CN205882817U - 一种基于无线传感器网络的风能收集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于无线传感器网络的风能收集装置，包括上位机、用于向无线传感器网络提供能量的发电机，用于存储电能的电池模块、用于收集发电机的电压和电流信息并对收集到的信息进行检测和整理的处理模块、用于将所述处理模块处理过的检测信号发送到上位机的无线传输模块以及用于实现所述处理模块与上位机有线通信的USB转串口模块；所述发电机一端与电池模块连接，另一端与处理模块连接；所述USB转串口模块和无线传输模块均与处理模块连接。本实用新型设计实现了风能的能量收集电路，适合大部分无线传感器网络节点的能量策略。
Description
技术领域
本实用新型涉及风能收集的研究领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的风能收集装置。
背景技术
自21世纪以来，许多无线传感器网络已经可以实现收集、利用环境能量的功能，比如：Trio，AmbiMax，Prometheus等无线传感器网络系统，上述系统都是通过采集环境中的太阳能。太阳能一经太阳能电池板采集，即被储存在超级电容、蓄电池或其他媒介中，进而向无线传感器网络系统提供能量。
随着环境能量收集技术的不断提升完善，应用于无线传感器网络能量供应的方案也日渐成熟。然而，研究的较多的方案大多基于太阳能电池取电，振动取电，温差取电等能量收集技术。在基于风能收集的无线传感器网络的系统设计，这一模块尚无太大的开发研究。一方面，因为风力分布不均，在不同地理位置的大小不同；另一方面由于基于风能的环境能量收集的技术难度相对较大，相应设备的前期投入较大。在基于风能收集的无线传感器网络系统设计现在仍然处于探索阶段。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无线传感器网络的风能收集装置，实现风能的高效率收集。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的风能收集装置，包括上位机，还包括用于向无线传感器网络提供能量的发电机、用于存储电能的电池模块、用于收集发电机的电压和电流信息并对收集到的信息进行检测和整理的处理模块、用于将所述处理模块处理过的检测信号发送到上位机的无线传输模块以及用于实现所述处理模块与上位机有线通信的USB转串口模块；所述发电机一端与电池模块连接，另一端与处理模块连接；所述USB转串口模块和无线传输模块均与处理模块连接。
作为优选的技术方案，所述电池模块包括充电电池和低压稳压模块，充电电池通过低压稳压模块与发电机连接，发电机输出的电压、电流经过低压降稳压模块，由充电电池进行储存。
作为优选的技术方案，所述充电电池还与无线传感器网络连接，当发电机停止工作时，存储在充电电池中的电能为无线传感器网络提供能量。
作为优选的技术方案，所述低压稳压模块采用LM2596开关电压调节器，输出5V电压。
作为优选的技术方案，所述充电电池采用10F的超级电容。
作为优选的技术方案，所述处理模块包括电流采集器和处理芯片，所述电流采集器与发电机连接，用于收集发电机的电压、电流信息；所述处理芯片与电流采集器连接，用于对来自电流采集器的数据进行检测和整理；所述处理芯片还和无线传输模块连接。
作为优选的技术方案，所述电流采集器采用MAX471电流采集芯片。
作为优选的技术方案，所述处理芯片采用STM32最小系统。
作为优选的技术方案，所述无线传输模块采用433Hz的CC1101无线芯片。
作为优选的技术方案，所述USB转串口模块采用CP2102转换芯片。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本实用新型设计实现了风能的能量收集电路，适合大部分无线传感器网络节点的能量策略，实现了风能收集电路的高效率。
2、本实用新型为了整体设计的低功耗，高集成度，选用了效率更为高的LM2596开关降压调节器，它将快速通/断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通/断比例(占空比)来控制输出直流电压的平均值。另外，LM2596的输出电压可以为5V，恰恰契合为无线传感器输出的电压值。
3、本实用新型的超级电容属于双极层电容器，当给超级电容充电时，在当给超级电容充电时，电极两端施加的电场将会使得电解液中的阴阳离子分别向正负电极板迁移，形成两个容性储存层，也正是以为这种结构，超级电容能储存很大的电荷量。充电完成后，两级间产生了稳定的电位差。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构框图；
图2为本实用新型低压降稳压模块的电路原理图；
图3为本实用新型处理模块中电流采集器的原理图；
图4为本实用新型处理模块中单片机电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实用新型基于无线传感器网络的风能收集装置，包括上位机，用于向无线传感器网络提供能量的发电机、用于存储电能的电池模块、用于收集发电机的电压和电流信息并对收集到的信息进行检测和整理的处理模块、用于将所述处理模块处理过的检测信号发送到上位机的无线传输模块以及用于实现所述处理模块与上位机有线通信的USB转串口模块；所述发电机一端与电池模块连接，另一端与处理模块连接，所述USB转串口模块和无线传输模块与处理模块连接。
所述电池模块包括充电电池和低压稳压模块，充电电池通过低压稳压模块与发电机连接，发电机输出的电压、电流经过低压降稳压模块，由充电电池进行储存；所述充电电池还与无线传感器网络连接，当发电机停止工作时，存储在充电电池中的电能为无线传感器网络提供能量。
如图2所示，所述低压降稳压模块采用LM2596开关电压调节器，输出5V电压。LM2596开关电压调节器芯片的第1脚为电源输入脚连接充电电池，串联电容680uF接地，第3脚接地，第5脚控制芯片启用和关闭，第2脚为输出脚，串联220uF电容接地。
所述充电电池采用10F的超级电容，取代无线传感器网络中广泛使用的锂电池，对比分析可以发现，静电电容主要特点是充放电速度快，功率密度高，然而其能量密度低储存容量小，限制了在设计中的应用；蓄电池主要特点是能量密度高，储存能量大，但也有充放电周期长，循环寿命短的缺点；超级电容并兼了两种元件的优点，法拉级别的超大电容能满足无线传感器网络的能源策略，且性能优异，绿色环保。
本实施例中，所述处理模块包括电流采集器和处理芯片，所述电流采集器与发电机连接，用于收集发电机的电压、电流信息；所述处理芯片与电流采集器连接，用于对来自电流采集器的数据进行检测和整理；所述处理芯片还和无线传输模块连接。
如图3所示，所述电流采集器采用MAX471电流采集芯片，该芯片的1脚为正常工作时的关闭端，和4脚一起连接到地。2脚和3脚为电源端，2脚和3脚连接在一起。电流流过内部二极管D3或者D4指示与SIGN输出有关的流动方向，由于本设计不需要指示电流方向，将5脚(sign端悬空)。7脚为电源输入端。连接至检测电阻与RG1的连接点。8脚为电流输出端，它正比于流过TSENSE被测电路的幅度，此引脚到地之间接一个2kΩ电阻，每一安培被测电流将产生大小等于1V的电压，数据送往处理模块。
如图4所示，所述处理器芯片采用STM32最小系统，1脚输入电源，C3、C4、C5、C6使用4个104贴片电容进行电源的滤波，这样可以有效地保护电源，让单片机运行的更稳定，滤去了电源当中的纹波等干扰。BOOT0、BOOT1用于设置STM32的启动方式，一般情况下(即标准的ISP下载步骤)如果想用串口下载代码，则必须先配置BOOT0为1，BOOT1为0(BOOT1串联10K电阻接DGND,BOOT0空置)，然后按复位键，最后再通过程序下载代码。在单片机的晶振引脚2脚和3脚上接两个起振电容，这两个电容为10pf，再并联接DGND。7脚串联一个104电容接DGND。
本实施例中，所述无线传输模块采用433Hz的CC1101无线芯片，通过STM32的控制，向上位机发送数据。CC1101的1号引脚(VCC)连接MCU的18号引脚，CC1101得到电源，2号引脚与MCU的19号引脚相连接地，3号引脚与MCU的14号引脚相连设置SPI接口MOSI，4号引脚与MCU的12号引脚相连，设置SPI接口时钟线，6号引脚与MCU的9号引脚相连设置通用IO功能。
本实施例中，所述USB转串口模块采用CP2102转换芯片，该芯片电容C19、C20，电阻R6、R7，Mini-USB接口、开关S1组成。CP2102转换芯片第3、0脚接地，第6脚串联电容C20接地和串联电阻R6接第9脚，第11脚串联电阻R7接地。第5脚接USB口的D-，第4脚接USB口的D+，第7、8脚接USB口VBUS，开关S1控制是否为模块提供5V电压。第1、2、23～28脚供其他模块扩展通讯，解决串口问题，方便开发者对芯片进行编程。
本实施例对无线传感器节点，交流发电机、交直流转换器、DC/DC模块和超级电容等重要模块具体涉及的基本原理及技术方案，进行可行性分析、主要技术的解决。研究风能的收集、储存，进而开始对实际应用探索性研究和对环境能量充足地区的无线传感器网络进行过详细的了解参考。取得了以下主要成果：设计实现了风能的能量收集电路，适合大部分无线传感器网络节点的能量策略；针对风能的储存研究了锂电池和法拉电容的性能，满足基本需求；在整个系统的设计过程中，实现了风能收集电路的高效率；设计制作上位机，监控风机电压，电流以及供电电压；设置单片机，其最小系统以及复位电路。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于无线传感器网络的风能收集装置，包括上位机，其特征在于，还包括用于向无线传感器网络提供能量的发电机、用于存储电能的电池模块、用于收集发电机的电压和电流信息并对收集到的信息进行检测和整理的处理模块、用于将所述处理模块处理过的检测信号发送到上位机的无线传输模块以及用于实现所述处理模块与上位机有线通信的USB转串口模块；所述发电机一端与电池模块连接，另一端与处理模块连接；所述USB转串口模块和无线传输模块均与处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述电池模块包括充电电池和低压稳压模块，充电电池通过低压稳压模块与发电机连接，发电机输出的电压、电流经过低压降稳压模块，由充电电池进行储存。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述充电电池还与无线传感器网络连接，当发电机停止工作时，存储在充电电池中的电能为无线传感器网络提供能量。
4.根据权利要求2或3所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述低压稳压模块采用LM2596开关电压调节器，输出5V电压。
5.根据权利要求2或3所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述充电电池采用10F的超级电容。
6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述处理模块包括电流采集器和处理芯片，所述电流采集器与发电机连接，用于收集发电机的电压、电流信息；所述处理芯片与电流采集器连接，用于对来自电流采集器的数据进行检测和整理；所述处理芯片还和无线传输模块连接。
7.根据权利要求6所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述电流采集器采用MAX471电流采集芯片。
8.根据权利要求6所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述处理芯片采用STM32最小系统。
9.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述无线传输模块采用433Hz的CC1101无线芯片。
10.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风能收集装置，其特征在于，所述USB转串口模块采用CP2102转换芯片。
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| CN110856138A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-02-28 | 北京中科启林科技有限公司 | 一种自驱动无线传感系统及其控制方法 |
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