CN104184204A - Wsn网关的太阳能双路供电系统 - Google Patents

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丁时栋
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Abstract

本发明涉及一种WSN网关的太阳能双路供电系统，其包括用于提供WSN网关工作电源的太阳能电池板以及电池储能系统，太阳能电池板、电池储能系统均与用于调整供电输出的能量调整匹配电路连接，能量调整匹配电路与稳压电路连接，以通过稳压电路提供WSN网关所需的工作电压。本发明采用太阳能电池板以及电池储能系统的双路供电，并通过能量匹配调整电路进行选择调整，可以实现智能地选择能量供给WSN网关，以实现太阳能电池板供电、电池储能系统供电或者两者同时供电，一方面有效的提高的太阳能的利用率；另一方面较少了电池储能系统的放电次数，一定程度地延长了电池的使用寿命，使用方便，提高对WSN网关供电的可靠性。

Description

WSN网关的太阳能双路供电系统
技术领域
本发明涉及一种供电系统，尤其是一种WSN网关的太阳能双路供电系统，属于无线传感网络的技术领域。
背景技术
随着物联网建设的不断推进，作为物联网的感知层无线传感器网络(WSN)得到了快速的发展。WSN由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并通过网关发送给网络。WSN已有潜在的应用领域包括军事侦察、环境监测、医疗服务等。随着传感器技术、无线通信技术和计算技术的不断发展和完善，各种WSN将遍布在人们的日常生活环境中，从而真正的实现“无处不在的物联网”。
WSN网关的主要作用是无线传感器网络和互联网、GPRS网络、WIFI网络的通道桥梁，将WSN采集的信息送到目的地。目前的WSN网关很多都集成了GPRS模块，可以很好的实现远程传输数据。但GPRS模块带了较大的功耗，瞬间电流可达到2A，所以目前的WSN网关基本采取市电供电。WSN节点是通过2.4GHz无线方式将数据送到网关，这种方式决定了WSN网关一定要在WSN节点可传输的范围内，否则不能进行有效通信。而实际应用中并不能保证这个范围内一定有市电提供电源，在这就限制了WSN在一些场合的应用。
WSN网关放在无市电的野外工作时，可以利用太阳能供电系统，但目前太阳能供电系统，主要采用单路供电方式：太阳能给电池充电，电池再给负载供电，这种方式供电稳定性比较好，但造成了电池频繁放电，多余的太阳能浪费等情况。频繁放电，电池的使用寿命就会减少，限制了WSN网关长期稳定的工作；单路供电方式一定程度地限制了太阳能的放电通路，造成多余的太阳能白白被浪费。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种WSN网关的太阳能双路供电系统，其结构紧凑，能在野外对WSN网关进行能量供给，使用方便，节能环保，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述WSN网关的太阳能双路供电系统，包括用于提供WSN网关工作电源的太阳能电池板以及电池储能系统，太阳能电池板、电池储能系统均与用于调整供电输出的能量调整匹配电路连接，能量调整匹配电路与稳压电路连接，以通过稳压电路提供WSN网关所需的工作电压。
所述太阳能电池板通过充电管理电路与电池储能系统连接，太阳能电池板通过充电管理电路能对电池储能系统进行充电。
所述充电管理电路包括充电管理芯片U1，所述充电管理芯片U1采用型号为CN3722的芯片，充电管理芯片U1的VCC端与电容C1的一端、电容C2的一端、MOS管M1的源极端以及太阳能电池板的输出端连接，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端与充电管理芯片U1的VG端，MOS管M1的栅极端与充电管理芯片U1的DRV端连接，充电管理芯片U1的MPPT端与电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端通过热敏电阻R1与太阳能电池板的输出端以及充电管理芯片U1的VCC端连接，充电管理芯片U1的TEMP端通过电阻R6接地，充电管理芯片U1的GND端以及PGND端均接地，充电管理芯片U1的COM3端通过电容C3接地，充电管理芯片U1的COM1端通过电容C4接地，充电管理芯片U1的COM2端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5接地，充电管理芯片U1的FB端与电阻R8的一端以及热敏电阻R13的一端连接，电阻R8的另一端接地，热敏电阻R13的另一端与充电管理芯片U1的BAT端、电阻R12的一端、电容C10的一端、二极管D4的阳极端以及电池储能系统连接；电阻R12的另一端与电感L1的一端以及充电管理芯片U1的CSP端连接；
电感L1的另一端与二极管D2的阴极端、二极管D1的阴极端连接，二极管D2的阳极端接地，二极管D1的阳极端与MOS管M1的漏极端连接，电容C10的另一端接地，二极管D4的阴极端与二极管D3的阴极端连接，且二极管D4的阴极端与稳压电路连接，二极管D3的阳极端通过电阻R0与太阳能电池板的输出端连接。
所述充电管理芯片U1的VCC端与LED指示灯的第一端连接，充电管理芯片U1的端通过电阻R5与LED指示灯的第二端连接，充电管理芯片U1的端通过电阻R4与LED指示灯的第三端连接。
所述稳压电路包括稳压芯片U2，所述稳压芯片U2采用型号为LM2587的芯片，所述稳压芯片U2的Vin端与二极管D3的阴极端、二极管D4的阴极端、二极管D5的阴极端、电容C6的一端以及电感L2的一端连接，电容C6的另一端接地，稳压二极管D5的阳极端接地，电感L2的另一端与稳压芯片U2的开关端以及二极管D6的阳极端连接，二极管D6的阴极端与电感L3的一端及热敏电阻R10的一端连接，电感L3的另一端与电容C8的一端、电容C9的一端以及WSN网关的电源端连接，电容C8的另一端以及电容C9的另一端均接地，热敏电阻R10的另一端与稳压芯片U2的反馈端以及电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端接地，稳压芯片U2的比较端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端通过电容C7接地，稳压芯片U2的接地端接地。
本发明的优点：采用太阳能电池板以及电池储能系统的双路供电，并通过能量匹配调整电路进行选择调整，可以实现智能地选择能量供给WSN网关，以实现太阳能电池板供电、电池储能系统供电或者两者同时供电，一方面有效的提高的太阳能的利用率；另一方面较少了电池储能系统的放电次数，一定程度地延长了电池的使用寿命，使用方便，提高对WSN网关供电的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的电路原理图。
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：为了能在野外对WSN网关6进行能量供给，提高对WSN网关供电的可靠性，本发明包括用于提供WSN网关6工作电源的太阳能电池板1以及电池储能系统3，太阳能电池板1、电池储能系统3均与用于调整供电输出的能量调整匹配电路4连接，能量调整匹配电路4与稳压电路5连接，以通过稳压电路5提供WSN网关6所需的工作电压。
所述太阳能电池板1通过充电管理电路2与电池储能系统3连接，太阳能电池板1通过充电管理电路2能对电池储能系统3进行充电。
具体地，太阳能电池板1输出的部分功率，经稳压电路5，直接供电给WSN网关6；另一路是太阳能电池板1输出的其余功率，经充电管理电路2，储存到电池储能系统3中，以备不时之需(例如太阳能供给不足的时候)。电池储能系统3中的电能也可经过稳压电路5，供电给WSN网关6。能量匹配调整电路4，可以实现白天主要由太阳能供电，晚上主要有电池储能系统3供电。本发明实施例中，太阳能电池板1可以采用现有常用的电池板，电池储能系统3主要为能充电的电池。
本发明实施例中，阳光充足的时候，通过能量匹配调整电路4使得WSN网关6完全由太阳能电池板1进行供电，电池储能系统3进行充电储能但不放电供给WSN网关6；阳光不充足的时候，WSN网关6的电源供给转换到由太阳能电池板1和电池储能系统3同时供电；无阳光的时候，WSN网关6的电源供给转换到由电池储能系统3供电。通过能量匹配调整电路4实现双路供电方式，实现了WSN网关6功耗需求与能量供给的较好匹配，保证了WSN网关6的稳定供电。
如图2所示，所述充电管理电路2包括充电管理芯片U1，所述充电管理芯片U1采用型号为CN3722的芯片，充电管理芯片U1的VCC端与电容C1的一端、电容C2的一端、MOS管M1的源极端以及太阳能电池板1的输出端连接，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端与充电管理芯片U1的VG端，MOS管M1的栅极端与充电管理芯片U1的DRV端连接，充电管理芯片U1的MPPT端与电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端通过热敏电阻R1与太阳能电池板1的输出端以及充电管理芯片U1的VCC端连接，充电管理芯片U1的TEMP端通过电阻R6接地，充电管理芯片U1的GND端以及PGND端均接地，充电管理芯片U1的COM3端通过电容C3接地，充电管理芯片U1的COM1端通过电容C4接地，充电管理芯片U1的COM2端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5接地，充电管理芯片U1的FB端与电阻R8的一端以及热敏电阻R13的一端连接，电阻R8的另一端接地，热敏电阻R13的另一端与充电管理芯片U1的BAT端、电阻R12的一端、电容C10的一端、二极管D4的阳极端以及电池储能系统3连接；电阻R12的另一端与电感L1的一端以及充电管理芯片U1的CSP端连接；
电感L1的另一端与二极管D2的阴极端、二极管D1的阴极端连接，二极管D2的阳极端接地，二极管D1的阳极端与MOS管M1的漏极端连接，电容C10的另一端接地，二极管D4的阴极端与二极管D3的阴极端连接，且二极管D4的阴极端与稳压电路5连接，二极管D3的阳极端通过电阻R0与太阳能电池板1的输出端连接。
所述充电管理芯片U1的VCC端与LED指示灯的第一端连接，充电管理芯片U1的端通过电阻R5与LED指示灯的第二端连接，充电管理芯片U1的端通过电阻R4与LED指示灯的第三端连接。
本发明实施例中，接口IN用于与太阳能电池板1连接，通过充电管理芯片U1实现充电管理，充电管理芯片U1的MPPT端与电阻R2及电阻R3连接，实现最大功率点跟踪(MPPT)功能，可有效提高太阳能的利用率；二极管D4的阳极端与电池储能系统3的充电电池Battery的一端连接，充电电池Battery的另一端接地，充电管理芯片U1能实现对电池储能系统3进行涓流充电、恒流充电还是恒压充电，实现高效智能的充电。所述MOS管M1为PMOS管。
所述稳压电路5包括稳压芯片U2，所述稳压芯片U2采用型号为LM2587的芯片，所述稳压芯片U2的Vin端与二极管D3的阴极端、二极管D4的阴极端、二极管D5的阴极端、电容C6的一端以及电感L2的一端连接，电容C6的另一端接地，稳压二极管D5的阳极端接地，电感L2的另一端与稳压芯片U2的开关端以及二极管D6的阳极端连接，二极管D6的阴极端与电感L3的一端及热敏电阻R10的一端连接，电感L3的另一端与电容C8的一端、电容C9的一端以及WSN网关6的电源端连接，电容C8的另一端以及电容C9的另一端均接地，热敏电阻R10的另一端与稳压芯片U2的反馈端以及电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端接地，稳压芯片U2的比较端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端通过电容C7接地，稳压芯片U2的接地端接地。
具体地，太阳能电池板1的输出一路经过由MOS管M1和电感L1成的Buck电路，给电池储能系统3充电。充电管理芯片U1通过电阻R1、电阻R2及电阻R3分压后实现MPPT功能，通过热敏电阻R13检测电池储能系统3的温度，通过检测电池储能系统3的电压调节充电方式，实现对电池储能系统3的智能充电与保护，有利于电池储能系统3寿命的延长；
太阳能电池板1的输出另一路经过限流电阻R0和二极管D3直接连接到稳压电路5，可直接供电给负载WSN网关6。电池储能系统3是采用具有一定余量电能的锂电池，可应对连续10天无太阳能供给的情况，确保特殊情况下系统的供电稳定性。
能量匹配调整电路4由电阻R0、二极管D3和二极管D4构成，阳光充足的情况，太阳能电池板1输出电压18V，二极管D3阴极端的电压为17.5V左右，而电池储能系统3的电压小于等于8.4V，所以电池储能系统3不放电，只进行充电，此时WSN网关6有太阳能电池板1输出的功率供电；无阳光充足时，太阳能电池板1输出电压0，电池储能系统3的电压足以让二极管D4正向导通，电池储能系统3放电供给WSN网关6；有一定阳光但不是很足的情况，此时由太阳能电池板1和电池储能系统3同时给WSN网关6供电。能量匹配调整电路4的电路结构可实现太阳能电池板1和电池储能系统3供电的不间断切换。稳压电路5使用的TI的LM2587，将能量匹配调整电路输出的电压稳定在3.3V，提供稳定的工作电压给WSN网关6。
本发明采用太阳能电池板1以及电池储能系统3的双路供电，并通过能量匹配调整电路4进行选择调整，可以实现智能地选择能量供给WSN网关6，以实现太阳能电池板1供电、电池储能系统3供电或者两者同时供电，一方面有效的提高的太阳能的利用率；另一方面较少了电池储能系统3的放电次数，一定程度地延长了电池的使用寿命，使用方便，提高对WSN网关6供电的可靠性。
本发明的保护范围不限于上述实施方式，凡是依据本发明技术原理所作的显而易见的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种WSN网关的太阳能双路供电系统，其特征是：包括用于提供WSN网关(6)工作电源的太阳能电池板(1)以及电池储能系统(3)，太阳能电池板(1)、电池储能系统(3)均与用于调整供电输出的能量调整匹配电路(4)连接，能量调整匹配电路(4)与稳压电路(5)连接，以通过稳压电路(5)提供WSN网关(6)所需的工作电压。
2.根据权利要求1所述的WSN网关的太阳能双路供电系统，其特征是：所述太阳能电池板(1)通过充电管理电路(2)与电池储能系统(3)连接，太阳能电池板(1)通过充电管理电路(2)能对电池储能系统(3)进行充电。
3.根据权利要求2所述的WSN网关的太阳能双路供电系统，其特征是：所述充电管理电路(2)包括充电管理芯片U1，所述充电管理芯片U1采用型号为CN3722的芯片，充电管理芯片U1的VCC端与电容C1的一端、电容C2的一端、MOS管M1的源极端以及太阳能电池板(1)的输出端连接，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端与充电管理芯片U1的VG端，MOS管M1的栅极端与充电管理芯片U1的DRV端连接，充电管理芯片U1的MPPT端与电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端通过热敏电阻R1与太阳能电池板(1)的输出端以及充电管理芯片U1的VCC端连接，充电管理芯片U1的TEMP端通过电阻R6接地，充电管理芯片U1的GND端以及PGND端均接地，充电管理芯片U1的COM3端通过电容C3接地，充电管理芯片U1的COM1端通过电容C4接地，充电管理芯片U1的COM2端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5接地，充电管理芯片U1的FB端与电阻R8的一端以及热敏电阻R13的一端连接，电阻R8的另一端接地，热敏电阻R13的另一端与充电管理芯片U1的BAT端、电阻R12的一端、电容C10的一端、二极管D4的阳极端以及电池储能系统(3)连接；电阻R12的另一端与电感L1的一端以及充电管理芯片U1的CSP端连接；
电感L1的另一端与二极管D2的阴极端、二极管D1的阴极端连接，二极管D2的阳极端接地，二极管D1的阳极端与MOS管M1的漏极端连接，电容C10的另一端接地，二极管D4的阴极端与二极管D3的阴极端连接，且二极管D4的阴极端与稳压电路(5)连接，二极管D3的阳极端通过电阻R0与太阳能电池板(1)的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的WSN网关的太阳能双路供电系统，其特征是：所述充电管理芯片U1的VCC端与LED指示灯的第一端连接，充电管理芯片U1的端通过电阻R5与LED指示灯的第二端连接，充电管理芯片U1的端通过电阻R4与LED指示灯的第三端连接。
5.根据权利要求3所述的WSN网关的太阳能双路供电系统，其特征是：所述稳压电路(5)包括稳压芯片U2，所述稳压芯片U2采用型号为LM2587的芯片，所述稳压芯片U2的Vin端与二极管D3的阴极端、二极管D4的阴极端、二极管D5的阴极端、电容C6的一端以及电感L2的一端连接，电容C6的另一端接地，稳压二极管D5的阳极端接地，电感L2的另一端与稳压芯片U2的开关端以及二极管D6的阳极端连接，二极管D6的阴极端与电感L3的一端及热敏电阻R10的一端连接，电感L3的另一端与电容C8的一端、电容C9的一端以及WSN网关(6)的电源端连接，电容C8的另一端以及电容C9的另一端均接地，热敏电阻R10的另一端与稳压芯片U2的反馈端以及电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端接地，稳压芯片U2的比较端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端通过电容C7接地，稳压芯片U2的接地端接地。
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