TWI583097B - A wireless sensor that draws heat energy to convert electrical energy - Google Patents

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Description

汲取熱能轉換電能之無線感測裝置
本發明係一種無線感測裝置，尤指一種透過汲取熱能轉換電能進行運作之無線感測裝置。
為確保作業場所之安全，營運廠商多會在會容易發生危險之位置架設感測器進行監測。
舉例說明之，在工業生產環境中，為檢測高溫地點(例如：高溫通風口、發電機房、鍋爐等)，多會在該處架設具有溫度感測功能之無線感測器進行量測。由於現行之無線感測器多藉由電池進行供電，而監測地點多為工作人員難以靠近之處，使得需經常更換電池之工作人員需承擔極為龐大的風險。
綜上所述，如何提供一種可解決前述技術困境之手段乃本領域亟需解決之技術問題。
為解決前揭之問題，本發明之目的係提供一種可汲取並轉換環境熱能成電能之無線感測裝置。
為達上述目的，本發明提出一種汲取熱能轉換電能之無線感測裝置。裝置包含熱電轉換模組、儲能充放電電路、控制器、自動啟動電路以及無線傳輸模組。前述之儲能充放電電路之電源輸入端係連接熱電轉 換模組之電源轉換端，儲能充放電電路之電源輸出端與參考電壓端間係跨接超級電容。控制器之電源埠係連接電源輸出端，並於電源埠之電壓值低於低電壓門檻值下則進行睡眠模式。自動啟動電路之檢測端係連接電源輸出端，自動啟動電路之觸發端係連接控制器之輸入埠，並於電源輸出端之電壓值高於工作電壓門檻值下，則經由輸入埠觸發控制器進入工作模式。無線傳輸模組連接控制器之資料傳輸埠，並在提供工作模式下之控制器與外部之電子裝置進行通訊。
綜上所述，本發明之無線感測裝置藉由汲取環境熱源並將其轉換成該裝置所需之電量，而能有效的解決架設於高溫環境之無線感測裝置需頻繁更換電池之問題。
1‧‧‧汲取熱能轉換電能之無線感測裝置
11‧‧‧熱電轉換模組
12‧‧‧儲能充放電電路
13‧‧‧超級電容
14‧‧‧控制器
15‧‧‧自動啟動電路
16‧‧‧無線傳輸模組
17‧‧‧感測電路
18‧‧‧顯示電路
P1‧‧‧第一端
P2‧‧‧第二端
P3‧‧‧第三端
P4‧‧‧第四端
P5‧‧‧第五端
GND‧‧‧參考電壓端
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
D1‧‧‧第一二極體
L1‧‧‧第一電感
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
C3‧‧‧第三電容
SC‧‧‧昇壓轉換器
VTC‧‧‧電壓門檻電路
N1‧‧‧N型功率開關電晶體
CT‧‧‧電壓轉換器
VT‧‧‧熱電轉換電壓
VC‧‧‧超級電容電壓
圖1係為本發明一實施例之汲取熱能轉換電能之無線感測裝置方塊示意圖。
圖2係為本發明之儲能充放電電路之電路圖。
圖3係為本發明之自動啟動電路之電路圖。
以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。
請參閱圖1，其為本發明一實施例之汲取熱能轉換電能之無線感測裝置1之方塊示意圖。前述之裝置包含熱電轉換模組11、儲能充放電電路12、超級電容13、控制器14、自動啟動電路15、無線傳輸模組16、感測電路17、顯示電路18。儲能充放電電路12之電源輸入端係連接熱電轉換 模組11之電源轉換端，儲能充放電電路12之電源輸出端與參考電壓端間係跨接超級電容13。控制器14之電源埠係連接前述之電源輸出端，而控制器14於電源埠之電壓值低於低電壓門檻值下則進行睡眠模式。自動啟動電路15之檢測端係連接電源輸出端，自動啟動電路15之觸發端係連接控制器14之輸入埠，並於電源輸出端之電壓值高於工作電壓門檻值下，則經由輸入埠觸發控制器14進入工作模式。無線傳輸模組16連接控制器14之資料傳輸埠，以提供控制器14與外部之電子裝置進行通訊。
前述之熱電轉換模組11係包含一個或多個半導體式熱電轉換晶片。而當半導體式熱電轉換晶片為多個時，可採用N-P型交互串聯式連接。於另一實施例中，前述之熱電轉換模組11更包含散熱鰭片，且熱電轉換晶片之晶片冷面係貼附散熱鰭片，而熱電轉換晶片之晶片熱面係貼附外部之熱源。
熱電轉換晶片可選擇的採用俄羅斯Kyrotherm公司出產的TGM-199-1.4-0.8型號晶片與TGM-199-1.4-3.2型號晶片，惟其種類不在此限。前述之控制器14係為具有運算功能之電子裝置，例如可選用Arduino Lilypad開發板、8051開發板等。前述之超級電容13(Super capacitor)又稱電化學電容器(Electrochemical Capacitor)，或稱之為超高電容器(Ultracapacitor)。超級電容13係以電化學活性高的材料及多孔性物質來作為電荷的儲存與釋放之主要儲能材料。前述之無線傳輸模組16可選用Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等無線傳輸方案，惟其種類不在此限。
前述之感測電路17係與控制器14連接，並選擇的包含與溫度感測電路、濕度感測電路、光學感測電路、射頻感測電路、磁性感測電路、 氣體感測電路、或聲波感測電路。於一實施例中，本案之感測電路17係為溫度感測電路，並可透過與控制器14連接之顯示電路18顯示由溫度感測電路量測產生之溫度值。
請接著參閱圖2，其為前述儲能充放電電路12之電路圖。該電路包含第一電容C1、第一電感L1、第一二極體D1、昇壓轉換器SC、第二電容C2。第一電容C1以及熱電轉換模組11之熱電轉換電壓VT係跨接於第一端P1以及參考電壓端GND之間。第一電感L1係跨接於第一端P1以及第二端P2之間。第一二極體D1係跨接於第二端P2以及第三端P3之間。昇壓轉換器SC之輸入端以及輸出端係分別連接第二端P2以及第三端P3。第二電容C2以及超級電容13係跨接於第三端P3以及參考電壓端GND之間。當熱電轉換模組11貼附或鄰近於熱源時，會在第一端P1上產生一熱電轉換電壓VT，而經由儲能充放電電路12之運作後，可由第三端P3提供一電能，且該電能會儲存至超級電容內，形成超級電容電壓VC。本案於一實施例中，超級電容電壓VC大於3.3V。
在確定後級電路之負載之功率後，本案透過設定超級電容13之電容值、VH閥值與VL閥值，並將此VH與VL之區間規劃為能量的儲存之來源，以提供電源給後級電路。於下列之說明中，控制器14係採用Arduino微控制器、無線傳輸模組16則採用ZigBee無線傳輸模組。
超級電容13儲存之能量推導公式如Eq(1)所示： 其中PALL為裝置最大需求功率，亦即超級電容13能量區間所需提供之功率。裝置最大需求功率PALL主要由控制器14之需求功率PMCU、感測電路17之需 求功率PSN、ZigBee無線傳輸模組需求功率PZB、電路能量損失Ploss、整體輸入Pin至整體輸出功率P out 之轉換效率η所決定。
(P MCU +P SN +P ZB +P loss )÷η=P ALL Eq(2)
V C =V H -V L Eq(3)
將Eq(3)代入Eq(1)式中得到：
上列式子中，EC為超級電容13儲存之能量，C為超級電容13之電容值，VC為超級電容13內之跨壓，PALL為裝置總需求功率，TON是裝置進行資料傳輸所需時間。
當控制器14進入睡眠時，需藉由I/O點觸發一訊號使其甦醒，以進入工作模式。於此實施例中，透過觸發控制器14的外部中斷埠(腳位編號：Pin 32)來進行工作模式。而當控制器14內部燒錄中斷處理程式時，在Pin 32腳位由High訊號轉為Low訊號時，微控制器14則會再次甦醒進入工作模式，以驅動無線傳輸模組進行無線資料傳輸。
請接著參閱圖3，該圖為前述自動啟動電路15之電路圖。串聯之第三電阻R3以及第四電阻R4跨接於第三端P3以及參考電壓端GND之間。電壓門檻電路VTC之輸入端經由第五電阻R5連接至第三端P3，而其輸出端(第四端P4)則是連接至N型功率開關電晶體N1之閘極(Gate)，第四端P4更經由第六電阻R6連接至參考電壓端GND。電壓轉換器CT(輸出3.3V)之輸入端係連接至第三端P3，並經由第三電容C3連接至參考電壓端GND，而其輸出端係連接至第五端P5。N型功率開關電晶體N1之汲極(Drain)經由第七電阻連接至第五端P5，而其源極(Source)則是連接至參考電壓端GND。
超級電容13之輸出電壓VC係使用內部VH至VL之能量區間，第三電阻R3與第四電阻R4做為分壓之用。本案使用IC編號為MAX809之電壓門檻電路VTC作為能量檔牆，以避免超級電容13輸出電壓VC未到VH時就形成短路。後續N型功率開關電晶體N1則是作為開關控制。當超級電容13內部能量可以滿足PALL時，N型功率開關電晶體N1進行導通，使控制器14之Pin 32腳位將由High訊號(3.3V)轉為Low訊號(第七電阻R7以及電晶體導通時之跨壓)，此時控制器14再次甦醒並進入工作模式。
本案於一實施例中，其感測電路17係採用編號為PT100之電阻溫度感測器之電路。而顯示電路18則是採用LED顯示電路，並在控制器14內部燒錄程式後，當溫度感測電路17量測到溫度值時，會驅動LED之顯示電路18依表1設定之顏色進行顯示。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1‧‧‧汲取熱能轉換電能之無線感測裝置
11‧‧‧熱電轉換模組
12‧‧‧儲能充放電電路
13‧‧‧超級電容
14‧‧‧控制器
15‧‧‧自動啟動電路
16‧‧‧無線傳輸模組
17‧‧‧感測電路
18‧‧‧顯示電路

Claims (10)

  1. 一種汲取熱能轉換電能之無線感測裝置，包含：熱電轉換模組；儲能充放電電路，該儲能充放電電路之電源輸入端係連接該熱電轉換模組之電源轉換端；超級電容，跨接於該儲能充放電電路之電源輸出端與參考電壓端之間；控制器，該控制器之電源埠係連接該電源輸出端，該控制器於該電源埠之電壓值低於低電壓門檻值下則進行睡眠模式；自動啟動電路，該自動啟動電路之檢測端係連接該電源輸出端，該自動啟動電路之觸發端係連接該控制器之輸入埠，並於該電源輸出端之電壓值高於工作電壓門檻值下，則經由該輸入埠觸發該控制器進入工作模式；以及無線傳輸模組，連接該控制器之資料傳輸埠，以提供該控制器與外部之電子裝置進行通訊。
  2. 如請求項1所述之無線感測裝置，其中該熱電轉換模組包含一個或複個半導體式熱電轉換晶片。
  3. 如請求項2所述之無線感測裝置，其中該熱電轉換模組更進一步包含：散熱鰭片，其中該熱電轉換晶片之晶片冷面係貼附該散熱鰭片，其中該熱電轉換晶片之晶片熱面係貼附外部之熱源。
  4. 如請求項2所述之無線感測裝置，其中該等半導體式熱電轉換晶片係採用N-P型交互串聯式連接。
  5. 如請求項1所述之無線感測裝置，更包含與該控制器連接之感測電路，其 中該感測電路選擇的包含溫度感測電路、濕度感測電路、光學感測電路、射頻感測電路、磁性感測電路、氣體感測電路、或聲波感測電路。
  6. 如請求項1所述之無線感測裝置，更包含與該控制器連接之溫度感測電路。
  7. 如請求項6所述之無線感測裝置，更包含與該控制器連接之顯示電路，該顯示電路係顯示由該溫度感測電路量測產生之溫度值。
  8. 如請求項1所述之無線感測裝置，其中該自動啟動電路之該觸發端係連接至該控制器之中斷埠，以經由中斷處理觸發該控制器進行工作模式。
  9. 如請求項1所述之無線感測裝置，其中該超級電容之電容值係設定於滿足後級電路之工作電量。
  10. 如請求項9所述之無線感測裝置，其中該工作電量足夠提供該控制器驅動該無線傳輸模組進行無線資料傳輸。
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