CN103490475A - 多能源采集的无线传感网络节点电源 - Google Patents

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王春龙
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Abstract

本发明公开了一种多能源采集的无线传感网络节点电源。包括能源采集模块、电源选择模块、充电控制模块、放电管理模块以及控制核心。能源采集模块通过利用小型太阳能电池板、风力发电机和水力发电机从环境中采集太阳能、风能和水能并转换为电能。电源选择模块通过输出功率的判断，选择是由哪种环境能量供电。充电控制模块运用最大能量跟踪算法，通过跟随输出功率变化的PWM波控制直流升压斩波电路的占空比来提升充电效率。放电管理模块可以选择合理的输出电压，提供稳定的能量供应。本发明体积小、成本低、功耗小，可以保证节点在不同的环境条件下都能有稳定的能量供应，能够有效地延长节点的使用周期。

Description

多能源采集的无线传感网络节点电源
技术领域
 本发明涉及一种多能源采集的无线传感网络节点电源。
背景技术
无线传感网络在环境监测、智能家居、交通运输、精细农业等领域具有广泛的应用前景，越来越受到人们的重视。传感器节点作为无线传感网络的重要组成单元，通常散布于一定的区域内协作地实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息。传感器节点部署环境和实际应用中的要求决定了节点电源大多数情况下不可能接入正常的电力系统供电。无线传感网络实际应用中传感器节点需要量大，一般体积微小，通常携带能量十分有限的电池，但是电池能量的耗尽也意味着节点失去功效，必须要定时更换电池或对电池充电。
对于有成千上万节点或部署在偏远地区或环境恶劣的区域的无线传感网络来说，对电池的更换是很困难的，有时甚至是不可能的，但是无线传感网络的生存时间却要求数月甚至数年。因此如何为无线传感网络节点提供稳定可靠地能量供应成为制约无线传感网络发展的一个瓶颈问题。针对这一问题主要有两个研究方向，一是尽可能地降低节点能量的消耗，来延长节点的寿命，如考虑各种可能的优化能源的方案，研究多种不同的传感网络组网方案，应用一些节能的算法与协议，但这些并不能从根本上解决节点能量可能耗尽的问题；二是研究如何从节点所处的环境中采集能源并进行有效地存储，使节点具有能量补充的能力，能源采集方法为这一瓶颈问题的解决开辟了一个新的方向，本发明的研究正是基于此点。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术中存在的不足，提供一种多能源采集的无线传感网络节点电源。
 本发明的技术方案是：
    一种多能源采集的无线传感网络节点电源，包括依次相连的能源采集模块、电源选择模块、充电控制模块、储能电池、放电管理模块，还包括控制核心，所述的控制核心通过I/O口分别与电源选择模块、充电控制模块相连；所述的能源采集模块包括太阳能电池板、风力发电机、水力发电机能源采集装置，把环境能源转换为电能，每个能源采集装置与储能电容相连，多个电源选择模块并联，输出端通过充电控制模块储存到储能电池中，储能电池经过放电管理模块向节点供电。
优选地，所述的电源选择模块由所述的控制核心一个I/O口输出的高低电平信号通过光耦隔离电路控制三极管的导通和关断来选择能源采集输入端，同一时刻仅有一个三极管导通。
优选地，所述的充电控制模块包括一个直流升压型斩波电路，占空比是由所述的控制核心一个I/O口输出适时变化的PWM波控制，来实现最大功率跟踪的目的，所述的斩波电路输出端经过一个二极管向所述的储能电池充电，防止反向放电。
优选地，其特征在于：所述的控制核心为无线传感网络的ZigBee无线微处理模块Jennic5139，通过所述的采集充电控制模块的输出电流分别向电源选择模块和充电控制模块输出高低电平信号和PWM波，来控制前者选择能量采集输入端，控制后者的MOSFET的占空比。
进一步优选地，所述的放电管理模块由所述的储能电池供电，通过三个稳压模块分别输出3.3V、5V和15V电压向Jennic5139、三极管和光耦提供驱动电压，同时通过一个由XL6009组成的升压电路使输出电压稳定并和节点匹配。
本发明的有益效果：
1、该电源体积小、成本低、结构简单且安装方便。
2、多能源采集，使节点可以适应多种环境条件，太阳能和风能有较好的互补性，又增添了水能采集，增强了节点的可靠性，有效得延长节点的使用周期；电源选择模块使得各个能量采集装置相互独立，防止了相互之间的干扰，同时电路中的光耦模块大大提升了电源的抗干扰能力。
3、最大能量跟踪策略的实现提升了能源采集的效率，使得电源在较小的体积下仍能获得较多的能量供应。
附图说明
图1为多能源采集的无线传感网络节点电源结构示意图；
图2 为能源采集模块结构图；
图3 为电源选择模块原理图；
图4 为充电控制模块原理图；
图5 为放电管理模块原理图；
图6 为最大功率跟踪策略流程图。
具体实施方式
多能源采集的无线传感网络节点电源结构示意图如图1所示，根据节点应用时所处的环境，设置了三个能量采集装置（太阳能电池板、风力发电机和水力发电机）构成能源采集模块，把环境能量转换为电能，经电源选择模块和充电控制模块储存到储能电池中，再经放电管理模块转换为合理的输出电压后向节点供电，在与四个模块相连的控制核心的控制下完成上述功能。本发明的控制核心采用ZigBee无线微处理模块Jennic5139，此模块含有4路12位的AD转换模块和2路PWM输出模块,满足本发明的需求。
在此之前，我们已有一个实用新型申请（尚未公开），申请号为201320277157.X，名称为多能量采集的无线传感器网络节点电源，与此实用新型相比，本发明有较多的改进地方。首先增添了电源选择模块，所述的模块包括一个光耦隔离电路和三极管开关电路，与之前的多路模拟开关相比增强了电路的抗干扰能力；再者相对于之前的周期性检测储能电容电压值来控制开关状态，本发明利用了原有的输出电流采样电路，通过对输出电流的判断来决定三级管的开关状态，减少了两个电压采样电路，简化了控制核心的控制策略，从而减小了电源的体积，降低了功耗；最后从对节点的供电上来说，用XL6009组成的升压电路代替了原有的升降压电路，可以通过调节电位器的阻值来调节输出电压，操作简单且输出电压变化平滑，输出电压的调节不需要控制核心，降低了功耗，以下则详细介绍本发明的实施方式。
针对不同的环境有不同的能量来源，本发明安装了三个能量采集装置，包括太阳能电池板、风力发电机和水力发电机，把采集的能量转换为电能，然后向作为缓冲的储能电容充电，减少能量损失，输出端接一个电源选择模块，三个采集模块并联，电路结构如图2所示。
电源选择模块原理图如图3所示，包括一个光耦隔离电路和一个三极管驱动电路，通过控制三极管的导通/关断状态来选择合理的输入源。光耦P521把输入控制信号和电路信号相隔离，提高了电路的抗干扰能力。由于电源选择模块在同一时刻只有一个导通，故每次只有一个能量源向储能电池供电。输出端带有电流采样电路，用电流代表输出功率，电流采样通过附加一小电阻转换为电压测量接一路AD转换I/O口，控制核心计算输出功率。
控制核心计算输出功率，并以此判断输出两种控制信号。首先控制电源选择模块，当输出功率小于额定值时，即输出功率可以忽略时，一路I/O口输出低电平信号关断此时的电源选择模块的三极管，同时另一路的I/O口输出高电平使下一个电源选择模块的三极管导通，从而转换充电的能量来源，按此规律循环控制电源选择模块。充电控制模块输出端与储能电池相连，因此输出电压U out 基本不变，而由直流斩波电路原理知U in =U out  (1-D)，能源采集模块输出电压U=U in 与占空比D成反比，根据采集模块输出的U/I曲线知通过调节占空比，可以使输出功率维持在最大功率，控制策略如图6所示，调节占空比就间接调节了能源采集模块的输出电压，而占空比的调节通过控制核心一路I/O口输出的PWM波信号控制。
充电控制模块原理图如图4所示，包括一个直流升压斩波电路（Boost电路）和MOSFET驱动电路，控制信号输出的PWM波为3.3V的信号，而MOSFET管需要10-20V的驱动电压，所以添加一个驱动电路，同样为了增强电路的抗干扰能力，使用光耦TLP250驱动电路，输入3.3V的PWM波输出15V的PWM波。
能源采集模块采集得到的能量通过充电控制模块传输到储能电池中，充电过程由控制核心控制。通过检测电池电压信息，当储能电池是从0值或者小于特定值时开始充电，则控制能量一直存储到储能电池中去，直到达到电池电量饱和。当电池电压高于特定值时即使有多余能量控制单元也会断开充电电路。这样能减少充电次数，延长电池使用寿命。为了防止电池深度放点而降低使用寿命，当储能电池电压下降到特定值时则停止供电。
放电管理模块的由两个稳压模块和两个XL6009芯片组成的升压电路组成，电路原理图如图5所示。首先为了能使控制芯片正常工作，由储能电池通过稳压芯片AMS1117输出3.3V的标准电压供电，其次驱动三极管的电压由稳压芯片LM2575输出的5V电压提供，最后PWM驱动电路驱动电压为15V，由XL6009组成的升压电路提供驱动电压，XL6009升压电路通过调节电位器R2的阻值来调节输出电压，公式为：V OUT =1.25*（1+R 2 /R 1 ），可以匹配不同电压需求的节点，结构简单，设计方便灵活，可以达到很高的效率。

Claims (5)

1. 一种多能源采集的无线传感网络节点电源，其特征在于：包括依次相连的能源采集模块、电源选择模块、充电控制模块、储能电池、放电管理模块，还包括控制核心，所述的控制核心通过I/O口分别与电源选择模块、充电控制模块相连；所述的能源采集模块包括太阳能电池板、风力发电机、水力发电机能源采集装置，把环境能源转换为电能，每个能源采集装置与储能电容相连，多个电源选择模块并联，输出端通过充电控制模块储存到储能电池中，储能电池经过放电管理模块向节点供电。
2. 如权利要求1所述的节点电源，其特征在于：所述的电源选择模块由所述的控制核心一个I/O口输出的高低电平信号通过光耦隔离电路控制三极管的导通和关断来选择能源采集输入端，同一时刻仅有一个三极管导通。
3. 如权利要求1所述的节点电源，其特征在于：所述的充电控制模块包括一个直流升压型斩波电路，占空比是由所述的控制核心一个I/O口输出适时变化的PWM波控制，来实现最大功率跟踪的目的，所述的斩波电路输出端经过一个二极管向所述的储能电池充电，防止反向放电。
4. 如权利要求1所述的节点电源，其特征在于：所述的控制核心为无线传感网络的ZigBee无线微处理模块Jennic5139，通过所述的采集充电控制模块的输出电流分别向电源选择模块和充电控制模块输出高低电平信号和PWM波，来控制前者选择能量采集输入端，控制后者的MOSFET的占空比。
5. 如权利要求4所述的节点电源，其特征在于：所述的放电管理模块由所述的储能电池供电，通过三个稳压模块分别输出3.3V、5V和15V电压向Jennic5139、三极管和光耦提供驱动电压，同时通过一个由XL6009组成的升压电路使输出电压稳定并和节点匹配。
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