CN206004382U - 一种植物充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种植物充电装置，它可以采集树木与土壤之间存在的电能实现为锂电池充电。该植物充电装置由树木电极和土壤电极、电能输入接头、电能输出接头、电容开关组、电池充电开关、电容电路板、升压及电能管理电路板、锂电池、壳体组成。树木电极和土壤电极分别与树木和土壤相连，实现电能采集，将采集的电能经充电装置的电能输入接头传输到电容电路板将树木电能蓄积起来，在没有任何外加电源的条件下，经升压及电能管理电路板将电压升高到5V，为锂电池充电，将电能存储到锂电池中。本实用新型贴合林区条件，收集的电能具有生态环保的特点，对解决在林区环境中锂电池充电问题提供帮助。

Description

一种植物充电装置

技术领域

本实用新型属于环保新能源领域，具体涉及一种植物充电装置。

背景技术

随着无线技术的发展，无线传感器网络节点在林业生态环境建设和监测中得到广泛应用，可以完成对林区中人迹罕至或长期无人值守的危险区域的远程监测，与传统监测系统相比精度高、实时性强，数据存储空间小、处理便捷，应用前景广阔。但由于其在林区的分布范围较广，架设电线或更换电池都非常困难，供电问题成为影响林区无线监测发展的一个重要因素。19世纪中叶原苏联科学家恩·列瓦科夫斯基在实验中检测到植物体内有电流产生，之后杰克逊·博斯爵士测定了植物是因刺激产生电流。最近的研究发现植物内部与其生长的土壤之间存在持续、稳定的电势差，麻省理工大学生物物理学家AndreasMershin发现只要树木保持新陈代谢的能力，这种电势差就会一直存在。

结合林区供电和树木电能的特点，若能利用林区中的树木电能为锂电池充电，对解决林区环境中的无线传感器网络节点供电问题提供帮助。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是利用林区中树木与其周围土壤之间自然存在的微弱电能，针对该电能的特点，设计一种生态环保的植物充电装置。这种新型电能采集转换装置，可以在没有任何外加电源的条件下，将树木与其周围土壤之间的微弱电能蓄积起来并升压到5V左右，存储到锂电池中，并有相应功率输出，贴合林区实际条件，收集的电能具有生态环保的特点，对解决在林区环境中锂电池充电问题提供帮助。

本实用新型的技术方案是，一种植物充电装置包括:树木电极、土壤电极、树木电能输入接头、电能输出接头、电容电路板、升压及电能管理电路板、锂电池、壳体、电容开关组和电池充电开关组成；

树木电极、土壤电极设置于壳体的外部，树木电能输入接头为40芯插头，安装于壳体正面左侧，电能输出接头包括正负极两个引出端，设置于壳体正面右侧下方，电容电路板、升压及电能管理电路板和锂电池设置于壳体的内部，电容开关组设置于壳体右侧，电池充电开关设置于壳体正面右侧上方。

所述的树木电极内部具有20个钢钉分电极固定在环形布带上，采集电能时将钢钉环状分布分别钉于树木的韧皮部，作为采集树木电能的负极；土壤电极也具有20个探针分电极，采集电能时将20个探针分电极分别插入树木周围的土壤中，作为采集树木电能的正极；所述的树木电极和土壤电极与树木电能输入接头通过电缆相连，所述的树木电能输入接头、电容开关组、与电容电路板通过导线相连，可以将采集的树木电能经所述的树木电能输入接头传输到电容电路板上，将树木电能蓄积起来；所述的电容开关组包括20个拨动开关，电容电路板上并联有20个电容，每个开关控制一个电容的并联连接，连接上的电容存储的树木电能即为电容电路板的输出电能；

所述电容电路板、升压及与电能管理电路板通过导线相连，所述锂电池连接于升压及电能管理电路板上，所述的电能输出接头有正负极两个引出端，分别与锂电池正负极相连；所述的电池充电开关控制电容电路板向升压及电能管理电路板的电能输送；

所述的升压及电能管理电路板用于树木电能的升压并为锂电池充电，通过所述电能输出接头将所述锂电池的电压输出；

所述的升压及电能管理电路板包括：充电泵电路、DC-DC升压电路和充电管理电路，所述充电泵电路主要由S882Z20芯片、电容构成，将采集的树木与土壤间的电压作为所述充电泵电路的输入电压，在充电泵电路输出端就会出现在1.2-1.8V范围内波动的电压，用其作为所述配套DC-DC升压电路的启动电源，可确保DC-DC升压电路随时处于可工作状态；所述DC-DC升压电路由S8353D50芯片、电感线圈、电容器和二极管构成，当所述S882Z20的充电泵电路提供启动电压后，可以将存储在电容中的树木与土壤之间的电能对应电压无源升高至5V；所述充电管理电路由充电管理芯片LTC4071构成，负责将采集升压得到的5V电压实现给锂电池充电，即实现电能存储到锂电池中；

所述的壳体作为保护电路板的屏障，在树木电能输入接头、电能输出接头、电容开关组、电池充电开关和壳体的缝隙连接处均喷涂有防水漆或防水胶，树木电极和土壤电极与树木电能输入接头连接的电缆线也均具有防水结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型采集树木电能，存储在锂电池中以供使用，可以通过电容开关组选择并联连接的电容数量，控制树木电能的存储容量，设计方法新颖；从自然存在的树木中提取电能，工作过程中没有任何外加电源输入，生态环保，与现有供电方法相比对环境影响极小；另外，从林区的树木中采集蓄积电能，为林区无线传感器网络节点电池充电，就地取材，对解决林区环境中的无线传感器网络节点供电问题提供帮助。

附图说明

图1：植物充电装置结构示意图；

图2：植物充电装置电能采集连接图；

图3：植物充电装置树木电极和土壤电极示意图；

图4：单独一路植物电能采集示意图；

图5：植物充电装置电路整体框图；

图6：升压及电能管理电路板电路图；

1树木电极，2土壤电极，3树木电能输入接头，4电能输出接头，5电容电路板，6升压及电能管理电路板，7锂电池，8壳体，9电容开关组，10电池充电开关，11树木分电极，12土壤探针分电极，13充电泵电路，14 DC-DC升压电路，15充电管理电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明。

参看图1，具体实施采用以下技术方案：植物充电装置由树木电极1、土壤电极2、树木电能输入接头3、电能输出接头4、电容电路板5、升压及电能管理电路板6、锂电池7、壳体8、电容开关组9和电池充电开关10组成；其中树木电极1、土壤电极2设置于壳体8的外部，树木电能输入接头3为40芯航空插头，安装于壳体8正面左侧，电能输出接头4包括正负极两个引出端，设置于壳体8正面右侧下方，电容电路板5、升压及电能管理电路板6和锂电池7设置于壳体8的内部，电容开关组9设置于壳体8右侧，电池充电开关10设置于壳体8正面右侧上方。

参看图2和图3，树木电极1内部具有20个钢钉分电极11固定在环形布带上，采集电能时将钢钉环状分布分别钉于树木的树干上，电极固定在树木的高度要距离地面1.5米左右，树木电极要深入到树木的韧皮部，作为采集树木电能的负极；土壤电极2也具有20个探针分电极12，采集电能时将20个探针分电极分别插入树木周围的土壤中，作为采集树木电能的正极；树木电极1和土壤电极2与树木电能输入接头3通过电缆相连，树木电能输入接头3、与电容电路板5通过导线相连；树木电能输入接头3是一个40芯航空插头，在壳体8外侧的40芯中有20芯分别与20个钢钉树木分电极11相连，另20芯分别与20个土壤探针分电极12相连。树木电能输入接头3在壳体8内侧的40芯中有20芯分别与20个电容的正极相连，另20芯分别与20个电容的负极相连；参看图4，其中一个钢钉树木分电极11与其对应的一个土壤探针分电极12能实现对一个电容充电，称之为一路植物电能采集；图4示出了一路植物电能采集时通过树木电能输入接头3与一个电容的连接方式。

电容电路板5上的各个电容分别与电容开关组9中的开关对应相连，电容电路板5上有20个电容，电容开关组9包括20个拨动开关，每个开关控制一个电容的并联连接，电容开关组9的20个拨动开关全部闭合则将20个电容全部并联连接；由于单独一路电容采集的树木电能输出电流较小，仅为15μA左右，所以采用电容电路板和电容开关组的方式将多路树木电信号并联起来，既可以使并联后的电流达到升压电路驱动电流为50μA的要求，也可以提高树木电能的采集能量。

电容电路板5、升压及与电能管理电路板6通过导线相连，锂电池7连接在升压及电能管理电路板6上，在充电装置中设置了一个电池充电开关10，这是一个按钮开关，当按钮按下时可以将电容电路板5中采集的树木电能输送到升压及电能管理电路板6上；若不按下按钮电容电路板5中采集的树木电能不能输送到升压及电能管理电路板6上。

升压及电能管理电路板6用于树木电能的升压并为锂电池7充电。

参看图5，升压及电能管理电路板6包括：充电泵电路13、DC-DC升压电路14和充电管理电路15；充电泵电路13主要由S882Z20芯片、电容构成。见图6所示，充电泵S-882Z芯片当输入电压U₁低至0.3V时就可启动工作，与外部连接的电容器相配合，将充电泵电路的输出电压U₂升高到1.2-1.8V范围内。若将采集到的一路树木与土壤间的树木电能，待电压值达到300mV以上，即符合了充电泵S882Z20的启动条件，将这个电压作为充电泵电路的输入电压U₁，在充电泵电路输出端就会出现在1.2-1.8V范围内波动的电压U₂。为了满足对锂电池充电的需要要将采集的树木电能的电压要升高到5V，为此设计了DC-DC升压电路14，该DC-DC升压电路14由S8353D50芯片、电感线圈、电容器和二极管构成，见图6所示。S8353D50型芯片在0.9V低电压下即可启动工作，将采集到的树木电能提供的300mv的输入电压升高至输出电压为5.0V。上述充电泵电路的输出电压U₂在1.2-1.8V之间，完全满足该DC-DC升压电路的启动要求，用其作为DC-DC升压电路的启动电源，可确保DC-DC升压电路随时处于可工作状态，当S882Z20的充电泵电路提供启动电压后，DC-DC升压电路可以将存储在电容中的树木与土壤之间的电能对应的电压无源升高至5V。充电管理电路15由充电管理芯片LTC4071构成，负责将采集升压得到的5V电压实现给锂电池7充电，即将电能存储到锂电池中，通过电能输出接头4将锂电池7的电压输出，该电能输出接头可以连接用电设备，将锂电池中存储的电能输出。

植物充电装置壳体8是保护电路板的屏障，为了防止在天然环境下使用时雨水对植物充电装置性能的影响，在树木电能输入接头3、电能输出接头4、电容开关组9、电池充电开关10和壳体8的缝隙连接处均喷涂有防水漆或防水胶，树木电极1和土壤电极2与树木电能输入接头3连接的电缆线也均做过防水处理。

一种植物充电装置，具体操作如下：

在开始工作时，将电容开关组的拨动开关全部打开，将采集的每一路树木电能经充电装置的树木电能输入接头分别传输到电容电路板上的每一个电容中蓄积起来，当各个电容中的电压全部达到300mV以上时，将电容开关组的拨动开关闭合，则将各个电容并联连接，再按下电池充电开关，电容电路板中的电能输入到升压及电能管理电路板；电容电路板中的电能输入到升压及电能管理电路板后，升压及电能管理电路板中的充电泵电路只需单独连接一个电容，即可将树木电能升压至1.8-2V，作为DC-DC升压电路的启动电源，DC-DC升压电路在充电泵电路提供启动电压后，升压电路启动，可以将存储在电容中的树木与土壤之间的300mv电压无源升高至5V，在充电管理电路的管理下将升高的5V电压为锂电池充电，为锂电池蓄积电能；因为电能输出接头正负极两个引出端分别与锂电池正负极相连，可以把电能输出接头直接连接到用电设备上，比如林区环境中的无线传感器网络节点，将锂电池作为供电电源提供电能输出。

以上仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种植物充电装置，包括：树木电极（1）、土壤电极（2）、树木电能输入接头（3）、电能输出接头（4）、电容电路板（5）、升压及电能管理电路板（6）、锂电池（7）、壳体（8）、电容开关组（9）和电池充电开关（10）；其特征在于：树木电极（1）、土壤电极（2）设置于壳体（8）的外部，树木电能输入接头（3）为40芯插头，安装于壳体（8）正面左侧，电能输出接头（4）包括正负极两个引出端，设置于壳体（8）正面右侧下方，电容电路板（5）、升压及电能管理电路板（6）和锂电池（7）设置于壳体（8）的内部，电容开关组（9）设置于壳体（8）右侧，电池充电开关（10）设置于壳体（8）正面右侧上方。

2.根据权利要求1所述的一种植物充电装置，其特征在于所述的树木电极（1）内部具有20个钢钉分电极固定在环形布带上；土壤电极（2）也具有20个探针分电极；所述的树木电极（1）和土壤电极（2）与树木电能输入接头（3）通过电缆相连，所述的树木电能输入接头（3）、电容开关组（9）、与电容电路板（5）通过导线相连，将采集的树木电能经树木电能输入接头（3）传输到电容电路板（5）上；所述的电容开关组（9）包括20个拨动开关，电容电路板（5）上有20个并联的电容，每个开关控制一个电容，电容存储的树木电能即为电容电路板（5）的输出电能；

所述电容电路板（5）、升压及与电能管理电路板（6）通过导线相连，所述锂电池（7）连接于升压及电能管理电路板（6）上，所述的电能输出接头（4）有正负极两个引出端，分别与锂电池正负极相连；所述的电池充电开关（10）控制电容电路板（5）向升压及电能管理电路板（6）的电能输送；

所述的升压及电能管理电路板（6）用于树木电能的升压并为锂电池（7）充电，通过所述电能输出接头（4）将所述锂电池（7）的电压输出。

3.根据权利要求1所述的一种植物充电装置，其特征在于所述的升压及电能管理电路板（6）包括：充电泵电路、DC-DC升压电路和充电管理电路，所述充电泵电路主要由S882Z20芯片、电容构成，所述DC-DC升压电路由S8353D50芯片、电感线圈、电容器和二极管构成，所述充电管理电路由充电管理芯片LTC4071构成。

4.根据权利要求1所述的一种植物充电装置，其特征在于所述的壳体（8）在树木电能输入接头（3）、电能输出接头（4）、电容开关组（9）、电池充电开关（10）和壳体（8）的缝隙连接处均喷涂有防水漆或防水胶，树木电极（1）和土壤电极（2）与树木电能输入接头（3）连接的电缆线也均具有防水结构。