CN111817369B - 一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法，其中，该系统包括：通过能量收集子模块，收集目标对象振动时产生的机械能，将机械能转换为目标直流电能；并通过超级电容储存；当超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路导通，将超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；稳压电路接收并调整目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；通过无线传感器节点微处理器中的ADC监测子模块，监测超级电容电压，当超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点保持休眠；当超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点开始工作。

Description

一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法

技术领域

本发明涉及无源无线传感器网络领域，具体涉及一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法。

背景技术

在轨道交通领域，通常利用无线传感器节点对轨道交通车辆，例如，地铁轮轴的运行状态进行实时监测，解决了地铁轮轴预防计划性维修维护模式存在的过修、欠修甚至事后修等问题，然而，无线传感器节点依赖外部电池供电，能量受限，当节点的能量耗尽时，节点的生命周期结束。利用电磁式振动能量收集技术将地铁轮轴振动的机械能转换为无线传感器节点工作的电能可解决节点能量受限的困境，电磁式振动能量收集的核心在于能量管理系统优化方法的设计，以实现电磁式振动能量收集供能环节和无线传感器节点耗能环节之间的协调。

相关技术中存在的问题如下：通过电磁式振动能量收集器收集地铁轮轴在振动场景中产生的能量，但是，电磁式振动能量收集器的能量转换效率和无线传感器节点的功耗不匹配，导致电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，而升压稳压模块会在能量累积，缓缓上升期间，消耗较多电能，也就是导致升压稳压模块陷入了充电陷阱，从而影响了无线传感器节点的工作。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，而升压稳压会导致在能量累积期间陷入充电陷阱，从而影响无线传感器节点工作，基于此，提供一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统，包括：能量存储模块、能量消耗模块以及能量管理模块，其中：所述能量存储模块，包括：能量收集子模块，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为目标直流电能；超级电容，用于储存所述目标直流电能；所述能量管理模块，包括：充电控制开关电路，当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，所述充电控制开关电路导通，将所述超级电容储存的目标直流电能传输至所述稳压电路；稳压电路，用于接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；所述能量消耗模块，包括无线传感器节点，所述无线传感器节点包括：ADC监测子模块，用于监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述能量收集子模块，具体包括：第一转换子单元，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为电能，所述电能为交流电能；第二转换子单元，用于将所述交流电能转换为直流电能，并过滤所述直流电能中的噪声，生成目标直流电能。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述充电控制开关电路，还用于：当所述超级电容电压小于第一预设电压阈值时，隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述稳压电路具体用于：当所述目标直流电能对应的第一目标电压小于预设稳定输出电压时，将所述第一目标电压升压，生成所述稳压输出电能；当所述目标直流电能对应的第二目标电压大于预设稳定输出电压时，将所述第二目标电压降压，生成所述稳压输出电能。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，所述无线传感器节点，还包括：工作子模块，用于当所述无线传感器节点开始工作时，监测所述目标对象的运行状态，并传输所述目标对象的运行状态信息。

结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，所述ADC监测子模块还用于：当所述无线传感器节点传输所述目标对象的运行状态信息之后，监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；所述充电控制开关电路还用于：当所述超级电容电压小于第三预设电压阈值时，重新隔离所述无线传感器节点及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存，所述第三预设电压阈值与所述第一预设电压阈值相等。

结合第一方面，在第一方面第六实施方式中，所述能量存储模块，还包括：模拟子模块，包括振动控制器、功率放大器、振动台，用于构建模拟激振系统，模拟所述目标对象的振动运行，生成机械能。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法，包括：收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换成目标直流电能，在超级电容中储存所述目标直流电能；当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，导通充电控制开关电路，将所述超级电容储存的所述目标直流电能传输至所述稳压电路；接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能；当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。

结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为目标直流电能，具体包括：收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为电能，所述电能为交流电能，将所述交流电能转换为直流电能，并过滤所述直流电能中的噪声，生成目标直流电能。

结合第二方面，在第二方面第二实施方式中，该方法还包括：当所述超级电容电压小于第一预设电压阈值时，隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存。

结合第二方面，在第二方面第三实施方式中，该方法还包括：当所述目标直流电能对应的第一目标电压小于预设稳定输出电压时，将所述第一目标电压升压，生成所述稳压输出电能；当所述目标直流电能对应的第二目标电压大于预设稳定输出电压时，将所述第二目标电压降压，生成所述稳压输出电能。

结合第二方面，在第二方面第四实施方式中，该方法还包括：当所述无线传感器节点传输所述目标对象的运行状态信息之后，监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压小于第三预设电压阈值时，所述充电控制开关电路重新隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存，所述第三预设电压阈值与所述第一预设电压阈值相等。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行第二方面或第二方面任一实施方式中所述的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法的步骤。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面或第二方面任一实施方式中所述的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法的步骤。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法，其中，该系统包括：能量存储模块、能量消耗模块以及能量管理模块，其中：通过能量收集子模块，收集目标对象在振动时产生的机械能，并将机械能转换为目标直流电能；通过超级电容储存目标直流电能；当超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路导通，将超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；通过稳压电路接收目标直流电能，并调整目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；通过无线传感器节点中的ADC监测子模块，监测超级电容电压，当超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点保持休眠；当超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点开始工作。

通过实施本发明，解决了现有技术中存在的电磁式振动能量收集器的能量转换效率和无线传感器节点的功耗不匹配，导致电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，而升压稳压模块会在能量累积，缓缓上升期间，消耗较多电能，也就是导致升压稳压模块陷入了充电陷阱，从而影响了无线传感器节点的工作，实现了电磁式振动能量收集器与地铁轮轴应用场景的协调，保证了电磁式振动能量收集器能量转换效率的最大化，避免陷入充电陷阱，避免了不必要的能量消耗，并且使无线传感器节点具备可控性和鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统的一个具体示例的结构框图；

图2为本发明实施例中面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统的超级电容充电过程的示意图；

图3为本发明实施例中面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统的充电控制开关电路及稳压电路的示意图；

图4为本发明实施例中面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法的一个具体示例的流程框图；

图5为本发明实施例中计算机设备的一个具体示例图。

具体实施方式

下面将结合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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为了解决现有的相关技术中存在的电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，升压稳压模块会导致超级电容在能量累积期间陷入充电陷阱，从而无法启动无线传感器节点工作的问题。目的是实现电磁式振动能量收集供能环节与无线传感器节点耗能环节之间的协调，摆脱无线传感器节点能量受限的困境，本发明实施例提供了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法。

如图1所示，本发明实施例提供的一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统，包括：能量存储模块100、能量消耗模块300以及能量管理模块200，其中：

能量存储模块100，包括：

能量收集子模块101，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将机械能转换为目标直流电能；在本实施例中，目标对象是无线传感器节点所要监测的设备，具体可以是轨道交通车辆中的任意设备，如，地铁轮轴设备等。机械能是目标对象在运动时所产生的能量。目标直流电能是大小以及方向都不会变化的电流。具体地，由于能量消耗模块300中的主要耗能元件需要直流电来供能，因此需要收集目标对象在振动时产生的机械能，并将收集到的机械能转换为目标直流电能。

超级电容102，用于储存目标直流电能；在本实施例中，超级电容102用于存储能量收集子模块101生成并转换的目标直流电能，由于能量消耗模块300中的主要耗能元件的发送模式功耗较高，因此，需选择能支持耗能元件的发送模式功耗的储能单元，也就是超级电容102。

能量管理模块200，包括：

充电控制开关电路201，当超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路201导通，将超级电容102储存的目标直流电能传输至稳压电路202；在本实施例中，超级电容电压随着能量的收集是不断变化的。第一预设电压阈值其实也就是节点上电电压，是能量控制系统第一阶段与第二阶段的分界线，具体地，第一阶段可以是存储不消耗阶段，此时，超级电容102在不间断地存储能量，而整个能量管理系统的电路没有导通，可以避免无线传感器节点301的耗能，实现能量存储与消耗的隔离；第二阶段是存储并消耗阶段，此时，超级电容102继续存储能量，整个能量管理系统的电路导通，目标直流电能可以被无线传感器节点301所消耗。

示例性地，当超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，也就是说，超级电容102此时的电压已经超过充电控制开关电路201的导通阈值，即节点上电电压，此时，连接充电控制开关电路201的稳压电路202以及无线传感器节点301被导通，超级电容102中存储的目标直流电能可以被能量消耗模块300中的各耗能元件所消耗。也就是说，充电控制开关电路201相当于开关，当超级电容电压大于充电控制开关电路设定的门限值之后，也就是第一预设电压阈值，充电控制开关电路201才会导通，此时，可以将超级电容102中存储的目标直流电能传输到后续电路中。

稳压电路202，用于接收目标直流电能，并调整目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点301；在本实施例中，稳压输出电能可以是能够稳定支持无线传感器节点正常工作的电能。具体地，超级电容电压随着时间变化以及能量积累是在不断变化的，也就是说，超级电容电压的输出是不稳定的，可能会大于无线传感器节点的额定电压，也有一定概率会小于无线传感器节点的额定电压，超级电容无法稳定为无线传感器节点供给能量，因此，需要设置稳压电路来调整传输至无线传感器节点的电压，具体地，当超级电容电压大于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路201开始导通，稳压电路202开始工作，此时，确定稳压电路202的输入为目标直流电能，也就是超级电容电压，经过稳压电路202的调整，输出为稳压输出电能，在实际应用中，稳压输出可以是3.3V。

示例性地，稳压电路202可以将稳压输出电能传输至无线传感器节点301，此时，无线传感器节点301仍处于休眠模式，也就是说，当超级电容电压大于第一预设电压阈值且小于第二预设电压阈值时，无线传感器节点301只消耗超级电容102储存的能量，但无线传感器节点301并不会启动工作，此时，无线传感器节点301处于低功耗模式。

能量消耗模块300，包括无线传感器节点301以及所有会消耗电能的模块，例如，充电控制开关电路201、稳压电路202等。无线传感器节点301包括：

ADC监测子模块，用于监测超级电容电压，当超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点301保持休眠；当超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点301开始工作；第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，第二预设电压阈值大于第一预设电压阈值。在本实施例中，超级电容电压可以是随着能量的累积而在不断变化；第二预设电压阈值可以是无线传感器节点301从休眠模式转换为工作模式的分界线，第二预设电压阈值其实就是节点休眠电压。为了保证超级电容102储存的能量足够支持无线传感器节点301能够完成一次数据采集及传输的任务，因此，节点休眠电压的具体数值的确定与节点采集并传输数据所消耗的能量相关。

示例性地，第二预设电压阈值可以是根据无线传感器节点301能够完成一次采集及传输数据的任务所需的能量而确定的，确定该第二预设电压阈值的过程具体包括：

首先，确定无线传感器节点301在采集数据模式、传输数据模式以及休眠模式的功耗；其次，根据预设时间段内的历史数据，确定无线传感器节点301在采集数据模式、传输数据模式下的时间；再次，根据上述物理参数，确定无线传感器节点301能够完成一次采集及传输数据的任务所需的第一能量，根据第一能量以及无线传感器节点301能够导通时，超级电容102内所存储的能量，确定第二预设电压阈值。

在实际应用场景中，无线传感器节点301在传输数据模式下的功耗可以是28.5mA，在采集数据模式下的功耗可以是16.5mA，在休眠模式下的功耗为1mA；节点采集数据时间为1s，传输数据时间为500ms。当超级电容电压上升至第一预设电压阈值之后，无线传感器节点301被导通，此时可以上电启动并进入休眠模式；当超级电容电压继续上升至第二预设电压阈值之后，无线传感器节点301从休眠模式转换为采集及传输数据模式，此时，通过下述公式，确定无线传感器节点301完成一次数据采集和数据传输所需能量：

Q_require＝UI_acquisitiont_acquisition+UI_transmitt_transmit,

其中，Q_require表示无线传感器节点完成一次数据采集和数据传输所需能量，I_acquisition表示节点在采集数据模式的功耗，t_acquisition表示节点采集数据时间，I_transmit表示节点在传输数据模式的功耗，t_transmit表示传输数据时间，U表示节点的额定工作电压；

通过下述公式，确定无线传感器节点能够导通时，超级电容内所需要存储的能量：

其中，Q_start表示无线传感器节点能够导通时，超级电容内所需要存储的能量，c表示超级电容的额定容量，v₁表示第一预设电压阈值，也就是无线传感器节点导通电压。

通过下述公式，确定确保无线传感器节点301能够正常完成一次数据采集以及数据传输所需要的能量Q：

Q＝Q_start+Q_require，

此时，通过下述公式，确定第二预设电压阈值，也就是节点休眠电压：

通过上述公式，代入实际数据后，U_acq＝2.71V；为了确保无线传感器节点301能够正常完成一次数据采集以及数据传输，可以将第二预设电压阈值设置为高于2.71V的任意值，可以是2.9V，具体可以根据实际应用场景确定，本发明对此不做限定。

本发明提供的一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统包括：通过能量收集子模块，收集目标对象在振动时产生的机械能，并将机械能转换为目标直流电能；通过超级电容储存目标直流电能；当超级电容的电压大于或等于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路导通，将超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；通过稳压电路接收目标直流电能，并调整目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；通过无线传感器节点中的ADC监测子模块，监测超级电容的电压，当超级电容的电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点保持休眠；当超级电容的电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点开始工作。

通过实施本发明，解决了现有技术中存在的电磁式振动能量收集器的能量转换效率和无线传感器节点的功耗不匹配的问题，导致电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，而升压稳压模块会在能量累积，缓缓上升期间，消耗较多电能，也就是导致升压稳压模块陷入充电陷阱，从而影响了无线传感器节点的工作，实现了电磁式振动能量收集器与地铁轮轴应用场景的协调，保证了电磁式振动能量收集器能量转换效率的最大化，避免陷入充电陷阱，避免了不必要的能量消耗，并且使无线传感器节点具备可控性和鲁棒性。

作为本申请一个可选的实施方式，该面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统中的能量收集子模块101，具体包括：第一转换子单元，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将机械能转换为电能，电能为交流电能；在本实施例中，第一转换子单元实际上可以是电磁式振动能量收集器；目标对象可以是轨道交通中涉及到车辆设备，例如，地铁轮轴等。在地铁运行过程中，地铁轮轴会随着地铁的运行不断地振动，产生机械能，第一转换子单元可以将收集到的机械能转换至交流电能。

具体地，可以在地铁轮轴上设置具备高采样频率的三轴加速度传感器，用于采集地铁轮轴的振动加速度；通过模拟子模块，根据采集到的振动加速度模拟地铁轮轴的运行，也就是在实验平台上模拟地铁轮轴的运行，根据地铁轮轴的模拟运行，获取地铁轮轴的振动指标，根据获取到的多个振动指标匹配相应的电磁式振动能量收集器。

为了解决在现有相关技术中存在的电磁式振动能量收集器和地铁轮轴振动场景不协调的问题，进而导致无法实现电磁式振动能量收集器能量转换效率最大化以及电磁式振动能量收集器的能量转换效率和无线传感器节点的功耗不协调、消耗过多能量，本发明提供的一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统，具体包括：可以是在地铁轮轴上安装采样频率为5120Hz的三轴加速度传感器，根据采集到的地铁轮轴的三轴振动加速度数据，将所述三轴振动加速度数据，输入至激振系统，所述激振系统可以是由振动控制器、功率放大器、振动台构建的，通过此种设置，在实验平台下还原了地铁轮轴的振动场景。根据地铁轮轴的振动指标，例如，加速度振幅、位移振幅、振动主频及有效带宽，确定可以具备最大能量转换效率的电磁式振动能量收集器。具体地，根据实际测量，三轴振动加速度的正方向振幅+42g，负方向振幅为-26g；位移的正方向振幅为+2.6mm，位移的负方向振幅为-2.1mm；振动主频为47Hz；有效带宽为38Hz～67Hz；根据振动指标匹配的电磁式振动能量收集器的型号可以是EHAM1003，其平均输出电压为3.1V，平均输出电流为3.8mA。

第二转换子单元，用于将交流电能转换为直流电能，并过滤直流电能中的噪声，生成目标直流电能。在本实施例中，第二转换子单元包括整流电路以及滤波电路，所述整流电路可以用于将交流电能转换至直流电能，但此时，转换得到的直流电能存在噪声，滤波电路用于滤去直流电能的噪声，生成目标直流电能，输送至超级电容102。

作为本申请一个可选的实施方式，该能量管理系统中的充电控制开关电路201，还用于：当超级电容电压小于第一预设电压阈值时，隔离无线传感器节点301、充电控制开关电路201以及稳压电路202，实现目标直流电能在超级电容102中的储存。在本实施例中，在超级电容102存储目标直流电能的过程中，充电控制开关电路201相当于开关，当超级电容电压小于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路201断开，又由于充电控制开关电路201是连接能量收集模块与无线传感器节点的中间桥梁，当充电控制开关电路201断开时，不允许目标直流电能传输到无线传感器节点301，也就是说，充电控制开关电路201在超级电容电压小于第一预设电压阈值时，可以隔离能量收集模块和无线传感器节点301，避免无线传感器节点301的额外耗能，确保超级电容102的能量在达到第一预设电压阈值时才允许被无线传感器节点301消耗，基于此实现了能量存储和能量消耗相互隔离的能量管理策略。

示例性地，当所述超级电容电压小于第三预设电压阈值时，充电控制开关电路201重新隔离无线传感器节点301、充电控制开关电路201以及稳压电路202，实现目标直流电能在超级电容102中的储存，第三预设电压阈值与第一预设电压阈值相等。

作为本申请一个可选的实施方式，该面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统中的稳压电路202具体用于：当目标直流电能对应的第一目标电压小于预设稳定输出电压时，将第一目标电压升压，生成稳压输出电能；当目标直流电能对应的第二目标电压大于预设稳定输出电压时，将第二目标电压降压，生成稳压输出电能。

示例性地，当目标直流电能对应的目标电压到达稳压阈值时，稳压电路才开始调整目标直流电能，进而生成稳定输出电能，在实际应用场景中，当稳压电路中的稳压芯片为LTC3536时，稳压阈值可以是2.4V。作为本申请一个可选的实施方式，无线传感器节点301，还包括：工作子模块，用于当无线传感器节点301开始工作时，监测目标对象的运行状态，并传输目标对象的运行状态信息。

作为本申请一个可选的实施方式，该面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统中ADC监测子模块还用于：当无线传感器节点301传输目标对象的运行状态信息之后，继续监测超级电容电压，当超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点301从传输数据模式转换为休眠模式。

示例性地，如图2所示，实现避免陷入充电陷阱的具体过程可以是，当超级电容电压小于节点上电电压时，充电控制开关电路201会自动断开，不会导通，隔离超级电容102与后续消耗电路及无线传感器节点301，避免无线传感器节点301以及稳压电路202陷入充电陷阱中，导致无线传感器节点的高耗能，在超级电容电压小于节点上电电压的阶段，均为第一阶段，第一阶段也就是存储不消耗阶段，显而易见，存储不消耗阶段是指，超级电容102在存储能量，而消耗模块由于隔离无法消耗能量。当超级电容电压大于或等于节点上电电压时，充电控制开关电路201导通，此时，能量收集子模块101收集到的目标直流电能可以直接传输至无线传感器节点301，供其使用，此时进入存储并消耗阶段。

具体地，监测超级电容电压，当所述超级电容电压大于节点上电电压，而小于节点休眠电压时，此时，整体电路被导通，但无线传感器节点301仍为休眠模式，此时，一部分电能被无线传感器节点301以及电路所消耗，由于节点为休眠状态，超级电容102继续存储能量。当超级电容电压大于节点休眠电压时，无线传感器节点301由休眠模式转换至工作模式，开始执行监测目标对象，可以是地铁轮轴的运行状态，具体地，采集地铁轮轴的运行状态信息，并通过SPI通信协议传输所述地铁轮轴运行状态信息。

示例性地，在存储并消耗阶段，节点周期性由休眠模式转换至工作模式之后，也就是节点被唤醒之后，通过ADC监测子模块采集超级电容电压，当超级电容电压大于或等于节点休眠电压，说明此时超级电容102剩余电量足以完成一次数据采集任务和数据传输任务，节点可以再次采集数据，并再次通过SPI通信协议传输数据；如果超级电容电压小于节点休眠电压，节点转入休眠模式，进一步地，当超级电容电压低于节点掉电电压时，节点被断开，重新进入存储不消耗阶段；节点掉电电压阈值与节点上电电压阈值相同，实际上，第一预设电压阈值与第三预设电压阈值相同，是充电控制开关电路的门限值。

示例性地，如图2所示，在存储不消耗阶段，电磁式振动能量收集与存储和无线传感器节点301上电启动工作相隔离，并通过充电控制电路设定节点上电电压阈值高于充电陷阱电压，以避开充电陷阱。当超级电容102充电至节点上电电压阈值时，升压-降压稳压模块启动工作，节点上电，此时节点进入休眠模式，能量管理策略进入存储并消耗阶段。超级电容电压上升至节点休眠电压时，节点由休眠模式转变为采集模式。在存储并消耗阶段，节点周期性由休眠模式被唤醒之后，利用ADC监测子模块采集超级电容电压，如果超级电容电压高于节点休眠电压，说明此时超级电容102剩余电量足以完成一次数据采集任务和数据传输任务，否则继续转入休眠模式，此后，当超级电容电压低于节点掉电电压时，节点掉电，重新进入存储不消耗阶段。

示例性地，根据所述稳压电路202，确定稳压芯片LTC3536的充电陷阱电压，根据所述充电陷阱电压，确定第一预设电压阈值，具体地，可以通过充电陷阱测试实验来确定。首先，验证充电陷阱的存在；其次，确定第一预设电压阈值，也就是使无线传感器节点301导通的电压，即节点上电电压。具体地，通过激振系统产生的机械能，进而转换为目标直流电能为超级电容102充电，此时超级电容102仅通过LTC3536为节点供电。此时，当超级电容电压缓缓上升至2.54V时，无线传感器节点301消耗电流为40.0mA，此后，在激振系统为超级电容102充电的20分钟内，超级电容电压无法突破2.54V，无线传感器节点301消耗电流波动区间为20.0mA～40.0mA，确定此时存在充电陷阱，充电陷阱电压为2.54V，也就是随着时间的增加，能量在累积，但是在能量累积过程中，无线传感器节点301却产生不符合常理的较大功耗，也就是说，充电陷阱是以稳压阈值2.4V为中心，并且会导致超级电容的能量入不敷出的充电阶段，在该阶段，无线传感器节点消耗最大电流时所对应的超级电容电压可以称之为充电陷阱电压，具体实验数据如下表1所示：

表1

超级电容电压/V	无线传感器节点301消耗电流/mA
		2.49	24.0
2.49	25.1
		2.50	26.7
2.50	35.2
		2.51	32.7
2.51	33.6
		2.52	39.6
2.52	37.5
		2.53	33.9
2.53	39.5
		2.54	38.4
2.54	40.0

其次，在确定节点上电电压的实验过程中，由于存在充电陷阱，因此，第一，利用激振系统为处于空载状态的超级电容102充电，当超级电容电压达到低于LTC3536充电陷阱电压0.2V时，也就是达到2.34V时，停止对超级电容102的充电；第二，利用超级电容102为无线传感器节点301供电，同时监测LTC3536输出电压以及节点消耗电流；第三，重复第一和第二步骤，并且在每次实验中超级电容电压提高0.05V，具体实验数据如下表2所示：

表2

根据上述表2所记载的内容，在加入稳压模块的电磁式振动能量收集系统中，充电陷阱依旧存在，此时，充电陷阱电压为2.54V，充电陷阱电流为40.0mA。根据实验数据可知，当超级电容电压为2.59V时，LTC3536输出3.3V且无线传感器节点301消耗电流为1.0mA，证明，此时已经越过充电陷阱电压，也就是说，可以将2.59V作为节点上电电压，也可以将节点上电电压设置为高于2.59V的任意值，可以是2.7V，具体可以根据实际应用场景确定，本发明对此不做限定。

示例性地，如图3所示，充电控制开关电路201以及稳压电路202一并构成该系统中的能量管理电路，其中，包括LTC4419芯片和LTC3536芯片。具体地，充电控制开关芯片LTC4419用于构建充电控制开关电路201，降压-升压稳压芯片LTC3536用于构建稳压电路202。

具体地，能量管理电路通过充电控制开关芯片LTC4419来实现节点上电电压阈值的设定，当ADJ电压上升至使能阈值1.097V时，LTC4419上路开关导通，OUT可以输出超级电容电压；当ADJ电压下降至1.047V(由使能阈值电压1.097V和迟滞窗口电压50mV决定)，LTC4419上路开关切断。通过调整V1和ADJ之间的电阻为270k、ADJ和GND之间的电阻为180k，将节点上电电压设置为2.7V，也就是说，当超级电容电压超过2.7V时，充电控制开关芯片LTC4419才能被导通，超级电容102所存储的电能才会被无线传感器节点301所消耗。

LTC3536通过调整VOUT和FB之间的电阻为1M、FB和GND之间的电阻为220k，以此实现稳压输出电压为3.3V。在稳压模式中，将MODE/SYNC设置为高电平，即LTC3536工作在突发模式，在负载电流较低时，可显著降低芯片功耗。

示例性地，无线传感器节点301可以是由微处理器、加速度计和射频模块构成。在无线传感器节点301的硬件设计中，可以选择STM32L系列中的STM32L452RET6作为节点的微处理器，支持低功耗模式，允许微处理器进入停止模式，进而降低节点能量消耗；以及可以选择低功耗射频芯片AT86RF212作为射频模块，具有较高的接收灵敏度-110dBm，具有可调节的发射功率，最大可达+10dBm，此外，AT86RF212具有相对较低的功耗，在休眠模式下功耗低至0.2uA，在停止发送接收模式下功耗为0.4mA，接收模式下功耗为9mA，发送模式下功耗为19mA；通过此种电路的设计，可以显地著降低芯片功耗。

本发明实施例提供了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法，如图4所示，包括：

步骤S11：收集目标对象在振动时产生的机械能，并将机械能转换成目标直流电能，在超级电容中储存目标直流电能；详细实施内容可参见上述系统实施例中能量存储模块100的相关描述。

步骤S12：当超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，导通充电控制开关电路，将超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；详细实施内容可参见上述系统实施例中充电控制开关电路201的相关描述。

步骤S13：接收目标直流电能，并调整目标直流电能，生成稳压输出电能；详细实施内容可参见上述系统实施例中稳压电路202的相关描述。

步骤S14：当超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点保持休眠；详细实施内容可参见上述系统实施例中稳压电路202及无线传感器节点301的相关描述。

步骤S15：当超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点开始工作；第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，第二预设电压阈值大于第一预设电压阈值。详细实施内容可参见上述系统实施例中稳压电路202及无线传感器节点301的相关描述。

本发明提供的一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法，包括：收集目标对象在振动时产生的机械能，并将机械能转换为目标直流电能；储存目标直流电能；当超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路导通，将超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；通过稳压电路接收目标直流电能，并调整目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；当超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点保持休眠；当超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点开始工作。

通过实施本发明，解决了现有技术中存在的电磁式振动能量收集器的能量转换效率和无线传感器节点的功耗不匹配问题，由于电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，而升压稳压模块会在能量累积，缓缓上升期间，消耗较多电能，也就是导致升压稳压模块陷入了充电陷阱，从而影响了无线传感器节点的工作，实现了电磁式振动能量收集器与地铁轮轴应用场景的协调，保证了电磁式振动能量收集器能量转换效率的最大化，避免陷入充电陷阱，避免了不必要的能量消耗，并且使无线传感器节点具备可控性和鲁棒性。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，如图5所示，该计算机设备可以包括处理器31和存储器32，其中处理器31和存储器32可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。

处理器31可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器31还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器32作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法对应的程序指令/模块(例如，图1所示的能量存储模块100、能量收集子模块101、超级电容102、能量管理模块200、充电控制开关电路201、稳压电路202、能量消耗模块300、无线传感器节点301)。处理器31通过运行存储在存储器32中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法。

存储器32可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器31所创建的数据等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器32可选包括相对于处理器31远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器31。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器32中，当被所述处理器31执行时，执行如图1所示实施例中的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法。

上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令用于使计算机执行如上述实施例中任意一项描述的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法，其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统，其特征在于，包括：能量存储模块、能量消耗模块以及能量管理模块，其中：

所述能量存储模块，包括：

能量收集子模块，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为目标直流电能；

超级电容，用于储存所述目标直流电能；

所述能量管理模块，包括：

充电控制开关电路，当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，所述充电控制开关电路导通，将所述超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；

稳压电路，用于接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；

所述能量消耗模块，包括无线传感器节点，所述无线传感器节点包括：

ADC监测子模块，用于监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量收集子模块，具体包括：

第一转换子单元，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为电能，所述电能为交流电能；

第二转换子单元，用于将所述交流电能转换为直流电能，并过滤所述直流电能中的噪声，生成目标直流电能。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电控制开关电路，还用于：当所述超级电容电压小于第一预设电压阈值时，隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稳压电路具体用于：

当所述目标直流电能对应的第一目标电压小于预设稳定输出电压时，将所述第一目标电压升压，生成所述稳压输出电能；

当所述目标直流电能对应的第二目标电压大于预设稳定输出电压时，将所述第二目标电压降压，生成所述稳压输出电能。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线传感器节点，还包括：工作子模块，用于当所述无线传感器节点开始工作时，监测所述目标对象的运行状态，并传输所述目标对象的运行状态信息。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述ADC监测子模块还用于：当所述无线传感器节点传输所述目标对象的运行状态信息之后，监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；所述充电控制开关电路还用于：当所述超级电容电压小于第三预设电压阈值时，重新隔离所述无线传感器节点以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存，所述第三预设电压阈值与所述第一预设电压阈值相等。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量存储模块，还包括：模拟子模块，包括振动控制器、功率放大器、振动台，用于构建模拟激振系统，模拟所述目标对象的振动运行，生成机械能。

8.一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法，其特征在于，包括：

收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换成目标直流电能，在超级电容中储存所述目标直流电能；

当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，导通充电控制开关电路，将所述超级电容储存的所述目标直流电能传输至稳压电路；

接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能；

当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点保持休眠；

当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求8中所述的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8中所述的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法的步骤。

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