本實(shí)用新型屬于環(huán)保新能源領(lǐng)域，具體涉及一種植物充電裝置。

背景技術(shù)：

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，可以完成對林區(qū)中人跡罕至或長期無人值守的危險(xiǎn)區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)測，與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)相比精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)存儲空間小、處理便捷，應(yīng)用前景廣闊。但由于其在林區(qū)的分布范圍較廣，架設(shè)電線或更換電池都非常困難，供電問題成為影響林區(qū)無線監(jiān)測發(fā)展的一個(gè)重要因素。19世紀(jì)中葉原蘇聯(lián)科學(xué)家恩·列瓦科夫斯基在實(shí)驗(yàn)中檢測到植物體內(nèi)有電流產(chǎn)生，之后杰克遜·博斯爵士測定了植物是因刺激產(chǎn)生電流。最近的研究發(fā)現(xiàn)植物內(nèi)部與其生長的土壤之間存在持續(xù)、穩(wěn)定的電勢差，麻省理工大學(xué)生物物理學(xué)家Andreas Mershin發(fā)現(xiàn)只要樹木保持新陳代謝的能力，這種電勢差就會一直存在。

結(jié)合林區(qū)供電和樹木電能的特點(diǎn)，若能利用林區(qū)中的樹木電能為鋰電池充電，對解決林區(qū)環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電問題提供幫助。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是利用林區(qū)中樹木與其周圍土壤之間自然存在的微弱電能，針對該電能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種生態(tài)環(huán)保的植物充電裝置。這種新型電能采集轉(zhuǎn)換裝置，可以在沒有任何外加電源的條件下，將樹木與其周圍土壤之間的微弱電能蓄積起來并升壓到5V左右，存儲到鋰電池中，并有相應(yīng)功率輸出，貼合林區(qū)實(shí)際條件，收集的電能具有生態(tài)環(huán)保的特點(diǎn)，對解決在林區(qū)環(huán)境中鋰電池充電問題提供幫助。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種植物充電裝置包括:樹木電極、土壤電極、樹木電能輸入接頭、電能輸出接頭、電容電路板、升壓及電能管理電路板、鋰電池、殼體、電容開關(guān)組和電池充電開關(guān)組成；

樹木電極、土壤電極設(shè)置于殼體的外部，樹木電能輸入接頭為40芯插頭，安裝于殼體正面左側(cè)，電能輸出接頭包括正負(fù)極兩個(gè)引出端，設(shè)置于殼體正面右側(cè)下方，電容電路板、升壓及電能管理電路板和鋰電池設(shè)置于殼體的內(nèi)部，電容開關(guān)組設(shè)置于殼體右側(cè)，電池充電開關(guān)設(shè)置于殼體正面右側(cè)上方。

所述的樹木電極內(nèi)部具有20個(gè)鋼釘分電極固定在環(huán)形布帶上，采集電能時(shí)將鋼釘環(huán)狀分布分別釘于樹木的韌皮部，作為采集樹木電能的負(fù)極；土壤電極也具有20個(gè)探針分電極，采集電能時(shí)將20個(gè)探針分電極分別插入樹木周圍的土壤中，作為采集樹木電能的正極；所述的樹木電極和土壤電極與樹木電能輸入接頭通過電纜相連，所述的樹木電能輸入接頭、電容開關(guān)組、與電容電路板通過導(dǎo)線相連，可以將采集的樹木電能經(jīng)所述的樹木電能輸入接頭傳輸?shù)诫娙蓦娐钒迳希瑢淠倦娔苄罘e起來；所述的電容開關(guān)組包括20個(gè)撥動(dòng)開關(guān)，電容電路板上并聯(lián)有20個(gè)電容，每個(gè)開關(guān)控制一個(gè)電容的并聯(lián)連接，連接上的電容存儲的樹木電能即為電容電路板的輸出電能；

所述電容電路板、升壓及與電能管理電路板通過導(dǎo)線相連，所述鋰電池連接于升壓及電能管理電路板上，所述的電能輸出接頭有正負(fù)極兩個(gè)引出端，分別與鋰電池正負(fù)極相連；所述的電池充電開關(guān)控制電容電路板向升壓及電能管理電路板的電能輸送；

所述的升壓及電能管理電路板用于樹木電能的升壓并為鋰電池充電，通過所述電能輸出接頭將所述鋰電池的電壓輸出；

所述的升壓及電能管理電路板包括：充電泵電路、DC-DC升壓電路和充電管理電路，所述充電泵電路主要由S882Z20芯片、電容構(gòu)成，將采集的樹木與土壤間的電壓作為所述充電泵電路的輸入電壓，在充電泵電路輸出端就會出現(xiàn)在1.2-1.8V范圍內(nèi)波動(dòng)的電壓，用其作為所述配套DC-DC升壓電路的啟動(dòng)電源，可確保DC-DC升壓電路隨時(shí)處于可工作狀態(tài)；所述DC-DC升壓電路由S8353D50芯片、電感線圈、電容器和二極管構(gòu)成，當(dāng)所述S882Z20的充電泵電路提供啟動(dòng)電壓后，可以將存儲在電容中的樹木與土壤之間的電能對應(yīng)電壓無源升高至5V；所述充電管理電路由充電管理芯片LTC4071構(gòu)成，負(fù)責(zé)將采集升壓得到的5V電壓實(shí)現(xiàn)給鋰電池充電，即實(shí)現(xiàn)電能存儲到鋰電池中；

所述的殼體作為保護(hù)電路板的屏障，在樹木電能輸入接頭、電能輸出接頭、電容開關(guān)組、電池充電開關(guān)和殼體的縫隙連接處均噴涂有防水漆或防水膠，樹木電極和土壤電極與樹木電能輸入接頭連接的電纜線也均具有防水結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型采集樹木電能，存儲在鋰電池中以供使用，可以通過電容開關(guān)組選擇并聯(lián)連接的電容數(shù)量，控制樹木電能的存儲容量，設(shè)計(jì)方法新穎；從自然存在的樹木中提取電能，工作過程中沒有任何外加電源輸入，生態(tài)環(huán)保，與現(xiàn)有供電方法相比對環(huán)境影響極?。涣硗?，從林區(qū)的樹木中采集蓄積電能，為林區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電池充電，就地取材，對解決林區(qū)環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電問題提供幫助。

附圖說明

圖1：植物充電裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：植物充電裝置電能采集連接圖；

圖3：植物充電裝置樹木電極和土壤電極示意圖；

圖4：單獨(dú)一路植物電能采集示意圖；

圖5：植物充電裝置電路整體框圖；

圖6：升壓及電能管理電路板電路圖；

1樹木電極，2土壤電極，3樹木電能輸入接頭，4電能輸出接頭，5電容電路板，6升壓及電能管理電路板，7鋰電池，8殼體，9電容開關(guān)組，10電池充電開關(guān)，11樹木分電極，12土壤探針分電極，13充電泵電路，14 DC-DC升壓電路，15充電管理電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

參看圖1，具體實(shí)施采用以下技術(shù)方案：植物充電裝置由樹木電極1、土壤電極2、樹木電能輸入接頭3、電能輸出接頭4、電容電路板5、升壓及電能管理電路板6、鋰電池7、殼體8、電容開關(guān)組9和電池充電開關(guān)10組成；其中樹木電極1、土壤電極2設(shè)置于殼體8的外部，樹木電能輸入接頭3為40芯航空插頭，安裝于殼體8正面左側(cè)，電能輸出接頭4包括正負(fù)極兩個(gè)引出端，設(shè)置于殼體8正面右側(cè)下方，電容電路板5、升壓及電能管理電路板6和鋰電池7設(shè)置于殼體8的內(nèi)部，電容開關(guān)組9設(shè)置于殼體8右側(cè)，電池充電開關(guān)10設(shè)置于殼體8正面右側(cè)上方。

參看圖2和圖3，樹木電極1內(nèi)部具有20個(gè)鋼釘分電極11固定在環(huán)形布帶上，采集電能時(shí)將鋼釘環(huán)狀分布分別釘于樹木的樹干上，電極固定在樹木的高度要距離地面1.5米左右，樹木電極要深入到樹木的韌皮部，作為采集樹木電能的負(fù)極；土壤電極2也具有20個(gè)探針分電極12，采集電能時(shí)將20個(gè)探針分電極分別插入樹木周圍的土壤中，作為采集樹木電能的正極；樹木電極1和土壤電極2與樹木電能輸入接頭3通過電纜相連，樹木電能輸入接頭3、與電容電路板5通過導(dǎo)線相連；樹木電能輸入接頭3是一個(gè)40芯航空插頭，在殼體8外側(cè)的40芯中有20芯分別與20個(gè)鋼釘樹木分電極11相連，另20芯分別與20個(gè)土壤探針分電極12相連。樹木電能輸入接頭3在殼體8內(nèi)側(cè)的40芯中有20芯分別與20個(gè)電容的正極相連，另20芯分別與20個(gè)電容的負(fù)極相連；參看圖4，其中一個(gè)鋼釘樹木分電極11與其對應(yīng)的一個(gè)土壤探針分電極12能實(shí)現(xiàn)對一個(gè)電容充電，稱之為一路植物電能采集；圖4示出了一路植物電能采集時(shí)通過樹木電能輸入接頭3與一個(gè)電容的連接方式。

電容電路板5上的各個(gè)電容分別與電容開關(guān)組9中的開關(guān)對應(yīng)相連，電容電路板5上有20個(gè)電容，電容開關(guān)組9包括20個(gè)撥動(dòng)開關(guān)，每個(gè)開關(guān)控制一個(gè)電容的并聯(lián)連接，電容開關(guān)組9的20個(gè)撥動(dòng)開關(guān)全部閉合則將20個(gè)電容全部并聯(lián)連接；由于單獨(dú)一路電容采集的樹木電能輸出電流較小，僅為15μA左右，所以采用電容電路板和電容開關(guān)組的方式將多路樹木電信號并聯(lián)起來，既可以使并聯(lián)后的電流達(dá)到升壓電路驅(qū)動(dòng)電流為50μA的要求，也可以提高樹木電能的采集能量。

電容電路板5、升壓及與電能管理電路板6通過導(dǎo)線相連，鋰電池7連接在升壓及電能管理電路板6上，在充電裝置中設(shè)置了一個(gè)電池充電開關(guān)10，這是一個(gè)按鈕開關(guān)，當(dāng)按鈕按下時(shí)可以將電容電路板5中采集的樹木電能輸送到升壓及電能管理電路板6上；若不按下按鈕電容電路板5中采集的樹木電能不能輸送到升壓及電能管理電路板6上。

升壓及電能管理電路板6用于樹木電能的升壓并為鋰電池7充電。

參看圖5，升壓及電能管理電路板6包括：充電泵電路13、DC-DC升壓電路14和充電管理電路15；充電泵電路13主要由S882Z20芯片、電容構(gòu)成。見圖6所示，充電泵S-882Z芯片當(dāng)輸入電壓U₁低至0.3V時(shí)就可啟動(dòng)工作，與外部連接的電容器相配合，將充電泵電路的輸出電壓U₂升高到1.2-1.8V范圍內(nèi)。若將采集到的一路樹木與土壤間的樹木電能，待電壓值達(dá)到300mV以上，即符合了充電泵S882Z20的啟動(dòng)條件，將這個(gè)電壓作為充電泵電路的輸入電壓U₁，在充電泵電路輸出端就會出現(xiàn)在1.2-1.8V范圍內(nèi)波動(dòng)的電壓U₂。為了滿足對鋰電池充電的需要要將采集的樹木電能的電壓要升高到5V，為此設(shè)計(jì)了DC-DC升壓電路14，該DC-DC升壓電路14由S8353D50芯片、電感線圈、電容器和二極管構(gòu)成，見圖6所示。S8353D50型芯片在0.9V低電壓下即可啟動(dòng)工作，將采集到的樹木電能提供的300mv的輸入電壓升高至輸出電壓為5.0V。上述充電泵電路的輸出電壓U₂在1.2-1.8V之間，完全滿足該DC-DC升壓電路的啟動(dòng)要求，用其作為DC-DC升壓電路的啟動(dòng)電源，可確保DC-DC升壓電路隨時(shí)處于可工作狀態(tài)，當(dāng)S882Z20的充電泵電路提供啟動(dòng)電壓后，DC-DC升壓電路可以將存儲在電容中的樹木與土壤之間的電能對應(yīng)的電壓無源升高至5V。充電管理電路15由充電管理芯片LTC4071構(gòu)成，負(fù)責(zé)將采集升壓得到的5V電壓實(shí)現(xiàn)給鋰電池7充電，即將電能存儲到鋰電池中，通過電能輸出接頭4將鋰電池7的電壓輸出，該電能輸出接頭可以連接用電設(shè)備，將鋰電池中存儲的電能輸出。

植物充電裝置殼體8是保護(hù)電路板的屏障，為了防止在天然環(huán)境下使用時(shí)雨水對植物充電裝置性能的影響，在樹木電能輸入接頭3、電能輸出接頭4、電容開關(guān)組9、電池充電開關(guān)10和殼體8的縫隙連接處均噴涂有防水漆或防水膠，樹木電極1和土壤電極2與樹木電能輸入接頭3連接的電纜線也均做過防水處理。

一種植物充電裝置，具體操作如下：

在開始工作時(shí)，將電容開關(guān)組的撥動(dòng)開關(guān)全部打開，將采集的每一路樹木電能經(jīng)充電裝置的樹木電能輸入接頭分別傳輸?shù)诫娙蓦娐钒迳系拿恳粋€(gè)電容中蓄積起來，當(dāng)各個(gè)電容中的電壓全部達(dá)到300mV以上時(shí)，將電容開關(guān)組的撥動(dòng)開關(guān)閉合，則將各個(gè)電容并聯(lián)連接，再按下電池充電開關(guān)，電容電路板中的電能輸入到升壓及電能管理電路板；電容電路板中的電能輸入到升壓及電能管理電路板后，升壓及電能管理電路板中的充電泵電路只需單獨(dú)連接一個(gè)電容，即可將樹木電能升壓至1.8-2V，作為DC-DC升壓電路的啟動(dòng)電源，DC-DC升壓電路在充電泵電路提供啟動(dòng)電壓后，升壓電路啟動(dòng)，可以將存儲在電容中的樹木與土壤之間的300mv電壓無源升高至5V，在充電管理電路的管理下將升高的5V電壓為鋰電池充電，為鋰電池蓄積電能；因?yàn)殡娔茌敵鼋宇^正負(fù)極兩個(gè)引出端分別與鋰電池正負(fù)極相連，可以把電能輸出接頭直接連接到用電設(shè)備上，比如林區(qū)環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將鋰電池作為供電電源提供電能輸出。

以上僅僅是對本實(shí)用新型的舉例說明，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的保護(hù)范圍的限制，凡是與本實(shí)用新型相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。