一種無線傳感節(jié)點的自供能裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種無線傳感節(jié)點的自供能裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點組成,節(jié)點相互通訊形成自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。每個傳感器節(jié)點都是一個集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通訊等功能的微系統(tǒng)。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點數(shù)目龐大、分布區(qū)域廣、部署環(huán)境復(fù)雜或危險的特點,有些區(qū)域甚至人員不能到達,所以利用人工更換電池、充電等方式補充能量是不現(xiàn)實的。當攜帶的能量耗盡時,傳感器節(jié)點將無法完成預(yù)定的任務(wù),這極大限制了傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實用化,就必須解決能源瓶頸問題。為解決這一制約問題,需要無線傳感器節(jié)點采集環(huán)境中的能量并且存儲利用。環(huán)境中能量采集的來源包括太陽能、風能、溫差能、振動能、噪聲等多種能源。
[0004]現(xiàn)在已經(jīng)有多種為無線傳感節(jié)點供能的裝置,一般來說這些裝置的能量來源有四種:太陽能、風能和振動能。例如邊義祥在其專利《利用壓電振動發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點》(CN 103532427A)中公開了一種利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點,用多個兩面貼有多片壓電元件的懸臂梁進行寬頻壓電發(fā)電,把自然環(huán)境的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能,為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電。這種裝置利用壓電振動產(chǎn)生的電能非常小,實際應(yīng)用中能夠提供足夠振動能以保證裝置正常工作的場合非常少,裝置無法在大部分應(yīng)用場合中廣泛應(yīng)用。此外,這種裝置只利用了振動能進行發(fā)電,俘能方式單一,沒有充分利用自然環(huán)境中的其他能量,裝置在環(huán)境發(fā)生變化如長時間沒有振動時無法持續(xù)工作。
[0005]又如劉成良在其專利《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點光伏能源自治系統(tǒng)及其自治方法》(CN101808423A)中描述了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點光伏能源自治系統(tǒng)及其自治方法,利用太陽能為超級電容充電,將能量自治方法納入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。這種方法僅僅依靠太陽能進行發(fā)電,太陽能電池板的發(fā)電功率受天氣影響很大,陰天或多云等光照較弱的條件下發(fā)出的電量過小甚至無法存儲。遇到連續(xù)陰雨天的狀況則會使系統(tǒng)耗盡超級電容中的電能儲備而停止工作,適應(yīng)性不強,難以在實際應(yīng)用中投入使用。
[0006]金仁成在其專利《一種基于太陽能-風能互補的WSN節(jié)點自供電系統(tǒng)》(CN103259323A)公開了一種基于太陽能-風能互補的WSN節(jié)點自供電系統(tǒng)。其中,太陽能采集模塊使用太陽能電池板采集環(huán)境中的光能,壓電式垂直軸風能采集模塊采集環(huán)境中的風能,超級電容將采集到的能量存儲在超級電容中,接口電路為能量存儲和WSN節(jié)點供電提供通道。專利提供的整體結(jié)構(gòu)僅僅將垂直軸風機和太陽能電池板進行了簡單的拼接,沒有對有限的裝置空間進行合理分配、充分利用。實際應(yīng)用中的裝置體積都比較小,小型化后風力發(fā)電機和太陽能電池板的體積都受到極大壓縮,在滿足無線傳感器節(jié)點小型化要求的同時難以保證太陽能電池板的面積和垂直軸風機的通風量,裝置整體的發(fā)電量將大幅下降甚至難以維持無線傳感器節(jié)點正常工作。此外,整體結(jié)構(gòu)呈長方體,無法進行拋撒部署。當裝置受到外力而改變姿態(tài)時無法自我恢復(fù)到可以正常工作的姿態(tài)。為保證傳感器節(jié)點處于正確的姿態(tài),部署節(jié)點時需要固定每個節(jié)點的底面,工作量過大。固定的節(jié)點同時喪失了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的靈活性,在廣泛部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)時不具有實用性和可行性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]有鑒于此,本發(fā)明提供了一種無線傳感節(jié)點的自供能裝置,能夠綜合利用太陽能、風能、溫差能進行發(fā)電,且滿足裝置小型化。
[0008]本發(fā)明的無線傳感節(jié)點的自供能裝置,包括球形骨架、天線、頂部太陽能電池板、風道口太陽能電池板、傳感器、導(dǎo)風片、垂直風力發(fā)電機、頂部溫差發(fā)電片、底部溫差發(fā)電片、電源控制模塊、儲能模塊和傳感數(shù)據(jù)處理模塊;
[0009]其中,球形骨架包括穹頂形頂蓋和下底面為平面的底板,多個導(dǎo)風片均勻地豎直安裝在頂蓋和底板之間;天線安裝在頂蓋上表面的頂端;傳感器安裝在頂蓋下表面上;頂部太陽能電池板安裝在頂蓋上表面;頂部溫差發(fā)電片的熱端貼在頂部太陽能電池板的背面,冷端貼合有散熱裝置;垂直風力發(fā)電機安裝在球形骨架的中部;導(dǎo)風片、頂蓋下表面和底板上表面共同構(gòu)成風道;風道口太陽能電池板安裝在風道的下表面上,底部溫差發(fā)電片的熱端貼在風道口太陽能電池板的背面,冷端貼合有散熱裝置;
[0010]電源控制模塊、儲能模塊和傳感數(shù)據(jù)處理模塊安裝在球形骨架的底板上,天線、頂部太陽能電池板、風道口太陽能電池板、傳感器、頂部溫差發(fā)電片、底部溫差發(fā)電片、垂直風力發(fā)電機與電源控制模塊相連;傳感器與傳感數(shù)據(jù)處理模塊相連;電源控制模塊分別與儲能模塊、傳感數(shù)據(jù)處理模塊相連。
[0011]較優(yōu)的,所述導(dǎo)風片與其根部所在圓形的切線成40°?60°角,導(dǎo)風片的傾斜方向與垂直風力發(fā)電機扇葉方向一致。
[0012]較優(yōu)的,所述導(dǎo)風片的數(shù)量與垂直風力發(fā)電機扇葉的數(shù)量一致。
[0013]較優(yōu)的,所述傳感器有多個,各風道內(nèi)安裝有一個或多個傳感器,各風道內(nèi)安裝的傳感器種類可以相同也可以不同。
[0014]較優(yōu)的,所述散熱裝置包括熱管和翅片狀散熱器,其中,熱管包括蒸發(fā)段、冷凝段、以及蒸發(fā)段和冷凝段之間的絕熱段;熱管的蒸發(fā)段貼合在溫差發(fā)電片的冷端,冷凝段附著有翅片狀散熱器,翅片狀散熱器位于垂直風力發(fā)電機的扇葉區(qū)。
[0015]較優(yōu)的,所述傳感數(shù)據(jù)處理模塊包括狀態(tài)管理子模塊、時鐘或觸發(fā)子模塊、數(shù)據(jù)處理子模塊和無線通訊子模塊;所述傳感數(shù)據(jù)處理模塊為事件驅(qū)動機制,所述傳感數(shù)據(jù)處理模塊有3個工作狀態(tài):信號激發(fā)狀態(tài)、淺度休眠狀態(tài)和深度休眠狀態(tài);其中,當傳感數(shù)據(jù)處理模塊處于信號激發(fā)狀態(tài)時,傳感數(shù)據(jù)處理模塊的全部子模塊都工作;當傳感數(shù)據(jù)處理模塊只需要收集傳感數(shù)據(jù)而不需要實時傳輸時處于淺度休眠狀態(tài),此時傳感數(shù)據(jù)處理模塊中除了無線通訊子模塊外,其余子模塊都處于正常工作狀態(tài);當傳感數(shù)據(jù)處理模塊不需要收集數(shù)據(jù)時處于深度休眠狀態(tài),傳感數(shù)據(jù)處理模塊中只有觸發(fā)子模塊或定時時鐘在工作,當滿足再次工作的條件時,傳感數(shù)據(jù)處理模塊觸發(fā)激活進入相應(yīng)工作狀態(tài)。
[0016]較優(yōu)的,所述球形骨架的底板還安裝有配重物。
[0017]有益效果:
[0018]本發(fā)明在滿足裝置小型化要求的同時,能夠充分俘獲環(huán)境中的各種可利用能源,將其轉(zhuǎn)換為電能為無線傳感器節(jié)點提供足夠能量。本發(fā)明裝置可以拋撒部署、姿態(tài)自我恢復(fù)、抗損壞能力強,無需人工更換電池、充電等維護,在實際工作環(huán)境中可以長期正常工作。
[0019](I)本發(fā)明采用了近似球體的整體結(jié)構(gòu)。形似削去一小部分底部的球體結(jié)構(gòu)重心較低,保證部署無線傳感節(jié)點如隨意拋撒時裝置能夠保持正確的姿態(tài)。當裝置受到外力發(fā)生滾動位移或姿態(tài)改變時,較低的重心和球形結(jié)構(gòu)能夠讓裝置像不倒翁一樣最終恢復(fù)正確姿態(tài)。
[0020](2)本發(fā)明包括太陽能采集模塊、集風裝置、垂直軸風能采集模塊、溫差發(fā)電模塊、散熱模塊、超級電容儲能模塊、電源控制模塊和傳感器數(shù)據(jù)處理模塊。明確的模塊分工提高了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0021](3)本發(fā)明在球體裝置中部采用了集風結(jié)構(gòu),集風裝置由六個喇叭型風道構(gòu)成。集風結(jié)構(gòu)提高了進入垂直軸扇葉的風速,間接降低了垂直軸發(fā)電機的啟動風速,提高了整體垂直軸扇葉區(qū)的單位時間通風量,從而提高垂直軸風能采集模塊的發(fā)電功率。
[0022](4)本發(fā)明采用的風道結(jié)構(gòu)底部可以為太陽能電池板提供更多的安裝空間。突破了野外自供能裝置只有單片太陽能電池板的傳統(tǒng)設(shè)計,將太陽能電池板的鋪設(shè)面積擴大了近一倍。從而大大提高太陽能采集模塊的發(fā)電功率。
[0023](5)本發(fā)明中太陽能電池板分布于裝置頂部和六個風道底側(cè)面,確保裝置在任何姿態(tài)、任何時間都能夠保持最大受光面積,從而使太陽能采集模塊最大限度俘獲太陽能,為裝置提供足夠電能。
[0024](6)本發(fā)明采用的溫差發(fā)電模塊中,溫差發(fā)電片熱端與太陽能電池板背面、冷端與熱管集熱端通過導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱硅膠緊密粘合。溫差發(fā)電片熱端吸收太陽能電池板發(fā)電時產(chǎn)生的熱能而升溫,與冷端形成溫差從而產(chǎn)生電能。太陽能電池板的溫度上升會導(dǎo)致太陽能采集模塊發(fā)電效率的下降,因此,溫差發(fā)電模塊在利用太陽能電池板廢熱發(fā)電的同時提高了太陽能采集模塊的發(fā)電效率。
[0025](7)本發(fā)