CN215897362U - 一种太阳能供电的无线传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种太阳能供电的无线传感器，用于实现无线传感器供电问题，包括供电单元、数字单元和模拟单元，所述供电单元用于为所述数字单元和所述模拟单元供电，所述模拟单元与所述数字单元电性连接。本实用新型公开的一种太阳能供电的无线传感器，其采用太阳能电池板、可充电电池和一次性大容量电池三者结合供电的方式，可以极大地提高无线传感器的待机工作时间，同时预留外部充电接口，可以使用外部电源快速为可充电电池充电，方便出厂测试和用户临时测试。
Description
技术领域
本实用新型属于无线传感器技术领域，具体涉及一种太阳能供电的无线传感器。
背景技术
与传统的测量技术相比，无线传感器不需要现场布线，使用灵活、方便，在大型结构如桥梁、大坝、杆塔、边坡等健康监测中应用越来越广泛。但无线传感器虽然解决了无线传输技术，其本身的能源问题依然是个难题，虽然通过定期采集方式或者内部使用大电池延长其待机时间，但也仅限于采样频率非常低的场合，对于采样频率高的应用场合，能源问题依然是限制无线传感器发展的技术瓶颈。有一些工程应用上，采用较大的太阳能电池板并配合安装杆为传感器供电，体积庞大，不适合大批量推广。
因此，针对上述问题，予以进一步改进。
实用新型内容
本实用新型的主要目在于针对现有无线传感器存在功耗高、体积大、待机时间不长的上述问题，提出了一种太阳能供电的无线传感器，可以在野外长期独立工作。
本实用新型的另一目的在于提供一种太阳能供电的无线传感器，其采用太阳能电池板、可充电电池和一次性大容量电池三者结合供电的方式，可以极大地提高无线传感器的待机工作时间，同时，预留外部充电接口，可以使用外部电源快速为可充电电池充电，方便出厂测试和用户临时测试。
为达到以上目的，本实用新型提供一种太阳能供电的无线传感器，用于实现无线传感器供电问题，包括供电单元、数字单元和模拟单元，所述供电单元用于为所述数字单元和所述模拟单元供电，所述模拟单元与所述数字单元电性连接(模拟单元将检测到的数据传输到数字单元进行处理和传输)，其中：
所述供电单元包括太阳能充电和电源控制电路、太阳能电池板、可充电电池和一次性大容量电池，所述太阳能电池板、所述可充电电池和所述一次性大容量电池分别与所述太阳能充电和电源控制电路电性连接，并且所述太阳能充电和电源控制电路通过电压转换器分别与所述模拟单元和所述数字单元电性连接(对电压稳压后进行供电)。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述可充电电池还与外部充电电路电性连接(可充电电池不仅可以通过太阳能电池板吸收太阳能后再通过太阳能充电和电源控制电路进行充电，还可以通过外部充电电路对其充电，用户使用外部充电功能时，使用专用充电芯片进行充电，同时自动关闭太阳能充电功能)。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述数字单元包括处理器、无线通信模块和存储器，所述无线通信模块和所述存储器分别与所述处理器电性连接，并且所述处理器还与所述电压转换器电性连接(处理器运行无线协议栈，控制无线通信模块与远程的无线网关通信，接收无线网关的指令并将采集的数据发送至无线网关，在数据采集过程中，根据实际需要，可以实现周期信号采集，即每休眠一段时间后采集T秒的数据，可以进一步降低系统功耗，选用不同的无线通信模块，可工作在433MHz或2.4GHz的ISM频段，该频段为免费的无线通信频段，可以降低使用成本，还可以通过存储器存储数据)。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述模拟单元包括若干传感器通道(与对应的传感器连接)，各个所述传感器通道均依次通过独立的信号调理电路(包括信号放大、电平转化、滤波等功能)和(A/D)转换电路与所述处理器电性连接(将传感器采集到的信号通过处理后传输到处理器，其中传感器前端可以使用MEMS加速度传感器、倾角传感器、角速率传感器、压力传感器、温度传感器、应变式传感器、电压式传感器等多种类型测传感器，通道数可以采用单轴、双轴或三轴MEMS传感器，或者其它模拟采集通道。每一路信号首先进行信号调理，包括信号放大、电平转化、滤波等功能，将传感器输出的信号调理成0V-3V电压信号，使其满足A/D芯片的输入范围。每个通道采用独立A/D采集芯片，使用SPI接口的16位低功耗A/D芯片，并且多个A/D芯片采用菊花链式连接，只有一个SPI接口与数字部分连接，减少IO管脚。采用多个A/D采集芯片同步采集，保证了多通道数据采集的同步性)。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述太阳能充电和电源控制电路包括电源管理芯片U1和电源管理芯片U2，其中：
所述电源管理芯片U1的分别与太阳能电池板接口J1、一次性大容量电池接口J2和可充电电池接口J3电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述电源管理芯片U1的20管脚通过电感L1后与所述太阳能电池板接口J1的1管脚电性连接，所述电源管理芯片U1的18管脚与所述可充电电池接口J3的1管脚电性连接，所述电源管理芯片U1的14管脚与所述一次性大容量电池接口J2的1管脚电性连接；
所述电源管理芯片U1的14管脚和10管脚分别与场效应管Q2的漏极和栅极电性连接并且所述场效应管Q2的源极与场效应管Q1的源极电性连接，所述场效应管Q1的漏极和栅极分别与所述电源管理芯片U1的19管脚和9管脚电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述电源管理芯片U2的1管脚(与使能端12管脚连接)一路与场效应管Q3的源极电性连接并且所述电源管理芯片U2的1管脚另一路通过稳压二极管D1接输入电源(VIN_5V)，所述场效应管Q3的漏极与所述场效应管Q1的源极电性连接并且所述场效应管Q3的栅极接输入电源(VIN_5V)。
本实用新型的有益效果在于：
1、可实现长时间供电。采用太阳能电池板、可充电电池和一次性大容量电池三者结合供电的方式，可以极大地提高工作时间，非常适合长期监测领域的应用场合。
2、体积小。一种太阳能供电的无线传感器可从微弱的太阳能中摄取能量，使用70mm×70mm以内的小型太阳能电池板安装在传感器面板即可实现长时间供电，传感器的体积在100mm×80mm×80mm以内，满足多数结构健康监测的使用场合。
3、功耗低。通过周期信号采集和关闭模拟电源等低功耗控制策略，可以大大延长无线传感器的工作时间。
4、同步数据采集。采用多个A/D采集芯片同步采集，保证了多通道数据采集的同步性。
附图说明
图1是本实用新型的一种太阳能供电的无线传感器的结构示意图。
图2是本实用新型的一种太阳能供电的无线传感器的太阳能充电和电源控制电路图(电源管理芯片U1)。
图3是本实用新型的一种太阳能供电的无线传感器的太阳能充电和电源控制电路图(电源管理芯片U2)。
具体实施方式
以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
本实用新型公开了一种太阳能供电的无线传感器，下面结合优选实施例，对实用新型的具体实施例作进一步描述。
在本实用新型的实施例中，本领域技术人员注意，本实用新型涉及的处理器、传感器和信号调理电路等可被视为现有技术。
优选实施例。
本实用新型公开了一种太阳能供电的无线传感器，用于实现无线传感器供电问题，包括供电单元、数字单元和模拟单元，所述供电单元用于为所述数字单元和所述模拟单元供电，所述模拟单元与所述数字单元电性连接(模拟单元将检测到的数据传输到数字单元进行处理和传输)，其中：
所述供电单元包括太阳能充电和电源控制电路、太阳能电池板、可充电电池和一次性大容量电池，所述太阳能电池板、所述可充电电池和所述一次性大容量电池分别与所述太阳能充电和电源控制电路电性连接，并且所述太阳能充电和电源控制电路通过电压转换器分别与所述模拟单元和所述数字单元电性连接(对电压稳压后进行供电)。
具体的是，所述可充电电池还与外部充电电路电性连接(可充电电池不仅可以通过太阳能电池板吸收太阳能后再通过太阳能充电和电源控制电路进行充电，还可以通过外部充电电路对其充电，用户使用外部充电功能时，使用专用充电芯片进行充电，同时自动关闭太阳能充电功能)。
更具体的是，所述数字单元包括处理器、无线通信模块和存储器，所述无线通信模块和所述存储器分别与所述处理器电性连接，并且所述处理器还与所述电压转换器电性连接(处理器运行无线协议栈，控制无线通信模块与远程的无线网关通信，接收无线网关的指令并将采集的数据发送至无线网关，在数据采集过程中，根据实际需要，可以实现周期信号采集，即每休眠一段时间后采集T秒的数据，可以进一步降低系统功耗，选用不同的无线通信模块，可工作在433MHz或2.4GHz的ISM频段，该频段为免费的无线通信频段，可以降低使用成本，还可以通过存储器存储数据)。
进一步的是，所述模拟单元包括若干传感器通道(与对应的传感器连接)，各个所述传感器通道均依次通过独立的信号调理电路(包括信号放大、电平转化、滤波等功能)和(A/D)转换电路与所述处理器电性连接(将传感器采集到的信号通过处理后传输到处理器，其中传感器前端可以使用MEMS加速度传感器、倾角传感器、角速率传感器、压力传感器、温度传感器、应变式传感器、电压式传感器等多种类型测传感器，通道数可以采用单轴、双轴或三轴MEMS传感器，或者其它模拟采集通道。每一路信号首先进行信号调理，包括信号放大、电平转化、滤波等功能，将传感器输出的信号调理成0V-3V电压信号，使其满足A/D芯片的输入范围。每个通道采用独立A/D采集芯片，使用SPI接口的16位低功耗A/D芯片，并且多个A/D芯片采用菊花链式连接，只有一个SPI接口与数字部分连接，减少IO管脚。采用多个A/D采集芯片同步采集，保证了多通道数据采集的同步性)。
更进一步的是，所述太阳能充电和电源控制电路包括电源管理芯片U1和电源管理芯片U2，其中：
所述电源管理芯片U1的分别与太阳能电池板接口J1、一次性大容量电池接口J2和可充电电池接口J3电性连接。
优选地，所述电源管理芯片U1的20管脚通过电感L1后与所述太阳能电池板接口J1的1管脚电性连接，所述电源管理芯片U1的18管脚与所述可充电电池接口J3的1管脚电性连接，所述电源管理芯片U1的14管脚与所述一次性大容量电池接口J2的1管脚电性连接；
所述电源管理芯片U1的14管脚和10管脚分别与场效应管Q2的漏极和栅极电性连接并且所述场效应管Q2的源极与场效应管Q1的源极电性连接，所述场效应管Q1的漏极和栅极分别与所述电源管理芯片U1的19管脚和9管脚电性连接。
优选地，所述电源管理芯片U2的1管脚(与使能端12管脚连接)一路与场效应管Q3的源极电性连接并且所述电源管理芯片U2的1管脚另一路通过稳压二极管D1接输入电源(VIN_5V)，所述场效应管Q3的漏极与所述场效应管Q1的源极电性连接并且所述场效应管Q3的栅极接输入电源(VIN_5V)。
优选地，电源管理芯片U1的型号为：BQ25505RGRR，电源管理芯片U2的型号为：TPS62742。
优选地，本实用新型以从微弱的太阳能中采集能量，不完全依赖于太阳能电池板的面积，无需引入外部的大尺寸太能能电池板，仅仅将小型的太阳能电池板(70mm×70mm以内即可)安装在传感器面板即可实现长时间供电。
本实用新型的供电原理为：当太阳能电池板的电压达到一定阈值(350mV)后，太阳能充电和电源控制电路启动太阳能充电功能，可从微弱的太阳能中摄取能量，为可充电电池充电；太阳能充电和电源控制电路优先使用可充电电池为电压转换器供电，电压转换器将电池电压转化为3.0V为其它部分供电，如果遇到长时间阴雨天气或寒冷天气下可充电锂电池掉电，当可充电电池电压不足3.5V时，太阳能充电和电源控制电路切换至一次性大容量电池为电压转换器供电；当可充电电池电压升至3.7V时，太阳能充电和电源控制电路重新使用可充电电池为电压转换器供电。基于这种控制策略，可以极大地提高无线传感器的待机工作时间。同时，预留外部充电接口，可以使用外部电源快速为可充电电池充电，方便出厂测试和用户临时测试。
值得一提的是，本实用新型专利申请涉及的处理器、传感器和信号调理电路等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本实用新型专利的发明点所在，本实用新型专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种太阳能供电的无线传感器，用于实现无线传感器供电问题，其特征在于，包括供电单元、数字单元和模拟单元，所述供电单元用于为所述数字单元和所述模拟单元供电，所述模拟单元与所述数字单元电性连接，其中：
所述供电单元包括太阳能充电和电源控制电路、太阳能电池板、可充电电池和一次性大容量电池，所述太阳能电池板、所述可充电电池和所述一次性大容量电池分别与所述太阳能充电和电源控制电路电性连接，并且所述太阳能充电和电源控制电路通过电压转换器分别与所述模拟单元和所述数字单元电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的无线传感器，其特征在于，所述可充电电池还与外部充电电路电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能供电的无线传感器，其特征在于，所述数字单元包括处理器、无线通信模块和存储器，所述无线通信模块和所述存储器分别与所述处理器电性连接，并且所述处理器还与所述电压转换器电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能供电的无线传感器，其特征在于，所述模拟单元包括若干传感器通道，各个所述传感器通道均依次通过独立的信号调理电路和转换电路与所述处理器电性连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种太阳能供电的无线传感器，其特征在于，所述太阳能充电和电源控制电路包括电源管理芯片U1和电源管理芯片U2，其中：
所述电源管理芯片U1的分别与太阳能电池板接口J1、一次性大容量电池接口J2和可充电电池接口J3电性连接。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能供电的无线传感器，其特征在于，所述电源管理芯片U1的20管脚通过电感L1后与所述太阳能电池板接口J1的1管脚电性连接，所述电源管理芯片U1的18管脚与所述可充电电池接口J3的1管脚电性连接，所述电源管理芯片U1的14管脚与所述一次性大容量电池接口J2的1管脚电性连接；
所述电源管理芯片U1的14管脚和10管脚分别与场效应管Q2的漏极和栅极电性连接并且所述场效应管Q2的源极与场效应管Q1的源极电性连接，所述场效应管Q1的漏极和栅极分别与所述电源管理芯片U1的19管脚和9管脚电性连接。
7.根据权利要求5所述的一种太阳能供电的无线传感器，其特征在于，所述电源管理芯片U2的1管脚一路与场效应管Q3的源极电性连接并且所述电源管理芯片U2的1管脚另一路通过稳压二极管D1接输入电源，所述场效应管Q3的漏极与所述场效应管Q1的源极电性连接并且所述场效应管Q3的栅极接输入电源。
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