CN112260380A - 一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统 - Google Patents

一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于能量收集与嵌入式系统领域，具体涉及一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，包括环境能量采集器、能量调理单元、能量储存及管理单元、传感单元、中央控制器和无线收发单元。本发明的有益效果为：针对传统全桥整流效率低的问题，本发明通过同步开关电感电路实现交流信号在极值时的开关闭合，使电感上积累能量迅速转移至后级储能电容内，并完成对电压的反转，使能量采集器输出电荷与储能元件的电荷同相，减少了电荷之间的中和，提高了能量的利用率。

Description

一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统
技术领域
本发明属于能量收集与嵌入式系统领域，具体涉及一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统。
背景技术
随着物联网时代的兴起，无线传感网络也迎来了发展期，由于各个无线传感节点的数量众多但又四处分散，尤其是在对长期工作在野外、高原等复杂环境的系统来说，供电成了一个主要的问题，由于电池的频繁更换会带来人力物力的沉重负担，并对当地环境产生一系列影响，因此，为解决此类无线传感系统的供电问题，人们开始研究能否通过收集环境中的能量来延长、甚至取代传统的电池供电模式。
公告号为CN106655891A的中国专利公开了一种热释电/压电能量收集器及其集成系统，包括热释电/压电能量收集器、电源管理及储能单元、振动监测及温度检测单元以及基于低功耗微控制器的控制系统；热释电/压电能量收集器用于实现微弱振动能量、温差能量的收集；电源管理及储能单元用于电压变换、充电控制及储能；振动监测及温度检测单元用于监测振动状态、检测温差变化；基于低功耗微控制器的控制系统能在低流耗的电源系统可编程定时器控制下锐降系统待机功耗，并可程控控制升压电路、能量管理单元以及电源输出电路。
公告号为CN104716867A的中国专利公开了一种能量收集传感器及能量管理系统，包括：外壳，外壳通过第一螺钉固定至一外部振动源并且被振动源的振动带动而产生振动；压电陶瓷，压电陶瓷被外壳的振动带动而产生振动、并且产生电荷；处理电路，处理电路通过第四螺钉固定至外壳内侧的底部、通过导线连至压电陶瓷并接收来自压电陶瓷的电荷、对电荷进行处理并输出电信号，其中，外壳上还设有电缆接头，电缆接头通过导线耦接至处理电路、并且将来自处理电路的电信号传递至能量收集传感器外部的输出电缆。
上述两种系统的不足之处在于：虽然进行了能量的采集，但未对收集系统进行效率的优化，存在着一部分能量的浪费，同时，在进行能量存储时，没有考虑到对蓄电电池的保护，存在着一定安全风险。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统技术方案。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于包括
环境能量采集器，所述环境能量采集器用以采集环境中的能量；
能量调理单元，所述能量调理单元用以分别将得到的直流DC信号和/或交流AC信号进行处理；
能量储存及管理单元，所述能量储存及管理单元用以将系统能量进行统一的管理和储存；
传感单元，所述传感单元用以根据不同需求通过不同传感器采集多种环境数据；
中央控制器，所述中央控制器用以控制整个系统的工作状态，接收传感单元采集的环境数据；及
无线收发单元，所述无线收发单元用以实现中央控制器与主机的无线通讯。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述环境能量采集器包括热电转化器、压电陶瓷阵列和太阳能电池板中的一种或多种。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述能量储存及管理单元包括电源充放电电路、电源保护电路、电源路径管理电路；
所述电源充放电电路用以将外部采集能量存储至蓄电锂电池，将蓄电锂电池内能量输出供应系统工作；
所述电源保护电路用以检测蓄电锂电池两端电压与温度，避免电池的过充、过放与过温；
所述电源路径管理电路用以管理多路信号输入、输出，管理对蓄电锂电池和超级电容的充放电路径，使外部采集能量优先供应系统的正常工作，在能量有富余时才进行电池的充电。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述热电转化器冷端靠近蓄电锂电池，使蓄电锂电池温度上升从而靠近最佳放电温度。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述能量调理单元包括同步开关电感电路、转换偏置电路、电压调节电路；
所述同步开关电感电路用以在交流信号达到极值时通过闭合开关，使电感与能量采集器内部电容形成振荡并完成电荷反转，最大化的提取采集的能量；
所述转换偏置电路用以提供Mosfet工作所需的偏置电压；
所述电压调节电路用以适配不同的负载，将调理后的直流信号进行降压—升压操作得到稳定的3.3V/5V电压。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述同步开关电感电路将常规全桥电路中的二极管用Mosfet进行等效替换，以获得更小的导通压降，并在Mosfet桥后连接一个肖特基二极管，以防止电路回流。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述同步开关电感电路用两个背对背串联的nMosfet实现双向斩波开关功能。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述传感单元包括信号采集电路、前置放大电路、AD转换电路和功率检测电路；
所述信号采集电路用以检测相应传感器的信号，对外界信息进行采集；
所述前置放大电路用以将采集到的模拟信号进行放大；
所述AD转换电路用以将模拟信号转换为控制器能识别的数字信号；
所述功率检测电路用以检测当前系统输出的实时电压与电流。
所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述中央控制器包括开关控制模块、无线数据接收模块、数据处理模块、MPPT控制模块和休眠与唤醒模块；
所述开关控制模块用以对同步开关电感电路的开关进行相应的时序控制；
所述无线数据接收模块用以接收从机发送来的数据；
所述数据处理模块用以对接收到的数据进行处理与存储；
所述MPPT控制模块用以对系统进行最大功率点追踪，以获得最大的发电功率；
所述休眠与唤醒模块用以对中央控制器、传感单元、无线收发单元发送休眠与工作信号，以降低系统的整体功耗。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）针对传统全桥整流效率低的问题，本发明通过同步开关电感电路实现交流信号在极值时的开关闭合，使电感上积累能量迅速转移至后级储能电容内，并完成对电压的反转，使能量采集器输出电荷与储能元件的电荷同相，减少了电荷之间的中和，提高了能量的利用率；
2）本发明通过用mosfet搭建理想二极管桥，减少了电路中的正向导通损耗，提高了效率；
3）本发明采用两级电源存储模式，当系统长久未工作时，系统无法提供同步开关电感电路工作所需的控制信号，于是绕开同步开关电感电路直接对后级的超级电容进行充电，当超级电容上的电压达到系统最低启动电压后，发出控制信号进行正常的能量调理，优化了整体的能量储存结构；
4）通过传感器对输出的功率进行了定时的计算，并根据中央控制器内部的MPPT算法，实现了对换能电路与后级负载之间的阻抗匹配，实现了最大输出功率的追踪。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明中同步开关电感电路示意图；
图3是本发明中同步开关电感和转换偏置电路原理图；
图4是本发明中能量储存及管理单元原理图；
图5是本发明中MPPT算法的流程图；
图6是本发明中两级电源存储示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，包括
环境能量采集器，所述环境能量采集器安装于现场环境，用以采集环境中的能量；
能量调理单元，所述能量调理单元用以分别将得到的直流DC信号和交流AC信号进行处理；
能量储存及管理单元，所述能量储存及管理单元用以将系统能量进行统一的管理和储存，以便在外部采集能量不足时供给整个系统工作，在外部采集能量过余时，将多余的能量存储至内部锂电池中；
传感单元，所述传感单元用以根据不同需求通过不同传感器采集多种环境数据，检测系统的实时输出功率；
中央控制器，所述中央控制器用以控制整个系统的工作状态，接收传感单元采集的环境数据；及
无线收发单元，所述无线收发单元用以实现中央控制器与主机的无线通讯，将传感器采集到的数据进行发送，并接受主机传来的工作与休眠信号。
作为优化：所述环境能量采集器包括热电转化器、压电陶瓷阵列和太阳能电池板。通过太阳能电池板得到的是直流DC信号，通过热电转化器、压电陶瓷阵列得到的是交流AC信号。环境能量采集器还可以包括其它换能元件，所有的换能元件可以根据需要进行任意的排列组合。
作为优化：所述能量储存及管理单元包括储能元件、电源充放电电路、电源保护电路、电源路径管理电路，其与蓄电锂电池和超级电容组成的储能元件配合使用，储能元件采用两级能量存储模式，蓄电锂电池是系统的主储能元件，超级电容用于供给转换偏置电路，减少系统冷启动时间，如图6所示，当系统长时间未工作时，同步开关电感电路工作所需的控制信号无法正常提供，于是通过SP开关使能量直接储存至后方超级电容内，以达到系统启动的最低电压，当系统正常启动后，SP关闭，ST、SD开启，进行正常的充电工作；所述电源充放电电路用以将外部采集能量存储至蓄电锂电池，将蓄电锂电池内能量输出供应系统工作；所述电源保护电路用以检测蓄电锂电池两端电压与温度，避免电池的过充、过放与过温；所述电源路径管理电路用以管理多路信号输入、输出，管理对蓄电锂电池和超级电容的充放电路径，使外部采集能量优先供应系统的正常工作，在能量有富余时才进行电池的充电。
对能量储存及管理单元的进一步说明：如图4所示，通过LTC3331芯片，当冷启动时能量从AC1、AC2口进入，通过内置的低压降二极管桥完成对超级电容的充电，电路正常工作时，前置能量调理单元调理后的直流信号从VIN口进入，从VOUT输出系统工作电压，BAT_IN口接一个锂离子电池，作为系统的后备能源。
更进一步地，所述热电转化器冷端靠近蓄电锂电池，使蓄电锂电池温度上升从而靠近最佳放电温度。
作为优化：所述能量调理单元包括同步开关电感电路、转换偏置电路、电压调节电路。其中，所述同步开关电感电路用以在交流信号达到极值时通过闭合开关，使电感与能量采集器内部电容形成振荡并完成电荷反转，最大化的提取采集的能量；所述转换偏置电路用以提供Mosfet工作所需的偏置电压，Mosfet为金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为nMOSFET与pMOSFET，其他简称上包括NMOS、PMOS等；所述电压调节电路用以适配不同的负载，将调理后的直流信号进行降压—升压操作得到稳定的3.3V/5V电压。
更进一步地，所述同步开关电感电路将常规全桥电路中的二极管用Mosfet进行等效替换，以获得更小的导通压降，并在Mosfet桥后连接一个肖特基二极管，以防止电路回流。所述同步开关电感电路还采用两个背对背串联的nMosfet实现双向斩波开关功能。
对同步开关电感电路的进一步说明，如图2所示，所述同步开关电感电路在交流信号达到极值时闭合开关S，使电感与后续储能电容形成振荡并完成电荷反转，在1/2振荡周期后，断开开关，使采集器能量重新在内部电容与电感中积累，等待下一个交流信号的极值，从而最大化的提取采集的能量。如图3所示，通过S_ctr信号控制Q5、Q6的通断，背对背的两个nmosfet实现了双向电流开关的作用，以应对前级的交流信号，通过LTC4320芯片管理Q1、Q2、Q3、Q4这4个mosfet的工作状态，完成模拟理想二极管桥路的实现，后续串联一个肖特基二极管D1，防止后级电路的电流回流。
作为优化：所述传感单元包括信号采集电路、前置放大电路、AD转换电路和功率检测电路。其中，所述信号采集电路用以检测相应传感器的信号，对外界信息进行采集；所述前置放大电路用以将采集到的模拟信号进行放大；所述AD转换电路用以将模拟信号转换为控制器能识别的数字信号；所述功率检测电路用以检测当前系统输出的实时电压与电流。
作为优化：所述中央控制器包括开关控制模块、无线数据接收模块、数据处理模块、MPPT控制模块和休眠与唤醒模块。其中，所述开关控制模块用以对同步开关电感电路的开关进行相应的时序控制，通过引脚输出的S_ctr信号，控制mosfet导通与否，实现开关的功能；所述无线数据接收模块用以接收从机发送来的数据；所述数据处理模块用以对接收到的数据进行处理与存储；所述MPPT控制模块用以对系统进行最大功率点追踪，以获得最大的发电功率，MPPT算法流程如图5所示，预先设定好步长step，然后通过此算法进行最大功率的追踪；所述休眠与唤醒模块用以对中央控制器、传感单元、无线收发单元发送休眠与工作信号，以降低系统的整体功耗。
本发明的工作流程：外部环境能量通过环境能量采集器进行能量的转换，得到对应的电信号，此时，对于直流电信号，直接通过能量储存及管理单元（LTC3331）的DC口输入；对于交流电信号，由中央控制器控制同步开关电感电路的通断开关，在交流信号的极值时，控制mosfet导通，使电感与储能电容形成LC震荡，使能量快速转移至电感中，在1/2个震荡周期后，断开mosfet，重新使采集器的能量累积在储能电容中，之后，经过mosfet搭建的等效二极管桥，将交流信号进行整流，并通过RC滤波后由LTC3331的DC口输入，LTC3331将输入的能量进行DC/DC变换，并优先供给给后续传感单元、无线收发单元、中央控制器进行工作，在能量有多余时，将多余的能量存储至BAT口的蓄电池，实现能量的存储，在整个过程中，MPPT控制模块通过内部算法，实现对整个系统的最大输出功率追踪。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于包括
环境能量采集器，所述环境能量采集器用以采集环境中的能量；
能量调理单元，所述能量调理单元用以分别将得到的直流DC信号和/或交流AC信号进行处理；
能量储存及管理单元，所述能量储存及管理单元用以将系统能量进行统一的管理和储存；
传感单元，所述传感单元用以根据不同需求通过不同传感器采集多种环境数据；
中央控制器，所述中央控制器用以控制整个系统的工作状态，接收传感单元采集的环境数据；及
无线收发单元，所述无线收发单元用以实现中央控制器与主机的无线通讯。
2.根据权利要求1所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述环境能量采集器包括热电转化器、压电陶瓷阵列和太阳能电池板中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述能量储存及管理单元包括电源充放电电路、电源保护电路、电源路径管理电路；
所述电源充放电电路用以将外部采集能量存储至蓄电锂电池，将蓄电锂电池内能量输出供应系统工作；
所述电源保护电路用以检测蓄电锂电池两端电压与温度，避免电池的过充、过放与过温；
所述电源路径管理电路用以管理多路信号输入、输出，管理对蓄电锂电池和超级电容的充放电路径，使外部采集能量优先供应系统的正常工作，在能量有富余时才进行电池的充电。
4.根据权利要求3所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述热电转化器冷端靠近蓄电锂电池，使蓄电锂电池温度上升从而靠近最佳放电温度。
5.根据权利要求1-4中任一所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述能量调理单元包括同步开关电感电路、转换偏置电路、电压调节电路；
所述同步开关电感电路用以在交流信号达到极值时通过闭合开关，使电感与能量采集器内部电容形成振荡并完成电荷反转，最大化的提取采集的能量；
所述转换偏置电路用以提供Mosfet工作所需的偏置电压；
所述电压调节电路用以适配不同的负载，将调理后的直流信号进行降压—升压操作得到稳定的3.3V/5V电压。
6.根据权利要求5所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述同步开关电感电路将常规全桥电路中的二极管用Mosfet进行等效替换，以获得更小的导通压降，并在Mosfet桥后连接一个肖特基二极管，以防止电路回流。
7.根据权利要求5所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述同步开关电感电路用两个背对背串联的nMosfet实现双向斩波开关功能。
8.根据权利要求1-4中任一所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述传感单元包括信号采集电路、前置放大电路、AD转换电路和功率检测电路；
所述信号采集电路用以检测相应传感器的信号，对外界信息进行采集；
所述前置放大电路用以将采集到的模拟信号进行放大；
所述AD转换电路用以将模拟信号转换为控制器能识别的数字信号；
所述功率检测电路用以检测当前系统输出的实时电压与电流。
9.根据权利要求5所述的一种适应于无线传感节点的环境能量采集及管理系统，其特征在于所述中央控制器包括开关控制模块、无线数据接收模块、数据处理模块、MPPT控制模块和休眠与唤醒模块；
所述开关控制模块用以对同步开关电感电路的开关进行相应的时序控制；
所述无线数据接收模块用以接收从机发送来的数据；
所述数据处理模块用以对接收到的数据进行处理与存储；
所述MPPT控制模块用以对系统进行最大功率点追踪，以获得最大的发电功率；
所述休眠与唤醒模块用以对中央控制器、传感单元、无线收发单元发送休眠与工作信号，以降低系统的整体功耗。
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