CN106793176A - 一种基于升压电路的环境实时监控系统 - Google Patents

一种基于升压电路的环境实时监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于升压电路的环境实时监控系统，包含监控中心、无线通信网络、和由多个用于检测环境参数的传感器节点组成的无线传感器网络，所述传感器节点包含温湿度传感器、风速检测模块、模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、无线通信模块和电源模块，本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC‑DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。

Description

一种基于升压电路的环境实时监控系统
技术领域
本发明属于智能监控领域，尤其涉及一种基于升压电路的环境实时监控系统。
背景技术
目前，环境温度的精确监测与管理对于提高环境控制精度、节约能源及促进生产有着重要的作用。目前我国环境监测系统匮乏，即便是有，往往采用一些生物检测法，布线检测法严重浪费能源，由不同位置的各项参数往往都不均匀和不同的，所以需要采集多个不同点的温度值进行综合评判，目前的大多数温度监测系统都不能有效地覆盖整个社区，难以实现各个参数的统一性。
随着科技的发展，无线传感器网络技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面。无线通信网已经逐步发展到能为任何人和物件之间随时、随地通信的物联网，网络的规模极速扩大，但与此同时物联网的总体的稳定性和可持续发展问题也越来越突出。与此同时，为了满足人类生活的需要，越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区，这些地区恶劣的环境决定了人们无法使用化学电池为无线传感器节点供电，因为在这些地区更换化学电池往往是一件不太可能的事情。正因为这些原因，本发明才想到采用可再生能源为无线通信节点供能来解决这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于升压电路的环境实时监控系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于升压电路的环境实时监控系统，包含监控中心、无线通信网络、和由多个用于检测环境参数的传感器节点组成的无线传感器网络，所述传感器节点通过无线通信网络连接监控中心，所述传感器节点包含温湿度传感器、风速检测模块、模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、无线通信模块和电源模块；所述温湿度传感器和风速检测模块分别通过模数转换模块连接数据处理模块，所述数据存储模块、无线通信模块和电源模块分别与数据处理模块连接；所述电源模块包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器；所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间，所述升压电路包含变换器、电感、稳压管、第一电解电容、第二电解电容、第一电阻和第二电阻，第一电解电容的正极分别连接电感的一端和电能输出接口的输出端，电感的另一端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端分别连接稳压管的正极和变换器的输入端，稳压管的负极分别连接第二电解电容的正极、变换器的输出端和开关的常闭端，开关的活动端与第二电阻串联后与充电电路连接，第一电解电容的负极、第二电解电容的负极、变换器的接地端与地连接。
作为本发明一种基于升压电路的环境实时监控系统的进一步优选方案，所述监控中心包含控制器模块以及分别与其连接的显示模块、无线射频接收器和报警模块。
作为本发明一种基于升压电路的环境实时监控系统的进一步优选方案，所述温湿度传感器采用芯片型号为HTU21D的温湿度传感器。
作为本发明一种基于升压电路的环境实时监控系统的进一步优选方案，所述无线通信模块包含单片机以及与其连接的无线射频发射器。
作为本发明一种基于升压电路的环境实时监控系统的进一步优选方案，所述数据处理模块采用芯片型号为SPCE061A的微处理器。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用芯片型号为HTU21D的温湿度传感器组成的无线传感器网路实时采集社区环境的温湿度参数，其具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点，将无线传感器网络引入社区环境监测系统，充分发挥无线传感器网络的优点，通过实时对环境的监测给社区居民提供方便；
2、本发明采用了高性能的微处理器SPCE061A为核心实现了一种智能建筑的网络化消防报警监控系统，经过实际测试，该系统具有较强的网络通信能力、高实时性、通信快速可靠的特点，具有很高的实用价值；
3、本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC-DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。
附图说明
图1是本发明的系统结构原理图；
图2是本发明传感器节点的结构原理图；
图3是本发明传感器节点电源模块结构图；
图4是本发明传感器节点电源模块升压电路电路图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明设计一种基于升压电路的环境实时监控系统，包含监控中心、无线通信网络、和由多个用于检测环境参数的传感器节点组成的无线传感器网络，所述传感器节点通过无线通信网络连接监控中心，本发明通过无线传感器网络对社区环境的各项参数进行实时检测，更好的为社区服务，无线传感器网路实时采集社区环境的温湿度参数，其具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点，将无线传感器网络引入社区环境监测系统，充分发挥无线传感器网络的优点，通过实时对环境的监测给社区居民提供方便。
如图2所示，所述传感器节点包含温湿度传感器、风速检测模块、模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、无线通信模块和电源模块；所述温湿度传感器和风速检测模块分别通过模数转换模块连接数据处理模块，所述数据存储模块、无线通信模块和电源模块分别与数据处理模块连接；本发明采用芯片型号为HTU21D的温湿度传感器组成的无线传感器网路实时采集社区环境的温湿度参数，其具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点，将无线传感器网络引入社区环境监测系统，充分发挥无线传感器网络的优点，通过实时对环境的监测给社区居民提供方便。
如图3所示，所述电源模块包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器；所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间。
如图4所示，所述升压电路包含变换器、电感、稳压管、第一电解电容、第二电解电容、第一电阻和第二电阻，第一电解电容的正极分别连接电感的一端和电能输出接口的输出端，电感的另一端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端分别连接稳压管的正极和变换器的输入端，稳压管的负极分别连接第二电解电容的正极、变换器的输出端和开关的常闭端，开关的活动端与第二电阻串联后与充电电路连接，第一电解电容的负极、第二电解电容的负极、变换器的接地端与地连接。
本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC-DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。
微型温差发电器供电的无线传感器网络节点的发射端结构由温差电能收集器、具有MPPT功能的升压电路、能量缓冲器和系统负载(无线传感器节点)组成。温差电能收集器是由热电转换芯片组成的，可以根据实际的应用场所的大小和所需电能的多少决定热电转换芯片表面积大小和叠加的层数，用以满足不同的应用环境。
电源管理集成电路主要是由最大功率点跟踪模块(MPPT)、电能输出接口、升压电路(DC-DC升压模块)、能量缓冲器构成。其中能量缓冲器电路由储能电容、比较器电路和稳压器电路构成。负载主要包括处理传感器采集到的数据，并通过无线发射模块发射出去。
BQ25504电源管理芯片主要实现了从热能转换模块中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一个16个引脚的、3mm*3mm分装的高效率能量管理芯片，16个引脚依次逆时针分布，本发明通过合理地应用这些引脚的相应的功能，实现了微型能量的高效管理。除此之外，该芯片的一个显著优点是拥有超低的工作启动电压，这使得它可以在稳定工作时从低至80mv的能量源提取能量，并对超低电压进行升压转换，以便后续电路进行存储使用。搭配合适的外围电路实现了从超低功率能量源采集电能的最大功率点跟踪，这对于微型温差能量自供给系统有着至关重要的作用。同时通过外围电路设定过压和欠压的电路保护，保证芯片的稳定工作。
MIC841N是一个超低功耗的具有内部参考电压的双电压比较器。在本发明通过设置其电压比较的上限和下限来驱动后面的线性稳压器。其工作的特点是，通过不断的检测引脚VDD上的电压，并与引脚LTH和HTH上设定的工作电压进行比较，从而确定输出的电压的高低，进而控制稳压器TPS78001的工作状态。
TPS78001是TI生产的超低功耗稳压器，它可以实现电路输出电压的稳压作用，通过设置相应的外围电路的电阻参数，可以使输出得到一个稳定的电压，这样就可以稳定地驱动后面的无线传感器发射节点。
MPPT是一种最大化利用发电器所产生电能的技术。本发明通过一定的电气模块调节微型温差发电器的温差芯片的输出电压，从而实现温差发电器输出功率的最大化。根据已知的微型温差发电器的输出特性曲线，当输出的电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大的输出功率。从TEG提取最大功率的技术主要是动态改变DC/DC转换器开关频率，本发明根据这一特性利用BQ25504采用了电阻比例分压法实现了输出电压为开路电压的一半，进而实现了输出功率的最大化。
本发明通过高效的能量收集和有效的能量管理实现了无线传感器网络的功能，成为了真正的能量自供给无线传感器系统，同时也顺应了现在我国通信行业绿色无线电的发展要求。
所述数据处理模块通过单片机连接无线射频发射器；所述温湿度传感器用于实时采集环境的温湿度参数，所述风速检测模块用于实时检测社区环境的风速，进而经过模数转换器的模数转换，进而将处理后的信息参数上传至数据处理模块，进而经过单片机控制射频发射器将采集的社区温湿度参数和风速参数经过路由器节点的汇总处理，进而上传至监控中心，当环境温度和风速不适宜人出行时给出提醒。
本发明采用了高性能的微处理器SPCE061A为核心经过实际测试，该系统具有较强的网络通信能力、高实时性、通信快速可靠的特点，具有很高的实用价值；SPCE061A微处理器是凌阳科技公司所生产的16位μ'nSPTM微处理器，内部采用总线结构。主要参数有：工作电压(CPU)VDD为2．4～3．6 V，(I／O)VDDH为2．4～5．5 V；时钟：0．32～49．152 MHz；内置2KBSRAM和32 KB FLASH；2个16位可编程定时器／计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数／模转换)输出通道；32位I／O位通用可编程输入／输出端口；14个中断源可来自定时器A／B时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能，内置在线仿真电路ICE接口，具有保密能力，具有Watch Dog功能，μ'nSPTM的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能。
SPCE061A具有很高的计算速度，这对于实时操作系统是极为重要的。对于SPCE061A，传统的微处理器硬件和软件的开发已被简化，不再需要在线仿真。其SPCE061A大容量FLASH及SRAM，内建以太网接口，可直接通过网络实现监控；具备UART接口，可使各种串行设备快速进行网络连接。SPCE061A微处理器的软件开发平台ICE集编程、编译、链接、调试、下载于一体，并有完善的TCP／IP协议栈，支持全功能UART通信，配备各种I／O驱动函数库。
本发明采用芯片型号为HTU21D的温湿度传感器组成的无线传感器网路实时采集社区环境的温湿度参数，其具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点，将无线传感器网络引入社区环境监测系统，充分发挥无线传感器网络的优点，通过实时对环境的监测给社区居民提供方便；
本发明采用了高性能的微处理器SPCE061A为核心实现了一种智能建筑的网络化消防报警监控系统，经过实际测试，该系统具有较强的网络通信能力、高实时性、通信快速可靠的特点，具有很高的实用价值。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于升压电路的环境实时监控系统，其特征在于：包含监控中心、无线通信网络、和由多个用于检测环境参数的传感器节点组成的无线传感器网络，所述传感器节点通过无线通信网络连接监控中心，所述传感器节点包含温湿度传感器、风速检测模块、模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、无线通信模块和电源模块；所述温湿度传感器和风速检测模块分别通过模数转换模块连接数据处理模块，所述数据存储模块、无线通信模块和电源模块分别与数据处理模块连接；所述电源模块包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器；所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间；
所述升压电路包含变换器、电感、稳压管、第一电解电容、第二电解电容、第一电阻和第二电阻，第一电解电容的正极分别连接电感的一端和电能输出接口的输出端，电感的另一端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端分别连接稳压管的正极和变换器的输入端，稳压管的负极分别连接第二电解电容的正极、变换器的输出端和开关的常闭端，开关的活动端与第二电阻串联后与充电电路连接，第一电解电容的负极、第二电解电容的负极、变换器的接地端与地连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于升压电路的环境实时监控系统，其特征在于：所述监控中心包含控制器模块以及分别与其连接的显示模块、无线射频接收器和报警模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于升压电路的环境实时监控系统，其特征在于：所述温湿度传感器采用芯片型号为HTU21D的温湿度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于升压电路的环境实时监控系统，其特征在于：所述无线通信模块包含单片机以及与其连接的无线射频发射器。
5.根据权利要求1所述的一种基于升压电路的环境实时监控系统，其特征在于：所述数据处理模块采用芯片型号为SPCE061A的微处理器。
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