CN109193907A - 一种无线传感器网络wsn节点的微能量收集装置 - Google Patents

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张志波
邱成杰
周晓寒
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Abstract

本发明公开一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，包括微能量收集模块、储能模块和电源管理模块；所述微能量收集模块的输出端与储能模块的输入端连接，所述储能模块的输出端与电源管理模块的输入端连接；所述电源管理模块的输出端与WSN节点的电源输入端口连接；所述微能量收集模块用于收集微能量并转化为电能，所述储能模块用于存储电能，所述电源管理模块用于对电能进行处理，得到适用于WSN节点供电的电源，为WSN节点提供无需电池的长期供能，减少单一电源稳定情况对系统的影响，减少电能无谓的浪费，甚至实现“零瓦”待机的效果。

Description

一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置
技术领域
本发明属于能量收集转换技术领域，具体是一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置。
背景技术
近年来，无线传感网络在许多领域得到应用，如灾害管理、基础设施监控等。然而，电池仍然是传感器节点的主要电源，但随着传感网络分布的环境更广泛、更复杂，电池的维护和更换将成为一个非常棘手的问题。另外，随着微机电系统及低功耗电子技术的进步，市场上出现了越来越多的小型、低能耗的手持移动设备。相应地，这些设备需要紧凑、低能耗和重量轻的能量供应方式。因此随着这类应用的能量在收集和消耗上趋于平衡微能量收集系统的使用环境大大扩大。
另外，电池本身寿命有限，也会造成环境污染。这些问题使得人们开始关注并寻找电池的辅助或替代方案，即一种可持续、无需人工维护、对环境友好的供电方式。其中，微能量收集技术在近几年受到了人们的广泛关注。
微能量收集是一种将环境周围分布式能量进行收集并转换成可使用电能的技术。其中可收集的分布式能量有光能、热能、振动等多种形式。目前，能量收集主要应用于无线传感器、植入体内医疗设备、军事监控设备、偏远地区天气站、计算器、手表、蓝牙手持设备等。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，通过收集利用微能量转化为电能为WSN节点供电，从而有效解决无线传感器网络长期需要人工维护以及环保的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，包括微能量收集模块、储能模块和电源管理模块；所述微能量收集模块的输出端与储能模块的输入端连接，所述储能模块的输出端与电源管理模块的输入端连接；所述电源管理模块的输出端与WSN节点的电源输入端口连接；所述微能量收集模块用于收集微能量并转化为电能，所述储能模块用于存储电能，所述电源管理模块用于对电能进行处理，并将处理后的电能输送到WSN节点为所述WSN节点供电；
所述微能量收集模块包括光能收集模块、热能收集模块和振动能收集模块；所述光能收集模块通过将嵌有光伏发电板的玻璃板集成到收集装置能接收到光照的表面，实现光能收集并将收集到的光能转化为电能输出；所述热能收集模块通过在收集装置靠近热源的表面集成TEG，利用赛贝克效应实现热能的收集并将收集到的热能转化为电能输出；所述振动能收集模块通过在收集装置内部集成压电陶瓷，实现振动能量的收集并将收集到的振动能量转化为电能输出。
具体地，所述储能模块包括超级电容，所述超级电容与微能量收集模块之间设有3个防倒流二极管，用于防止电流倒灌。
进一步地，所述3个防倒流二极管的阳极分别与光能收集模块、热能收集模块和振动能收集模块的输出端连接；所述3个防倒流二极管的阴极均与超级电容的输入端连接。
具体地，所述光能收集模块、热能收集模块和振动能收集模块的输出电压均小于超级电容的额定电压。
具体地，所述电源管理模块包括整流滤波单元和DC-DC稳压单元；所述整流滤波单元用于对储能模块存储的电能进行整流滤波处理；所述DC-DC稳压单元用于将储能模块的输出电压升/降到WSN节点所需的电压值。
具体地，所述收集装置为柔性材质，其作用是便于收集振动能量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过微能量收集模块收集光能、热能和振动能，并将这些微能量转化为电能存储在储能模块中，再通过电源管理模块对储能模块中存储的电能进行蒸馏、滤波和稳压处理，得到适用于WSN节点供电的电源，为WSN节点提供无需电池的长期供能，减少单一电源稳定情况对系统的影响，减少电能无谓的浪费，甚至实现“零瓦”待机的效果。
附图说明
图1为本发明一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置的结构示意框图；
图2为本发明中微能量收集模块与储能模块的连接结构示意框图；
图3为本实施例中微能量收集装置的整体结构示意图；
图4为本实施例中微能量收集装置的俯视图；
图中：1、桌垫上层；2、桌垫下层；3、光能收集区域；4、热能收集区域；5、振动能收集区域。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至4所示，本实施例提供了一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，本实施例的微能量收集装置为能量采集桌垫，设定使用场景为室内环境；整个桌垫规格为60cm*40cm；所述桌垫分为桌垫上层1和桌垫下层2，所述桌垫上层1分为三个区域，分别为光能收集区域3、热能收集区域4和振动能收集区域5；所述光能收集区域3布置有光能收集模块，用于收集室内的光能；所述热能收集区域4布置有热能收集模块，用于收集陈放在其上的高温水杯中的热能；所述振动能收集区域5布置有振动能收集模块，用于收集键盘和鼠标敲击时产生的振动能量；所述桌垫下层2内部设置有储能模块和电源管理模块，所述光能收集模块、热能收集模块、振动能收集模块分别与所述储能模块的输入端连接；所述储能模块的输出端与电源管理模块的输入端连接，所述电源管理模块的输出端与WSN节点的电源输入端口连接；本实施例通过光能收集模块收集室内的光能并将收集到的光能转化为电能，通过热能收集模块收集热能并将收集到的热能转化为电能，通过振动能收集模块收集振动能并将收集到的振动能转化为电能；再将转化的电能存储在储能模块中，并通过电源管理模块对储能模块中存储的电能进行整流、滤波、稳压处理，得到适用于WSN节点供电的稳定电源。
具体的，所述光能收集模块通过将嵌有光伏发电板的玻璃板集成到收集装置能接收到光照的表面，实现光能收集并将收集到的光能转化为电能输出；所述热能收集模块通过在收集装置靠近热源的表面集成TEG(半导体温差发电器)材料垫，利用赛贝克效应实现热能的收集并将收集到的热能转化为电能输出；所述振动能收集模块通过在收集装置内部集成压电陶瓷材料层，实现振动能量的收集并将收集到的振动能量转化为电能输出。
进一步地，所述集成TEG材料垫的尺寸为10cm*20cm；所述压电陶瓷材料层的尺寸为40cm*20cm。
具体地，所述储能模块为超级电容；由于各微能量收集模块输出电压不同，但都在超级电容额定电压范围之内，所以为了防止电流倒灌，需要在各微能量收集模块与超级电容之间加入一个防倒流二极管。
进一步地，所述光能收集模块的输出端连接防倒流二极管D1的阳极，防倒流二极管D1的阴极连接超级电容的输入端；所述热能收集模块的输出端连接防倒流二极管D2的阳极，防倒流二极管D2的阴极连接超级电容的输入端；所述振动能收集模块的输出端连接防倒流二极管D3的阳极，防倒流二极管D3的阴极连接超级电容的输入端。
超级电容又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能；但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其突出优点是：充电速度快、循环使用寿命长、功率密度高，故在本发明专利充放电频繁的系统中用超级电容代替锂电池。
具体地，所述电源管理模块包括整流滤波单元和DC-DC稳压单元；所述整流滤波单元用于对储能模块存储的电能进行整流滤波处理；所述DC-DC稳压单元用于将储能模块的输出电压升/降到WSN节点所需的电压值。
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 (6)

1.一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，其特征在于，包括微能量收集模块、储能模块和电源管理模块；所述微能量收集模块的输出端与储能模块的输入端连接，所述储能模块的输出端与电源管理模块的输入端连接；所述电源管理模块的输出端与WSN节点的电源输入端口连接；所述微能量收集模块用于收集微能量并转化为电能，所述储能模块用于存储电能，所述电源管理模块用于对电能进行处理，并将处理后的电能输送到WSN节点为所述WSN节点供电；
所述微能量收集模块包括光能收集模块、热能收集模块和振动能收集模块；所述光能收集模块通过将嵌有光伏发电板的玻璃板集成到收集装置能接收到光照的表面，实现光能收集并将收集到的光能转化为电能输出；所述热能收集模块通过在收集装置靠近热源的表面集成TEG，利用赛贝克效应实现热能的收集并将收集到的热能转化为电能输出；所述振动能收集模块通过在收集装置内部集成压电陶瓷，实现振动能量的收集并将收集到的振动能量转化为电能输出。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，其特征在于，所述储能模块包括超级电容，所述超级电容与微能量收集模块之间设有3个防倒流二极管，用于防止电流倒灌。
3.根据权利要求2所述的一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，其特征在于，所述3个防倒流二极管的阳极分别与光能收集模块、热能收集模块和振动能收集模块的输出端连接；所述3个防倒流二极管的阴极均与超级电容的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，其特征在于，所述光能收集模块、热能收集模块和振动能收集模块的输出电压均小于超级电容的额定电压。
5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，其特征在于，所述电源管理模块包括整流滤波单元和DC-DC稳压单元；所述整流滤波单元用于对储能模块存储的电能进行整流滤波处理；所述DC-DC稳压单元用于将储能模块的输出电压升/降到WSN节点所需的电压值。
6.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络WSN节点的微能量收集装置，其特征在于，所述收集装置为柔性材质。
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