CN1960117A - 一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统 - Google Patents

Abstract

一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统，包含光伏电池、锂离子电池、能源管理模块以及传感器节点。能源管理模块包含与光伏电池、锂离子电池、传感器节点连接的电气连接装置。将光伏电池、锂离子电池、传感器节点与能量管理模块指定的接口相连，在光照条件下，光伏电池产生的电能可通过能源管理电路为节点供电，同时为锂离子电池充电。无充足光照时，由锂离子电池为节点供电。光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统，无需人工更换电池、充电等维护即可延长传感器节点的使用寿命，从而解决传感器网络的能源瓶颈。

Description

一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统

技术领域

本发明涉及一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统。

背景技术

无线传感器网络是由部署在被监测区域内的大量传感器节点组成，节点相互通讯形成自组织的网络系统。当某个传感器节点检测到信息时，数据沿着其它节点逐跳地传输，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户可以通过管理节点发送指令，远程控制传感器节点执行预定任务。每个传感器节点都是一个集成信息采集、数据处理和无线通讯等功能的微系统。

无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强等特点，在环境监测、生态保护、精准农业、智能交通等领域有着得天独厚的技术优势。

传感器节点通常采用容量有限的电池提供能量。但是，无线传感器网络具有节点数目庞大、分布区域广、部署环境复杂或危险，有些区域甚至人员不能到达，所以利用人工更换电池、充电等方式来补充能量是不现实的。当携带的能量耗尽时，传感器节点将无法完成预定的任务，这极大限制了传感器网络在许多领域的推广应用。要实现无线传感器网络实用化，就必须解决这个能源瓶颈问题。

光伏电池是把光能转化成电能的装置，光伏电池的工作原理是：太阳光照在半导体P-N结上形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。通过改变PN结的串并联形式可以获得不同数值的输出电压，改变光伏电池的面积可以获得不同的输出功率。它是一种清洁、可再生能源。

如果利用光伏发电技术将太阳辐射能转化为电能为传感器节点供电，将解决无线传感器网络的能源瓶颈，促进无线传感器网络的推广应用。加州大学洛杉矶分校在文献：《Design considerations for solar energy harvesting wireless embedded systems》，V.Raghunathan，A.Kansal，J.Hsu，et al.Information Processing in Sensor Networks of FourthInternational Symposium.2005，457-462中报导了将光伏能源应用于传感器节点的相关结果，光伏能源的储能元件采用的是镍氢电池。德国EnOcean公司研制了太阳能无线传感器，采用的是电容器储能。根据目前技术水平，镍氢电池有记忆效应，使用不方便，电容器漏电流大，而锂离子电池具有无记忆效应、漏电流小、能量密度大的优点，适用于传感器节点这类小体积、连续工作的用电负载。目前尚未见到关于由光伏电池生能、锂离子电池储能的光伏能源与传感器节点集成的自供能微系统的相关文献或专利报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中由电池供电的传感器节点使用寿命短、需要人工维护的缺点，提供一种光伏能源与传感器节点集成的自供电、免维护的微系统。

自供电传感器节点微系统包含光伏电池、锂离子电池、能源管理模块以及传感器节点。能源管理模块包含与光伏电池、锂离子电池、传感器节点连接的电气连接装置。光伏电池为能源转换器件，锂离子电池为储能元件。使用时，将光伏电池、锂离子电池、传感器节点与能量管理模块指定的接口相连。光伏电池通过能源管理模块的稳压电路为传感器节点供电，多余能量通过能源管理模块的充电电路存储于锂离子电池中。在充足光照下，光伏电池将太阳辐射能转化为电能为节点供电，锂离子电池将多余电能存储，以备在夜晚、阴雨天气无光照时为节点供电。

将光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统，具有以下优点：

1、光伏能源能够将太阳辐射能转化为电能，为节点供电，从而能延长传感器网络节点的使用寿命，解决传感器网络的能源瓶颈。

2、当光伏电池供能充足时，可实现为传感器节点供电的同时为锂离子电池充电；当光伏电池供能不足时，由锂离子电池为传感器节点供电。这样，传感器节点在夜间、阴雨天也能连续工作。

3、光伏电池成本低，锂离子电池能量密度大，适合用于体积小、数量多、分布区域广的传感器节点，形成实用的自供能、长寿命、免维护的自治微系统。

4、能源管理模块包含光伏电池、锂离子电池和传感器节点指定的接口，即插即用，操作简单。

5、将光伏能源与传感器节点一体化混合集成，能够将体积小型化，使传感器网络的优势得以发挥。

6、权利要求1所述的传感器节点，其特征在于与光伏能源一体化集成，形成自供能、长寿命的自治微系统。

光伏能源与传感器节点集成，传感器节点能够自行供电，解决了传感器网络的能源瓶颈，无需人工维护即可延长节点的使用寿命。将自供电微系统组网形成的无线传感器网络，特别适合用于危险地带、广域等不便人工维护的区域执行预定的任务。

附图说明

图1是本发明自供电微系统示意图，图中：1光伏电池接口，2锂离子电池接口，3传感器节点接口；

图2是光伏能源管理模块的电路原理图；

图3是本发明自供电微系统工作方式示意图。

具体实施方式

本发明自供电微系统是将光伏能源与传感器节点一体化集成，可实现节点自行供电，从而延长了传感器网络的使用寿命。自供电微系统包含光伏电池、锂离子电池、能源管理模块以及传感器节点。如图1所示，使用时，将光伏电池、锂离子电池、传感器节点与能源管理模块通过光伏电池接口1、锂离子电池接口2、传感器节点接口3相连，将系统置于户外即可实现传感器节点连续工作。

能源管理模块包含充电电路和稳压电路。本发明自供电微系统的工作方式如图2所示，在光照充足的条件下，光伏电池产生的电能稳压后向传感器节点供电，同时通过充电电路将多余能量存储于锂离子电池中，以备夜晚、阴雨天等无光照条件时为传感器节点供电。

如图3所示，能源管理模块的充电电路主要由锂离子电池充电芯片MAX1811及其外围电路组成，芯片内部逻辑电路实现恒流-恒压充电制式。光伏电池的正极与MAX1811的IN引脚相接，MAX1811的BATT引脚输出端经过C1电容滤波后接锂离子电池正极。MAX1811的CHG引脚接发光二极管D3，经串联电阻R1分压后接MAX1811 IN端，D3起到指示充电的作用。光伏电池产生的电能通过MAX1811内部逻辑电路的控制向锂离子电池充电。能源管理模块的稳压电路将不稳定的电压调制成传感器节点需要的电压值。光伏电池和锂离子电池并联，其输出端均与稳压芯片的输入端相接。即光伏电池的正极、锂离子电池正极分别串联肖特基二极管D1、D2，再与MAX8881的IN引脚相接。稳压芯片MAX8881的输出端OUT引脚经电容C2滤波后接负载——传感器节点。这样，光伏电池或锂离子电池均可以通过MAX8881实现稳定电压输出，为负载——传感器节点供电。

以中国科学院计算技术研究所研制的GAINS传感器节点为例，工作电压在2.7V～5.0V，平均工作电流为8mA。锂离子电池的容量为1400mAh，光伏电池选择的是63mm×69mm的单晶硅光伏电池，在AM1.5，t＝25℃条件下，开路电压是7.11V，短路电流是93.78mA。将光伏电池、锂离子电池、传感器节点分别与相应的接口相连，打开传感器节点开关，系统即可开始工作。本发明的自供电微系统可在晴朗天气工作正常，并在完全黑暗的条件下，实现180小时连续工作。

Claims (2)

1、一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统，其特征在于包含光伏电池、锂离子电池、能源管理模块以及传感器节点；光伏电池、锂离子电池、传感器节点与能源管理模块通过光伏电池接口[1]、锂离子电池接口[2]、传感器节点接口[3]相连。

2、按照权利要求1所述的光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统，其特征在于能源管理模块包含充电电路和稳压电路；充电电路主要由锂离子电池充电芯片MAX1811及其外围电路组成，稳压电路主要由芯片MAX8881及其外围电路组成；光伏电池的正极与MAX1811的IN引脚相接，锂离子电池正极与MAX1811的BATT引脚相接；光伏电池的正极、锂离子电池正极分别串联肖特基二极管D1、D2，再与稳压芯片MAX8881的IN引脚相接。

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