CN107623903A - 一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，包括微生物能量捕获装置、能量收集模块、超级电容器、锂电池、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳，所述微生物能量捕获装置通过能量收集模块与无线传感器网络节点、超级电容器相连，分别给无线传感器网络节点供电和超级电容充电，当超级电容器两端电压达到放电电压时，超级电容放电给锂电池充电，当微生物能量捕获装置的供能不足时，通过锂电池为无线传感器网络节点供电。本发明利用微生物能量捕获装置作为环境监测传感器网络节点供电的能量来源，能够有效地延长无线传感器网络节点的工作寿命，实现对湿地环境的长期监测，降低设备维护成本。

Description

一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及无线传感网络节点技术领域，具体涉及一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点。

背景技术

享有“地球之肾”美誉的湿地生态系统是自然界最富生物多样性的生态景观之一，湿地能够在净化环境，调节气候，改善人类生活居住条件方面具有重要作用，具有巨大的经济、生态和社会价值。改革开放以来，随着经济的快速发展，城市规模的不断扩张对湿地环境造成了不同程度的污染和破坏。因此，对湿地生态环境的保护就显得越发重要。

在湿地生态环境保护的过程中，对湿地土壤的监测是不可或缺的一个环节。而传统的人工巡视监测对于大面积的湿地环境需要耗费大量的人力物力成本，且存在监测周期过长，无法对湿地环境远程实时监测等缺点。现有的由监控中心和若干监测子站组成的湿地生态环境监测系统虽然能够对大面的湿地环境进行实时远程监测，但是由于此系统需要预先铺设电缆和建立多个监测子站，存在着监测范围有限、对湿地生态环境造成破坏、系统成本过高等缺点。因此迫切需要一种高效、实时的湿地土壤监测技术。

无线传感器网络是由大量具有监测功能的传感器节点通过无线通信方式实现信息传输，协同地完成不同项目功能的专用网络。无线传感器节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能，利用数据融合技术，传感器节点可完成多类数据信息处理工作，减少传输数据量，通过交换传输组成多跳的自组织、自学习的无线通信网络系统，实时地监测、感知和采集各种监测信息并发给监测人员。无线传感器网络自诞生以来就作为一种全新的信息获取手段，广泛应用于军事、环境监测、灾害预测等领域。

发明内容

针对目前湿地生态环境保护中存在的不能长时间监测、需要定期对装置进行维护等问题，本发明采用传感器网络技术，并且采用微生物能量捕获装置为环境监测传感器网络节点供电。实现对湿地环境的长期监测，降低设备维护成本。

针对目前湿地土壤环境监测存在的问题，本发明提供了一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，包括微生物能量捕获装置、能量收集模块、超级电容器、锂电池、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳，所述微生物能量捕获装置通过能量收集模块与无线传感器网络节点、超级电容器相连，分别给无线传感器网络节点供电和超级电容充电，当超级电容器两端电压达到放电电压时，超级电容放电给锂电池充电，当微生物能量捕获装置的供能不足时，通过锂电池为无线传感器网络节点供电。

在上述方案基础上，所述微生物能量捕获装置以土壤作为微生物的营养媒介，包括反应容器、阳极和阴极，所述反应容器中填充富含有微生物和足够养分的土壤，所述阳极深埋在土壤中来保证营养丰富、缺氧的环境，所述阴极放置在土壤表面以保持富氧的环境条件。将微生物能量捕获装置埋置在所需监测的区域，并通过两根导线将微生物能量捕获装置的阳极和阴极引出反应容器以输出电能。

在上述方案基础上，所述反应容器采用圆筒状的聚氯乙烯网格桶，所述阳极采用碳布，所述阴极采用表面均匀涂有一层铂催化剂的碳纸。

在上述方案基础上，所述无线传感器网络节点包括MCU(微控制器)、传感器、信号调理电路、无线收发模块和射频天线，所述传感器为分别用于测量土壤的含水量和PH值的土壤湿度传感器和土壤PH值传感器，所述传感器采集到的信息经过信号调理电路进行AD转换和放大处理后由MCU控制无线收发模块通过射频天线将土壤信息发送至邻近的汇聚节点，汇聚节点将信息发送给监测中心供监测人员分析湿地土壤环境状况。所述的无线收发模块采用Zigbee技术。

在上述方案基础上，所述能量收集模块包括变压器和DC/DC变换芯片，所述变压器将微生物能量捕获装置产生的电压提升至DC/DC变换芯片的输入电压，所述变压器副端绕组上产生的交流电压通过外部充电泵电容器和芯片整流器进行升压和整流，整流电路将电流馈入V_AUX引脚，并将电荷送至外部V_AUX电容器，然后输送至其他输出，最后通过V_OUT输出电压至无线传感器网络节点。

在上述方案基础上，所述变压器为1:100的升压型变压器。

在上述方案基础上，当生物能量捕获装置供电能量超过无线传感器网络节点工作所需的能量时，DC/DC变换芯片的V_STORE端口给电容C_STORE充电，该电容采用超级电容器，随着超级电容器两端的电压不断升高，MCU通过比较电路判断超级电容器两端电压是否达到所设定的放电电压值，当达到放电电压时，MCU发出控制信号使开关电路1导通，通过超级电容器放电升压电路给锂电池充电，当超级电容器两端的电压降到充电电压时，开关电路1断开，微生物能量捕获装置的多余能量继续给超级电容器充电。

在上述方案基础上，当微生物能量捕获装置的产能不足时，开关电路2导通，由锂电池作为备用电源通过稳压电路给无线传感器网络节点继续供电，保证无线传感器网络节点的正常工作。

在上述方案基础上，所述超级电容器放电升压电路与锂电池之间还设有充电保护电路。

微生物能量捕获装置输出电能后经能量收集电路进行整流、升压处理后为微控制器(Microcontroller Unit,MCU)、传感器和射频模块供电。同时将微生物能量捕获装置产生的多余的电能存储在超级电容器中，在微生物能量捕获装置对超级电容器进行充电的过程中，超级电容器两端的电压逐渐升高。通过电压比较器判断超级电容器两端的电压是否达到预先设定的放电电压值，若是达到所设定的放电电压值，则通过MCU利用I/O端口输出信号控制开关电路1导通，超级电容器通过升压放电电路为锂电池进行充电。当超级电容器两端的电压值降到所设定的充电电压值时，MCU发出控制信号使开关电路1断开，超级电容器停止对锂电池的充电。微生物能量捕获装置产生的多余能量继续对超级电容器进行充电。

当微生物能量捕获装置产生的能量充足时，微生物能量捕获装置直接给传感器节点供电。传感器采集到的信息经过信号调理电路进行AD转换、放大等处理。然后通过MCU控制无线收发模块将传感器采集到的土壤环境信息发送出去。

当微生物能量捕获装置因养分不足而不能产生足够的能量供给传感器节点工作时，MCU发出控制信号使开关电路2导通，锂电池通过稳压电路为传感器节点供电。

MCU和射频模块均采用低功耗器件，减少无线传感器网络节点的功耗，从而延长传无线感器网络节点的使用寿命。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明利用微生物能量捕获装置作为环境监测传感器网络节点供电的能量来源，由于湿地环境中的土壤富含微生物与营养物质，且微生物能量捕获装置以土壤为微生物的反应媒介，并且在湿地环境中，随着动植物的分解可以源源不断地供给微生物生长所需的营养物质，所以微生物能量捕获装置可以不断地产生电能供传感器节点使用；本发明还可将微生物能量捕获装置产生的多余能量存储在锂电池中作为备用电源，当微生物能量捕获装置的产能不足时，采用备用电池进行供电，保证了传感器节点工作的稳定性；本发明能够有效地延长无线传感器网络节点的工作寿命，实现对湿地环境的长期监测，降低设备维护成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的整体结构框图。

图2为微生物能量捕获装置的结构示意图。

图3为本发明的能量收集模块电路。

图中：1-微生物能量捕获装置、101-反应容器、102-阳极、103-阴极、2-能量收集模块、3-超级电容器、4-锂电池、5-防水外壳、6-MCU、7-传感器、8-信号调理电路、9-无线收发模块、10-稳压电路、11-充电保护电路、12-开关电路1、13-开关电路2、14-电压比较器、15-超级电容器放电升压电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的整体结构图，本发明一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，包括微生物能量捕获装置(1)、能量收集模块(2)、超级电容器(3)、锂电池(4)、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳(5)，所述微生物能量捕获装置(1)通过能量收集模块(2)与无线传感器网络节点、超级电容器(3)相连，分别给无线传感器网络节点供电和超级电容器(3)充电，当超级电容器(3)两端电压达到放电电压时，超级电容器(3)放电给锂电池(4)充电，当微生物能量捕获装置(1)的供能不足时，通过锂电池(4)为无线传感器网络节点供电。

微生物能量捕获装置1的结构示意图如图2所示，采用一个底部直径20cm，开口直径20cm，高度为30cm的聚氯乙烯网格桶作为容器。容器中填充富含有微生物和足够养分的湿地土壤。采用直径为16cm的圆形碳布放置于距离反应容器101底部高约5cm的位置作为微生物能量捕获装置的阳极102；采用直径为16cm，表面均匀涂有一层铂催化剂的碳纸作为微生物能量捕获装置的阴极103，阴极103放置在土壤表层下方保证阴极能够充分接触空气。微生物能量捕获装置1在阳极102发生的化学反应为：

CH₃COOH+2H₂O→2CO2+8H⁺+8e^-

阴极103发生的化学反应为：

2O₂+8H⁺+8e^-→4H₂O

通过两根导线将微生物能量捕获装置1的阳极102和阴极103引出反应容器101输出电能。将微生物能量捕获装置1埋置在监测区域的土壤中保证微生物能量捕获装置能够持续从土壤中获取足够的微生物和养分，并且用稀疏土壤覆盖在燃料能量捕获装置的阴极103上方以保证阴极能够充分的接触空气。

所述无线传感器网络节点包括MCU(6)、传感器(7)、信号调理电路(8)、无线收发模块(9)和射频天线，所述传感器(7)为分别用于测量土壤的含水量和PH值的土壤湿度传感器和土壤PH值传感器，所述传感器(7)采集到的信息经过信号调理电路(8)进行AD转换和放大处理后由MCU(6)控制无线收发模块(9)通过射频天线将土壤信息发送至邻近的汇聚节点，汇聚节点将信息发送给监测中心供监测人员分析湿地土壤环境状况。

微生物能量捕获装置1产生的能量由图3所示的电路进行收集和DC/DC变换。所述能量收集模块(2)包括1:100的升压型变压器和DC/DC变换芯片，所述变压器将微生物能量捕获装置(1)产生的电压提升至DC/DC变换芯片的输入电压，所述变压器副端绕组上产生的交流电压通过外部充电泵电容器和芯片整流器进行升压和整流，整流电路将电流馈入V_AUX引脚，并将电荷送至外部V_AUX电容器，然后输送至其他输出，最后通过V_OUT输出电压至无线传感器网络节点。

同时，当供电能量超过无线传感器网络节点工作所需的能量时，V_STORE端口给电容C_STORE充电，该电容采用超级电容器3。随着超级电容器3两端的电压不断升高，MCU 6通过电压比较器14判断超级电容器3两端电压是否达到所设定的放电电压值，当达到放电电压时，MCU 6发出控制信号使开关电路1 12导通，通过超级电容器3放电升压电路给锂电池4充电。当超级电容器3两端的电压降到充电电压时，开关电路1 12断开，微生物能量捕获装置1的多余能量继续给超级电容器3充电。

当微生物能量捕获装置1的产能不足时，开关电路2 13导通，由锂电池4作为备用电源通过稳压电路10给无线传感器网络节点继续供电，保证传感器网络节点的正常工作。

节点所采用的传感器为土壤湿度传感器和土壤PH值传感器，分别用来测量土壤的含水量和PH值。传感器7采集到的信息经过信号调理电路8进行AD转换和放大等处理后由MCU 6控制无线收发模块9通过射频天线将土壤信息发送至邻近的汇聚节点，汇聚节点将信息发送给监测中心供监测人员分析湿地土壤环境状况。

整个装置除了微生物能量捕获装置1、射频天线和传感器7，其余模块都放置在防水外壳5中。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：包括微生物能量捕获装置(1)、能量收集模块(2)、超级电容器(3)、锂电池(4)、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳(5)，所述微生物能量捕获装置(1)通过能量收集模块(2)与无线传感器网络节点、超级电容器(3)相连，分别用于给无线传感器网络节点供电和超级电容器(3)充电，所述超级电容器(3)两端电压达到放电电压时，超级电容器(3)放电给锂电池(4)充电，所述微生物能量捕获装置(1)的供能不足时，通过锂电池(4)为无线传感器网络节点供电。

2.根据权利要求1所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述微生物能量捕获装置(1)以土壤作为微生物的营养媒介，包括反应容器(101)、阳极(102)和阴极(103)，所述反应容器(101)中填充富含有微生物和足够养分的土壤，所述阳极(102)深埋在土壤中，所述阴极(103)放置在土壤表面。

3.根据权利要求2所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述反应容器(101)采用圆筒状的聚氯乙烯网格桶，所述阳极(102)采用碳布，所述阴极(103)采用表面均匀涂有一层铂催化剂的碳纸。

4.根据权利要求1所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述无线传感器网络节点包括MCU(6)、传感器(7)、信号调理电路(8)、无线收发模块(9)和射频天线，所述传感器(7)为分别用于测量土壤的含水量和PH值的土壤湿度传感器和土壤PH值传感器，所述传感器(7)采集到的信息经过信号调理电路(8)进行AD转换和放大处理后由MCU(6)控制无线收发模块(9)通过射频天线将土壤信息发送至邻近的汇聚节点，汇聚节点将信息发送给监测中心供监测人员分析湿地土壤环境状况。

5.根据权利要求1所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述能量收集模块(2)包括变压器和DC/DC变换芯片，所述变压器将微生物能量捕获装置(1)产生的电压提升至DC/DC变换芯片的输入电压，所述变压器副端绕组上产生的交流电压通过外部充电泵电容器和芯片整流器进行升压和整流，整流电路将电流馈入V_AUX引脚，并将电荷送至外部V_AUX电容器，然后输送至其他输出，最后通过V_OUT输出电压至无线传感器网络节点。

6.根据权利要求1所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述变压器为1:100的升压型变压器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：当生物能量捕获装置(1)供电能量超过无线传感器网络节点工作所需的能量时，DC/DC变换芯片的V_STORE端口给电容C_STORE充电，该电容采用超级电容器(3)，随着超级电容器(3)两端的电压不断升高，MCU(6)通过比较电路判断超级电容器(3)两端电压是否达到所设定的放电电压值，当达到放电电压时，MCU(6)发出控制信号使开关电路1(12)导通，通过超级电容器放电升压电路(15)给锂电池(4)充电，当超级电容器(4)两端的电压降到充电电压时，开关电路1(12)断开，微生物能量捕获装置(1)的多余能量继续给超级电容器(3)充电。

8.根据权利要求7所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：当微生物能量捕获装置(1)的产能不足时，开关电路2(13)导通，由锂电池(4)作为备用电源通过稳压电路(10)给无线传感器网络节点继续供电，保证无线传感器网络节点的正常工作。

9.根据权利要求7所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述超级电容器放电升压电路(15)与锂电池(4)之间还设有充电保护电路(11)。