱动的无线传感器需要定期更换电池的问题。

附图说明

图1、本发明的室内弱光微能量采集系统的原理图；

图2、本发明的室内弱光微能量采集系统的一种具体电路示例。

具体实施方式

由室内弱光转化而得到的电能十分微弱，如果直接将采集而来的能量为无线传感器节点供电，它将不能驱动传感器工作。但是，可以将这些微小的能量储存起来，达到一定的量后作瞬时泄放输出并驱动无线传感器节点，这种以时间来换取能量的方式正好适合无线传感器节点间歇性的工作特点，参见图1。在前述思路下，本发明提出了如下的方案：

1）采用光电转换装置持续将微弱光能转化为电能，2）对光电转换装置的最大功率点进行追踪，在最大功率点处，对经光电转换装置转化得到的电能进行输出并储存；3）当储存的电能的能量至少满足传感器工作一个周期所需的平均功率时，向传感器瞬时泄放电能，以满足无线传感器发射信号瞬时功率较大的特征；4）当储存的电能的能量下降到一定程度时，切断储能装置与传感器的电路，继续积聚电能；5）当储存的电能的能量达到传感器下一轮工作周期所需的能量时，向传感器输出电能并重复步骤4）。

其中，光电转换装置采用非晶硅太阳能电池，也即光伏电池1；步骤2）中，实现最大功率点追踪的原理，与太阳能电池输出电能时需要进行的最大功率点追踪处理的原理相同，仅是具体器件有差异，以满足传感器节点微型化的需求。步骤3）、4）中，通过能量瞬时泄放模块4控制何时向传感器输出电能，后文会详细介绍。

本发明适用于在弱光环境（如室内或黑暗环境，但是有外界主动供给的光能）下工作的传感器节点，尤其适用于设置在条件恶劣的野外及危险场所的传感器节点；设置在这些位置的传感器节点，由于其位置特殊，难于接触、维护或维护成本巨大，那么就不可能对这些传感器节点进行定期的更换电池操作，当传感器节点自带的电量固定的电池能量耗完后，大部分传感器节点只能让其报废，也就使该传感器监测点失效；而采用本发明方案后，就可以解决这一问题，传感器节点的有效寿命不再受电池的容量限制，可以反复充电，避免了更换电池的问题，同时也解决了微光环境下采集到的微弱电能无法驱动传感器节点工作的问题，即将传感器节点的工作模式由持续工作转化为间歇工作，当能量聚集到一定量后，便驱动传感器节点运行一个周期。

由前述的方案所得到的室内弱光微能量采集系统的结构为：它由光伏电池1、最大功率点追踪模块2、能量储存模块3、能量瞬时泄放模块4和升压变换器5组成；光伏电池1与能量储存模块3之间电路连接，光伏电池1与能量储存模块3之间的电路的导通、截止通过最大功率点追踪模块2控制，能量储存模块3与升压变换器5之间电路连接，能量储存模块3与升压变换器5之间的电路的导通、截止通过能量瞬时泄放模块4控制，升压变换器5与负载电路连接；光伏电池1将弱光能量转化为电能并输出到能量储存模块3储存，最大功率点追踪模块2控制光伏电池1输出电能的输出参数；能量瞬时泄放模块4控制能量储存模块3的输出时机；升压变换器5对能量储存模块3输出的电能进行升压处理后输出到负载。

其中，本发明的光电转换装置采用光伏电池1，光伏电池1也即太阳能电池，常见的太阳能电池中有非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池三种。非晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池相比较而言，在弱光条件下它具有最高的输出效率，因此，本发明的光伏电池1采用非晶硅太阳能电池。

最大功率点追踪模块2的电路由一个迟滞电压比较器和一个控制开关及其外围电路组成；迟滞电压比较器作为控制单元，产生一个控制信号使控制开关导通或截止；最大功率点追踪模块2的工作原理采用“固定电压法”的算法来实现，即通过经验数据，可以认为在一定的光照强度条件下，光伏电池1的开路电压V_OC与最大功率点电压V_MPP存在近似的线性关系式V_MPP≈k·V_OC，因此，光伏电池1的开路电压被视为光伏电池1的最大功率点的电压；通过经验数据测量可知，k值通常为0.7~0.75；迟滞电压比较器所构成的控制单元对光伏电池1的输出电压进行监测，设定光伏电池1的输出电压达到开路电压的0.75倍时，即最大功率点所对应的电压值时，迟滞电压比较器所构成的控制单元输出高电平，使控制开关导通，光伏电池1为能量储存模块3充电；当光伏电池1的输出电压低于最大功率点所对应的电压值时，迟滞电压比较器所构成的控制单元输出低电平，使控制开关截止；最大功率点追踪模块2和控制开关通过外围电路的连接组成可实现前述工作方式的电路，保证了光伏电池1以最大功率点为能量储存模块3充电。

能量储存模块3的电路采用超级电容和外围电路搭建；由于传感器节点间歇式的工作方式，需要对能量储存模块3进行循环充、放电操作，而超级电容具有更多的充放电次数、较高的能量密度和较为简单的外围电路，十分适合作为本发明中在弱光条件下能对微能量进行反复充、放的储能器件；超级电容通过外围电路与其他器件连接，实现前面方案所述的工作过程。

能量瞬时泄放模块4的电路由一个迟滞电压比较器、一个控制开关及其外围电路组成，迟滞电压比较器监视能量储存模块3的电压，当超级电容充电至放电电压阈值上限时，迟滞电压比较器通过控制信号使控制开关闭合，将线路导通，超级电容对升压变换器5进行放电，当超级电容放电至放电电压阈值下限时，迟滞电压比较器通过控制信号使控制开关断开，超级电容停止放电，并进入新一轮充电周期。

升压变换器5的电路采用LTC3525升压变换器和外围电路搭建。LTC3525升压变换器为传感器提供一个数值为3.3V的稳定工作电压；超级电容完成一次充电过程后，超级电容的电压达到放电电压阈值上限时，能量瞬时泄放模块4控制超级电容放电，LTC3525升压变换器也随之被启动，驱动传感器工作。

参见图2，图中所示电路即为一种可实现本发明方案的示例电路，图中4个虚线框从左至右即为本发明中的最大功率点追踪模块2、能量储存模块3、能量瞬时泄放模块4和升压变换器5，图中R1、R2、R3、R4、R5、R6为电阻，C1、C3、C4、C5为电容，C2为超级电容，L1、L2为电感，J1为MAX917芯片（即构成最大功率点追踪模块2的迟滞电压比较器），J2、J4均为ADG801芯片（即前文所述的控制开关），J3为MAX9064芯片（即构成能量瞬时泄放模块4的迟滞电压比较器），J5为LTC3525L-3芯片，SOLAR CELL为太阳能电池（也即本文所指非晶硅光伏电池1），SENSOR NODE为无线传感器（也即与升压变换器5相连的负载），SUPER CAPACIOTR为超级电容。

Claims (3)

1.一种室内弱光微能量采集系统，其特征在于：它由光伏电池（1）、最大功率点追踪模块（2）、能量储存模块（3）、能量瞬时泄放模块（4）和升压变换器（5）组成；光伏电池（1）与能量储存模块（3）之间电路连接，光伏电池（1）与能量储存模块（3）之间的电路的导通、截止通过最大功率点追踪模块（2）控制；能量储存模块（3）与升压变换器（5）之间电路连接，能量储存模块（3）与升压变换器（5）之间的电路的导通、截止通过能量瞬时泄放模块（4）控制；升压变换器（5）与负载电路连接；光伏电池（1）将弱光能量转化为电能并输出到能量储存模块（3）储存，最大功率点追踪模块（2）调节光伏电池（1）输出电能的输出参数，确保光伏电池以最大功率适时为能量储存模块充电；能量瞬时泄放模块（4）控制能量储存模块（3）的输出时机；升压变换器（5）对能量储存模块（3）输出的电能进行升压并输出稳定电压到负载；

最大功率点追踪模块（2）由一个第一迟滞电压比较器、一个第一控制开关及其外围电路组成；第一控制开关控制光伏电池（1）和能量储存模块（3）之间线路的导通或截止；第一迟滞电压比较器将光伏电池（1）的输出电压与设定电压进行比较，达到设定电压时，第一迟滞电压比较器通过第一控制开关使光伏电池（1）和能量储存模块（3）之间的线路导通，光伏电池（1）向能量储存模块（3）输出电能；未达到设定电压时，第一迟滞电压比较器通过第一控制开关使光伏电池（1）和能量储存模块（3）之间的线路截止；

能量瞬时泄放模块（4）的电路由一个第二迟滞电压比较器、一个第二控制开关及其外围电路组成，第二迟滞电压比较器监视能量储存模块（3）的电压，能量储存模块（3）的电压达到放电阈值上限时，第二迟滞电压比较器通过第二控制开关使能量储存模块（3）和升压变换器（5）之间的线路导通，能量储存模块（3）向升压变换器（5）放电；能量储存模块（3）的电压通过放电下降到放电阈值下限时，第二迟滞电压比较器通过第二控制开关使能量储存模块（3）和升压变换器（5）之间的线路截止。

2.根据权利要求1所述的室内弱光微能量采集系统，其特征在于：所述的光伏电池（1）采用非晶硅太阳能电池。

3.根据权利要求1所述的室内弱光微能量采集系统，其特征在于：能量储存模块（3）的电路采用超级电容和外围电路搭建。

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