CN109668945B - 一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,包括：可形成原电池的层叠式电极、电源管理电路、电量存储器件、电压采样器件、单片机和传感器信息采集单元；层叠式电极的正负极上分别连接电源管理电路的两端，电量存储器件与电源管理电路并联连接，电量存储器件的两端还与单片机连接，且电压采样器件一端连接在电量存储器件一端，电压采样器件另一端连接在单片机上，单片机上还连接传感器信息采集单元，一是无需外部电池供电，直接可以检测湿度等被测状态，节能且成本低；二是应用范围广，无需考虑更换电源，适应场合更多。
Description
技术领域
本发明涉及一种解决报警装置在特殊环境下的供电问题、减小无线报警装置的体积、延长无线报警器的使用寿命的基于湿度触发的能量自供应无线报警装置。
背景技术
关于电容式湿度报警由物理学可知, 两个平行金属板组成的电容器, 如果忽略了边缘效应, 其电容为:各种介质的介电常数不同, 若在两电极间充以空气以外的其他介质, 使介电常数发生变化, 电容量也会随之发生变化。
现有的湿度检测报警装置需要电池或外接电源供电，包括电源指示电路、采样电路和报警指示电路组成,电源指示电路由发光二极管LED1和电阻R9串联,再与电容C并联组成;采样电路由湿敏电阻W1和电阻R3串联组成;集成电路ICA连接电阻R1、R2组成同相放大器;集成电路ICB连接电阻R4、R5、R6和电位器W2组成电压比较放大器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种解决报警装置在特殊环境下的供电问题、减小无线报警装置的体积、延长无线报警器的使用寿命的基于湿度触发的能量自供应无线报警装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,包括：层叠式电极、电源管理电路、电量存储器件、电压采样器件、单片机和传感器信息采集单元；层叠式电极由两种电位不同的导电材料交替排列构成，层叠式电极的正负极上分别连接电源管理电路的两端，电量存储器件与电源管理电路并联连接，电量存储器件的两端还与单片机连接，且电压采样器件一端连接在电量存储器件一端，电压采样器件另一端连接在单片机上，单片机上还连接传感器信息采集单元。
进一步的，层叠式电极由若干电极正极和电极负极串联或并联。
进一步的，电量存储器件为电容C2，电压采样器件为电阻R3。
进一步的，电源管理电路包括：升压电路、整流和滤波电路、电源开关电路；升压电路包括：电阻R1、变压器T1、三极管Q1；整流和滤波电路包括：二极管D1、电容C1；电源开关电路包括：二极管D2、电阻R2、MOS管Q3以及三极管Q2。
进一步的，变压器T1的输入端连接电极正极，变压器T1的输出端一端连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接三极管Q1的基极，变压器T1的输出端还连接三极管Q1的集电极和二极管D1的正极，三极管Q1的发射极连接电极负极；二极管D1的负极连接电容C1一端，电容C1另一端连接电极负极；电容C1一端还连接二极管D2的负极和MOS管Q3的漏极，二极管D2的正极连接电阻R2一端和三极管Q2的基极，电阻R2另一端和三极管Q2的发射极连接电极负极；三极管Q2的集电极连接MOS管Q3的栅极；MOS管Q3的源极连接电容C2一端和电阻R3一端，电阻R3另一端连接单片机；电容C2另一端连接电极负极。
进一步的，单片机上还连接信号发射与接收天线。
进一步的，电源管理电路封装在防水外壳内，并连接位于防水外壳底部的第一电极金属触点和第一信息采集金属触点；透水外壳的上端设有对应第一电极金属触点的第二电极金属触点和对应第一信息采集金属触点的第二信息采集金属触点，透水外壳内设有层叠式电极；层叠式电极连接第二电极金属触点，并通过第二电极金属触点连接第一电极金属触点与电源管理电路连接，透水外壳内还设有传感器信息采集单元，传感器信息采集单元连接第二信息采集金属触点，并通过第二信息采集金属触点连接第一信息采集金属触点与电源管理电路连接。
进一步的，电源管理电路与第一信息采集金属触点之间连接电量存储器件、电压采样器件和单片机，电量存储器件、电压采样器件和单片机封装在防水外壳内。
进一步的，电源管理电路连接电量存储器件、电压采样器件和单片机一起封装在防水外壳内，并连接位于防水外壳底部的两组电极单元连接触点，其中一组电极单元连接触点连接层叠式电极；另一组电极单元连接触点连接传感器信息采集单元。
进一步的，传感器信息采集单元由疏水的基底和设在基底上的金属电极构成，金属电极之间的无吸水材料覆盖，顶部设有连接另一组电极单元连接触点的金属连接触点。
本发明的有益效果是：一是无需外部电池/电源供电，直接由从被测环境中吸附的电解质液体与层叠式电极形成原电池或伏打电池，为整个无线报警装置提供电源，节能且成本低；二是应用范围广，无需考虑更换电源，适应场合更多；三是特别适用于分布式无线水位监测、应用于大坝渗漏监测、罐体漏液监测、水位监测及其他与湿度相关的应用场合；四是不但可以直接检测湿度状态，还可以应用于与湿度相伴随的温度、pH值及其它监控参数的无源无线远程检测。
附图说明
图1是本发明的电路图。
图2是本发明的结构图。
图3是本发明的单片机电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-3，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。
参照图1-3，一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,包括：层叠式电极1、电源管理电路3、电量存储器件、电压采样器件、单片机U1和传感器信息采集单元S1；层叠式电极1由两种电位不同的导电材料交替排列构成，层叠式电极的正负极上分别连接电源管理电路的两端，电量存储器件与电源管理电路3并联连接，电量存储器件的两端还与单片机U1连接，且电压采样器件一端连接在电量存储器件一端，电压采样器件另一端连接在单片机U1上，单片机U1上还连接传感器信息采集单元S1；两种电位不同的导电材料如铝/碳，铝/铜，锌/碳，锌/铜等。
单片机的型号为：STM32；优选，型号为STM32L051。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,电量存储器件为电容C2，电压采样器件为电阻R3。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,层叠式电极由若干电极正极和电极负极串联或并联，当相邻正极和负极被来自所测环境的电解质液体湿润时，对应电极和吸附的电解质液体形成原电池或伏打电池，为整个电路提供电源。形成原电池的电极之间填充有电解质液体吸附材料；原电池之间有隔离电解质液体的绝缘隔板。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,层叠式电极1由若干电极正极8、电极负极7和位于相邻电极正极和电极负极中间的吸附电解质液体层6排列组成。吸附电解质液体层6为吸水材料制成，吸水材料为:吸水纸、纤维素、吸水树脂、亲水性高分子聚合物中的至少一种。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,电源管理电路3包括：升压电路、整流和滤波电路、电源开关电路；升压电路包括：电阻R1、变压器T1、三极管Q1；整流和滤波电路包括：二极管D1、电容C1；电源开关电路包括：二极管D2、电阻R2、MOS管Q3以及三极管Q2。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,变压器T1的输入端连接电极正极，变压器T1的输出端一端连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接三极管Q1的基极，变压器T1的输出端还连接三极管Q1的集电极和二极管D1的正极，三极管Q1的发射极连接电极负极；二极管D1的负极连接电容C1一端，电容C1另一端连接电极负极；电容C1一端还连接二极管D2的负极和MOS管Q3的漏极，二极管D2的正极连接电阻R2一端和三极管Q2的基极，电阻R2另一端和三极管Q2的发射极连接电极负极；三极管Q2的集电极连接MOS管Q3的栅极；MOS管Q3的源极连接电容C2一端和电阻R3一端，电阻R3另一端连接单片机；电容C2另一端连接电极负极。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,单片机上还连接信号发射与接收天线和射频模块。单片机U1上设有通讯模块U2，通讯模块的引脚RESET连接单片机的引脚PB3；通讯模块的引脚RXD连接单片机的引脚PA14；通讯模块的引脚TXD连接单片机的引脚PA15;通讯模块的引脚DBG_RXD连接单片机的引脚PA9；通讯模块的引脚DBG_TXD连接单片机的引脚PA10；通讯模块的引脚DATA连接SIM卡模块的引脚DATA；通讯模块的引脚CLK连接SIM卡模块的引脚CLK；通讯模块的引脚RST连接SIM卡模块的引脚RST；通讯模块的引脚VDD连接SIM卡模块U3的引脚VDD;通讯模块的引脚ANT连接信号发射与接收天线。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,层叠式电极1是两种不同的金属片或金属与其他导电材料（非金属或某些氧化物等）组成，如铜和铝或铜和锌，两种不同的电极+和电极-中间紧贴吸附电解质液体的材料，该材料吸湿时电极之间会产生电势差e1，形成多层叠加结构，相邻组电极串联起来，电动势会以e1的倍数累加。将上面产生的电动势接入到后续电源管理电路，电源管理电路单元中电阻R1、变压器T1、三极管Q1构成一个升压电路；二极管D1、电容C1构成整流和滤波电路；二极管D2、电阻R2、MOS管Q3以及三极管Q2构成一个电源开关电路，当C1上的电压高于稳压二极管D2反向击穿电压时，MOS管Q3被接通。电容C2作为电量存储器件，电阻R3作为电压采样器件，MOS管打开时电容C2开始充电，单片机通过电阻R3采集C2上的电压，当C2上的电压满足工作条件时，单片机开始采集温湿度等信息并触发射频模块，对外发出信息，完成一次或多次信息上报。信息上报完成后，由于单片机和射频模块会消耗C2上的电量，C2电压下降，单片机开始进入休眠状态，直到C2的电压持续上升到满足工作状态，又开始新一轮信息上报。
单片机的引脚：电阻R3另一端连接单片机的PA6引脚。
单片机上还连接传感器信息采集单元，传感器信息采集单元通过SENS_A连接单片机的引脚PA2；通过SENS_B连接单片机的引脚PA3。单片机的VSS引脚连接接地。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,电源管理电路封装在防水外壳2内，并连接位于防水外壳2底部的第一电极金属触点12和第一信息采集金属触点4；透水外壳11的上端设有对应第一电极金属触点的第二电极金属触点10和对应第一信息采集金属触点的第二信息采集金属触点5，透水外壳11内设有层叠式电极1；层叠式电极1连接第二电极金属触点10，并通过第二电极金属触点10连接第一电极金属触点12与电源管理电路3连接，透水外壳11内还设有传感器信息采集单元S1，传感器信息采集单元S1外侧设有吸水材料9，传感器信息采集单元S1连接第二信息采集金属触点5，并通过第二信息采集金属触点5连接第一信息采集金属触点4与电源管理电路3连接。第一电极金属触点12、第一信息采集金属触点4、第二电极金属触点10和第二信息采集金属触点5由铜制成。当透水外壳11被含有电解质的液体浸湿后，两个层叠式电极上会产生电压，这个电压通过第一电极金属触点、第一信息采集金属触点、第二电极金属触点和第二信息采集金属触点连接到防水外壳内，给控制电路模块提供工作电源和湿度信息。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,电源管理电路与第一信息采集金属触点之间连接电量存储器件、电压采样器件和单片机，电量存储器件、电压采样器件和单片机封装在防水外壳内。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,电源管理电路连接电量存储器件、电压采样器件和单片机一起封装在防水外壳内，并连接位于防水外壳底部的两组电极单元连接触点，其中一组电极单元连接触点连接层叠式电极；另一组电极单元连接触点连接传感器信息采集单元。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,传感器信息采集单元由疏水的基底和设在基底上的金属电极构成，金属电极之间无吸水材料覆盖，顶部设有连接另一组电极单元连接触点的金属连接触点。疏水的基底可由石英聚合物制成；金属电极由铜或铝等材质制成。
一种能量自供应湿度报警器，两组电极单元，其中一组的作用为整个电路提供电量来源，激活湿度报警装置。当该部分被含有电解质的液体浸湿后，两个电极上会产生电压，这个电压通过金属触点连接到电源管理电路，给单片机提供工作电源和一次性湿度信息。
另一组电极单元的作用主要是用来供单片机单独采集湿度（或其它）信号，以实现对湿度（或其它信号）的实时连续监测。当该部分被含有电解质的液体浸湿后，两个电极之间产生一个比较高的电压；当液体浸湿退去后，由于基底支撑材料的疏水性能，两个电极将立即脱离液体连接，电极之间的电压会迅速降低到零，从而实现对特定液位的实时连续监测。电极输出的这个实时电压通过金属触点连接到单片机，供单片机采集分析湿度信息。该组电极单元除了可以直接检测湿度状态，还可以应用于与湿度相伴随的温度、pH值、压力等其它监控参数的实时连续检测。
一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,层叠式电极的作用有两个：一是形成原电池产生电压为后续电路提供电能来源；二是作为传感器，如果出现漏湿／溢湿，产生一个电信号。传感器信息采集单元主要用作湿度（或温度等其它信号）的实时连续监测。电源管理电路主要实现能量的存储、检测、释放，起到升压、稳压、开关作用。单片机主要承担信息发送，一旦电压达到启动门限，单片机开始工作，控制射频模块发出报警信息。层叠式电极作为能量收集和传感部分存在的，为电源管理电路提供能量。传感器信息采集单元提供湿度或温度等其它信号的实时连续监测功能。电源管理电路主要对上一单元提供的微能量进行管理和控制，使得其输出电压符合单片机和射频模块的工作条件。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置,包括：层叠式电极、电源管理电路、电量存储器件、电压采样器件、单片机和传感器信息采集单元；其特征在于：层叠式电极由两种电位不同的导电材料交替排列构成，层叠式电极的正负极上分别连接电源管理电路的两端，电量存储器件与电源管理电路并联连接，电量存储器件的两端还与单片机连接，且电压采样器件一端连接在电量存储器件一端，电压采样器件另一端连接在单片机上，单片机上还连接传感器信息采集单元；电源管理电路封装在防水外壳内，并连接位于防水外壳底部的第一电极金属触点和第一信息采集金属触点；透水外壳的上端设有对应第一电极金属触点的第二电极金属触点和对应第一信息采集金属触点的第二信息采集金属触点，透水外壳内设有层叠式电极；层叠式电极连接第二电极金属触点，并通过第二电极金属触点连接第一电极金属触点与电源管理电路，透水外壳内还设有传感器信息采集单元，传感器信息采集单元连接第二信息采集金属触点，并通过第二信息采集金属触点连接第一信息采集金属触点与电源管理电路；传感器信息采集单元由疏水的基底和设在基底上的金属电极构成，金属电极之间无吸水材料覆盖，顶部设有连接另一组电极单元连接触点的金属连接触点。
2.根据权利要求1所述的一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置，其特征在于：层叠式电极由若干电极正极和电极负极串联或并联。
3.根据权利要求1所述的一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置，其特征在于：电量存储器件为电容C2，电压采样器件为电阻R3。
4.根据权利要求3所述的一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置，其特征在于：电源管理电路包括：升压电路、整流和滤波电路、电源开关电路；升压电路包括：电阻R1、变压器T1、三极管Q1；整流和滤波电路包括：二极管D1、电容C1；电源开关电路包括：二极管D2、电阻R2、MOS管Q3以及三极管Q2。
5.根据权利要求4所述的一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置，其特征在于：变压器T1的输入端连接电极正极，变压器T1的输出端一端连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接三极管Q1的基极，变压器T1的输出端还连接三极管Q1的集电极和二极管D1的正极，三极管Q1的发射极连接电极负极；二极管D1的负极连接电容C1一端，电容C1另一端连接电极负极；电容C1一端还连接二极管D2的负极和MOS管Q3的漏极，二极管D2的正极连接电阻R2一端和三极管Q2的基极，电阻R2另一端和三极管Q2的发射极连接电极负极；三极管Q2的集电极连接MOS管Q3的栅极；MOS管Q3的源极连接电容C2一端和电阻R3一端，电阻R3另一端连接单片机；电容C2另一端连接电极负极。
6.根据权利要求5所述的一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置，其特征在于：单片机上还连接信号发射与接收天线。
7.根据权利要求6所述的一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置，其特征在于：电源管理电路与第一信息采集金属触点之间连接电量存储器件、电压采样器件和单片机，电量存储器件、电压采样器件和单片机封装在防水外壳内。
8.根据权利要求1所述的一种基于湿度触发的能量自供应无线报警装置，其特征在于：电源管理电路连接电量存储器件、电压采样器件和单片机一起封装在防水外壳内，并连接位于防水外壳底部的两组电极单元连接触点，其中一组电极单元连接触点连接层叠式电极；另一组电极单元连接触点连接传感器信息采集单元。
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| CN102013512A (zh) * | 2010-04-22 | 2011-04-13 | 孙润光 | 一种具有高电位的电能存储装置及制作方法 |
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2019
- 2019-01-09 CN CN201910018686.XA patent/CN109668945B/zh active Active
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