CN102664437A

CN102664437A - 一种物联网节点及其微型化集成方法

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Publication number: CN102664437A
Application number: CN2012101476942A
Authority: CN
Inventors: 周健; 周天之; 孙晓玮; 周舟; 周建华; 李洪飞
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: CN102664437B

Abstract

本发明涉及一种物联网节点及其微型化集成方法，所述物联网节点由5片高效太阳电池、1片聚合物锂离子电池，1片总控制电路板，1块无线发送电路及各类传感器组成。总控制电路，聚合物锂离子电池和无线发送电路采用MCM封装方式叠放互联，每一层通过双列50脚插针header2x50与邻层连接。4片围绕四周的太阳电池与盖于顶部的1片太阳电池并联，白天时对锂电充电，晚上由锂离子电池对无线发送电路供电，保证节点长寿命。特色在于：1、体积仅为18cm³，体积功率密度高达20.5Wh/l；2、长寿命，按照每小时发送1次数据计算，连续28天阴天可正常工作；3、总控制电路功耗低，工作电流24μA，静态电流小于1μA；4、无遮挡传输距离为700m。为未来抛撒式微型化物联网提供了新思路。

Description

一种物联网节点及其微型化集成方法

技术领域

本发明涉及一种物联网节点及其微型化集成方法，属于新能源技术领域。

背景技术

众所周知，物联网节点通常应用于边远、野外等常规电网所不及之处，因此需要携带电池，但由于生态、经济或是一次电池寿命短等原因，人们正在寻求尽可能少用一次性电池，以达到延长微能源系统寿命，同时优化能源消耗结构，并寻求周边能源易得性，一次电池的最大缺点是，当电池电力消耗完后，节点停止工作，需要更换电池，这在野外是非常困难的。也有研究者采用二次电池供电但当电池电力消耗完后，整个节点需要重新充电，这在野外环境和数量较多节点的网络环境中寻找电力来源是非常困难的。每小时发送1次数据，无阻挡通讯距离700m计算，电池使用寿命为3天。随着物联网技术在野外、边远地区的应用需求的不断增加，人们对于单个物联网节点的持续工作时间提出了越来越高的要求。在众多的周围环境的能量（包括太阳能、风能、微小热能、电磁波能、振动能、辐射能等）中太阳能是可以获得的单位面积上能量密度最高（户外10mW/cm²）的选择。考虑到聚合物锂离子电池，具有比液体电解质锂离子电池更高能量密度、小型化、薄型化、轻量化、高安全性、长循环寿命与低成本特点，采用高效太阳电池捕获光能，同时采用聚合物锂离子电池储存，提供节点夜间工作所需能量，将有望解决这一问题。本发明拟提出采用太阳电池捕获光能，与高能量密度的锂电微型化集成方法，提高节点阴天连续工作时间。

德国Fraunhofer可靠性和微型化集成研究所Michael Niedermayer等人发表题为“Design for Miniaturization of Wireless Sensor Nodes Based on3D-Packaging Technologies”的文章对于微能源系统提出了设计概念，但尚未有实验证实。

中国科学院电工研究所李艳秋等人发表题为“用于无线传感器网络的光伏微能源系统设计”的文章（2008年第二期，功能材料学报），针对传感器网络的特征和需求,设计了光伏微能源系统,并与微型传感器节点集成,形成自供电的微系统。但未提及小型化和具体节点微型化尺度。

在国家知识产权网中外专利数据库上，搜索“微型and节点”，发现西南科技大学杨涛等人的实用新型专利“基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点”（申请号：200710048553.4）。涉及一种用于状态监控的基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，主要由压电振动电源、微控制器、RF发送装置和传感器组成。但未涉及节点微型化体积或重量指标。

在国家知识产权网（中外专利数据库）上，搜索“微型and节点”，发现中国科学院电工研究所李艳秋等人的发明专利“光伏一温差微能源与无线传感器网络节点集成微系统”（申请号200610114708.5）介绍了一种光伏一温差微能源与无线传感器网络节点集成自治微系统，光伏电池和锂离子电池通过充电保护电路连接，温差电池和超级电容器通过DC/DC升压电路连接，光伏电池、锂离子电池、超级电容器的输出端与能源管理电路对应的输入端相接，无线传感器网络节点与能源管理电路的输出端相接。也未涉及系统的微型化体积或重量指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长寿命物联网节点及其微型化集成方法。所述物联网节点包括5片高效太阳电池、1片聚合物锂离子电池，1片总控制电路板，1块无线发送电路及光照、温度、湿度传感器。其中，总控制电路板，聚合物锂离子电池和无线发送电路采用MCM封装方式叠放互联，每一层通过双列header2x50（双列，50脚）与邻层连接。4片太阳电池围绕四周，1片太阳电池盖于顶部（如图2），5片太阳电池并联为锂电和电路供电，白天时对锂电充电，晚上由聚合物锂离子电池对无线发送电路供电，保证传感数据的长时间，不间断发送。

本发明涉及一种物联网节点，组成节点的电路原理图如图1所示，所述电路图中所使用的LT3105芯片具有如下特点：具有低的启动电压（250mV），具有最大功率点跟踪功能，宽的输入电压范围，具有备用6mA低电压调节器，具有低的触发工作电流24μA，如图1。

本发明涉及一种物联网节点的微型化集成方法。其特征在于所述物联网节点微型化集成的方法，包括如下步骤：1）、制作总控制电路包括传感器控制电路制作；2）、无线发送电路制作；3）、将总控制电路、无线发送电路、聚合物锂离子电池采用MCM封装方式叠放互联，每一层通过双列插针header2x50（双列，50脚）与邻层连接；4）、将4片高效（效率为27％）太阳电池围绕模块四周，1片太阳电池盖于顶部（如图1），5片太阳电池并联为锂电和电路供电，白天时对锂电充电，晚上由锂离子电池对无线发送电路供电，保证传感数据的长时间，不间断发送。

所提供的长寿命物联网节点及其微型化集成方法主要特色在于：1、体积小，总体积为18cm³，不易被发现；2、体积功率密度高（20.5Wh/L）；3、无人值守，长的能源寿命，具有太阳电池光捕获和锂离子电池存储功能，每小时发送1次数据，可连续阴天工作时间为28天；4、总控制电路功耗低，采用Linear公司的LT3105芯片，触发工作电流24μA，静态电流1μA，从而有效地降低节点的待机损耗；

3105作为一款高效率的升压型DC/DC转换器，可在输入电压低至225mV的情况下工作。250mV启动能力和集成的最大功率点控制器(MPPC)使得能够直接从低电压、高阻抗的替代型电源来运作，一个可由用户设置的MPPC设定点最大限度地增加了可从任何电源吸取的能量。突发模式操作(Burst)及专有的自调节峰值电流优化了所有工作条件下的转换器效率和输出电压纹波。由AUX（辅助电压）引脚供电的6mA LDO（调制输出）负责在主输出处于充电状态的情况下为外部微控制器和传感器提供一个稳定电源。在停机模式中，I_Q减小至10μA，而集成的热停机功能电路则可保护器件免遭过热故障的损坏。LTC3105采用10引脚3mm x 3mm x0.75mm DFN封装和12引脚MSOP封装。5、传输距离远，无遮挡传输距离700m，草丛环境传输距离大于50米。

附图说明

图1、太阳电池对锂离子电池充电控制电路原理图。

图2、无线发送链路图。

图3、物联网节点前视示意图。1表示无线发送模块，2表示锂离子电池，3表示总控制电路，4a、4b、4c、4d、4f表示太阳电池片，5表示导电胶，6表示双列插针header2x50（双列，50脚）。

具体实施方式

节点制作包括如下步骤

1、制作总控制电路，a)按照图1所示太阳电池的对锂离子电池充电电路原理图，制作充电电路。电路中采用Linear公司的LTC3105芯片给单个锂离子电池充电，当太阳电池电压大于225mV后，SHDN工作，LTC3105开始工作，工作电流24μA，静态电流小于1μA，为降低物联网节点的待机损耗，LTC3015通过内部升压，提供3.9V的充电电压，对Li离子电池充电；电池电压小于225mV时，SHDN不工作，锂离子电池为物联网节点负载供电。本发明采用深圳市和悦电子有限公司生产的型号为PL332530的锂离子电池。

所述的LTC3015中：

FB:变压器反馈输入设置（Step-Up Converter Feedback Input），连接Vout电阻分压器接头到电压输入端.输出电压在1.5V到5.25V间可调。

LDO:调制输出，在LDO和GND之间连接了1个大于4.6μF电容器。

FBLDO:LDO反馈输入.连接LDO电阻分压器接头到电压输入端.同时,直接将FBLDO接地会使得LDO输出电压内部设定为2.2V。

SHDN:逻辑控制停止输入。SHDN=Low:IC不工作，SHDN=High:IC工作。

MPPC，设定最大功率点，通过一个电阻与“地”端相连，实现MPPC回线的移动点编程。要取消MPPC功能可以将MPPC端与“地”端相连。

VIN:电源输入电压端，0.2-5V，连接PiN与地端之间的去耦电容器，大于10μ。

GND:集成电路小信号和电源地端.GND与PCB间采用低阻抗焊料焊接（如Au、Ag）。

SW（Switch Pin）由AUX引脚供电的6mA LDO负责在主输出处于充电状态的情况下为外部微控制器和传感器提供一个稳定电源。在停机模式中，I_Q减小至10μA，而集成的热停机功能电路则可保护器件免遭过热故障的损坏。LTC3105采用10引脚3mm x 3mm x 0.75mm DFN封装和12引脚MSOP封装。

PGOOD:电源良好显示器，本电路中悬空。

VOUT:升压转换器输出.主输出内部同步镇流器漏端连接。VOUT与GND间需要连接一个10μF以上的电容。

AUX:辅助电压。AUX与GND间连接1μF电容。AUX通常被启动电路用于产生电压轨，从而给内部电路供电直到主输出电压达到规定值。

一旦VOUT超过VAUX.AUX和VOU内部相连

b)制作传感器控制电路（总控制电路的一部分），将各类传感器焊接到传感器控制电路板上，采用深圳杰英特传感仪器有限公司生产的MS5540型微型大气压力传感器，深圳龙信达科技有限公司的LXD/GB5-A1DPA型光敏传感器，广州海谷电子科技有限公司的HG12型湿度传感器，广州敏星传感技术有限公司的PT100型温度传感器。从传感器控制电路发出的信号通过两种途径传输出去：1）、如果发送器与接受器比较近（小于700m），直接通过无线发送器发送到接收器，接收器接收到信号后传入接收器控制电路，最后通过RS232接口传到计算机；2）、如果发送器与接受器比较远（大于700m），通过与控制器相连的无线发送器，发送到邻近计算机无线连接，通过带有固定IP的计算机，经过Internet与通用无线分组业务（GPRS）模块相连，GPRS将数据发送到远处的无线接收器，接收器接收到信号后传入接收器控制电路，最后通过RS232接口传到计算机。所述的GPRS（General Packet Radio Service），是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，是以″分组″的形式传送资料到用户手上。

2、无线发送模块RF模块制作，采用杭州飞拓电子科技有限公司的低功耗远距离收发模块，型号为RF1212SE。具有非常低的接收功耗，典型接收电流约为3mA，远小于同类收发器的接收电流。工作电压为2.1-3.6V，最大发射功率+12.5dBm，开阔地（无遮挡）通讯距离最远可以达到700米。

3、将无线发送电路、聚合物锂离子电池、总控制电路采用MCM封装方式叠放互联，每一层通过双列插针header2x50（双列，50脚）与邻层连接。图2中，传感器控制电路与图一中充电控制电路中LTC3015芯片的SHDN端连接，温度、湿度、光敏、压力传感器与控制电路相连接，通过无线发送模块，实现对无线信号的控制。图3中各单元3D组装顺序为：1）、将无线发送模块置于底部，上面叠放锂离子电池，通过双列插针连接；2）、再在锂离子电池上方叠放总控制电路（包括图1中的充电控制电路和传感器控制电路两个部分），锂离子电池与总控制电路间通过双列插针连接；3）、将图3中4b、4c、4d、4e等4片高效（效率为27％）太阳电池围绕模块四周，先安装侧面第1片（3b）太阳电池，用Al线引出其背面电极；依次安装第2（4c）、3（4d）、4（4e）片，实现4片（4e）电池片并联，每块电池片通过导电银胶与PCB板横截面边缘连接；4）、将第5片（4a）电池片背面电极引出，与上述4片并联，最后将上述顶太阳电池片（4a）背面朝下（吸光面朝上）放在总控制电路上，通过导电银胶连接到总控制电路板上方，对锂电和电路供电，总的充电电流是5片太阳电池电流累加，而开路电压为单片电池的开路电压。白天时，由于有太阳照射，太阳电池片接受到光能，通过电池片转变为电能，对锂电充电，晚上，总控制电路通过光敏传感器探测，当发现光强小于某一设定值（如20Lux）时，总控制电路通过LTC3015使能端关闭LTC3105，同时将锂离子电池输出到负载（控制电路、无线发送模块），保证传感数据的长时间，不间断发送。当光敏传感器探测到光强超过20Lux时，再次开始直接由光电输出供给负载电力。

Claims

1.一种物联网节点，其特征在于所述的物联网节点由5片太阳电池、1片聚合物锂离子电池，1片总控制电路板，1块无线发送电路组成，总控制电路，聚合物锂离子电池和无线发送电路采用MCM封装方式叠放互连，每层通过双列插针header2×50与邻层互连；4片太阳电池围绕四周，1片太阳电池盖于顶部，5片太阳电池并联为聚合物锂离子电池和电路供电；总控制电路板包括充电控制电路和传感器控制电路两部分。

2.按权利要求1所述的节点，其特征在于：

a)所述的聚合物锂电池的型号为PL332530；

b)总控制电路板中的充电控制电路采用Linear公司的LTC3105芯片，触发电流为24μA，静态电流1μA；

c)所述的太阳电池为效率高于27%的GaAs太阳电池。

3.按权利要求1所述的节点的微型化集成方法，其特征在于包括以下步骤：

a)制作总控制电路，包括充电控制电路和各类传感器控制电路两部分，传感器控制电路与充电控制电路中LTC3015芯片的SHDN端连接，通过无线发送模块，实现对无线信号的控制；

b)制作无线发送电路，采用型号为RF1212SE的低功耗远距离收发模块，接收电流为3mA，工作电压3.1-3.6V,最大发射功率为12.5dBm；

c)将步骤b制作的无线发送电路、聚合物锂离子电池与步骤a制作的总控制电路采用MCM封装方式叠放互联，每一层通过双列50脚插针header2x50与邻层连接；具体是，

①将无线发送模块置于底部，上面叠放锂离子电池，两者通过双列插针连接；

②再在聚合物锂离子电池上方叠放总控制电路，聚合物锂离子电池与总控制电路间通过双列插针连接；

③4片效率为27％的高效太阳电池围绕模块四周，先安装侧面第1片太阳电池，用Al线引出其背面电极；依次安装第2、第3、第4片，实现4片电池片并联，每块电池片通过导电银胶与PCB板横截面边缘连接；

④将第5片电池片背面电极引出，与上述4片并联，最后将上述顶太阳电池片背面朝下，即吸光面朝上放在总控制电路上，通过导电银胶连接到总控制电路板上方，对聚合物锂离子电池和电路供电，总的充电电流是5片太阳电池电流累加，而开路电压为单片电池的开路电压。

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于传感器控制电路板上的传感器包括深圳杰英特传感仪器有限公司生产的MS5540型微型大气压力传感器，深圳龙信达科技有限公司的LXD/GB5-A1DPA型光敏传感器，广州海谷电子科技有限公司的HG12型湿度传感器，广州敏星传感技术有限公司的PT100型温度传感器。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于从传感器控制电路板发出的信号通过两种途径传输出去：1）、如果发送器与接受器的距离小于700m，直接通过无线发送器发送到接收器，接收器接收到信号后传入接收器控制电路，最后通过RS232接口传到计算机；2）、如果发送器与接受器的距离大于700m，通过与控制器相连的无线发送器，发送到邻近计算机无线连接，通过带有固定IP的计算机，经过Internet与通用无线分组业务GPRS模块相连，GPRS将数据发送到远处的无线接收器，接收器接收到信号后传入接收器控制电路，最后通过RS232接口传到计算机；所述的GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接；GPRS是一项高速数据处理的技术是以″分组″的形式传送资料到用户手上。

6.按权利要求3所述的方法，其特征在于所述的RF1212SE模块无遮挡通讯距离为700米。