專利名稱：一種傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為傳感器節(jié)點(diǎn)供電的能量管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)、大面積農(nóng)田的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，只能攜帶能量十分有限的電池。有些環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用需要進(jìn)行連續(xù)數(shù)月的監(jiān)測(cè)，這對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)提出了很高的要求。目前的傳感器節(jié)點(diǎn)大多使用兩節(jié)干電池供電，這樣的電力在3V情況下大約是2200mAh。如果需要持續(xù)工作9個(gè)月，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均每天只有8.15mAh的電量。所以，要使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，靠傳感器節(jié)點(diǎn)自身攜帶的有限能量只能采用節(jié)能式管理方式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計(jì)算模塊以節(jié)省能量，這樣，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)，只有與之相鄰的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，從而形成一個(gè)活動(dòng)區(qū)域?；顒?dòng)區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送而移動(dòng)，這樣原先活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)在離開活動(dòng)區(qū)域后可以轉(zhuǎn)到休眠模式從而節(jié)省能量。
另外，在一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不同節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的需求和使用也會(huì)有不同。例如，靠近基站的節(jié)點(diǎn)可能需要更多地將能量用在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包上，而網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)會(huì)將主要的能量用在搜集傳感數(shù)據(jù)上。因此，有些節(jié)點(diǎn)消耗能量比較快，即使采用節(jié)能方式也不能有效地解決整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量問題。
中國(guó)專利200610114706.6中采用了太陽能光伏電池作為能源從環(huán)境中攝取能量為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，解決了傳感器節(jié)點(diǎn)自帶電池不能長(zhǎng)時(shí)間工作的問題，但對(duì)能量的具體管理以及電路的設(shè)計(jì)存在不足。中國(guó)專利200610114708.5將溫差電池利用導(dǎo)熱硅膠粘貼在太陽能光伏電池的背部，利用太陽能光伏電池工作時(shí)背溫與環(huán)境中溫度之間的溫差來發(fā)電，這進(jìn)一步利用了環(huán)境中的能量。但此專利的能量管理電路部分存在電路復(fù)雜、效率較低的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)電路復(fù)雜、效率較低的缺點(diǎn)，提供一種高效合理智能化程度高的能量管理系統(tǒng)。本發(fā)明采用太陽能光伏電池和溫差電池作為生能器件，鋰離子電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器件，為傳感起節(jié)點(diǎn)供電?？芍悄芑行Ч芾硖柲芄夥姵睾蜏夭铍姵亟M成的雙生能系統(tǒng)，以及鋰離子電池和超級(jí)電容器組成的雙儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能量。
本發(fā)明能量管理系統(tǒng)的外圍是由太陽能光伏電池和溫差電池組成的雙生能系統(tǒng)，由鋰離子電池和超級(jí)電容器組成的雙儲(chǔ)能系統(tǒng)以及傳感器節(jié)點(diǎn)組成。能量管理系統(tǒng)主要由開關(guān)切換電路、充電電路、穩(wěn)壓電路、升壓電路、單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路組成。
太陽能光伏電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化成電能，通過二極管后分別由充電電路和穩(wěn)壓電路為鋰離子電池充電并為傳感器節(jié)點(diǎn)、單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器供電。充電電路以充電芯片max866為核心，外圍配有充電指示燈以及濾波電容，在太陽能光伏電池向鋰離子電池充電時(shí)，發(fā)光二極管指示燈點(diǎn)亮。穩(wěn)壓電路僅僅由穩(wěn)壓芯片max8881組成，可以為傳感器節(jié)點(diǎn)提供3.3V的恒定電壓。
溫差電池通過導(dǎo)熱硅膠貼在太陽能光伏電池的背面，利用太陽能光伏電池背溫與環(huán)境的溫差發(fā)電，由于溫差電池輸出的電壓較低，不能直接向超級(jí)電容器充電，所以在溫差電池和超級(jí)電容器間連接了一個(gè)升壓電路，升壓電路的主要芯片是max866，它可以將0.9V的電壓升到5V，升壓芯片的外圍電感為330uH，這個(gè)數(shù)值的正確與否直接影響到升壓效果。
能量管理系統(tǒng)的核心是AT89C2051-12PU單片機(jī)，它控制A/D轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電路進(jìn)行正常工作。單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器都是可在3-5V工作的器件，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。A/D轉(zhuǎn)換器定時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容器兩端的電壓，如果電壓等于超級(jí)電容器的耐壓值2.7V，單片機(jī)打開開關(guān)切換電路，使超級(jí)電容器開始放電。由于超級(jí)電容器的耐壓值2.7V小于鋰離子電池的截止電壓3V，所以超級(jí)電容器在放電過程中也使用了升壓電路，此升壓電路和溫差電池的升壓電路相同。超級(jí)電容器輸出的電量經(jīng)升壓電路后通過充電電路為鋰離子電池充電。超級(jí)電容器放電利用延時(shí)的方法，延時(shí)時(shí)間是通過多次實(shí)驗(yàn)獲得的，延時(shí)時(shí)間結(jié)束，單片機(jī)斷開開關(guān)電路，重新由溫差電池供電。
當(dāng)太陽能光伏電池和溫差電池不能正常工作時(shí)(比如晚上)，鋰離子電池將為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，并維持單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器的正常運(yùn)行。


圖1是太陽能光伏電池和溫差電池組成的混合微能源為傳感器節(jié)點(diǎn)供能的整體示意圖；圖2是能量管理系統(tǒng)電路圖；圖中1.開關(guān)切換電路、2.充電電路、3.穩(wěn)壓電路、4.升壓電路、 5.升壓電路、6.單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的能量管理系統(tǒng)以及外圍器件如圖1所示。能量管理系統(tǒng)作為核心部件將太陽能光伏電池和溫差電池產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)到鋰離子電池和超級(jí)電容器中，并智能化地調(diào)配各儲(chǔ)能器件中的能量為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。
本發(fā)明能量管理系統(tǒng)主要由開關(guān)切換電路1、充電電路2、穩(wěn)壓電路3、升壓電路4和5、單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路6組成。太陽能光伏電池輸出的電能通過充電電路2和穩(wěn)壓電路3分別向鋰離子電池充電和向傳感器節(jié)點(diǎn)、單片機(jī)U6、A/D轉(zhuǎn)換器U7供電，溫差電池輸出的電能通過升壓電路4后向超級(jí)電容器供電；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器U7檢測(cè)到超級(jí)電容器兩端的電壓等于其耐壓值2.7V時(shí)，單片機(jī)U6便接通開關(guān)芯片U1的下繼電器，同時(shí)關(guān)閉開關(guān)芯片U1的上繼電器，使超級(jí)電容器中的電量經(jīng)過升壓電路5后與太陽能光伏電池并聯(lián)向鋰離子電池充電，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
能量管理系統(tǒng)的外圍器件太陽能光伏電池、溫差電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器以及傳感器節(jié)點(diǎn)分別與能量管理系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的接口相連接太陽能光伏電池接口是充電電路2的輸入端，太陽能光伏電池接口通過二極管D1、D4后與充電芯片U2 MAX1811的輸入端相連接，充電芯片U2的輸出端與鋰離子電池接口、單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路6中單片機(jī)U6、A/D轉(zhuǎn)換器U7的電源端Vcc以及開關(guān)切換電路1中U1的8引腳相連接。充電芯片U2外圍配有充電指示燈D2和分壓電阻R2，充電電路正常工作時(shí)，充電指示燈D2發(fā)光。穩(wěn)壓電路的輸入端分別與太陽能光伏電池和開關(guān)切換電路1中U1的7引腳相連，穩(wěn)壓電路3主要由穩(wěn)壓芯片U3 MAX8881組成，外圍電阻R3為保護(hù)電阻，穩(wěn)壓電路3的輸出端與傳感器節(jié)點(diǎn)相連接。溫差電池接口是升壓電路4的輸入端，升壓電路4的核心器件是升壓芯片U4 MAX866，其外圍的電感L1值為300uH。升壓芯片U4的輸出端通過二極管D6分別與超級(jí)電容器、開關(guān)切換電路1中開關(guān)芯片U1的被控端5腳以及單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路6中A/D轉(zhuǎn)換器U7的輸入腳2相連。開關(guān)芯片U1的被控端6腳與升壓電路5的輸入端相連，升壓電路5與升壓電路4的結(jié)構(gòu)相同。單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路6中單片機(jī)U6的第14引腳和15引腳分別與開關(guān)切換電路1中開關(guān)芯片U1的控制端1、3引腳相連，開關(guān)芯片U1的2、4引腳接地。
充電電路2采用具有高的充電精度、外圍器件少的max1811芯片；穩(wěn)壓電路3采用小體積、微功耗的max8881芯片；升壓電路4采用高效率、可在0.9V工作的max866芯片；單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換電路是由低功耗、低電壓的AT89C2051-12PU單片機(jī)和TLC549A/D轉(zhuǎn)換器組成；開關(guān)切換電路采用的是靈敏度高、相應(yīng)速度快的AQW212芯片。
太陽能光伏電池輸出的電能通過穩(wěn)壓電路3向傳感器節(jié)點(diǎn)供電。如果太陽能光伏電池輸出功率較大，此時(shí)也會(huì)通過充電電路2向鋰離子電池充電，同時(shí)為單片機(jī)U6和A/D轉(zhuǎn)換器U7提供能量，當(dāng)太陽能光伏電池提供的能量不足以滿足節(jié)點(diǎn)所需的能量時(shí)，鋰離子電池將通過穩(wěn)壓電路3向傳感器節(jié)點(diǎn)供電。
太陽能光伏電池工作時(shí)背溫和環(huán)境中的溫度有一定的溫差，所以在太陽能光伏電池的背面粘貼有溫差電池，為了保持溫差的持續(xù)存在，在溫差電池的另一面粘貼有散熱片。由于溫差電池輸出的電壓較小，直接向超級(jí)電容器充電很不現(xiàn)實(shí)，所以在溫差電池的輸出端與超級(jí)電容器之間增加了升壓電路4，可以使超級(jí)電容器中存儲(chǔ)更多的能量。A/D轉(zhuǎn)換器U7在單片機(jī)U6的控制下，定時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容器兩端的電壓，當(dāng)超級(jí)電容器兩端的電壓等于其耐壓值2.7V，單片機(jī)U6控制開關(guān)切換電路1中的開關(guān)芯片U1使超級(jí)電容器開始放電。由于超級(jí)電容器電壓的耐壓值2.7V小于鋰離子電池的截止電壓值3.0V，所以在超級(jí)電容器放電的過程中也使用了升壓電路5。此升壓電路5的輸入端與開關(guān)芯片U1的輸出引腳6相連，升壓電路5的輸出端與太陽能光伏電池的輸出端并聯(lián)后和充電電路2的輸入端相連。由于超級(jí)電容器具有慢充快放的特點(diǎn)，所以，在很短的時(shí)間內(nèi)可將電量放出，為鋰離子電池充電。超級(jí)電容器的放電時(shí)間是經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后確定的，具體實(shí)施過程采用軟件延時(shí)的方法，延時(shí)時(shí)間到，單片機(jī)則關(guān)閉開關(guān)芯片U1，恢復(fù)到原來的狀態(tài)，即太陽能光伏電池分別通過充電電路2和穩(wěn)壓電路3為鋰離子電池充電和傳感器節(jié)點(diǎn)供電，溫差電池通過升壓電路4向超級(jí)電容器充電。單片機(jī)U6和A/D轉(zhuǎn)換器采用的是可在3V低電壓下工作的AT89C2051-12PU和TLC549，它們可以直接由太陽能光伏電池或者鋰離子電池供電，省去了額外的升壓電路，提高了能量管理系統(tǒng)的效率。
權(quán)利要求
1.一種傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)，其特征在于能量管理系統(tǒng)主要由開關(guān)切換電路[1]、充電電路[2]、穩(wěn)壓電路[3]、升壓電路[4、5]、單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路[6]組成；太陽能光伏電池輸出的電能通過充電電路[2]和穩(wěn)壓電路[3]后分別向鋰離子電池充電和向單片機(jī)[U6]、A/D轉(zhuǎn)換器[U7]、傳感器節(jié)點(diǎn)供電；溫差電池輸出的電能通過升壓電路[4]后向超級(jí)電容器供電，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器[U7]檢測(cè)到超級(jí)電容器兩端的電壓等于其耐壓值2.7V時(shí)，單片機(jī)[U6]的[15]引腳輸出高電平，接通開關(guān)芯片[U1]的下繼電器，同時(shí)單片機(jī)[U6]的[14]引腳輸出低電平關(guān)閉開關(guān)芯片[U1]的上繼電器使超級(jí)電容器中的電量經(jīng)過升壓電路[5]后與太陽能光伏電池并聯(lián)向鋰離子電池充電；充電電路[2]的輸入端為太陽能光伏電池接口，充電電路[2]中的充電芯片[U2]的輸出端與鋰離子電池接口及單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器電源端相連，穩(wěn)壓電路[3]的輸出端與傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，升壓電路[4]的輸入端是溫差電池接口，升壓電路[4]中的升壓芯片[U4]的輸出端通過二極管[D6]與超級(jí)電容器連接；能量管理系統(tǒng)將太陽能光伏電池和溫差電池產(chǎn)生的能量分別存儲(chǔ)到鋰離子電池和超級(jí)電容器中，并智能化地調(diào)配各儲(chǔ)能器件中的能量為傳感器節(jié)點(diǎn)供電太陽能光伏電池分別通過充電電路[2]和穩(wěn)壓電路[3]向鋰離子電池充電和向傳感器節(jié)點(diǎn)供電，溫差電池產(chǎn)生的電能通過升壓電路[4]向超級(jí)電容器充電；當(dāng)太陽能光伏電池提供的能量不足以滿足節(jié)點(diǎn)所需的能量時(shí)，由鋰離子電池作為電源通過穩(wěn)壓電路[3]向傳感器節(jié)點(diǎn)供電。
2.按照權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)，其特征在于充電電路[2]中，太陽能光伏電池接口通過二極管[D1]、[D4]后與充電芯片[U2]MAX1811的輸入端相連接，充電芯片[U2]的輸出端與鋰離子電池接口、單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路[6]中單片機(jī)[U6]、A/D轉(zhuǎn)換器[U7]的電源端Vcc相連接相連接，充電芯片[U2]外圍配有充電指示燈[D2]和分壓電阻[R2]；太陽能光伏電池接口通過二極管[D1]后與穩(wěn)壓電路[3]的輸入端相連接，穩(wěn)壓電路[3]主要由穩(wěn)壓芯片[U3]MAX8881組成，外圍電阻[R3]為保護(hù)電阻，穩(wěn)壓電路[3]的輸出端與傳感器節(jié)點(diǎn)相連；升壓電路[4]的核心器件升壓芯片[U4]MAX866的輸出端通過二極管[D6]分別與超級(jí)電容器、開關(guān)切換電路[1]中開關(guān)芯片[U1]的被控端[5]腳以及單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路[6]中A/D轉(zhuǎn)換器[U7]的輸入腳[2]相連，開關(guān)芯片[U1]的被控[6]腳與升壓電路[5]的輸入端相連，開關(guān)芯片[U1]的被控端[8]腳和[7]腳分別與鋰離子電池和二極管[D3]相連接；升壓電路[5]與升壓電路[4]的結(jié)構(gòu)相同；單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路[6]中單片機(jī)[U6]的第[15]引腳和第[14]引腳分別與開關(guān)切換電路[1]中開關(guān)芯片[U1]的控制端[3]引腳和[1]引腳相連，開關(guān)芯片[U1]的[2]引腳和[4]引腳接地。
3.按照權(quán)利要求1所述的能量管理系統(tǒng)，其特征在于單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器定時(shí)采集超級(jí)電容器兩端的電壓，當(dāng)超級(jí)電容器兩端的電壓達(dá)到超級(jí)電容器的耐壓值2.7V，單片機(jī)[15]引腳輸出高電平打開開關(guān)電路[1]的下繼電器，同時(shí)第[14]引腳輸出低電平關(guān)閉上繼電器使超級(jí)電容器中的電能通過另一個(gè)升壓電路[5]與太陽能光伏電池并聯(lián)，然后通過充電電路[2]為鋰離子電池充電；超級(jí)電容器在放電過程中采用了延時(shí)的方法，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到，單片機(jī)發(fā)出命令關(guān)閉開關(guān)電路，然后溫差電池向超級(jí)電容器充電，太陽能光伏電池向鋰離子電池充電并為傳感器節(jié)點(diǎn)、單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器供電。
全文摘要
一種傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)，包括開關(guān)切換電路[1]、充電電路[2]、穩(wěn)壓電路[3]、升壓電路[4、5]、單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路[6]。太陽能光伏電池輸出的能量通過充電電路[2]和穩(wěn)壓電路[3]向鋰離子電池充電并為傳感器節(jié)點(diǎn)、單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換電路[6]供電；同時(shí)，太陽能光伏電池背面粘貼的溫差電池通過升壓[4]電路直接向超級(jí)電容器充電。單片機(jī)電路控制A/D轉(zhuǎn)換器定時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容器兩端電壓，當(dāng)超級(jí)電容器兩端電壓等于超級(jí)電容器的耐壓值2.7V時(shí)，單片機(jī)則打開開關(guān)切換電路，超級(jí)電容器經(jīng)升壓電路[5]后和太阻能光伏電池并聯(lián)向鋰離子電池充電。本發(fā)明可將來自環(huán)境中的能量實(shí)行智能化管理，延長(zhǎng)了傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命，解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源瓶頸問題。
文檔編號(hào)H02J7/35GK101086523SQ20071011779
公開日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
發(fā)明者蘇波, 李艷秋, 于紅云, 尚永紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所