多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，包括能量采集模塊、控制核心、充放電控制模塊和供電管理模塊。能量采集模塊通過采用合理的整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從環(huán)境中采集太陽能、風(fēng)能和水能傳輸?shù)絻?chǔ)能電池，控制核心可以調(diào)節(jié)能量采集的效率，保持在最大的狀態(tài)；控制核心采用ZigBee無線微處理模塊Jennic5139，由儲(chǔ)能電池供電；充放電控制模塊通過控制核心控制充放電電路的開斷，達(dá)到延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池壽命的目的；供電管理模塊可以選擇合理的輸出電壓，提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)。本實(shí)用新型體積小、成本低，能保證節(jié)點(diǎn)在不同的環(huán)境條件下都能有穩(wěn)定的能量供應(yīng)。
【專利說明】多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種太陽能、風(fēng)能和水能采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在大范圍內(nèi)收集、處理和發(fā)布復(fù)雜的環(huán)境數(shù)據(jù)，而且能夠自動(dòng)配置，在諸多領(lǐng)域(軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)境等)都有著極其廣闊的應(yīng)用前景。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)大都為隨機(jī)選址安放，故若每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用電網(wǎng)拉線供電則是十分復(fù)雜，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)更是不可能的，且由于環(huán)境或節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等原因各節(jié)點(diǎn)一般采用一次性電池供電，由于受到體積、價(jià)格等因素的影響，電池的容量一般不是很大。并且傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣，部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能達(dá)到，通過更換電池的方式來補(bǔ)充傳感器節(jié)點(diǎn)能源是不現(xiàn)實(shí)的。但是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間卻要求數(shù)月甚至數(shù)年，因此如何為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定可靠地能量供應(yīng)成為制約無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。
[0003]而利用能量收集技術(shù)從周圍環(huán)境中源源不斷地采集可用能量，為這一問題的解決開辟了一個(gè)新的方向。而環(huán)境中的單一的能量是不穩(wěn)定的，雖然系統(tǒng)的設(shè)計(jì)針對(duì)環(huán)境變化留有余量，但還是可能出現(xiàn)能量耗盡的情況。傳感器節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境不同，環(huán)境中可以收集的能源也不相同，采用某一特定的能量采集技術(shù)難以保證多種環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均能可靠地獲取所需能量。傳統(tǒng)的太陽能采集節(jié)點(diǎn)電源的穩(wěn)定性和對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性還是不夠理想，造成一些節(jié)點(diǎn)的丟失。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，該電源模塊體積小、成本低，可以在不同的環(huán)境中為節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定可靠的能量供應(yīng)。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:
[0006]一種多能量采集的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，包括能量采集模塊、充放電控制模塊、供電管理模塊以及和上述三者相連的控制核心；能量采集模塊包括太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)中的至少兩類的能量采集裝置，多個(gè)能量采集裝置并聯(lián)，每個(gè)能量采集裝置與一個(gè)儲(chǔ)能電容和開關(guān)管相連，輸出端通過一個(gè)用于穩(wěn)壓和調(diào)節(jié)能量采集效率的Boost整流電路連接到儲(chǔ)能電池；所述的儲(chǔ)能電容均帶有電壓采樣電路，端電壓值傳到所述的控制核心來控制所述的開關(guān)管的通斷。
[0007]所述的能量采集模塊的整流電路的導(dǎo)通和關(guān)斷是通過控制核心輸出PWM波控制。
[0008]所述的充放電控制模塊，儲(chǔ)能電池采用鋰電池；鋰電池帶有電壓采樣電路傳到控制中心，端電壓大小決定鋰電池的充放電狀態(tài)。
[0009]所述的供電管理模塊能量來源為儲(chǔ)能電池，通過一個(gè)升降壓斬波電路來使輸出電壓穩(wěn)定并和負(fù)載匹配。[0010]所述的控制核心為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的ZigBee無線微處理模塊Jennic5139,使用節(jié)點(diǎn)自帶微處理模塊而不是另外添一個(gè)新的控制芯片，控制核心由儲(chǔ)能電池供電。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果:體積小、成本低，能保證節(jié)點(diǎn)在不同的環(huán)境條件下都能有穩(wěn)定的能量供應(yīng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1多能量采集的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源的總體結(jié)構(gòu)框圖。
[0013]圖2能量采集模塊原理圖。
[0014]圖3擾動(dòng)法最大功率跟蹤控制策略。
[0015]圖4Jennic5139ZigBee無線微處理模塊控制核心。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0017]如圖1所示，多能量采集的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，包括能量采集模塊、充放電控制模塊、供電管理模塊以及和上述三者相連的控制核心；能量采集模塊(如圖2所示)包括太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)中的至少兩類的能量采集裝置，多個(gè)能量采集裝置并聯(lián)，每個(gè)能量采集裝置與一個(gè)儲(chǔ)能電容和開關(guān)管相連，輸出端通過一個(gè)用于穩(wěn)壓和調(diào)節(jié)能量采集效率的Boost整流電路連接到儲(chǔ)能電池；所述的儲(chǔ)能電容均帶有電壓采樣電路，端電壓值傳到所述的控制核心來控制所述的開關(guān)管的通斷。
實(shí)施例
·[0018]如圖4所示,本實(shí)用新型控制核心采用ZigBee無線微處理模塊Jennic5139,此模塊含有4路12位的AD轉(zhuǎn)換模塊和2路PWM輸出模塊，滿足實(shí)用新型的需求。
[0019]對(duì)于每個(gè)輸入源通過一個(gè)多路模擬開關(guān)與控制核心的一路AD轉(zhuǎn)換I/O 口相連,檢測(cè)Vjnj的電壓，傳到控制核心中，當(dāng)其達(dá)到閾值時(shí)，控制核心允許相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通，控制核心依次檢測(cè)V-的值，當(dāng)其達(dá)到閾值時(shí)，控制核心發(fā)出信號(hào)開通，輸入源i經(jīng)Boost電路向儲(chǔ)能電池或負(fù)載供電，當(dāng)Vini為O或者經(jīng)過了一個(gè)周期時(shí)間后關(guān)斷，控制核心檢測(cè)下一個(gè)電壓匕w，持續(xù)上述循環(huán)。當(dāng)一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，其它開關(guān)管處于斷路狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的輸入源向電容供電，避免了能量損失。
[0020]由于開關(guān)管在同一時(shí)刻只有一個(gè)導(dǎo)通，故每次只有一個(gè)能量源向負(fù)載或儲(chǔ)能電池供電。輸出端帶有電流采樣電路，用電流代表輸出功率，電流采樣通過附加一小電阻轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量接一路AD轉(zhuǎn)換I/O 口，控制核心計(jì)算輸出功率，并和上次的輸出功率比較，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤策略。
[0021]能量采集模塊輸出端與儲(chǔ)能電池相連，因此輸出電壓基本不變，而由Boost電路原理知^=Li切，能量采集模塊輸出電壓與占空比成反比，根據(jù)采集模塊輸出的U/I曲線知通過調(diào)節(jié)占空比，可以使輸出功率維持在最大功率，控制策略如圖3所示，調(diào)節(jié)占空比就間接調(diào)節(jié)了電壓。當(dāng)然，上述的控制策略對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是慣用的手段，現(xiàn)有技術(shù)中可以有其他的方式。
[0022]能量采集模塊采集得到的能量通過智能控制模塊傳輸?shù)絻?chǔ)能電池中，智能控制模塊通過檢測(cè)電池電壓信息，當(dāng)儲(chǔ)能電池是從O值或者小于特定值時(shí)開始充電，則控制能量一直存儲(chǔ)到儲(chǔ)能電池中去，直到達(dá)到電池電量飽和。當(dāng)電池電壓高于特定值時(shí)即使有多余能量控制單元也會(huì)斷開充電電路。這樣能減少充電次數(shù)，延長(zhǎng)電池使用壽命。為了防止電池深度放點(diǎn)而降低使用壽命，當(dāng)儲(chǔ)能電池電壓下降到特定值時(shí)則停止供電。
[0023]供電管理模塊的兩個(gè)按鍵接到控制核心的兩個(gè)輸入串口上，兩個(gè)按鍵代表電壓增按鍵和電壓減按鍵。初始狀態(tài)是輸出電壓維持在5V，控制核心的默認(rèn)的比較電壓也為5V，通過采樣輸出電壓與比較電壓的比值確定輸出的PWM波的占空比，通過調(diào)節(jié)占空比來穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)有η次電壓加按鍵動(dòng)作發(fā)生時(shí)，默認(rèn)的比較電壓變?yōu)?+η，重復(fù)上述過程來使電壓穩(wěn)定到所需電壓，η次減按鍵同理。
【權(quán)利要求】
1.一種多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，其特征在于:它包括能量采集模塊、充放電控制模塊、供電管理模塊以及和上述三者相連的控制核心；能量采集模塊包括太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)中的至少兩類的能量采集裝置，多個(gè)能量采集裝置并聯(lián)，每個(gè)能量采集裝置與一個(gè)儲(chǔ)能電容和開關(guān)管相連，輸出端通過一個(gè)用于穩(wěn)壓和調(diào)節(jié)能量采集效率的Boost整流電路連接到儲(chǔ)能電池；所述的儲(chǔ)能電容均帶有電壓采樣電路，端電壓值傳到所述的控制核心來控制所述的開關(guān)管的通斷。
2.如權(quán)利要求1所述的多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，其特征在于:所述的能量采集模塊的整流電路的導(dǎo)通和關(guān)斷是通過控制核心輸出PWM波控制。
3.如權(quán)利要求1所述的多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，其特征在于:所述的充放電控制模塊，儲(chǔ)能電池采用鋰電池；鋰電池帶有電壓采樣電路傳到控制中心，端電壓大小決定鋰電池的充放電狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1所述的多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，其特征在于:所述的供電管理模塊能量來源為儲(chǔ)能電池，通過一個(gè)升降壓斬波電路來使輸出電壓穩(wěn)定并和負(fù)載匹配。
5.如權(quán)利要求1所述的多能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源，其特征在于:所述的控制核心為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的ZigBee無線微處理模塊Jennic5139,使用節(jié)點(diǎn)自帶微處理模塊而不是另外添一個(gè)新的控制芯片，控制核心由儲(chǔ)能電池供電。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK203415999SQ201320277157
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】王春龍, 楊祥龍, 曹泓, 賈生堯, 魯琛 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)