CN103795136B - Wsn节点的微能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种WSN节点的微能量收集系统，它包括微能量收集模块、超级电容储能模块和电源管理模块。微能量收集模块包括太阳能收集模块、热能收集模块、振动能收集模块、电磁能收集模块，它们的输出端分别连接超级电容储能模块。太阳能收集模块用于收集并将太阳能转换为电能输出；热能收集模块用于收集并将热能转换为电能输出；振动能收集模块用于收集并将振动能转换为电能输出；电磁能收集模块用于收集并将电磁能转换为电能输出。上述微能量收集模块分别将太阳能、温差能、振动能和电磁能转化为合适的直流电压（电能）存储进超级电容储能模块。电源管理模块监测管理超级电容储能模块输出的电能，为WSN节点提供稳定的工作电压。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集转换领域，尤其是一种用于无线传感器网络节点的微能量收集系统。
背景技术
当前微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了WSN（无线传感器网络）的快速发展。WSN以其低成本、体积小、扩展性强和低能耗等优点，可广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监测、城市交通等领域。无线传感器网络是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过WSN直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。
外界环境的存在的能量包括太阳能、热能、振动能和电磁能等，其中太阳能电池可获得的太阳能的能量为数百mW/cm2，温差电池获得的热能在数十μW/cm2数量级，压电器件获得的振动能在数百μW/cm2，来自天线的RF能量在数百pW/cm2数量级。太阳能只能在白天才能收集，而晚上可以通过收集热能、振动能和电磁能获得电能，补充能量的供给。另一方面低功耗元器件的快速发展，促进了WSN节点越来越低功耗，为微能量供电系统的实用性奠定了一定的基础。
锂电池和超级电容是目前可循环利用的主要储能元件。锂电池的充放电次数较少，寿命短和工作温度范围较小。传统的WSN节点主要采用干电池或锂电池供电，需要定期的更换电池或充电，会造成巨大的时间浪费和人工成本，不适合大规模应用WSN，也从根本上限制了WSN节点的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种WSN节点的微能量收集系统，能够收集外界环境中存在的多种微能量，使得WSN节点的供电时间延长；同时采用超级电容作为储能单元，可频繁充放电，延长WSN节点的使用寿命。本发明采用的技术方案是：
一种WSN节点的微能量收集系统，包括：
太阳能收集模块，收集并将太阳能转换为电能输出；
热能收集模块，收集并将热能转换为电能输出；
振动能收集模块，收集并将振动能转换为电能输出；
电磁能收集模块，收集并将电磁能转换为电能输出；
超级电容储能模块，分别与太阳能收集模块、热能收集模块、振动能收集模块、电磁能收集模块的输出端连接，存储上述微能量收集模块输出的电能；
电源管理模块，输入端与超级电容储能模块连接，输出端连接WSN节点，使得超级电容储能模块的电压达到或超过电压上阈值时，供电给WSN节点，超级电容储能模块的电压低于电压下阈值时，停止给WSN节点供电。
进一步地，所述太阳能收集模块包括太阳能电池、第一DC/DC转换电路、防倒流二极管D1；太阳能电池的输出端连接第一DC/DC转换电路的输入端，第一DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D1的阳极，防倒流二极管D1的阴极连接超级电容储能模块。
进一步地，所述热能收集模块包括温差电池、电容C2、第二DC/DC转换电路、防倒流二极管D2；温差电池的输出端连接电容C2的一端和第二DC/DC转换电路的输入端，电容C2的另一端接地，第二DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D2的阳极，防倒流二极管D2的阴极连接超级电容储能模块。电容C2为小容量超级电容，容量取值为1～3F。
进一步地，所述振动能收集模块包括悬臂梁压电陶瓷、电容C3、第三DC/DC转换电路、防倒流二极管D3；悬臂梁压电陶瓷的输出端连接电容C3的一端和第三DC/DC转换电路的输入端，电容C3的另一端接地，第三DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D3的阳极，防倒流二极管D3的阴极连接超级电容储能模块。电容C3为小容量超级电容，容量取值为1～3F。
进一步地，所述电磁能收集模块包括收集线圈、电容C4、第四DC/DC转换电路、防倒流二极管D4；收集线圈的输出端连接电容C4的一端和第四DC/DC转换电路的输入端，电容C4的另一端接地，第四DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D4的阳极，防倒流二极管D4的阴极连接超级电容储能模块。电容C4为小容量超级电容，容量取值为1～3F。
进一步地，电源管理模块包括电压判断电路和稳压电路；电压判断电路的输入端连接超级电容储能模块，输出端连接稳压电路的输入端；稳压电路的输出端连接WSN节点；
电压判断电路，包括电压监测芯片U1，U1的型号为CN1185，电压监测芯片U1的VDD端接超级电容储能模块、二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电阻R8的一端；电阻R1、R2、R3、R4串联，该串联支路的电阻R1的那一端接超级电容储能模块，该串联支路的电阻R4的那一端接地；电阻R1和R2连接的节点接电压监测芯片U1的IN1端，电阻R2和R3连接的节点接电压监测芯片U1的IN2端，电阻R3和R4连接的节点接电压监测芯片U1的IN3端，电压监测芯片U1的IN4端接地；电压监测芯片U1的GND端接地；电压监测芯片U1的OUT1端接NMOS管Q1的源极，NMOS管Q1的漏极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接二极管D5的阴极，并作为电压判断电路的输出端用于连接稳压电路；NMOS管Q1的栅极接电阻R8的另一端和电压监测芯片U1的OUT3端；电压监测芯片U1的OUT2端通过电阻R7接二极管D6的阴极。
本发明的优点在于：可同时获得环境的太阳能、热能、振动能和电磁能等微能量，白天可主要依靠太阳能供电，晚上可以利用热能、振动能和电磁能弥补太阳能的不足，实现24小时能量供给的不间断，保证WSN节点可以长期稳定工作，充分利用了外界环境的存在的微能量；用超级电容作储能单元，可频繁充放电，延长WSN节点的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的具体电原理图。
图3为本发明的电压判断电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：
本发明所提供的WSN节点的微能量收集系统，它包括微能量收集模块、超级电容储能模块和电源管理模块。微能量收集模块包括太阳能收集模块、热能收集模块、振动能收集模块、电磁能收集模块，它们的输出端分别连接超级电容储能模块。太阳能收集模块用于收集并将太阳能转换为电能输出；热能收集模块用于收集并将热能转换为电能输出；振动能收集模块用于收集并将振动能转换为电能输出；电磁能收集模块用于收集并将电磁能转换为电能输出。上述微能量收集模块分别将太阳能、温差能（热能）、振动能和RF能（电磁能）转化为合适的直流电压（电能）存储进超级电容储能模块。电源管理模块监测管理超级电容储能模块输出的电能，为WSN节点提供稳定的工作电压，具体来说，电源管理模块的输入端与超级电容储能模块连接，输出端连接WSN节点，通过电源管理模块的内部电路使得超级电容储能模块的电压达到或超过电压上阈值时，供电给WSN节点，超级电容储能模块的电压低于电压下阈值时，停止给WSN节点供电。电源管理模块内部包含稳压电路，可以为WSN节点提供稳定的工作电压。
各微能量收集模块的具体原理图见图2。其中：
太阳能收集模块包括太阳能电池、第一DC/DC转换电路、防倒流二极管D1；太阳能电池的输出端连接第一DC/DC转换电路的输入端，第一DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D1的阳极，防倒流二极管D1的阴极连接超级电容储能模块。第一DC/DC转换电路主要采用Linear Technology公司的LTC3105电压管理和转换器。
热能收集模块包括温差电池、电容C2、第二DC/DC转换电路、防倒流二极管D2；温差电池的输出端连接电容C2的一端和第二DC/DC转换电路的输入端，电容C2的另一端接地，第二DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D2的阳极，防倒流二极管D2的阴极连接超级电容储能模块。电容C2采用小容量超级电容，容量取值为1～3F。第二DC/DC转换电路主要采用Linear Technology公司的LTC3108电压管理和转换器。
振动能收集模块包括悬臂梁压电陶瓷、电容C3、第三DC/DC转换电路、防倒流二极管D3；悬臂梁压电陶瓷的输出端连接电容C3的一端和第三DC/DC转换电路的输入端，电容C3的另一端接地，第三DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D3的阳极，防倒流二极管D3的阴极连接超级电容储能模块。电容C3采用小容量超级电容，容量取值为1～3F。第三DC/DC转换电路主要采用Maxim公司的MAX17710环境能量收集芯片，可采用芯片厂家的推荐电路。
电磁能收集模块包括收集线圈、电容C4、第四DC/DC转换电路、防倒流二极管D4；收集线圈的输出端连接电容C4的一端和第四DC/DC转换电路的输入端，电容C4的另一端接地，第四DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D4的阳极，防倒流二极管D4的阴极连接超级电容储能模块。电容C4采用小容量超级电容，容量取值为1～3F。第四DC/DC转换电路同样主要采用Maxim公司的MAX17710环境能量收集芯片。
超级电容储能模块内部包含一个或者多个并联的超级电容，超级电容（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件，突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。超级电容在额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出；超级电容可以快速充电且可以反复循环数十万次；超级电容的工作温度范围比较广，充放电次数一般是锂电池的数百倍，更适合在充放电频繁的能量采集系统中，所以适合用超级电容代替锂电池作为系统的储能模块。
上述电路中，四种微能量收集模块输出的电压不是很统一，但都在超级电容储能模块的额定电压范围之内，分别通过四个防倒流二极管连接到超级电容储能模块，可以防止电流倒灌，造成电能的损耗。太阳能的能量相对比较多一些，所以太阳能收集模块将收集的电能经第一DC/DC转换电路储进超级电容储能模块储能，温差能（热能）、振动能和RF能（电磁能）能量相对小一些，所以首先将热能收集模块、振动能收集模块和电磁能收集模块收集的电能存储在各自的小容量超级电容里，当电能积累到一定程度，经DC/DC转换电路将电能存储进超级电容储能模块。太阳能只有白天才产生电能，夜晚可以通过温差能、振动能和RF能（电磁能）等获得电能，实现系统24小时都有能量的来源。电源管理模块需保证超级电容储能模块的电能先积累到一定范围之内，才开始供电给WSN节点。一旦开始供电，只要不是长时间连续阴雨天，就可以保证收集到的外界能量大于WSN节点的功耗，就可实现WSN节点长期不间断工作。
电源管理模块包括电压判断电路和稳压电路；电压判断电路的输入端连接超级电容储能模块，输出端连接稳压电路的输入端；稳压电路的输出端连接WSN节点；
电压判断电路如图3所示，包括电压监测芯片U1，U1的型号为CN1185，生产厂家为上海如韵电子有限公司。电压监测芯片U1的VDD端接超级电容储能模块、二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电阻R8的一端；电阻R1、R2、R3、R4串联，该串联支路的电阻R1的那一端接超级电容储能模块，该串联支路的电阻R4的那一端接地；电阻R1和R2连接的节点接电压监测芯片U1的IN1端，电阻R2和R3连接的节点接电压监测芯片U1的IN2端，电阻R3和R4连接的节点接电压监测芯片U1的IN3端，电压监测芯片U1的IN4端接地；电压监测芯片U1的GND端接地；电压监测芯片U1的OUT1端接NMOS管Q1的源极，NMOS管Q1的漏极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接二极管D5的阴极，并作为电压判断电路的输出端用于连接稳压电路；NMOS管Q1的栅极接电阻R8的另一端和电压监测芯片U1的OUT3端；电压监测芯片U1的OUT2端通过电阻R7接二极管D6的阴极。当超级电容储能模块的电压大于一定界限（电压上阈值）时，OUT输出端口输出高电平，给WSN节点供电；当超级电容储能模块的电压小于一定界限（电压下阈值）时，OUT输出端口输出低电平，停止给WSN节点供电。
为了给WSN节点提供稳定的供电电压，电压判断电路之后还需要连接一个稳压电路。本实施例稳压电路采用国家半导体公司的LM1117低压降线性稳压器，可提供3.3v的稳定电压输出。根据需要，也可以采用其它公司如Maxim公司的低压降（LDO型）线性稳压器。
本发明可24小时不间断地采集坏境中的能量，无需人工更换电池、充电等维护，从而延长节点使用寿命，解决WSN的供能问题。
Claims (8)
1.一种WSN节点的微能量收集系统，其特征在于，包括：
太阳能收集模块，收集并将太阳能转换为电能输出；
热能收集模块，收集并将热能转换为电能输出；
振动能收集模块，收集并将振动能转换为电能输出；
电磁能收集模块，收集并将电磁能转换为电能输出；
超级电容储能模块，分别与太阳能收集模块、热能收集模块、振动能收集模块、电磁能收集模块的输出端连接，存储所述太阳能收集模块、热能收集模块、振动能收集模块、电磁能收集模块输出的电能；
电源管理模块，输入端与超级电容储能模块连接，输出端连接WSN节点，使得超级电容储能模块的电压达到或超过电压上阈值时，供电给WSN节点，超级电容储能模块的电压低于电压下阈值时，停止给WSN节点供电；
电源管理模块包括电压判断电路和稳压电路；电压判断电路的输入端连接超级电容储能模块，输出端连接稳压电路的输入端；稳压电路的输出端连接WSN节点；
电压判断电路，包括电压监测芯片U1，U1的型号为CN1185，电压监测芯片U1的VDD端接超级电容储能模块、二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电阻R8的一端；电阻R1、R2、R3、R4串联，该串联支路的电阻R1的那一端接超级电容储能模块，该串联支路的电阻R4的那一端接地；电阻R1和R2连接的节点接电压监测芯片U1的IN1端，电阻R2和R3连接的节点接电压监测芯片U1的IN2端，电阻R3和R4连接的节点接电压监测芯片U1的IN3端，电压监测芯片U1的IN4端接地；电压监测芯片U1的GND端接地；电压监测芯片U1的OUT1端接NMOS管Q1的源极，NMOS管Q1的漏极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接二极管D5的阴极，并作为电压判断电路的输出端用于连接稳压电路；NMOS管Q1的栅极接电阻R8的另一端和电压监测芯片U1的OUT3端；电压监测芯片U1的OUT2端通过电阻R7接二极管D6的阴极。
2.如权利要求1所述的WSN节点的微能量收集系统，其特征在于：
所述太阳能收集模块包括太阳能电池、第一DC/DC转换电路、防倒流二极管D1；太阳能电池的输出端连接第一DC/DC转换电路的输入端，第一DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D1的阳极，防倒流二极管D1的阴极连接超级电容储能模块。
3.如权利要求1所述的WSN节点的微能量收集系统，其特征在于：
所述热能收集模块包括温差电池、电容C2、第二DC/DC转换电路、防倒流二极管D2；温差电池的输出端连接电容C2的一端和第二DC/DC转换电路的输入端，电容C2的另一端接地，第二DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D2的阳极，防倒流二极管D2的阴极连接超级电容储能模块。
4.如权利要求3所述的WSN节点的微能量收集系统，其特征在于：所述电容C2为小容量超级电容，容量取值为1～3F。
5.如权利要求1所述的WSN节点的微能量收集系统，其特征在于：
所述振动能收集模块包括悬臂梁压电陶瓷、电容C3、第三DC/DC转换电路、防倒流二极管D3；悬臂梁压电陶瓷的输出端连接电容C3的一端和第三DC/DC转换电路的输入端，电容C3的另一端接地，第三DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D3的阳极，防倒流二极管D3的阴极连接超级电容储能模块。
6.如权利要求5所述的WSN节点的微能量收集系统，其特征在于：所述电容C3为小容量超级电容，容量取值为1～3F。
7.如权利要求1所述的WSN节点的微能量收集系统，其特征在于：
所述电磁能收集模块包括收集线圈、电容C4、第四DC/DC转换电路、防倒流二极管D4；收集线圈的输出端连接电容C4的一端和第四DC/DC转换电路的输入端，电容C4的另一端接地，第四DC/DC转换电路的输出端连接防倒流二极管D4的阳极，防倒流二极管D4的阴极连接超级电容储能模块。
8.如权利要求7所述的WSN节点的微能量收集系统，其特征在于：所述电容C4为小容量超级电容，容量取值为1～3F。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150812 Termination date: 20180220 |