CN113178937B - 一种自供电海洋物联网节点和系统 - Google Patents
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Abstract
一种自供电海洋物联网节点和系统，节点包括：外壳，中空结构，包括密封连接的半球形壳体和顶盖；重心调整组件，固定在所述半球形壳体内的底部位置处，用于维持所述节点的重心位于所述半球形壳体的底部；机械振动能量收集装置，固定在所述重心调整组件上，用于将海洋波浪产生的机械振动能量转换为电能；光伏发电收集装置，包括太阳能电池板和光伏充电控制组件，所述光伏发电收集装置固定在所述顶盖的上表面，用于将太阳能转换为电能；储能组件，设置于所述重心调整组件上，用于存储所述机械振动能量收集装置和所述光伏发电收集装置转换的电能；传感器网络组件，设置于所述顶盖的上表面；其中，所述储能组件用于为所述传感器网络组件供电。
Description
技术领域
本发明涉及海洋物联网技术领域，尤其涉及一种自供电海洋物联网节点和系统。
背景技术
随着对海洋区域的勘探需求不断增加，针对海洋感知的海上物联网计划随之快速发展，各类传感器在的供能多仅来源于太阳能或电池，但海洋气候复杂多变，对太阳能电池板输出能量有限，仅依靠获取太阳能可能无法保障持续稳定供电，从而降低化学电池寿命，缩减勘探时间。而海洋中蕴藏了大量可再生能源，利用海洋环境引发振动产生持续能量，配合网络组件中的物联网传感器低功耗的工作特点，实现可持续海洋认知，进一部开展对海洋可持续开发具有重要意义。
现有的海洋物联网节点，多采用现有光伏发电供能的海洋物联网节点能源获取手段单一，光照恶劣条件下无法持续供电，造成储能电池放电深度失控，缩短物联网节点寿命。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种自供电海洋物联网节点装置，用以解决现有的海洋物联网节点能源获取手段单一，光照恶劣条件下无法持续供电的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种自供电海洋物联网节点，包括：
外壳，中空结构，包括密封连接的半球形壳体和顶盖；
重心调整组件，固定在所述半球形壳体内的底部位置处，用于维持所述节点的重心位于所述半球形壳体的底部；
机械振动能量收集装置，固定在所述重心调整组件上，用于将海洋波浪产生的机械振动能量转换为电能；
光伏发电收集装置，包括太阳能电池板和光伏充电控制组件，所述光伏发电收集装置固定在所述顶盖的上表面，用于将太阳能转换为电能；
储能组件，设置于所述重心调整组件上，用于存储所述机械振动能量收集装置和所述光伏发电收集装置转换的电能；
传感器网络组件，设置于所述顶盖的上表面；其中，所述储能组件用于为所述传感器网络组件供电。
上述技术方案的有益效果如下：
机械振动能量收集装置将海洋波浪产生的机械振动能量转换为电能，光伏发电收集装置将太阳能转换为电能，储能组件存储转换得到的电能并为传感器网络组件供电，本发明实施例提供的自供电海洋物联网节点过将机械振动能量和太阳能相结合，能够收集多源能量，当光照条件恶劣时仍能通过机械振动能量收集装置收集能量为海洋物联网节点持续供能，节点结构简单实现方便，可以大大延长海洋物联网的寿命。
基于上述技术方案的进一步改进，所述机械振动能量收集装置包括：
下摩擦组件，为碗形结构，固定在所述重心调整组件上；
摩擦组件支架，包括两根支撑轴，所述两根支撑轴的下端分别固定在所述下摩擦组件的相对的两端，所述两根支撑轴的上端通过一固定横轴固定连接；
上摩擦组件，为碗形结构，通过链条挂在所述摩擦组件支架的固定横轴上；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件的凸面相对设置；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件摩擦生电；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件均包括由内而外依次设置的摩擦组件壳体、电极层和摩擦层；
摩擦充电控制组件，固定在所述重心调整组件上，所述摩擦充电控制组件的输入端分别与所述上摩擦组件和所述下摩擦组件的电极层连接；所述摩擦充电控制组件的输出端与所述储能组件的输入端连接。
上述技术方案的有益效果如下：
通过将上摩擦组件固定在重心调整组件上，保持下摩擦组件位置不变，将上摩擦组件通过链条挂在摩擦组件支架上，当物联网节点静止时，上下摩擦组件的位置为上下对应，当物联网节点被海洋波浪冲击摆动时，上摩擦组件随之摆动，上、下摩擦组件间发生相对位移进而摩擦生电，摩擦充电控制组件分别连接上、下摩擦组件的电极层，将摩擦产生的电流传输到储能组件进行存储。采用上、下摩擦组件、摩擦组件支架和摩擦充电控制组件结构简单，各部分相互配合，有效的收集海洋波浪的能量，为物联网节点提供更丰富的能源。
进一步地，所述摩擦充电控制组件包括降压电路和稳压电路，所述降压电路的输入端分别与所述上摩擦组件和下摩擦组件连接，用于将所述上摩擦组件和所述下摩擦组件摩擦产生的高压电流转化为低压电流，所述稳压电路的输入端与所述降压电路的输出端连接，所述稳压电路的输出端与所述储能组件的输入端连接，用于将所述低压电流进行缓冲稳压后传输给所述储能组件。
上述技术方案的有益效果如下：
降压电路将摩擦产生的高电压、小电流信号转换至低电压，以适配储能组件电压要求，通过稳压电路将低压电流进行缓冲稳压后传输给所述储能组件，为储能组件提供连续平稳的电流。
进一步地，所述储能组件包括多组储能器件和多组储能均衡管理器件；所述多组储能器件与所述多组储能均衡管理器件一一对应电连接；多组所述储能均衡管理器件间并联连接；所述摩擦充电控制组件与所述光伏充电控制组件与所述多组储能均衡管理器件的电流输入端连接；
所述储能均衡管理器件用于获取所述储能器件的电压和输入电压，根据所述储能器件的电压和输入电压的压差，控制对所述储能器件进行充电或放电。
上述技术方案的有益效果如下：
储能均衡管理器件间相互并联，而各储能器件间不相连，从而保证各储能器件间不会因电压差进行放电和充电；储能均衡管理器件根据储能器件的电压和输入电压的压差判断是否需要对储能器件进行充电和放电，当储能器件的电压大于输入电压时，停止对储能器件进行充电，当储能器件的电压小于输入电压一定阈值时，停止对储能进行放电。通过储能均衡管理器件对储能器件进行均衡管理，从而避免储能器件过充或过放，从而延长储能器件的寿命。
进一步地，所述传感器网络组件包括单片机、传感器、射频模块和天线；所述单片机用于控制所述传感器、所述射频模块和所述天线工作；所述单片机根据所述储能组件的能量余量进行工作周期规划，所述工作周期包括采样周期和休眠周期。
上述技术方案的有益效果如下：
单片机根据储能器件的能量余量进行工作周期规划，当电量充足时将工作周期调整为采用周期，当电量不足时，将工作周期调整为休眠周期，从而实现功耗的有效控制，确保获取能量大于系统消耗能量实现能量平衡，从而大大延长节点的使用寿命。
进一步地，所述传感器包括：温度传感器、磁强计、加速度计中的一种或几种。
进一步地，所述重心调整组件包括存储容器，所述存储容器为密封结构，所述存储容器内装有配重液体，所述存储容器固定于所述半球形壳体的底部。
上述技术方案的有益效果如下：
通过重新调整组件，当波浪冲击节点是，维持节点的重心始终保持在半球形壳体的底部，从而保证上、下摩擦组件可以摩擦生电。采用装有配重液体的密封的存储容器，结构简单实现方便。
进一步地，所述摩擦组件壳体采用光降解树脂材料；所述电极层为金属材料；所述上摩擦组件的摩擦层和所述下摩擦组件的摩擦层分别为摩擦失电子材料和摩擦得电子材料。
进一步地，所述外壳采用光降解树脂材料。
上述技术方案的有益效果如下：
采用光降解树脂材料可以减少对环境的影响。
另一方面，本发明实施例提供了一种自供电海洋物联网系统，包括中任一项所述的自供电海洋物联网节点；所述节点间通讯连接；所述系统定期根据每个节点的储能余量确定一个主节点，其余节点将采集的环境信息发送给主节点，主节点将接收的环境信息发送至卫星。
上述技术方案的有益效果如下：
通过定期确定储能量最大的节点为主节点，其他节点经过主节点向卫星发送采样数据，可以大大减少各节点的耗能，提高海洋物联网系统的使用寿命。根据各节点的储能量的大小，各节点轮流担任主节点，，使每个节点不至耗能过高，提高了节点的使用寿命，从而提高了系统的稳定性。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的自供电海洋物联网节点结构示意图；
图2为本发明实施例的机械振动能量收集装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的机械振动能量收集装置的工作原理示意图；
图4为本发明实施例的降压电路和稳压电路的电路结构示意图；
图5为本发明实施例的储能组件的结构示意图；
图6为本发明实施例的储能均衡管理器件与单片机的电路结构示意图；
图7为本发明实施例的自供电海洋物联网系统的结构示意图；
附图标记：
000-自供电海洋物联网节点；001-顶盖；002-半球形壳体；100-机械振动能量收集装置；101-支撑轴；102-固定横轴；110-上摩擦组件；
111-上摩擦组件壳体；112-上摩擦组件电极层；113-上摩擦组件摩擦层；114-链条；120-下摩擦组件；121-下摩擦组件摩擦层；122-下摩擦组件电极层；123-下摩擦组件壳体；130-摩擦充电控制组件；200-重心调整组件；300-储能组件；301-储能器件；302-储能均衡管理器件；400-传感器网络组件；500-光伏发电收集装置；600-卫星。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
现有的海洋物联网节点，多采用现有光伏发电供能的海洋物联网节点能源获取手段单一，光照恶劣条件下无法持续供电，造成储能电池放电深度失控，缩短物联网节点寿命。
为了解决上述问题，本申请的一个具体的实施例公开了一种自供电海洋物联网节点，如图1所示，包括：
外壳，中空结构，包括密封连接的半球形壳体和顶盖；为了减小环境污染，海洋物联网节点的所述外壳采用光降解树脂材料。
重心调整组件，固定在所述半球形壳体内的底部位置处，用于维持所述节点的重心位于所述半球形壳体的底部；
机械振动能量收集装置，固定在所述重心调整组件上，用于将海洋波浪产生的机械振动能量转换为电能；
光伏发电收集装置，包括太阳能电池板和光伏充电控制组件，所述光伏发电收集装置固定在所述顶盖的上表面，用于将太阳能转换为电能；
储能组件，设置于所述重心调整组件上，用于存储所述机械振动能量收集装置和所述光伏发电收集装置转换的电能；
传感器网络组件，设置于所述顶盖的上表面；其中，所述储能组件用于为所述传感器网络组件供电。
具体的，为了更有效的收集海洋波浪的能量，为物联网节点提供更丰富的能源，机械振动能量收集装置，如图2所示，包括：
下摩擦组件，为碗形结构，固定在所述重心调整组件上，从而保持下摩擦组件在物联网节点中的位置不变；
摩擦组件支架，包括两根支撑轴，所述两根支撑轴的下端分别固定在所述下摩擦组件的相对的两端，所述两根支撑轴的上端通过一固定横轴固定连接；
上摩擦组件，为碗形结构，通过链条挂在所述摩擦组件支架的固定横轴上；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件的凸面相对设置；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件摩擦生电；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件均包括由内而外依次设置的摩擦组件壳体、电极层和摩擦层；将摩擦组件支架固定在下摩擦组件上，上摩擦组件悬挂在摩擦组件支架上，从而保持上下摩擦组件的相对位置。
摩擦充电控制组件，固定在所述重心调整组件上，所述摩擦充电控制组件的输入端分别与所述上摩擦组件和所述下摩擦组件的电极层连接；所述摩擦充电控制组件的输出端与所述储能组件的输入端连接。
为了减小环境污染，摩擦组件壳体采用光降解树脂材料。上、下摩擦组件的电极层可采用导电性良好的金属材料，如金、铜等。为了能提高摩擦生电的效率，上、下摩擦组件的摩擦层可分别采用摩擦易失电子材料和摩擦易得电子材料。优选地，上摩擦组件的摩擦层采用失电子能力较强的金属，如铝或铜，下摩擦组件的摩擦层采用得电子能力较强得材料如聚四氟乙烯。
实施时，为了防止电荷流失和固定摩擦组件支架，上、下摩擦组件的电极层和摩擦层并非完全覆盖摩擦组件壳体，例如可覆盖摩擦组件壳体面积的3/4，使摩擦组件支架的两根支撑轴可以固定在下摩擦组件的摩擦组件壳体上。实施时，为了提高发电效率，上、下摩擦组件的直径大于0.5m。
机械振动能量收集装置的工作原理如图3所示，初始时上摩擦组件与下摩擦组件为静止状态。当海浪波动时，外壳会发生晃动，重心调整装置保持重心在下，在设计范围内外壳会产生摇摆，上摩擦组件的摩擦层与下摩擦组件的摩擦层便会不断产生距离变化摩擦生电。外壳继续摆动，上摩擦组件的摩擦层与下摩擦组件的摩擦层发生分离，上摩擦组件的电极层和下摩擦组件的电极层为了平衡电势差，产生感应电流；当上摩擦组件的摩擦层与下摩擦组件的摩擦层完全分离，感应电流消失。在外部海浪的冲击下，不断循环上述步骤，机械振动能量收集装置便可持续发电。摩擦充电控制组件可通过电线与上、下电极层连接，将上、下电极层产生的感应电流传输到储能器件中进行存储，从而为物联网节点提供能量供应。
为了为储能组件提供稳定连续电流，所述摩擦充电控制组件包括降压电路和稳压电路，所述降压电路的输入端分别与所述上摩擦组件和下摩擦组件的电极层连接，用于将所述上摩擦组件和所述下摩擦组件摩擦产生的高压电流转化为低压电流，所述稳压电路的输入端与所述降压电路的输出端连接，所述稳压电路的输出端与所述储能组件的输入端连接，用于将所述低压电流进行缓冲稳压后传输给所述储能组件。
具体的，降压电路和稳压电路如图4所示，降压电路包括稳压二极管D1、电感L和电容C1，稳压二极管D1将因摩擦产生的高电压、小电流信号转换为低电压、大电流输出至电感L和电容C1，经电感L和电容C1滤波后输出至稳压电路122；所述稳压电路122由电容C2和稳压管D2组成，降压电路121输出的电流经C2缓冲后，经稳压管D2进一步稳定后输出使电压、电流更为连续平稳。
具体的，光伏发电收集装置的太阳能电池板的输出端和光伏充电控制组件的输入端连接，光伏充电控制组件的输出端和储能组件的输入端连接。通过太阳能电池板收集太阳能并转换为电能，为海洋物联网节点供能。在光照情况下阳光照射在太阳能电池板上，太阳能电池板收集太阳能，太阳能电池板输出端接入光伏充电控制组件，光伏充电控制组件具备最大功率点跟踪功能，光伏充电控制组件将输出功率调整至最大输出水平，将能量输出至储能组件。
为了能对储能组件进行能量均衡管理，提高储能组件的使用寿命，储能组件包括多组储能器件和多组储能均衡管理器件；所述多组储能器件与所述多组储能均衡管理器件一一对应电连接；多组所述储能均衡管理器件间并联连接；所述摩擦充电控制组件与所述光伏充电控制组件与所述多组储能均衡管理器件的电流输入端连接。如图5所示，摩擦充电控制组件与所述光伏充电控制组件可分别通过隔离二极管D3、D4与多组储能均衡管理器件的电流输入端连接，从而达到电气隔离。
储能均衡管理器件间相互并联，而各储能器件间不相连，从而保证各储能器件间不会因电压差进行放电和充电。
所述储能均衡管理器件用于获取所述储能器件的电压和输入电压，根据所述储能器件的电压和输入电压的压差，控制对所述储能器件进行充电或放电。
具体的，储能均衡管理器件根据与之相连的储能器件的电压和输入电压的压差判断是否需要对储能器件进行充电和放电。储能均衡管理器周期性对储能器件电压和充电电压进行采样，并对两端电压进行比较，当储能器件的电压不小于输入电压时，停止对储能器件进行充电。储能器件通过储能均衡管理器件实现对传感器网络组件的供电，供电过程中储能均衡管理器对储能器件电压值进行采样，当储能器件的电压小于储能均衡管理器设定的放电通道关闭阈值时，储能均衡管理器将关闭储能器件的放电通道，只对储能器件进行充电操作，当储能器件的电压大于放电通道开启阈值时，储能均衡管理器重新打开储能器件的放电通道。通过储能均衡管理器件对储能器件进行均衡管理，从而避免储能器件过充或过放，从而延长储能器件的寿命。储能均衡管理器件包括数据输出端，连接传感器网络组件的数据输入端，用于向传感器网络组件发送储能余量。实施时，储能器件可采用锂电池，储能均衡管理器件可采用锂电池管理芯片DS2784，DS2784芯片可集成在锂电池的电池包中。
所述传感器网络组件包括单片机、传感器、射频模块和天线；所述单片机用于控制传感器、射频模块和天线工作；所述单片机根据所述储能组件的能量余量进行工作周期规划，所述工作周期包括采样周期和休眠周期。当储能器件的能量容量充足时单片机缩短休眠周期，当能量不足时单片机延长休眠周期达到补充能量，避免储能器件过放。实施时，单片机可采用C8051F41X系列。
实施时，如图6所示，摩擦充电控制组件与光伏充电控制组件分别通过隔离二极管D3和D4连接到集成了DS2784芯片的电池包的正极，通过DS2784为储能器件充电。在电池包内部，每组电池管理芯片与电池的结构相同。示例性的，以其中一组电池管理芯片与电池及单片的连接为例进行说明。锂电池的正极连接MOS管Q2的源极，Q2的栅极通过电阻R3连接DS2784的CC引脚，Q2的漏极连接MOS管Q1的漏极，Q1的栅极通过电阻R2连接DS2784的DC引脚，Q1的源极通过电阻R1连接DS2784的PLS引脚。锂电池的负极连接DS2784的VSS引脚,锂电池的负极还通过电阻R6连接DS2784的SNS引脚。DS2784的PIO引脚通过开关S1及隔离二极管D5连接单片机的电源正极。当DS2784检测到锂电池的电压不小于输入电压时，DS2784的CC引脚输出低电平，从而关闭Q2，停止充电。在过压期间，DC引脚仍保持高电平输出，从而允许放电。当电池电压下降至充电使能门限是，DS2784驱动CC引脚输出高电平，从而重新使能充电。在供电过程中，当DS2784检测到锂电池的电压小于预先设定的放电通道的关闭阈值时，DS2784控制开关S1切断与单片机的电路连接，当DS2784检测到锂电池的电压大于预先设定的放电通道的开启阈值时，DS2784控制开关S1接通与单片机的电路连接，为传感器网络组件供电。DS2784的数据输入输出端DQ与单片机的IO例如p0.2引脚连接，用于向单片机传输电池电量余量。其中Q1、Q2均为NMOS管。
实施时，单片机以剩余电量为采样周期和休眠周期比例规划依据，例如，工作周期为1小时。当剩余电量大于90％时，采样周期和休眠周期比例为各占30分钟。当剩余电量70～90％之间时，采样周期为20分钟，休眠周期为40分钟；当剩余电量50～70％时，采样周期为20分钟，休眠周期为40分钟；当剩余电量30～50％时，采样周期为5分钟，休眠周期为55分钟；当剩余电量不大于20％时，采样周期为0分钟，休眠周期为60分钟。在休眠模式下，单片机采用低频时钟工作，例如，低频时钟频率为0.032768MHz，内部主要功能关闭，仅保留定时唤醒功能，并将传感器、射频模块和天线均设为断电状态，此时系统电流仅为2.5uA，功耗9uW。采样周期时单片机使用正常时钟工作，例如正常时钟频率可为24MHz，内部主要功能开启，并将传感器、射频模块和天线均设为上电状态。单片机通过自身时钟控制实现单片机休眠和唤醒。
所述传感器包括：温度传感器、磁强计、加速度计中的一种或几种。
示例性的，单片机通过IO引脚p0.6与射频模块连接控制为射频模块供电；单片机通过IO接口p0.3控制为温度传感器供电；单片机通过IDA0和IDA1引脚分别控制为加速度计和磁强计供电。
传感器采集海洋环境信息例如温度、磁场强度的信息，将采集的数据发送给单片机，单片机将采集的数据发送到射频模型，经天线发送到其他节点或卫星，单片机与射频模块通过UART连接。单片机与加速度计、磁强计、温度传感器和射频模块的通信连接采用现有技术。
实施时，传感器网络组件采用防水和耐腐蚀装置，传感器网络组件固定在外壳的顶盖的上表面，从而保证物联网节点可将数据发送至其他节点或卫星。
所述重心调整组件包括存储容器，所述存储容器为密封结构，所述存储容器内装有配重液体，所述存储容器固定于所述半球形壳体的底部。
实施时，存储容器可为圆柱体结构，配重液体可为海水。存储容器可通过螺钉或卡扣固定在半球形壳体的底部，当节点被海浪冲击时维持海洋物联网节点的重心保持在半球形壳体的底部，使顶盖始终朝上，从而保证光伏发电收集装置可以收集太阳能。
本发明实施例的自供电海洋物联网节点，充电和振动状态维持无需消耗储能组件能量，并可通过低功耗模式和唤醒功能，实现功耗的有效控制，确保获取能量大于系统消耗能量实现能量平衡，有效获取并积累摩擦产生的微小能量，并可通过光伏发电收集系统在无振动环境下获取能量，无需维持振动状态就可实现能量平衡。本发明各组成单元对使用温度无特殊要求，便于实现，适用范围广。储能均衡管理组件可实现各储能器件的均衡使用避免储能器件间因个体差异造成使用不均缩短使用寿命，从而解决海洋物联网节点寿命不可控的问题。本发明提供的海洋物联网节点结构简洁，实现稳定地周期性自供电工作，根据储能容量调整工作周期，避免了更换储能器件的操作。
本申请的一个具体的实施例公开了一种自供电海洋物联网系统，如图7所示，所述系统的物联网节点包括前述技术方案中所述的自供电海洋物联网节点；节所述节点间通讯连接；所述系统定期根据每个节点的储能余量确定一个主节点，其余节点将采集的环境信息发送给主节点，主节点将接收的环境信息发送至卫星。
例如各节点可通过物联网无线链路和自组网技术连接。各节点定期向其他所有节点发送本节点的储能余量；将储能量最大的节点确定为主节点，各节点在采样周期时将采样数据发送给主节点，主节点将接收的采样数据发送给卫星。当最大储能余量包括多个节点时，根据节点的地址确定地址最前的节点为主节点。
示例性的，主节点在一小时一直处于接收和广播状态，向各节点依次发送包含有节点编号的数据索取指令，各节点收到与自身编号对应的数据索取信息后，向主节点发送采集的环境信息。主节点完成接收各节点收集的海洋环境信息后，主节点通过增大自身无线发射功率，向卫星或向空中的滞留飞行器发送环境采样信息。
通过定期确定储能量最大的节点为主节点，其他节点经过主节点向卫星发送采样数据，可以大大减少各节点的耗能，提高海洋物联网系统的使用寿命。根据各节点的储能量的大小，各节点轮流担任主节点，，使每个节点不至耗能过高，提高了节点的使用寿命，从而提高了系统的稳定性。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自供电海洋物联网节点，其特征在于，包括
外壳，中空结构，包括密封连接的半球形壳体和顶盖；
重心调整组件，固定在所述半球形壳体内的底部位置处，用于维持所述节点的重心位于所述半球形壳体的底部；
机械振动能量收集装置，固定在所述重心调整组件上，用于将海洋波浪产生的机械振动能量转换为电能；
光伏发电收集装置，包括太阳能电池板和光伏充电控制组件，所述光伏发电收集装置固定在所述顶盖的上表面，用于将太阳能转换为电能；
储能组件，设置于所述重心调整组件上，用于存储所述机械振动能量收集装置和所述光伏发电收集装置转换的电能；
传感器网络组件，设置于所述顶盖的上表面；其中，所述储能组件用于为所述传感器网络组件供电；
所述机械振动能量收集装置包括：
下摩擦组件，为碗形结构，固定在所述重心调整组件上；
摩擦组件支架，包括两根支撑轴，所述两根支撑轴的下端分别固定在所述下摩擦组件的相对的两端，所述两根支撑轴的上端通过一固定横轴固定连接；
上摩擦组件，为碗形结构，通过链条挂在所述摩擦组件支架的固定横轴上；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件的凸面相对设置；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件摩擦生电；所述上摩擦组件和所述下摩擦组件均包括由内而外依次设置的摩擦组件壳体、电极层和摩擦层；上摩擦组件和下摩擦组件的摩擦层分别采用摩擦易失电子材料和摩擦易得电子材料；
摩擦充电控制组件，固定在所述重心调整组件上，所述摩擦充电控制组件的输入端分别与所述上摩擦组件和所述下摩擦组件的电极层连接；所述摩擦充电控制组件的输出端与所述储能组件的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的自供电海洋物联网节点，其特征在于，所述摩擦充电控制组件包括降压电路和稳压电路，所述降压电路的输入端分别与所述上摩擦组件和下摩擦组件连接，用于将所述上摩擦组件和所述下摩擦组件摩擦产生的高压电流转化为低压电流，所述稳压电路的输入端与所述降压电路的输出端连接，所述稳压电路的输出端与所述储能组件的输入端连接，用于将所述低压电流进行缓冲稳压后传输给所述储能组件。
3.根据权利要求2所述的自供电海洋物联网节点，其特征在于，所述储能组件包括多组储能器件和多组储能均衡管理器件；所述多组储能器件与所述多组储能均衡管理器件一一对应电连接；多组所述储能均衡管理器件间并联连接；所述摩擦充电控制组件与所述光伏充电控制组件与所述多组储能均衡管理器件的电流输入端连接；
所述储能均衡管理器件用于获取所述储能器件的电压和输入电压，根据所述储能器件的电压和输入电压的压差，控制对所述储能器件进行充电或放电。
4.根据权利要求1所述的自供电海洋物联网节点，其特征在于，所述传感器网络组件包括单片机、传感器、射频模块和天线；所述单片机用于控制所述传感器、所述射频模块和所述天线工作；所述单片机根据所述储能组件的能量余量进行工作周期规划，所述工作周期包括采样周期和休眠周期。
5.根据权利要求4所述的自供电海洋物联网节点，其特征在于，所述传感器包括：温度传感器、磁强计、加速度计中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的自供电海洋物联网节点，其特征在于，所述重心调整组件包括存储容器，所述存储容器为密封结构，所述存储容器内装有配重液体，所述存储容器固定于所述半球形壳体的底部。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的自供电海洋物联网节点，其特征在于，所述摩擦组件壳体采用光降解树脂材料；所述电极层为金属材料；所述上摩擦组件的摩擦层和所述下摩擦组件的摩擦层分别为摩擦失电子材料和摩擦得电子材料。
8.根据权利要求1所述的自供电海洋物联网节点，其特征在于，所述外壳采用光降解树脂材料。
9.一种自供电海洋物联网系统，其特征在于，所述系统的物联网节点包括权利要求1所述的自供电海洋物联网节点；所述节点间通讯连接；所述系统定期根据每个节点的储能余量确定一个主节点，其余节点将采集的环境信息发送给主节点，主节点将接收的环境信息发送至卫星。
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (14)
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|---|---|---|---|---|
| CN102123488B (zh) * | 2011-03-03 | 2013-10-02 | 河海大学常州校区 | 无线传感器网络中复杂任务协作处理的控制节点选取方法 |
| CN203377808U (zh) * | 2013-04-22 | 2014-01-01 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 采用纳米摩擦发电机的海洋能发电和太阳能发电组合系统 |
| CN105356790B (zh) * | 2015-11-16 | 2017-08-18 | 中北大学 | 摩擦‑压电‑磁电复合式三维空间多自由度微能源采集器 |
| CN105472685A (zh) * | 2015-12-07 | 2016-04-06 | 天津大学 | 一种基于粒子群的无线传感器网络路由节能方法 |
| CN106124717A (zh) * | 2016-06-22 | 2016-11-16 | 天津大学 | 一种基于蜂窝状优化组网方式的海洋水质实时监测装置 |
| CN106253434A (zh) * | 2016-08-11 | 2016-12-21 | 国网天津市电力公司 | 一种面向物联网节点的微型能源收集器 |
| CN207926645U (zh) * | 2017-12-30 | 2018-09-28 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 基于无线传感器网络的海上uav数据采集与监测系统 |
| CN111327172B (zh) * | 2019-01-21 | 2021-08-27 | 北京纳米能源与系统研究所 | 基于摩擦和磁感应的发电机 |
| CN111865133B (zh) * | 2019-04-25 | 2022-03-18 | 北京纳米能源与系统研究所 | 摆式摩擦纳米发电机及能量采集器 |
| CN110649861B (zh) * | 2019-09-16 | 2022-04-15 | 珠海莲腾新能源技术有限公司 | 一种多能互补的海上能源集成发电系统 |
| CN110905712B (zh) * | 2019-11-28 | 2021-02-09 | 北京纳米能源与系统研究所 | 海浪能收集装置及海上发电设备 |
| CN110912248A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-03-24 | 国网山东省电力公司济南供电公司 | 一种温度传感器储能循环供电系统 |
| CN111641930B (zh) * | 2020-06-01 | 2021-04-13 | 秦川 | 应用于海洋信息网络的分层式数据采集系统及方法 |
| CN112532103B (zh) * | 2020-12-07 | 2021-09-28 | 上海大学 | 一种海洋能量收集装置 |
-
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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