CN107424510A - 一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，包括由上到下依次设置的发电薄膜层、标识层、电能存储层和功能层，且各个层之间绝缘设置。本发明通过外形呈柔性、薄片状的多层设置，通过四层具有不同功能的柔性层粘贴而成，可贴附于任何外形无突出变化的物体表面，类似于汽车的检验合格证标贴，但是却分别实现了正面可印刷显示发布信息，背面是柔性电路板，具有电源管理、感知和无线收发的功能，且正面与背面之间设置有柔性薄板超级电容器，整个装置由太阳能供电。本发明作为一种集柔性、无源、无线、感知、标示、传输特性于一体的产品，其应用领域广泛、使用方式便捷、绿色环保免维护的特点特色鲜明。
Description
技术领域
本发明涉及标识贴板技术领域，尤其涉及一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板。
背景技术
目前，在物连网应用技术领域，各种各样的信息需要获取、处理和利用。而上述过程中均涉及到的技术内容包括信息的感知、检测、转换、传输与处理等诸多环节，从系统层次结构上可以分为上层数据处理与应用、中间管理与转换、底层节点感知与传输三个主要环节。而在底层节点感知与传输现有的技术中需要解决的问题是：首先，能够感知到相关信息并转换成对应物理参数；然后，尽量能够实现无线单向或双向数据传输；最后，感知节点的供电模式是否满足相应要求。所以如何集成设计感知、传输、供电是物连网末端技术的难点和关键，没有可靠、方便、免维护的传感节点技术，传感网络的应用将会遇到巨大的阻碍。因此，迫切需要一种不依赖于常规有线供电或电池供电方式，以环境微能量采集转换技术提供节点供电方式，能够实现传感参数发送或双向数据传输功能的装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，能够不需要有线电源供电即可感知、无线收发、显示发布信息。
本发明采用的技术方案为：
一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，包括由上到下依次设置的用于发电的发电薄膜层、用于标识图文的标识层、用于对发电薄膜层产生电能进行储存的电能存储层和用于对电源进行管理以及进行信息感知和无线收发的功能层，且各个层之间绝缘设置；
所述的发电薄膜层为透明太阳能发电薄膜覆层，用于发电、透视和感知光线；
所述的功能层包括柔性电路板以及设置在柔性电路板上的PCB天线、无线收发器、信号感知模块、控制器、和用于对上述各个负载供电进行管理的电源管理模块，所述的PCB天线通过无线收发器与控制器相连接，信息感知模块的输出端与控制器的输入端相连接；透明太阳能发电薄膜覆层的输出端通过柔性导线连接电能存储层的输入端，电能存储层的输出端与功能层的电源输入端相连接；
所述的标识层上与发电薄膜层相接处面印刷有各种图案和或文字；
所述的电能存储层为薄片状柔性超级电容，所述的薄片状柔性超级电容由结构相同的上、下极板和填充设置在上、下极板之间的固态电解质材料构成，所述的上、下极板通过固态电解质材料对称设置；所述的上、下极板均包括三层，中间层为导电铜板，两侧中靠近固态电解质材料的一侧为基体表面聚合形成的聚苯胺包裹层，另一侧为聚酯薄膜层；
根据权利要求1所述一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征是：所述的电源管理模块由电源管理芯片U1和升压控制电路芯片U2、第一反向保护二极管D1和第二反向保护二极管D2、第一可控开关K1和第二可控开关K2以及超级电容C构成，所述的升压控制电路芯片U2的输入端与透明太阳能发电薄膜覆层的输出端相连接，升压控制电路芯片U2的第一输出端与信息感知模块输入端相连接，第二输出端与第一反向保护二极管D1的正极，第一反向保护二极管D1的负极与第一可控开关K1的一端相连接，第一可控开关K1的另一端与薄片状柔性超级电容的输入端相连接，所述第二反向保护二极管D2的正极与薄片状柔性超级电容的输入端相连接，且第二反向保护二极管D2与第二可控开关K2串联后并联在负载与薄片状柔性超级电容串联后电路的两端；所述的升压控制电路芯片U2的输出端之一与第一可控开关K1连接，升压控制电路芯片U2的另一输出端与信号感知模块的输入端相连接。
所述的信息感知模块包括有温湿感知模块、照度换算模块、光电接收模块和超低功耗单片机，所述的温湿度感知模块和光电接收模块的输出端连接超低功耗单片机的输入端，超低功耗单片机的输出端连接照度换算模块的输入端。
还包括有粘贴吸附层，所述的粘贴吸附层设置在最下端且与功能层紧贴设置。
所述的透明发电薄膜在光照作用下发电后输出相应的电压，该电压经由电源管理模块处理后，一路作为能量供应提供电路板用电并将富余能量存储于超级电容器中，另一路作为光照强弱的检测信号提供照度信息。
所述的聚苯胺包裹层的厚度为1~2μm。
所述的固态电解质为聚乙烯醇与磷酸（PVA/H3PO4）复合物薄膜，厚度0.2mm。
本发明通过外形呈柔性、薄片状的多层设置，通过四层具有不同功能的柔性层粘贴而成，尺寸大小和形状不限，可贴附于任何外形无突出变化的物体表面，类似于汽车的检验合格证标贴，但是却分别实现了正面可印刷显示发布信息，背面是柔性电路板，具有电源管理、感知和无线收发的功能，且正面与背面之间设置有柔性薄板超级电容器，整个装置由太阳能供电。本发明作为一种集柔性、无源、无线、感知、标示、传输特性于一体的产品，其应用领域广泛、使用方式便捷、绿色环保免维护的特点特色鲜明。
附图说明
图1为本发明的电器原理框图；
图2为本发明所述薄片状柔性超级电容的结构示意图；
图3为本发明所述的电源管理模块的电路原理图。
具体实施方式
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1、2和3所示，本发明包括由上到下依次设置的用于发电的发电薄膜层、用于标识图文的标识层、用于对发电薄膜层产生电能进行储存的电能存储层和用于对电源进行管理以及进行信息感知和无线收发的功能层，且各个层之间绝缘设置；
所述的功能层包括柔性电路板以及设置在柔性电路板上的PCB天线、无线收发器、信号感知模块、控制器、信息感知模块和用于对上述各个负载供电进行管理的电源管理模块，所述的PCB天线通过无线收发器与控制器相连接，信息感知模块的输出端与控制器的输入端相连接；透明太阳能发电薄膜覆层的输出端通过柔性导线连接电能存储层的输入端，电能存储层的输出端与功能层的电源输入端相连接；所述的信息感知模块包括有温湿感知模块、照度换算模块、光电接收模块和超低功耗单片机，所述的温湿度感知模块和光电接收模块的输出端连接超低功耗单片机的输入端，超低功耗单片机的输出端连接照度换算模块的输入端。所述的温湿度感知模块采用微型电子温湿度传感器，光电接收模块用于接收发电薄膜层的电压，然后通过超低功耗单片机到照度换算模块进行电压大小换算为光照强度大小，从而得到光照强度的实时监测。
所述的标识层上与发电薄膜层相接处面印刷有各种图案和或文字；可以为标识也可以为警示标语，既有美感又不失功能。
所述的发电薄膜层为透明太阳能发电薄膜覆层，用于发电、透视和感知光线；所述的透明太阳能发电薄膜覆盖在标识层上，不仅接受光照发电且不影响标识指示图文的可视、可观察功能，而且本身通过检测电流大小还可以判断是否存在光照的检测功能；所述的标识层指示图文与普通标识粘贴类似，接触发电薄膜的正面可以印刷各种图案和文字。透明太阳能发电薄膜覆层采用非晶硅薄膜式太阳能发电膜，用来发电的非晶硅厚度不到0.5微米，不及传统晶硅太阳能电池厚度的百分之一，使原来无法穿透晶硅太阳能电池的太阳光可以透过非晶硅薄膜太阳能电池，透光性好，柔性、可任意裁剪。
透明发电薄膜在光照作用下发电输出相应的电压，该电压经由电源管理模块处理后，一路作为能量供应提供电路板用电并将富余能量存储于超级电容器中，另一路作为光照强弱的检测信号提供照度信息。
所述的电能存储层为薄片状柔性超级电容，用于对透明太阳能发电薄膜覆层进行太阳能发电的储能元件，并为功能层中的柔性电路板正常工作进行供电；所述的薄片状柔性超级电容由结构相同的上、下极板和填充设置在上、下极板之间的固态电解质材料构成，所述的上、下极板通过固态电解质材料对称设置；所述的上、下极板均包括三层，中间层为导电铜板，两侧中靠近固态电解质材料的一侧为基体表面聚合形成的聚苯胺包裹层，另一侧为聚酯薄膜层；所述的聚苯胺包裹层的厚度为1~2μm。所述的固态电解质为聚乙烯醇与磷酸（PVA/H3PO4）复合物薄膜，厚度0.2mm。
本发明所述的薄片状柔性超级电容采用原位聚合沉积涂膜技术，在聚酯薄膜（PET，厚度0.2mm）基体表面聚合形成1~2μm聚苯胺包裹层，制得聚苯胺（PANI）/聚酯（PET）导电织物，利用其优异的光学和电学性能，作为平行板电容器的上下两个极板，两极板间填充固态电解质材料，采用聚乙烯醇与磷酸（PVA/H3PO4）复合物薄膜，厚度0.2mm。该结构电容器结构参数长×宽×厚为100mm×100mm×2mm，实测电容约5.17F。
电源管理模块实时检测发电薄膜输出电压和超级电容器的端电压，当光伏发电不足于提供电路板的电源能量时，控制电容器由充电储能模式转换成放电供电模式为电路板补充供电。
所述的电源管理模块由电源管理芯片U1和升压控制电路芯片U2、第一反向保护二极管D1和第二反向保护二极管D2、第一可控开关K1和第二可控开关K2以及超级电容C构成，所述的升压控制电路芯片U2的输入端与透明太阳能发电薄膜覆层的输出端相连接，升压控制电路芯片U2的第一输出端与信息感知模块输入端相连接，第二输出端与第一反向保护二极管D1的正极，第一反向保护二极管D1的负极与第一可控开关K1的一端相连接，第一可控开关K1的另一端与薄片状柔性超级电容的输入端相连接，所述第二反向保护二极管D2的正极与薄片状柔性超级电容的输入端相连接，且第二反向保护二极管D2与第二可控开关K2串联后并联在负载与薄片状柔性超级电容串联后电路的两端；所述的升压控制电路芯片U2的输出端之一与第一可控开关K1连接，升压控制电路芯片U2的另一输出端与信号感知模块的输入端相连接，用于提供光照度检测信号。
可控开关K1和K2受电源管理芯片U1控制，正常状态下，闭合K1、断开K2，升压控制电路的输出提供柔性电路板供电和为超级储能电容充电，当电源管理芯片U1检测到发电薄膜输出电压过低时（不足于提供供电和对电容充电），控制K2闭合，超级储能电容放电为柔性电路板供电。反向保护二极管D1和D2的作用是避免反向充电。
还包括有粘贴吸附层，所述的粘贴吸附层设置在最下端且与功能层紧贴设置，从而方便本发明进行任意需要位置的安装，仅仅需要轻轻粘贴即可实现安装。
所述的透明发电薄膜在光照作用下发电输出相应的电压，该电压经由电源管理模块处理后，一路作为能量供应提供电路板用电并将富余能量存储于超级电容器中，另一路作为光照强弱的检测信号提供照度信息；电源管理模块实时检测发电薄膜输出电压和超级电容器的端电压，当光伏发电不足于提供电路板的电源能量时，控制电容器由充电储能模式转换成放电供电模式为电路板补充供电，
普通汽车前风挡玻璃的右上角不可避免要有三个标示贴，包括合格证、交强险和环保认证，这三个标示只是表示在此三个强制性项目要求符合标准，而没有其他的任何功能。而本发明智能标识贴板的正面外观示意图，外形尺寸、形状可根据实际需要而定，普通标识贴的功能作用依然保留不变，增加了感知功能（如光照度、温湿度、红外线等）、无线收发功能（超低功耗射频收发电路）、发供电功能（光伏发电、电能存储、供电管理等）；（b）图是智能标识贴板侧面剖视层间结构示意图，表面该智能标识贴板主要由四层柔性结构构成，第一层透明太阳能发电薄膜覆层，具有发电、透明和照度测量的功能与特点，第二层标识指示图文层，采用柔性绝缘材料（绝缘第一层与第三层），正面可以印刷各种标识图案和文字（类似于普通标识粘贴），第三层薄片状柔性超级电容层，采用经特殊设计的新型薄片状超级电容器结构，起储能、供电作用，第四层柔性电路板层，是智能标识贴板功能实现层，采取超低功耗电路设计技术，结合采用柔性PCB底板，实现电路板的柔性化。
Claims (7)
1.一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征在于：包括由上到下依次设置的用于发电的发电薄膜层、用于标识图文的标识层、用于对发电薄膜层产生电能进行储存的电能存储层和用于对电源进行管理以及进行信息感知和无线收发的功能层，且各个层之间绝缘设置；
所述的发电薄膜层为透明太阳能发电薄膜覆层，用于发电、透视和感知光线；
所述的功能层包括柔性电路板以及设置在柔性电路板上的PCB天线、无线收发器、信号感知模块、控制器、和用于对上述各个负载供电进行管理的电源管理模块，所述的PCB天线通过无线收发器与控制器相连接，信息感知模块的输出端与控制器的输入端相连接；透明太阳能发电薄膜覆层的输出端通过柔性导线连接电能存储层的输入端，电能存储层的输出端与功能层的电源输入端相连接；
所述的标识层上与发电薄膜层相接处面印刷有各种图案和或文字；
所述的电能存储层为薄片状柔性超级电容，所述的薄片状柔性超级电容由结构相同的上、下极板和填充设置在上、下极板之间的固态电解质材料构成，所述的上、下极板通过固态电解质材料对称设置；所述的上、下极板均包括三层，中间层为导电铜板，两侧中靠近固态电解质材料的一侧为基体表面聚合形成的聚苯胺包裹层，另一侧为聚酯薄膜层。
2.根据权利要求1所述一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征是：所述的电源管理模块由电源管理芯片U1和升压控制电路芯片U2、第一反向保护二极管D1和第二反向保护二极管D2、第一可控开关K1和第二可控开关K2以及超级电容C构成，所述的升压控制电路芯片U2的输入端与透明太阳能发电薄膜覆层的输出端相连接，升压控制电路芯片U2的第一输出端与信息感知模块输入端相连接，第二输出端与第一反向保护二极管D1的正极，第一反向保护二极管D1的负极与第一可控开关K1的一端相连接，第一可控开关K1的另一端与薄片状柔性超级电容的输入端相连接，所述第二反向保护二极管D2的正极与薄片状柔性超级电容的输入端相连接，且第二反向保护二极管D2与第二可控开关K2串联后并联在负载与薄片状柔性超级电容串联后电路的两端；所述的升压控制电路芯片U2的第一输出端与第一可控开关K1连接，升压控制电路芯片U2的第二输出端与信号感知模块的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征是：所述的信息感知模块包括有温湿感知模块、照度换算模块、光电接收模块和超低功耗单片机，所述的温湿度感知模块和光电接收模块的输出端连接超低功耗单片机的输入端，超低功耗单片机的输出端连接照度换算模块的输入端。
4.根据权利要求3所述一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征是：还包括有粘贴吸附层，所述的粘贴吸附层设置在最下端且与功能层紧贴设置。
5.根据权利要求4所述一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征是：所述的透明发电薄膜在光照作用下发电后输出相应的电压，该电压经由电源管理模块处理后，一路作为能量供应提供电路板用电并将富余能量存储于超级电容器中，另一路作为光照强弱的检测信号提供照度信息。
6.根据权利要求5所述一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征是：所述的聚苯胺包裹层的厚度为1~2μm。
7.根据权利要求6所述一种柔性无源、无线、感知、智能标识贴板，其特征是：所述的固态电解质为聚乙烯醇与磷酸（PVA/H3PO4）复合物薄膜，厚度0.2mm。
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