CN220527740U - 基于电磁环境的能量收集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种基于电磁环境的能量收集系统，包括能量收集储存模块、整流二极管、射频天线模块、升压电路、稳压模块以及具有电磁信号反射涂层的抛物面；所述抛物面设置于设定的电磁环境中，所述射频天线模块设置于抛物面的反射焦点处，所述射频天线模块的输出端连接于整流二极管的正极，整流二极管的负极连接于升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接于稳压模块的输入端，所述稳压模块的输出端向负载供电；所述能量收集存储模块的输入端连接于整流二极管的负极，能量收集存储模块的输出端向负载供电，所述能量收集存储模块的控制端连接于稳压模块的检测输出端。

Description

基于电磁环境的能量收集系统

技术领域

本实用新型涉及一种能量收集系统，尤其涉及一种基于电磁环境的能量收集系统。

背景技术

在物联网监测应用中，需要对各个监测用的传感器进行供电，现有技术中，对监测用传感器等器件进行供电往往采用以下手段：1、有线供电方式，比如说将市电进行整流、滤波后，再进行相应的电压变换得到传感器等器件所需的直流电，这种方式稳定性高，但是，这种方式对使用场景要求也高，必须具有相应的市电电源，而且还需要布设相应的线路，这种方式成本高；2.感应取电方式，即通过电流互感器从高压电缆中进行感应取电，然后进行与市电相同的处理方式，这种方式容易受到电力电缆波动的影响，而且需要在高压电缆中才能够实现，而对于低压电缆几乎无法适用，而高压电缆具有一定的安全隐患；3、蓄电池，这种方式虽然灵活且供电过程较为稳定，但是需要定期或者不定期对蓄电池进行充电，人力成本高(因为如果具有充电电源，那么就直接可以用有线的方式，没有有线电源时，则需要人工进行电池更换或者充电处理)。

现代社会中，由于射频信号设备处于工作状态，这些射频设备向外辐射出相应的电磁信号，这些电磁信号除了包含了相应的信息而外，还具有相当的能量，如果将这些能量收集起来，同样能够对监测用的传感器进行供电，通过电磁环境中的电磁信号来进行供电，则无需有线供电方式布线、感应取电的方式高压电缆存在的安全隐患以及蓄电池供电进行人工补电，但是，如何将电磁环境中的电磁信号进行收集并应用在传感器等设备上，则成为了一个技术难题，需要提出一种新的技术手段进行解决。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于电磁环境的能量收集系统，能够在具有电磁信号的环境中对电磁信号进行有效收集，并将电磁信号转换为可用的直流电信号，从而为物联网的传感器供电提供了一种新的方式，而且整个系统供电的稳定性高，结构较为简单，方便使用。

本实用新型提供的一种基于电磁环境的能量收集系统，包括能量收集储存模块、整流二极管、射频天线模块、升压电路、稳压模块以及具有电磁信号反射涂层的抛物面；

所述抛物面设置于设定的电磁环境中，所述射频天线模块设置于抛物面的反射焦点处，所述射频天线模块的输出端连接于整流二极管的正极，整流二极管的负极连接于升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接于稳压模块的输入端，所述稳压模块的输出端向负载供电；

所述能量收集存储模块的输入端连接于整流二极管的负极，能量收集存储模块的输出端向负载供电，所述能量收集存储模块的控制端连接于稳压模块的检测输出端。

进一步，所述稳压模块包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、二极管D1、稳压管ZD1、三极管Q5、三极管Q6、NMOS管Q7以及三端稳压器U2；

其中，二极管D1为肖特基二极管，三端稳压器U2为TL431；

NMOS管Q7的漏极作为稳压模块的输入端，NMOS管Q7的源极作为稳压模块的输出端，NMOS管Q7的漏极连接于三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极连接于NMOS管Q7的栅极，三极管Q6的基极连接于三端稳压器U2的阴极，三端稳压器U2的阳极接地，NMOS管Q7的源极通过电阻R9和电阻R10串联后接地，电阻R9和电阻R10之间的公共练连接点连接于三端稳压器U2的参考极，三极管Q5的发射极连接于三极管Q6的基极，三极管Q5的集电极通过电阻R6连接于NMOS管Q7的漏极，三极管Q5的基极连接于二极管D1的正极；

NMOS管Q7的漏极通过电阻R7和电阻R8串联后接地，电阻R7和电阻R8之间的公共连接点连接于二极管D1的负极，电阻R7和电阻R8的公共连接点与稳压管ZD1的负极连接，稳压管ZD1的正极接地；

电阻R9和电阻R10之间的公共连接点为稳压模块的检测输出端。

进一步，所述稳压模块还包括电容C4，电容C4的一端接地，另一端连接于NMOS管Q7的源极。

进一步，所述电阻R9为可调电阻。

进一步，所述能量收集模块包括芯片U1、锂电池BAT1、电容C2、电容C3、电容C4、锂电池BAT2、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电感L1、PMOS管Q1、PMOS管Q2、PMOS管Q3以及PMOS管Q4；

所述芯片U1为BQ25505RFRR芯片，电感L1的一端通过电容C2接地，电感L1的另一端与U1的20引脚连接，电感L1和电容C2之间的公共连接点作为能量收集模块的输入端，芯片U1的4引脚通过电容C3接地，芯片U1的1引脚接地，芯片U1的2引脚连接于电感L1和电容C1之间的公共连接点，芯片U1的5引脚为能量收集模块的控制端；

芯片U1的8引脚通过电阻R1和电阻R2串联后接地，电阻R1和电阻R2之间的公共连接点与芯片U1的7引脚连接，芯片U1的8引脚通过电阻R3与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端通过电阻R5接地，电阻R3和电阻R4之间的公共连接点与芯片U1的11引脚连接，电阻R4和电阻R5之间的公共连接点与芯片U1的12引脚连接，芯片U1的3引脚和19引脚与PMOS管Q3的源极连接，PMOS管Q3的源极通过电容C1接地，PMOS管Q3的漏极与PMOS管Q4的源极连接，芯片U1的18引脚与锂电池BAT1的正极连接，芯片U1的14引脚与PMOS管Q1的源极连接，PMOS管Q1的漏极与PMOS管Q2的源极连接，PMOS管Q2的漏极通过电容C5接地，PMOS管Q2的漏极和电容C6之间的公共连接点作为能量收集模块的输出端，PMOS管Q2的漏极连接于PMOS管Q4的漏极，PMOS管Q1的栅极和PMOS管Q2的栅极连接于芯片U1的10引脚，PMOS管Q3和PMOS管Q4的栅极连接于芯片U1的9引脚，芯片U1的14引脚与锂电池BAT2的正极连接。

本实用新型的有益效果：通过本实用新型，能够在具有电磁信号的环境中对电磁信号进行有效收集，并将电磁信号转换为可用的直流电信号，从而为物联网的传感器供电提供了一种新的方式，而且整个系统供电的稳定性高，结构较为简单，方便使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的稳压模块原理图。

图3为本实用新型的能量收集模块原理图。

图4为抛物面与射频天线模块的位置关系示意图。

具体实施方式

以下进一步对本实用新型进行详细说明：

本实用新型提供的一种基于电磁环境的能量收集系统，包括能量收集储存模块、整流二极管、射频天线模块、升压电路、稳压模块以及具有电磁信号反射涂层的抛物面；

所述抛物面设置于设定的电磁环境中，所述射频天线模块设置于抛物面的反射焦点处，所述射频天线模块的输出端连接于整流二极管的正极，整流二极管的负极连接于升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接于稳压模块的输入端，所述稳压模块的输出端向负载供电；

所述能量收集存储模块的输入端连接于整流二极管的负极，能量收集存储模块的输出端向负载供电，所述能量收集存储模块的控制端连接于稳压模块的检测输出端。其中，如图4所示：1表示抛物面，2表示射频天线模块，通过抛物面的反射，能够将电磁信号进行聚集，从而增强能量收集效率，抛物面的反射层采用金、银等作为反射涂层，射频天线模块保持在抛物面的焦点处通过现有的结构实现，比如在抛物面的边缘设置支撑杆，该支撑杆的一端固定在抛物面，另一端位于焦点位置处，射频天线模块固定在该支撑杆的焦点位置的端部，当然，也可以采用其它现有的固定机构实现；射频天线模块为现有的射频天线组成，具有多个不同频段的射频天线构成，也就是说：在应用场景中事先测量能量最大的几个频段的电磁信号，然后设置相对应的射频天线，每个射频天线接收到的电磁信号叠加输入至整流二极管处，从而形成直流电信号，然后通过升压电路进行升压处理，当然，在升压处理之前整流二极管之后还设置由滤波电路(RC滤波电路)，其中，升压电路采用现有的升压电路，比如二极管、电容构成的倍压电路，也可以采用现有的自举升压电路，这些都为现有技术，在此不对其结构和原理进行赘述，通过稳压模块将电压到所需的幅值，能量收集存储模块用于对由电磁信号所转化的直流信号进行收集存储，通过上述结构，能够在具有电磁信号的环境中对电磁信号进行有效收集，并将电磁信号转换为可用的直流电信号，从而为物联网的传感器供电提供了一种新的方式，而且整个系统供电的稳定性高，结构较为简单，方便使用。

本实施例中，所述稳压模块包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、二极管D1、稳压管ZD1、三极管Q5、三极管Q6、NMOS管Q7以及三端稳压器U2；

其中，二极管D1为肖特基二极管，三端稳压器U2为TL431；

NMOS管Q7的漏极作为稳压模块的输入端，NMOS管Q7的源极作为稳压模块的输出端，NMOS管Q7的漏极连接于三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极连接于NMOS管Q7的栅极，三极管Q6的基极连接于三端稳压器U2的阴极，三端稳压器U2的阳极接地，NMOS管Q7的源极通过电阻R9和电阻R10串联后接地，电阻R9和电阻R10之间的公共练连接点连接于三端稳压器U2的参考极，三极管Q5的发射极连接于三极管Q6的基极，三极管Q5的集电极通过电阻R6连接于NMOS管Q7的漏极，三极管Q5的基极连接于二极管D1的正极；

NMOS管Q7的漏极通过电阻R7和电阻R8串联后接地，电阻R7和电阻R8之间的公共连接点连接于二极管D1的负极，电阻R7和电阻R8的公共连接点与稳压管ZD1的负极连接，稳压管ZD1的正极接地；

电阻R9和电阻R10之间的公共连接点为稳压模块的检测输出端。其中，Q7、Q6、以U2、R9和R10、R6构成一个反馈式稳压电路，确保输出的稳定性，而三极管Q5为三极管Q6的控制管，当升压电路输出的电压足够大时，肖特基二极管D1到庭，Q5导通，从而整个稳压电路工作，如果升压电路输出的电压不够大，那么肖特基二极管D1截止，三极管Q5截止，从而Q7截止，稳压电路不工作，因此，基于上述结构，不仅能够实现稳压作用，而且还能够起到开关控制作用，而无需其他开关器件或者控制器件参与开通关断的控制，更加简化结构，降低成本。

本实施例中，所述稳压模块还包括电容C4，电容C4的一端接地，另一端连接于NMOS管Q7的源极，用于对稳压模块输出的直流电滤波，而且能够起到削峰作用。

本实施例中，所述电阻R9为可调电阻，使得稳压模块适应性更强，能够适用于多个电压需求。

本实施例中，所述能量收集模块包括芯片U1、锂电池BAT1、电容C2、电容C3、电容C4、锂电池BAT2、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电感L1、PMOS管Q1、PMOS管Q2、PMOS管Q3以及PMOS管Q4；

所述芯片U1为BQ25505RFRR芯片，电感L1的一端通过电容C2接地，电感L1的另一端与U1的20引脚连接，电感L1和电容C2之间的公共连接点作为能量收集模块的输入端，芯片U1的4引脚通过电容C3接地，芯片U1的1引脚接地，芯片U1的2引脚连接于电感L1和电容C1之间的公共连接点，芯片U1的5引脚为能量收集模块的控制端；

芯片U1的8引脚通过电阻R1和电阻R2串联后接地，电阻R1和电阻R2之间的公共连接点与芯片U1的7引脚连接，芯片U1的8引脚通过电阻R3与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端通过电阻R5接地，电阻R3和电阻R4之间的公共连接点与芯片U1的11引脚连接，电阻R4和电阻R5之间的公共连接点与芯片U1的12引脚连接，芯片U1的3引脚和19引脚与PMOS管Q3的源极连接，PMOS管Q3的源极通过电容C1接地，PMOS管Q3的漏极与PMOS管Q4的源极连接，芯片U1的18引脚与锂电池BAT1的正极连接，芯片U1的14引脚与PMOS管Q1的源极连接，PMOS管Q1的漏极与PMOS管Q2的源极连接，PMOS管Q2的漏极通过电容C5接地，PMOS管Q2的漏极和电容C6之间的公共连接点作为能量收集模块的输出端，PMOS管Q2的漏极连接于PMOS管Q4的漏极，PMOS管Q1的栅极和PMOS管Q2的栅极连接于芯片U1的10引脚，PMOS管Q3和PMOS管Q4的栅极连接于芯片U1的9引脚，芯片U1的14引脚与锂电池BAT2的正极连接。

其中：该芯片U1的11引脚和12引脚、R3、R4、R5设定电池电压的工作范围；芯片U1的3引脚采样芯片U1的19引脚电压，当锂电池BAT1电压高于设定阀值后，芯片U1的9引脚为低电平，芯片U1的14引脚为高电平，PMOS管Q3和PMOS管Q4导通；当锂电池BAT1低于设定阀值后，芯片U1的9引脚为高电平，芯片U1的14引脚为低电平，PMOS管Q1和PMOS管Q2导通，锂电池BAT2给负载供电；芯片U1的20引脚可以有效地从电能获取模块中提取能量给连接到芯片U1的18引脚的锂电池BAT1充电；锂电池BAT1和锂电池BAT2交替工作，也就是说：锂电池BAT1供电时，锂电池BAT2不供电，反之亦然。众所周知，电磁信号容易受到环境干扰，当环境稳定(比如空气固体颗粒物较少时)，电磁信号的强度较大，此时，抛物面所收集的能量足够传感器等器件使用，此时，R9和R10之间向芯片U1给出一个高电平，芯片U1控制两个电池均不向外供电，而芯片U1根据两个电池的电压状态对电池的充电进行管理；当环境对电磁信号衰减较大时，此时，抛物面所收集的能量仍然较弱，即使通过升压电路处理后，仍然不能使稳压电路工作，此时，稳压电路断开，Q5截止，Q7截止，R9和R10之间向芯片U1给出一个低电平，芯片U1优先控制锂电池BAT1工作，BAT2为待工作状态，当锂电池BAT1的电量不足(电压低于设定值)，锂电池BAT1停止工作，BAT2进入工作对外放电，而处于不工作的锂电池，则芯片U1控制对其充电，而芯片U1为一款高效增压的充电器，该充电器仅需要微瓦的电量就能工作，从而满足上述中控制的需求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于电磁环境的能量收集系统，其特征在于：包括能量收集储存模块、整流二极管、射频天线模块、升压电路、稳压模块以及具有电磁信号反射涂层的抛物面；

所述抛物面设置于设定的电磁环境中，所述射频天线模块设置于抛物面的反射焦点处，所述射频天线模块的输出端连接于整流二极管的正极，整流二极管的负极连接于升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接于稳压模块的输入端，所述稳压模块的输出端向负载供电；

所述能量收集储存模块的输入端连接于整流二极管的负极，能量收集储存模块的输出端向负载供电，所述能量收集储存模块的控制端连接于稳压模块的检测输出端。

2.根据权利要求1所述基于电磁环境的能量收集系统，其特征在于：所述稳压模块包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、二极管D1、稳压管ZD1、三极管Q5、三极管Q6、NMOS管Q7以及三端稳压器U2；

其中，二极管D1为肖特基二极管，三端稳压器U2为TL431；

NMOS管Q7的漏极作为稳压模块的输入端，NMOS管Q7的源极作为稳压模块的输出端，NMOS管Q7的漏极连接于三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极连接于NMOS管Q7的栅极，三极管Q6的基极连接于三端稳压器U2的阴极，三端稳压器U2的阳极接地，NMOS管Q7的源极通过电阻R9和电阻R10串联后接地，电阻R9和电阻R10之间的公共练连接点连接于三端稳压器U2的参考极，三极管Q5的发射极连接于三极管Q6的基极，三极管Q5的集电极通过电阻R6连接于NMOS管Q7的漏极，三极管Q5的基极连接于二极管D1的正极；

NMOS管Q7的漏极通过电阻R7和电阻R8串联后接地，电阻R7和电阻R8之间的公共连接点连接于二极管D1的负极，电阻R7和电阻R8的公共连接点与稳压管ZD1的负极连接，稳压管ZD1的正极接地；

电阻R9和电阻R10之间的公共连接点为稳压模块的检测输出端。

3.根据权利要求2所述基于电磁环境的能量收集系统，其特征在于：所述稳压模块还包括电容C4，电容C4的一端接地，另一端连接于NMOS管Q7的源极。

4.根据权利要求3所述基于电磁环境的能量收集系统，其特征在于：所述电阻R9为可调电阻。

5.根据权利要求1所述基于电磁环境的能量收集系统，其特征在于：所述能量收集储存模块包括芯片U1、锂电池BAT1、电容C2、电容C3、电容C4、锂电池BAT2、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电感L1、PMOS管Q1、PMOS管Q2、PMOS管Q3以及PMOS管Q4；

所述芯片U1为BQ25505RFRR芯片，电感L1的一端通过电容C2接地，电感L1的另一端与U1的20引脚连接，电感L1和电容C2之间的公共连接点作为能量收集模块的输入端，芯片U1的4引脚通过电容C3接地，芯片U1的1引脚接地，芯片U1的2引脚连接于电感L1和电容C1之间的公共连接点，芯片U1的5引脚为能量收集模块的控制端；

芯片U1的8引脚通过电阻R1和电阻R2串联后接地，电阻R1和电阻R2之间的公共连接点与芯片U1的7引脚连接，芯片U1的8引脚通过电阻R3与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端通过电阻R5接地，电阻R3和电阻R4之间的公共连接点与芯片U1的11引脚连接，电阻R4和电阻R5之间的公共连接点与芯片U1的12引脚连接，芯片U1的3引脚和19引脚与PMOS管Q3的源极连接，PMOS管Q3的源极通过电容C1接地，PMOS管Q3的漏极与PMOS管Q4的源极连接，芯片U1的18引脚与锂电池BAT1的正极连接，芯片U1的14引脚与PMOS管Q1的源极连接，PMOS管Q1的漏极与PMOS管Q2的源极连接，PMOS管Q2的漏极通过电容C5接地，PMOS管Q2的漏极和电容C6之间的公共连接点作为能量收集模块的输出端，PMOS管Q2的漏极连接于PMOS管Q4的漏极，PMOS管Q1的栅极和PMOS管Q2的栅极连接于芯片U1的10引脚，PMOS管Q3和PMOS管Q4的栅极连接于芯片U1的9引脚，芯片U1的14引脚与锂电池BAT2的正极连接。