CN113655090A - 基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，属于气体传感器技术领域；所要解决的技术问题为：提供基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括敏感信号处理模块、振动信号采集模块、能量回收与存储模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块；其中敏感信号处理模块、振动信号采集模块设置在传感器内部独立的气体仓内；振动信号采集模块通过将流入气体仓内部的振动信号进行采集，并通过压电材料将振动产生的机械能转化为电能；能量回收与存储模块用于将振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，给各模块供电；本发明应用于气体传感器。

Description

基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器

技术领域

本发明基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，属于基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器技术领域。

背景技术

当今世界大气污染问题日益严重，严重影响到人类的身体健康以及居住环境，气体环境监测问题也越来越受到人们的关注，并在工业生产、外太空探索等多领域发挥出极其重要的指导意义。目前主要使用气体传感器来监测空气中各气体成分含量。气体传感器可以分为有线气体传感器和无线气体传感器这两大类。有线气体传感器灵活性低，需要占据大量空间，后期维护也十分困难，而且在有些工作环境中存在着布线困难的问题。所以人们提出了无线气体传感器来解决以上困难。但目前存在的无线气体传感器大多是采用外部电源供电，在工作时需要工作人员定期更换气体传感器电池或是直接更换传感器设备。但在有些特殊的工作环境中（如煤矿井下、外太空等）危险且出入困难的环境中，不能直接更换电池，这无疑增加了操作复杂度和运行成本，同时大量的废弃电池也会污染环境。

为了解决传统的有线气体传感器和无线气体传感器存在的弊端，有必要将自供电技术引入到气体传感器领域。通过将外界环境中的能量转换为电能来维持气体传感器正常工作，不仅能够省去有线气体传感器中布线的步骤，也能解决无线气体传感器的功耗高、寿命短、需要外部电池供能等问题。因此，这种基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器具有极其广泛的应用前景。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，包括敏感信号处理模块、振动信号采集模块、能量回收与存储模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块，所述控制模块通过导线分别与敏感信号处理模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块相连；

其中敏感信号处理模块、振动信号采集模块设置在传感器内部独立的气体仓内；

所述振动信号采集模块通过将流入气体仓内部的振动信号进行采集，并通过压电材料将振动产生的机械能转化为电能；

所述能量回收与存储模块用于将振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，并且对振动能量转化来的电能进行存储，给敏感信号处理模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块供电。

所述敏感信号处理模块包括敏感元件、信号放大电路与数模转换电路，待测气体与敏感元件发生反应，通过输出电流或电压的大小测量待测气体的浓度。

所述振动信号采集模块包括多组由压敏材料、弹簧、基座、簧片组成的振动采集阵列，每一个簧片由弹簧和压敏材料固定，其中压敏材料从弹簧线圈中心穿过，压敏材料底部与弹簧一起固定在基座上，通过气流带动簧片振动，并将振动产生的机械能转化为电能。

所述能量回收与存储模块包括全桥整流电路、能量存储电路以及降压稳压电路，采用全桥整流电路把振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，能量存储电路采用超级电容作为储能元件，再通过降压稳压电路对直流电信号做降压处理获取稳定的电压电流信号，然后给气体传感器各模块供电。

所述通信模块包括BC25低功耗芯片、SIM卡、物联网通信卡、天线，采用NB-IOT无线通信将气体浓度数据发送至服务器，实现气体浓度数据在服务器端的存储与分析。

所述声光报警模块包括蜂鸣器、LED报警灯。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器采用了基于簧片、小劲度系数弹簧、压敏材料的振动能量采集模块和基于全桥整流电路以及超级电容的能量转化以及存储模块实现了对气体传感器各模块的供电，使得本发明的气体传感器不需要外部电源供电来检测各气体成分浓度，结构简单新颖且成本低，可广泛应用于各种易产生有毒气体的工业生产领域。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的无线自供电气体传感器内部结构示意图；

图2为本发明气体传感器中振动能量采集模块的结构示意图；

图3为本发明气体传感器中能量转换与回收流程图；

图4为本发明气体传感器的工作流程图；

图中：1为气体仓进气口、2为压敏材料、3为弹簧、4为基座、5为簧片、6为气体仓出气口。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，包括敏感信号处理模块、振动信号采集模块、能量回收与存储模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块，所述控制模块通过导线分别与敏感信号处理模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块相连；

其中敏感信号处理模块、振动信号采集模块设置在传感器内部独立的气体仓内；

所述振动信号采集模块通过将流入气体仓内部的振动信号进行采集，并通过压电材料将振动产生的机械能转化为电能；

所述能量回收与存储模块用于将振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，并且对振动能量转化来的电能进行存储，给敏感信号处理模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块供电。

所述敏感信号处理模块包括敏感元件、信号放大电路与数模转换电路，待测气体与敏感元件发生反应，通过输出电流或电压的大小测量待测气体的浓度。

所述振动信号采集模块包括多组由压敏材料2、弹簧3、基座4、簧片5组成的振动采集阵列，每一个簧片5由弹簧3和压敏材料2固定，其中压敏材料2从弹簧3线圈中心穿过，压敏材料2底部与弹簧3一起固定在基座4上，通过气流带动簧片振动，并将振动产生的机械能转化为电能。

所述能量回收与存储模块包括全桥整流电路、能量存储电路以及降压稳压电路，采用全桥整流电路把振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，能量存储电路采用超级电容作为储能元件，再通过降压稳压电路对直流电信号做降压处理获取稳定的电压电流信号，然后给气体传感器各模块供电。

所述通信模块包括BC25低功耗芯片、SIM卡、物联网通信卡、天线，采用NB-IOT无线通信将气体浓度数据发送至服务器，实现气体浓度数据在服务器端的存储与分析。

所述声光报警模块包括蜂鸣器、LED报警灯。

本发明提供的基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器包括敏感信号处理模块、振动信号采集模块、能量回收与存储模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块。敏感信号处理模块与振动信号采集模块位于气体仓内独立于其他模块，其中敏感信号处理模块包含敏感元件、信号放大电路与数模转换电路，待测气体与敏感器件间发生相关的反应，用输出电流或电压的大小反应待测气体的浓度。

振动信号采集模块包含多个压敏材料2、小劲度系数弹簧3、基座4、簧片5。其中簧片5靠近气体仓进气口1，且高度与气体仓进气口高度保持一致。压敏材料2和小劲度系数弹簧3顶部支撑簧片5，他们底部由基座4固定。当气流进入气体仓进气口1时，簧片5受气流影响会产生振动信号，底部的小劲度系数弹簧3会对振动信号起到动态的放大作用，在拓宽频带的同时也提高了输出。压敏材料2在簧片5和弹簧3的振动下产生相应的形变，从而成功采集到振动信号，通过正压电效应将振动产生的机械能转化为电能。

气体传感器中能量回收与存储模块包含全桥整流电路、能量存储电路以及降压稳压电路。其中能量存储电路选用超级电容，超级电容充放电时仅通过电子移动，故电极劣化小，与普通电池相比，可充放电次数更多。

本发明的气体传感器各模块都通过能量回收与存储模块供电。能量回收与存储模块主要用全桥整流电路来把振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，并且对振动能量转化来的电能进行存储。由于普通蓄电池存在过度充放电，寿命短的问题，需要充放电控制电路，所以本发明选用超级电容作为储能元件。再对这个直流电信号做降压处理来获取一个相对稳定的电压电流信号，然后给气体传感器各模块供电。

振动信号采集模块、能量回收与存储模块共同构成能量转化与回收存储模块。其中振动信号经压电材料转换为交流电荷，交流电荷经由全桥整流电路转换为波动的直流电荷。电能由超级电容存储，在各模块需要使用电能的时候，超级电容输出的电能经过降压稳压电路转化为稳定的直流电。

控制模块分别与敏感信号处理模块、振动信号采集模块、能量回收与存储模块、通信模块、显示模块和声光报警模块相连接，来控制各模块工作实现数据交互。由于气体变化是一个动态的过程，控制模块可以在气体浓度正常情况下，降低传感器发送数据频率，动态调整各模块的休眠与工作时间间隔，实现气体传感器的低功耗、实时监测、报警等三种工作模式。气体浓度不处于正常范围时，控制模块可提高数据发送频率，实现实时监测待测气体。而当气体浓度低于或者高于气体浓度阈值浓度时，控制模块可以唤醒声光报警模块。

通信模块包含BC25低功耗芯片以及SIM卡和物联网通信卡和天线，采用NB-IOT通信方式，将待测气体浓度数据发送给服务器。

显示模块与控制模块连接，通过控制模块将气体浓度数据显示在屏幕上，显示屏模块可以实时的显示气体浓度数据，包含带背光的LCD液晶显示屏，其成本低，功耗低并且不会因供电不足导致画面色彩失真。

声光报警模块与控制模块相连接，包含蜂鸣器、LED报警灯等元器件，可以实现有毒气体阈值报警功能，当气体浓度处于危险范围时，声光报警模块正常工作。

本发明的无线自供电气体传感器是自供能气体传感器，下面结合具体实施方式以及参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明气体传感器内部结构示意图，也就是气体传感器内部所包含的模块以及连接方式，主要包含敏感信号处理模块、振动信号采集模块、能量回收与存储模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块。其中振动信号采集模块和敏感信号处理模块位于气体仓，独立于其他各模块。振动信号采集模块只和能量回收与存储模块连接，而能量回收与存储模块与其他各模块相连接，用来给气体传感器其他模块供电。敏感信号处理模块由能量回收与存储模块供电，主要用来测量待测气体成分浓度。控制模块包含主控芯片，与除振动信号采集模块外其他各模块都相连接，控制传感器各模块工作，降低气体传感器功耗。通信模块主要有NB-IOT通信方式，用来与外部数据服务器通讯。显示模块由LCD显示屏组成，实时显示环境中待测气体的浓度。声光报警模块包含蜂鸣器和LED报警灯，当环境中待测气体浓度超过或低于阈值浓度时会发生声光报警，提醒环境中的工作人员及时疏散。

图2是本发明气体传感器振动信号采集模块结构示意图，包括气体仓进气口1，压敏材料2、小劲度系数弹簧3、基座4、簧片5、气体仓出气口6。气体仓进气口1高度与簧片阵列高度保持一致。压敏材料2和小劲度系数弹簧3顶部支撑着簧片，底部由基座4固定。基座4固定在气体仓底部。当待测环境中气体流进入到气体仓中，簧片阵列受气流影响产生振动，小劲度系数弹簧能动态的放大振动信号，压敏材料感受到振动产生相应的形变，从而将簧片振动产生的机械能转化为电能。

图3是本发明气体传感器的能量转化与回收流程图。能量转换与回收存储主要由振动信号采集模块和能量回收与存储模块这两部分组成。振动信号采集模块内的压电材料采集到振动后产生相应的形变，将振动产生的机械能转化为电能。此时的电能为交流电荷，采用全桥整流电路将交流电转化为波动的直流电。然后借助于超级电容存储转化来的电能，最后电能在输出给各模块之前首先需要经过降压稳压电路转变为稳定的直流电压输出。由此实现将振动信号转化为电能给气体传感器各模块供电。

图4是本发明气体传感器正常工作流程图，由此可见，敏感信号处理模块包含敏感元件、放大电路、数模转换电路等组成部分。当敏感元件察觉到待测气体时，与相应成分的气体发生反应，产生电流或电压信号输出。该电流信号或电压信号经由放大电路放大，然后经由数模转化电路转变为数字信号输出给控制电路。控制电路与通信模块，显示屏模块、声光报警模块相连，可将敏感信号处理模块获取的数据借助于NB-IOT通信技术发送给后端服务器，同时显示在显示屏上。而当获取的浓度数据超过或低于待测气体浓度阈值时，控制电路可控制声光报警模块工作，提醒在场人员紧急疏散。

同时本气体传感器可实现低功耗的工作方式、实时监测模式、报警模式这三个工作方式。气体浓度的变化过程时一个动态的过程，在气体浓度处于正常范围时，控制电路可降低气体传感器发送数据频率，同时关闭显示屏模块，以降低气体传感器功耗。气体传感器上设置有按钮，可人为唤醒显示屏模块。当气体浓度不在正常范围内，气体传感器控制模块可提高数据发送频率，实时监测气体浓度值；而当浓度超过或低于阈值浓度时，传感器声光报警模块开始工作。

本发明一种基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，利用气体舱内的多个簧片、压敏材料以及小劲度系数的弹簧组成振动信号采集模块，每一个簧片由小劲度系数弹簧和压敏材料固定，其中压敏材料从弹簧线圈中心穿过，压敏材料底部与弹簧一起固定在基座上。在气流进入气体仓时，簧片阵列受气流影响产生振动，用于固定簧片的压敏材料收集这些振动能并将之转化为电能。同时，本发明的气体传感器设置有低功耗工作方式，降低正常使用时的数据发送频率。本发明相比现有的气体传感器，实现了自供电的功能，同时其内部电路结构简单，降低了气体传感器功耗，提高了其在生产使用中的安全性。本发明的气体传感器实用性能强且制作成本低，有利于批量生产。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

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 (6)

1.基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，其特征在于：包括敏感信号处理模块、振动信号采集模块、能量回收与存储模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块，所述控制模块通过导线分别与敏感信号处理模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块相连；

其中敏感信号处理模块、振动信号采集模块设置在传感器内部独立的气体仓内；

所述振动信号采集模块通过将流入气体仓内部的振动信号进行采集，并通过压电材料将振动产生的机械能转化为电能；

所述能量回收与存储模块用于将振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，并且对振动能量转化来的电能进行存储，给敏感信号处理模块、控制模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，其特征在于：所述敏感信号处理模块包括敏感元件、信号放大电路与数模转换电路，待测气体与敏感元件发生反应，通过输出电流或电压的大小测量待测气体的浓度。

3.根据权利要求1所述的基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，其特征在于：所述振动信号采集模块包括多组由压敏材料（2）、弹簧（3）、基座（4）、簧片（5）组成的振动采集阵列，每一个簧片（5）由弹簧（3）和压敏材料（2）固定，其中压敏材料（2）从弹簧（3）线圈中心穿过，压敏材料（2）底部与弹簧（3）一起固定在基座（4）上，通过气流带动簧片振动，并将振动产生的机械能转化为电能。

4.根据权利要求1所述的基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，其特征在于：所述能量回收与存储模块包括全桥整流电路、能量存储电路以及降压稳压电路，采用全桥整流电路把振动信号采集模块内压电材料产生的交流电荷转变为波动的直流电，能量存储电路采用超级电容作为储能元件，再通过降压稳压电路对直流电信号做降压处理获取稳定的电压电流信号，然后给气体传感器各模块供电。

5.根据权利要求1所述的基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，其特征在于：所述通信模块包括BC25低功耗芯片、SIM卡、物联网通信卡、天线，采用NB-IOT无线通信将气体浓度数据发送至服务器，实现气体浓度数据在服务器端的存储与分析。

6.根据权利要求1所述的基于能量回收的低功耗无线自供电气体传感器，其特征在于：所述声光报警模块包括蜂鸣器、LED报警灯。

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