CN108899950B - 一种自供能智能系统及电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供能智能系统及电路系统，涉及能量管理领域。所述自供能智能系统包括自供能装置和通信平台，所述自供能装置包括用于收集和存储能量的能量收集模块、能量管理模块、负载模块；所述能量收集模块通过能量管理模块与负载模块相连；所述能量管理模块用于接收能量收集模块输出的电能，并根据系统配置、工作状态和各级能耗的需求管理和配置向负载模块输出的稳定电能；所述能量收集模块包括至少一个环境能量采集单元，所述环境能量采集单元用于收集环境能量并将环境能量转换为电能后输出。本发明提供的方案能实现能量完全自供给，不需要外接备用电池；能够智能地进行开关的判断，并自适应的调节负载的工作周期，同时具有超低功耗的特点。

Description

一种自供能智能系统及电路系统

技术领域

本发明涉及自供能电路领域，尤其是一种完全自供能智能系统及其电路系统。

背景技术

经过近一两年的快速发展，可穿戴设备正在以前所未有的方式改善我们的生活，其涉及的范围很广，包括生产力、健康以及日常生活方式等，同时也不再仅局限于手环、手表等设备。当下，已经有越来越多的企业投入到智能鞋的研发当中，相继推出了自己的产品，可定位，可监测，可保暖，还可防摔倒，智能鞋市场呈现出百家争鸣的景象。然而，与其他可穿戴设备一样，续航能力差造成用户体验不友好的情况严重制约了其市场的进一步发展。

自供能技术是目前解决可穿戴设备续航问题的一大热门方向，近年来自供能技术发展迅速，现有技术中存在多种不同的自供能技术可以将环境能量，比如动能、光能、电磁辐射、温度变化(温差)、人体运动能量、振动源等，转换为电能。自供能技术被广泛用于能量受限和要求长寿命的电路系统设计中，例如微型传感器的供电。

但是，智能手环、智能手表等设备的使用环境中，并没有一个持续可靠的环境能量能够驱动设备工作。而作为人体活动幅度最大、最密集的部位，脚部的可穿戴设备是使用自供能技术的最佳场合。应用于智能鞋的自供能技术，实质上是使用压电发电机，收集行走产生的能量。目前针对压电的自供能体系多是针对一些特殊领域，例如发动机。这些场景中，可以转换能量的振动源运动时间长且连续，并且幅度较大。而人体运动产生的运动随机性大、不够连续且幅度小，因此智能鞋需要重新设计一个能量利用效率更高的自供能体系，配合专用的针对能量收集的能量管理方法用于快速积累电量提供稳定供电。现有技术中各种能量管理方法都存在一些问题和缺陷，在文献[1]中，设计出一种有正负反馈的DC-DC升压转换电路，以产生周期电压控制系统周期性充放电；[2-3]利用AC-DC升压转换器或升降压转换器，放大能量收集设备的低电压；[4]采用机械式的开关来产生周期开关动作，实现周期性充放电；[5-6]设计出基于变压器的完全自供能的压电能量管理电路，该电路利用变压器放大收集的能量。以上现有技术中，升压或者降压转换器[1-3]都需要额外的DC源，因此需要嵌入后备电池供电，虽然机械开关[4]和变压器[5]不需要额外的电源供电，但都难以控制体积。并且现有技术中的方法都不考虑负载的工作需求，负载始终保持固定的耗电状态，这对于严格受到能量限制的自供能系统来说也是不可忽视的浪费。

[1]X.Cao,W.-J.Chiang,Y.-C.King,and Y.-K.Lee,“Electromagnetic energyharvesting circuit with feedforward and feedback DC–DC PWM boost converterfor vibration power generator system,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.22,no.2,pp.679–685,Mar.2007.pp.158–166,Dec. 2012.

[2]R.Dayal and L.Persa,“Low-power low-voltage AC-DC converters forelectromagnetic energy harvesting with efficient indirect feedback scheme,”IET Power Electron.,vol.5,no.9,pp. 1923–1933,Nov.2012.

[3]T.Guo,R.Kerley,and D.S.Ha,“Development of a power conditioningcircuit for railcar energy harvesting,”in Proc.IEEE Int.Midwest Symp.CircuitsSyst.,Aug.2013,pp.513–516.

[4]US20060021261A1

[5]R.Amirtharajah and A.P.Chandrakasan,“Self-powered signalprocessing using vibration-based power generation,”IEEE J.Solid-StateCircuits,vol.33,no.5,pp.687–695,May 1998.

[6]A.Rahimi,

glu,and H.Külah,“An electromagneticenergy harvesting system for low frequency applications with a passiveinterface ASIC in standard CMOS,”Sens. Actuators A,Phys.,vol.188,

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述现有技术中存在的问题，提供一种自供能系统和工作方法，在负载没有任务期间，完全关断负载的供电以快速收集存储环境能量；当有任务需要执行(定时任务或者传感环境发生变化)时，快速向负载供电并完成任务，在完成任务后继续关断负载供电。这样针对能量收集和能量消耗的自适应能量管理方法，可以实现在系统较小体积和极低成本的情况下快速增加能量积累速度的要求，并尽可能的将能量都用在实现负载功能任务上，提高能量利用的效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种自供能智能系统，其特征在于，所述自供能智能系统包括自供能装置和通信平台，所述自供能装置包括用于收集和存储能量的能量收集模块、能量管理模块、负载模块；所述能量收集模块通过能量管理模块与负载模块相连；所述能量管理模块用于接收能量收集模块输出的电能，并根据系统配置、工作状态和各级能耗的需求管理和配置向负载模块输出的稳定电能；所述能量收集模块包括至少一个环境能量采集单元，所述环境能量采集单元用于收集环境能量并将环境能量转换为电能后输出；所述通信平台用于与自供能装置进行数据通信。

所述环境能量收集模块还包括至少一个无线供能接收单元，所述通信平台包括无线供能发射单元和数据通信单元。

当所述自供能装置与所述通信平台进行数据通信时，所述自供能智能系统处于通信模式下，此时所述无线供能接收单元在与所述通信平台的无线供能发射单元相连并接收来无线供能发射单元提供的能量，从而为通信模式下的自供能装置提供工作能量；

当所述自供能装置未与所述通信平台进行数据通信时，所述自供能装置进行传感数据的采集，所述自供能智能系统处于传感模式下，此时所述能量管理模块接收所述环境能量采集单元输出的电能并向负载单元提供工作能量。

该自供能系统的工作方法包括以下步骤：

S1，系统工作模式监测:系统初始化后，监测无线供能模块工作状态，当无线供能模块处于非工作状态，此时系统处于传感模式下进行数据采集，环境能量采集单元采集和储存的能量输出用于提供工作电能，进入步骤S2；当无线供能模块处于工作状态时，此时系统处于通信模式下，环境能量采集单元采集和储存的能量不输出，无线供能模块对各耗电模块进行供电，进入步骤S3；

S2，存储能量监测:环境能量采集单元不断采集环境能量并转换为电能进行存储，能量管理模块对收集和存储的能量积累量进行监测，当收集和存储的能量积累量高于设定阈值时，则系统进入步骤S3；当能量积累量低于或等于设定阈值时，能量管理模块将系统的主要模块关闭，并保持能量采集单元继续采集和储存能量；

S3，程序进程/触发事件监测:能量管理单元根据程序进程/触发事件的开始与结束状态、各程序进程/触发事件的耗电水平控制能量管理单元与负载模块的连接或断开、以及输出电压值。

所述步骤S3具体为:

S3.1:系统处于等待状态，此时没有能量输出，等待程序进程开始/触发事件发生；

S3.2:程序进程开始或触发事件发生，能量负载级开始消耗能量执行工作任务，并按照相应程序进程/触发事件的耗电水平提供电能供给；

S3.4:在能量向负载级供能时，如程序进程/触发事件结束，自供能系统通过能量管理模块关闭向相应程序进程/触发事件的供能，系统回到步骤S3.1的状态，继续等待下一次程序进程或触发事件发生。

另一方面本发明提供了一种自供能电路系统，所述自供能电路系统包括能量供给级电路 A、能量管理级电路B和能量负载级电路C，上述三级电路之间依次连通；所述能量供给级电路A包括能量收集装置M1和无线供能接收装置M2；所述能量管理级电路B包括为能量管理支路PMM1和微处理器MCU1；能量负载级电路C包括通信模块CM1和传感器模块组；

所述能量供给级A通过能量收集装置M1和无线供能接收装置M2向能量管理级中的能量管理支路PMM1和微处理器MCU1输入能量；能量管理支路PMM1根据收到的微处理器MCU1发出的控制信号智能地向能量负载级电路C供能。

所述能量管理支路PMM1包括能量供给单元PSU和能量控制单元PCU；

能量供给单元PSU接收能量供应级的能量输入，通过整流、稳压、并将其转换成稳定的能量供应给能量负载级；能量控制单元PCU根据能量是否充足、触发事件是否发生和程序进程状态来自动控制电路各个部分的能量供应。

能量供给单元PSU分为两部分，分别针对能量收集装置M1和无线供能接收装置M2：

针对能量收集装置M1的部分，由BR1整流电路、Z1限压二极管、CS储能电容和M3稳压器组成，能量收集装置M1输出的交流电通过BR1整流和Z1限压后存入CS电容中，M3稳压器在能量控制单元控制下将CS中的能量稳压到3.3V输出；

针对无线供能接收装置M2的部分包括M1稳压器和无线供能模块接收端，无线供能模块接收端接收无线供能模块发射端发送的能量，稳压器M1将此输出的5V电压稳压到3.3V输出；

另外，为了隔离两套供电装置，防止相互干扰导致的功耗增大，稳压器M1和M3的输出通过二极管D1和D2隔离。

能量控制单元PCU根据实现的开关监测功能分为四级开关电路：

(1)第一级开关监测系统工作模式，包含P型MOSFET管Q4，当M1稳压器有稳压输出时，代表无线供能接收装置M2已经工作，此时Q4截止，压电发电机收集到的能量不会输出；当M1稳压器没有稳压输出时，代表无线供能接收装置M2没有工作，此时Q4导通，能量收集装置M1收集到的能量可以输出用于提供工作电能，同时相应信号提供给微处理器MCU1控制其工作模式；

(2)第二级开关监测系统存储的能量是否充足，包含M2比较器和N型MSOFET管Q1；

M2比较器内部设置阈值，比较器M2监测储能电容CS上的电压VCS，等效于监测压电发电机收集到的能量积累量，当VCS高于阈值时，M2输出高电平，导通Q1，M3接地开始工作，则第三级开关开始工作；当VCS低于或等于阈值时，M2输出低电平，截止Q1，M3停止工作，此时整个自供能电路关闭主要电路，电容CS可以快速高效的积累储存能量；

(3)第三级开关监测触发事件的发生和程序进程，由N型MSOFET管Q2、N型MSOFET管Q3、电容C1、限流电阻R1、D触发器M4组成；

Q2和Q3为触发事件信号输入端，用于防止信号电压过高损坏器件；C1为滤波电容，消除Q2和Q3导通时产生的波动信号；R1作为限流电阻，降低Q2和Q3上的电流消耗，同时也是上拉电阻，保证M4的CLK端口的普通状态是高电平；D触发器为状态存储器，根据触发事件和程序进程控制向能量负载级的能量供应；

(4)第四级开关接收MCU1的程序信号，负责控制能量负载级中各子功能模块的供能，由N型MOSFET管Q5-Q7组成，且根据实际需要增减MSOFET管数量；

当MCU1需要使用到相应子功能模块，就输出高电平在相应的MOSFET栅极上，此时子功能模块开始上电工作。

第三极开关的具体的能量供应的控制方法如下：

S1，当第二级开关没有导通时，第三级开关处于掉电状态，无能量输出；

S2，当第二级开关初始导通时，第三级开关上电，初始化状态下，仍然没有能量输出；微处理器MCU1没有上电，此时第三级开关开始等待触发事件发生；

S3，在等待触发事件发生时，如果能量收集装置M1开始发电，由于能量采集装置M1能持续产生正电压和负电压，此时将能量收集装置M1的一个输出端作为触发事件信号，当产生一个高脉冲时Q2导通，D触发器M4的CLK输入拉低；高脉冲之后，CLK再被上拉电阻拉高，此时D触发器M4坚持到时钟信号上升沿，Q非输出反向的D电平即高电平，此时能量负载级开始消耗能量执行工作任务；

S4，在能量负载级供能时，如果所有传感任务完成，自供能电路系统通过MCU1拉高IO_D，并持续输出周期信号IO_CLK，将D触发器M4的状态改为Q非输出低电平，以关闭能力管理级向能量负载级的供能，所有能耗设备掉电，最大限度保留能量以备下次任务启动时快速开启；

S5，此时电路回到S3中的状态，继续等待下一次触发事件发生。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的自供能方案包括自供能系统和控制管理自供能系统的运行方法，能实现能量完全自供给，方案中的能量完全由能量收集设备获取，也不需要外接备用电池，可适用于于各类自供能电路系统以及适用于自供能或不方便更换获取外接能源的环境；

2、本发明提供的自供能方案即使是能量收集设备每次收集能量有限的情况下，能量管理模块可以最大限度将能量保存，提高能量收集和转换的效率；

3、本发明提供的自供能方案能够智能地进行开关的判断，根据事件、能量、程序智能的控制负载的上电或掉电，并自适应的调节负载的工作周期，延长系统工作周期；

4、本发明提供的自供能方案具有超低功耗的特点，基于此系统能控制其负载周期性上电掉电，并且掉电时期负载的功耗降到最低，提高系统能量的利用效率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是自供能智能靴系统结构图。

图2是自供能电路系统的组成示意图。

图3是自供能电路系统中能量管理模块的电路结构图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

实施例1为一种自供能智能靴系统，智能靴可看成是一个自供电无线传感器节点。智能靴利用自供能技术收集行走的能量，并转换为电能供应智能靴完成传感、计算和通信等工作。这一过程中，不需要任何电池或外接电缆，设备的理论工作寿命达到无限，只受限于靴子的好坏。基于现有的商业压电发电机，一次按压产生的能量最多达到几mW，而主动式无线通信最低都超过10mW，其收集到的行走能量大于传感所需，但少于通信所需，因此，本实施提供的智能靴系统将能耗按照不同功能分离，系统包括传感模式和通信模式两种工作模式，并相应的提供双供电结构，实现无电池的智能靴产品。在传感模式下，智能靴能自供能完全供电，完成传感、数据计算和数据存储任务；在通信模式下，系统依靠无线供能方式供电，完成短距离通信任务。两个工作模式互不干扰，且智能靴在一个时间点仅处于一个工作模式下，工作模式的切换由无线供能模块是否工作决定。

具体的，如图1所示，该智能靴系统包括自供能智能靴和通信平台，所述自供能智能靴包括压电发电机、能量管理模块、负载模块、无线供能模块接收端。所述压电发电机通过能量管理模块与负载模块相连接，从而在传感模式下向负载模块提供工作能量；所述无线供能模块接收端也通过能量管理模块与负载模块相连接，从而在通信模式下向负载模块提供工作能量。

所述压电发电机用于收集人在走动或踏动时通过双脚的机械动作产生的压力，并将该压力转换为电能后输出。所述压电发电机属于能量收集装置中的一种。

由于所述压力具有能量值较小、能量密度低、可能不完全连续和稳定等特点，因此需要考虑尽可能在压电发电机中提高能量收集的效率、环境能量向电能的转换效率以及转换电能的使用效率。

所述能量管理模块(PowerManagementModule，PMM)用于接收压电发电机和无线供电模块接收端输出的电能，并根据系统的工作状态、系统的配置和各级能耗的需求，向各级耗电负载模块输出稳定电能。进一步的，能量管理模块由能量供给单元和能量控制单元组成。所述能量供给单元用于实现整流、升压、存储、稳压等功能，以最低的成本向其他级耗电电路提供稳定电能，并最大化提高能量收集的效率。所述能量控制单元用于根据收集到的能量、触发的事件和系统程序进程，控制能量供给单元与负载模块间的连接、以及能量供给单元的输出电压水平，从而最大化提高能量利用效率。

所述负载(Load)模块包括传感器、处理器、通信电路或通信设备等用于完成相应电路功能的耗能元件。

在一个实施例中，能量供给单元包括整流电路、升压电路、存储电路、稳压电路。所述整流电路用于将能量采集装置采集转换的交流电压转换为直流电能，所述升压电路将整流后的电能进行升压或转换为特定电压的处理；所述存储电路用于将采集的电能进行存储，当存储的电能达到一定程度时，即可用于负载设备的供电，或是在负载设备不需要消耗电能的状态下将持续采集的电能进行存储以备后续使用；在一个实施例中所述存储电路的储能元件为电容存储电路或可充电电池存储电路。所述稳压电路连接储能元件的输出，从而产生和输出持续稳定的工作电压，例如3.3V的稳压电压。

在一个实施例中，能量控制单元包括控制电路和能量检测电路、事件检测电路、程序进程检测电路。所述能量检测电路用于检测存储电路中储能元件已存储的能量大小；所述事件检测电路用于检测电路中某一触发事件的发生，例如电平或脉冲信号、代表外部事件的中断信号、或者定时信号等；所述程序进程检测电路用于检测电路中各程序进程的开始与结束、各程序进程的耗电水平。所述控制电路根据收集到的能量、触发事件和系统程序进程，控制能量供给单元与负载设备间的连接或断开、以及能量供给单元的输出电压值。

通过控制电路和能量检测电路、事件检测电路、程序进程检测电路的配合工作，能量控制单元能够动态地控制提供给各负载设备的工作电压或负载设备与供能电路的连接和通断，从而提高采集电能的使用时长和利用效率。

所述通信平台(如图1的下半部分)为外部的数据收集中心，其能量通过电池或者电缆提供，该通信平台包括无线供能发射端和通信读卡器。无线供能发射端用于向智能靴的无线供能接收端提供无线电能量，所述无线供能发射端与无线供能接收端构成无线供能模块。每个读卡器可以与多个智能靴通信。读卡器中包含有与智能靴通信的无线通信模块、与外部计算机或云网络连接的外部通信接口模块，其外形可以是一个鞋架、防滑垫或者门槛等。当用户将智能靴放在读卡器上时，读卡器会通过无线供能模块切换智能靴工作模式为通信模式，并读取智能靴中存储的数据，最后上传到计算机或者云网络(如图1左半部分)，进行进一步的数据统计和分析。

当所述智能靴系统开始工作时，其系统工作方法包括以下步骤：

S1，系统工作模式监测:系统初始化后，监测无线供能模块工作状态，当无线供能模块处于非工作状态，此时系统处于传感模式下进行数据采集，环境能量采集单元采集和储存的能量输出用于提供工作电能，进入步骤S2；当无线供能模块处于工作状态时，此时系统处于通信模式下，环境能量采集单元采集和储存的能量不输出，无线供能模块对各耗电模块进行供电，进入步骤S3；

S2，存储能量监测:环境能量采集单元不断采集环境能量并转换为电能进行存储，能量管理模块对收集和存储的能量积累量进行监测，当收集和存储的能量积累量高于设定阈值时，则系统进入步骤S3；当能量积累量低于或等于设定阈值时，能量管理模块将系统的主要模块关闭，并保持能量采集单元继续采集和储存能量；

S3，程序进程/触发事件监测:能量管理单元根据程序进程/触发事件的开始与结束状态、各程序进程/触发事件的耗电水平控制能量管理单元与负载模块的连接或断开、以及输出电压值。

其中，所述将智能靴系统的主要模块关闭具体为：除了系统中的储能电路、系统工作模式切换开关和能量积累量监测模块以外，其余全部关闭，储能电路继续积累和储存能量。

所述步骤S3具体为:

S3.1:系统处于等待状态，此时没有能量输出，等待程序进程开始/触发事件发生；

S3.2:程序进程开始或触发事件发生，能量负载级开始消耗能量执行工作任务，并按照相应程序进程/触发事件的耗电水平提供电能供给；

S3.4:在能量向负载级供能时，如程序进程/触发事件结束，自供能系统通过能量管理模块关闭向相应程序进程/触发事件的供能，系统回到S3.1中的状态，继续等待下一次程序进程或触发事件发生。

实施例2

实施例2为一种自供能电路系统，该电路系统用于实现环境能量收集、供能以及与外界通信终端的通信。该自供能电路系统可用于智能穿戴设备、智能靴或环境监测设备等，可以将各类机械能作为环境能量进行收集，并用于为电路系统的工作供电。

如图2所示，该自供能电路系统包括三级电路，其中第一级为能量供给级电路A，第二级为能量管理级电路B，第三级为能量负载级电路C，三级电路之间依次连通。

能量供给级电路A包括压电发电机(PZ)M1和无线供能模块接收端(Wirelesscharge) M2；

能量管理级电路B包括为能量管理支路PMM1和微处理器MCU1，微处理器MCU1在输出程序进程的信号时属于执行能量控制功能。在本实施例中MCU1为MSP430FR6989微处理器芯片。

能量负载级电路C包括通信模块CM1、传感器模块组(Sensor)S1、S2、S3……Sn(实际采用的传感器数量可以根据实际需求进行增减)，在一个实施例中通信模块CM2为CC2540低功耗蓝牙芯片，该蓝牙通信芯片通过UART串口进行通信，传感器模块使用的数量可以根据实际应用需求设定，例如在一个实施例中可以只使用一个传感器S1，S1为温湿度传感器SHT21，并通过I2C通信。同时MCU1在执行数据处理和存储任务时属于负载。

能量供给级通过M1和M2向能量管理级中的能量管理支路PMM1输入能量，能量管理支路 PMM1收到微处理器MCU1的程序控制(G1、G2……Gn,以及IO_D、IO_CLK)，智能的向能量负载级的MCU1、通信模块CM1、传感器模块组S1、S2、S3……Sn供能。在行走过程中，靴子工作在传感模式下，整个靴内系统从没有电量开始工作，每一步都通过自供能设备收集行走能量，并驱动负载进行一次传感工作，比如计算步数、环境或者靴内温湿度，并将传感数据存储到微处理器MCU1内置存储器中，整个过程中不需要任何锂电池等的供能；当靴子放置在读卡器处时，靴内系统工作在通信模式下，无线供能模块提供持续稳定的能量，并通过无线传输将靴内数据读取出来、上传到数据处理计算机或云网络，实现进一步健康数据统计分析，为用户提供健康建议。

区别于其他现有的自供能电路系统，由于传感模式下，自供能系统只能使用自供能设备 (压电发电机)提供的能量，因此需要特殊的能量管理算法，并设计相应的能量管理电路PMM1，所述能量管理支路PMM1的具体电路结构如图3所示。该电路中的信号或者能量输入输出有：

(a)能量输入端，包含压电发电机输入端PZ1、PZ2，无线供能模块接收端的输入端WCVCC、 WCGND；

(b)能量输出端，VCC和GND；

(c)程序进程信号输入端，MCU程序状态指示信号IO_D和IO_CLK，MCU工作进程指示信号输入端，G1、G2……Gn(根据外设数量可以增减)；

(d)工作模式切换指示信号输出端，Cmode。

整个能量管理支路PMM1分为两大部分，能量供给单元PSU和能量控制单元PCU。

其中，能量供给单元PSU接收能量供应级的能量输入，通过整流、稳压、并将其转换成稳定的能量供应给能量负载级。能量供给单元PSU分为两部分，分别针对压电发电机和无线供能模块：

针对压电发电机的部分，由BR1整流电路、Z1限压二极管、CS储能电容和M3稳压器组成，其中BR1整流电路可为桥式整流电路，压电发电机输出的交流电通过BR1整流和Z1限压后存入CS电容中，M3在能量控制单元控制下将CS中的能量稳压到3.3V输出；

针对无线供能模块的部分包括M1稳压器和无线供能模块接收端，无线供能模块接收端接收无线供能模块发射端发送的能量，稳压器M1将此输出的5V电压稳压到3.3V输出。

另外，为了隔离两套供电系统，防止相互干扰导致的功耗增大，稳压器M1和M3的输出通过二极管D1和D2隔离。

而能量控制单元PCU根据能量是否充足、触发事件是否发生和程序进程状态来自动控制电路各个部分的能量供应。能量控制单元PCU根据实现的开关监测功能，分为四级开关：

(1)第一级开关监测系统工作模式，包含P型MOSFET管Q4，当M1稳压器有稳压输出时，代表无线供能模块已经工作(对应的Cmode为高)，此时Q4截止，压电发电机收集到的能量不会输出；当M1稳压器没有稳压输出时，代表无线供能模块没有工作(对应的Cmode为低)，此时Q4导通，自供能压电发电机收集到的能量可以输出用于提供工作电能。同时Cmode信号提供给微处理器MCU1控制其工作模式；

(2)第二级开关监测系统存储的能量是否充足，包含M2比较器和N型MSOFET管Q1。M2 比较器内部已设置阈值，本实施例中使用LTC1540芯片搭建的比较器，其具有双阈值特性，上升沿阈值VH，下降沿阈值VL(VH>＝VL)。比较器M2监测储能电容CS上的电压VCS，等效于监测压电发电机收集到的能量积累量，当VCS高于设阈值VH时，M2输出高电平，导通Q1，M3接地开始工作，则第三级开关开始工作；当VCS低于或等于设定阈值VL时，M2输出低电平，截止Q1，M3停止工作，此时整个自供能电路除了整流电路BR1、限压二极管Z1、储能电容CS、工作模式切换开关Q4、电压比较器M2以外的其余电路全部关闭，电容CS可以快速高效的积累储存能量；

(3)第三级开关监测触发事件的发生和程序进程，由N型MSOFET管Q2、N型MSOFET管Q3、电容C1、限流电阻R1、D触发器M4组成。Q2和Q3作为触发事件信号输入端，用于防止信号电压过高损坏器件；C1作为滤波电容，消除Q2和Q3导通时产生的波动信号；R1作为限流电阻，降低Q2和Q3上的电流消耗，同时也是上拉电阻，保证M4的CLK端口的普通状态是高电平；D触发器作为状态存储器，根据触发事件和程序进程控制向能量负载级的能量供应。具体的能量供应的控制方法如下：

S1，当第二级开关没有导通时，第三级开关处于掉电状态，无能量输出；

S2，当第二级开关初始导通时，第三级开关上电，初始化状态下，仍然没有能量输出。由于MCU1没有上电，IO_D和IO_CLK输入低电平，此时第三级开关开始等待触发事件发生；

S3，在等待触发事件发生时，如果压电发单机开始发电，由于压电发电机的特性，踩压产生正电压，松开产生负电压，此时将发电机一个输出端作为触发事件信号，当产生一个高脉冲时Q2导通，M4的CLK输入拉低；高脉冲之后，CLK再被上拉电阻拉高，此时D触发器M4坚持到时钟信号上升沿，Q非输出反向的D电平，即高电平，此时能量负载级开始消耗能量执行工作任务；

S4，在能量负载级供能时，如果所有传感任务完成，本实施例的自供能系统通过MCU1拉高IO_D，并输持续输出周期信号IO_CLK，将D触发器M4的状态改为Q非输出低电平，以关闭能力管理级向能量负载级的供能，所有能耗设备掉电，最大限度保留能量以备下次任务来临时快速开启，这与传统自供能系统中将电路中的大部分芯片转到低功耗模式延长续航的设置不同；

S5，此时电路回到S3中的状态，继续等待下一次触发事件发生；

(4)第四级开关接收MCU1的程序信号，负责控制能量负载级中各子功能模块的供能，由N型MOSFET管Q5-Q7组成，且根据实际需要可以增减MSOFET管数量。当MCU1需要使用到相应子功能模块，就输出高电平在相应的MOSFET栅极上，即G1，G2…Gn信号输入高电平，此时子功能模块开始上电工作。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种自供能电路系统，其特征在于，所述自供能电路系统包括能量供给级电路A、能量管理级电路B和能量负载级电路C，上述三级电路之间依次连通；所述能量供给级电路A包括能量收集装置M1和无线供能接收装置M2；所述能量管理级电路B包括能量管理支路PMM1和微处理器MCU1；能量负载级电路C包括通信模块CM1和传感器模块组；

所述能量供给级电路A通过能量收集装置M1和无线供能接收装置M2向能量管理级电路B中的能量管理支路PMM1和微处理器MCU1输入能量；能量管理支路PMM1根据收到的微处理器MCU1发出的控制信号智能地向能量负载级电路C供能；

所述能量管理支路PMM1包括能量供给单元PSU和能量控制单元PCU；

能量供给单元PSU分为两部分，分别针对能量收集装置M1和无线供能接收装置M2：

针对能量收集装置M1的部分，由整流电路BR1、限压二极管Z1、储能电容CS和稳压器M3组成；

能量控制单元PCU根据实现的开关监测功能分为四级开关电路：

(1)第一级开关监测系统工作模式，包含P型MOSFET管Q4，当稳压器M1有稳压输出时，代表无线供能接收装置M2已经工作，此时P型MOSFET管Q4截止，压电发电机收集到的能量不会输出；当稳压器M1没有稳压输出时，代表无线供能接收装置M2没有工作，此时P型MOSFET管Q4导通，能量收集装置M1收集到的能量输出用于提供工作电能，同时相应信号提供给微处理器MCU1控制其工作模式；

(2)第二级开关监测系统存储的能量是否充足，包含比较器M2和N型MOSFET管Q1；

比较器M2内部设置阈值，比较器M2监测储能电容CS上的电压VCS，等效于监测压电发电机收集到的能量积累量，当电压VCS高于阈值时，比较器M2输出高电平，导通N型MOSFET管Q1，稳压器M3接地开始工作，则第三级开关开始工作；当电压VCS低于或等于阈值时，比较器M2输出低电平，截止N型MOSFET管Q1，稳压器M3停止工作，此时整个自供能电路关闭主要电路，储能电容CS快速高效的积累储存能量；

(3)第三级开关监测触发事件的发生和程序进程，由N型MOSFET管Q2、N型MOSFET管Q3、电容C1、限流电阻R1、D触发器M4组成；

N型MOSFET管Q2和N型MOSFET管Q3为触发事件信号输入端，用于防止信号电压过高损坏器件；电容C1为滤波电容，消除N型MOSFET管Q2和N型MOSFET管Q3导通时产生的波动信号；R1作为限流电阻，降低N型MOSFET管Q2和N型MOSFET管Q3上的电流消耗，同时也是上拉电阻，保证D触发器M4的CLK端口的普通状态是高电平；D触发器M4为状态存储器，根据触发事件和程序进程控制向能量负载级电路C的能量供应；

(4)第四级开关接收微处理器MCU1的程序信号，负责控制能量负载级电路C中各子功能模块的供能，由N型MOSFET管Q5-Q7组成，且根据实际需要增减MOSFET管数量；

其中关闭主要电路具体为：除了整流电路BR1、限压二极管Z1、储能电容CS、P型MOSFET管Q4、电压比较器M2以外的其余电路全部关闭。

2.如权利要求1所述的一种自供能电路系统，其特征在于，

能量供给单元PSU接收能量供给级电路A的能量输入，通过整流、稳压、并将其转换成稳定的能量供应给能量负载级电路C；能量控制单元PCU根据能量是否充足、触发事件是否发生和程序进程状态来自动控制电路各个部分的能量供应。

3.如权利要求2所述的一种自供能电路系统，其特征在于，针对能量收集装置M1的部分，能量收集装置M1输出的交流电通过整流电路BR1和限压二极管Z1限压后存入储能电容CS中，稳压器M3在能量控制单元PCU控制下将储能电容CS中的能量稳压到3.3V输出；

针对无线供能接收装置M2的部分包括稳压器M1和无线供能模块接收端，无线供能模块接收端接收无线供能模块发射端发送的能量，稳压器M1将此输出的5V电压稳压到3.3V输出；

另外，为了隔离两套供电装置，防止相互干扰导致的功耗增大，稳压器M1和M3的输出通过二极管D1和D2隔离。

4.如权利要求1所述的一种自供能电路系统，其特征在于，

第四级开关中当微处理器MCU1需要使用到相应子功能模块，就输出高电平在相应的MOSFET栅极上，此时子功能模块开始上电工作。

5.如权利要求1所述的一种自供能电路系统，其特征在于，第三级开关的具体的能量供应的控制方法如下：

S1，当第二级开关没有导通时，第三级开关处于掉电状态，无能量输出；

S2，当第二级开关初始导通时，第三级开关上电，初始化状态下，仍然没有能量输出；微处理器MCU1没有上电，此时第三级开关开始等待触发事件发生；

S3，在等待触发事件发生时，如果能量收集装置M1开始发电，由于能量收集装置M1能持续产生正电压和负电压，此时将能量收集装置M1的一个输出端作为触发事件信号，当产生一个高脉冲时N型MOSFET管Q2导通，D触发器M4的CLK输入拉低；高脉冲之后，CLK再被上拉电阻拉高，此时D触发器M4坚持到时钟信号上升沿，Q非输出反向的D电平即高电平，此时能量负载级电路C开始消耗能量执行工作任务；

S4，在能量负载级电路C供能时，如果所有传感任务完成，自供能电路系统通过微处理器MCU1拉高IO_D，并持续输出周期信号IO_CLK，将D触发器M4的状态改为Q非输出低电平，以关闭能量管理级电路B向能量负载级电路C的供能，所有能耗设备掉电，最大限度保留能量以备下次任务启动时快速开启；

S5，此时电路回到S3中的状态，继续等待下一次触发事件发生。

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