CN109617217A - 自供电无线传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自供电无线传感器，旨在提供一种能量采集效率高，适应复杂环境强，能自供电的传感器。本发明通过下述技术方案予以实现：太阳能电池板的两翼中心轴固定在万向机构的主轴上，调节太阳能电池板的角度；太阳能电池板通过导线连接万向机构，导线贯通万向机构连接固定在壳体的充电电路板和充电电源，充电电路板的数据处理单元采集传感器数据，无线传感器电路单片机对数据存储，充电电路板的无线通信单元隔时发送一次数据；太阳能量不足，能量收集速度慢，电量消耗过快时，充电电路板的数据处理单元调整自身的数据采集频率和无线通信单元数据发送频率，降低功耗，阳光充足时，数据处理单元自动调高自身的数据采集频率，自动退出低功耗模式。
Description
技术领域
本发明涉无线传感器网络中的微能源自供电技术，特别涉及光照角度自调节及光伏充电，且能自供电无线传感器。
背景技术
近年来,无线传感器网络得到了广泛应用,如对温度、光强、湿度等环境参数的监控、材料与结构的健康监测、野外生物监测等。无线传感器是无线传感器网络最基本的组成部分, 其体积微小,自身携带的电池能量有限,不能满足长期工作需要。在实际应用中,无线传感器具有数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点,对于人员不能直接到达的某些区域很难通过更换电池的方式获取能量。无线传感器的组成模块封装在一个壳体内，在工作时它将由电池或振动发电机提供充电电源构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块。无线传感器网络凭借其体积小、布局灵活、可靠性强等优势，得到了日益深入的研究及应用，但是节点的工作寿命严重依赖供电电池的持续时间。随着传感器、嵌入式、无线通信、微机电、光伏等技术的发展，无线传感器被要求成为真正的独立节点，即自适应，自修复，自组网，自供电等。充电电源问题是制约无线传感器网络大规模应用的关键因素。无线传感器微能源储能是在无线传感器结点工作时高效率地进行充电及储存。从周围环境采集到各种类型的能源，须进行高效长期地储存，才能保证无线传感器网络持续工作。正如生物***不可能只通过降低自身消耗而不补充能量来长久维持正常状态一样，无线传感器网络结点也不可能仅靠各种优化降耗的方法使网络长期正常工作下去。解决无线传感器能源问题要从能量采集入手，通过高效存储和节能降耗等技术使传感器结点实现能量自给自足；目前无线传感器中，大都采用电池供电，当电能耗尽时只能更换电池，或人为对其充电。而无线传感器应用场合的特殊性，往往导致电池更换或充电非常麻烦，不利于人员操作。因此需要持续地向无线传感器供电，保证其有足够的能量正常工作。无线传感器网络及其能源供给无线传感器结点体积小，通常只能携带能量有限的电池，要延长网络工作周期，结点的供电是必须考虑的问题。由于传感器结点个数多、分布区域广，而且通常部署环境复杂，因此，通过更换电池的方式来补充能源来延长使用周期是不现实的。比如现有主要采用直流5V供电无线测温传感器信号中继装置，无法直接接入市电，必须采用电源适配器或者其他设备提供的5V输出电源供电。采用无线通讯模块接收无线测温传感器发出的无线信号，并通过 CPU处理后，驱动RS485通讯模块将温度采集信息通过双绞线输出到监控***。由于没有人机接口所以无法设置参数，必须出厂前固化好配置信息，才能进行通讯。由于没有人机接口电路，用户无法在本地观察到无线温度传感器所采集的温度信息。用户虽然可以通过相应的辅件(如USB转RS485模块、无线接收模块)与笔记本电脑进行通信，通过相应的配置软件即可实现现场参数定值维护，但是增大了操作的繁琐性。同时，设备必须在出厂前固化好配置信息，例如RS485通讯地址以及通讯波特率等，无法满足现场灵活组网通讯的要求。有数据显示，2020年全球将有500亿的器件会被连接到网络，其中10％的传感器采用无线连接。如果使用电池供电，将造成巨大的浪费和生态污染。目前，全球约有1-2亿个传感器节点，主要用电池实现供电，人工换电池的维护费用相当巨大。此外，很多传感器的部署和场景往往不太适合或者不方便经常更换电池的地方。如交通、桥梁监测、湖海河流监测等。因此，如何给如此庞大数量的传感器供电将是一个巨大的挑战。
基于自供电型无线传感网是在传统的无线传感网络的基础上发展而来的,其主要目的是为了解决了传统无线传感网络中节点受电池能量约束的难题。自供电无线传感网络中的节点可以从外界采集能量来满足自身节点传输信息所需的能量。自供电可以采用的环境能源有太阳能、振动能、风能、温差热能等，但这些能源往往各有优缺点，有的受到气候条件限制而无法持续稳定地供能。传统观点认为，风力发电并不适合应用在复杂环境中大规模的无线传感器网络结点上，而新近的研究表明，结合压电等技术将有助于采用小型风机为传感器结点供电是一种种应用于无线传感器网络的主流储能技术。虽然风能微能源技术在无线传感器网络上的应用有突破性进展，然而风速不稳定带来的问题目前仍未得到很好的解决。因此，要将风能发电应用于复杂环境中大规模的无线传感器结点，还需要在提高电能品质上继续深入研究。能量的有效采集、高效储存和利用以及整体的节能降耗是无线传感器网络突破能量限制的关键。太阳能的光和热综合利用技术将是太阳能采能发展的方向之一。太阳能的采集自然界中，太阳能是最丰富和最容易获得的环境能源，太阳能电池就是利用光生伏特效应制作的半导体器件，又称光伏器件。与传统化学电池相比，太阳能电池在转化效率、设备搭建、环境保护等方面具有无可比拟的优势。太阳能电池功率密度较高，每cm2可获取mW级的能量。因此，在为结点设计采能装置时，应该优先考虑采用太阳能。太阳能电池板是应用方便的光伏器件，利用硅片的光电效应，将太阳辐射能收集并转化为电能。但供电电压不稳或过低环境的变化往往会对结点采能造成干扰，对于能量采集部分，例如，以太阳能为结点供应能源时，如果太阳被云遮住，光伏板接收的光照强度就会发生变化。
发明内容
本发明针对现有技术输出电能不足以直接驱动无线传感器的问题和无线传感器网络中节点的电源制约网络使用效能的问题，提供一种结构紧凑，能量采集效率高，持续工作时间长，适应复杂环境强，可以对电路中储能电池充电积累能量,为无线传感器工作供电的自身供电无线传感器。
为达到上述目的，本发明采用的技术手段如下：一种自供电无线传感器，包括：设置于壳体3内的充电电路板4及充电电源11，固定在壳体3下端的支座1和固联在壳体3 上端平面上通过连接器10连接的锁紧套8，通过锁紧套8柱连的太阳能电池板7，其特征在于：太阳能电池板7的两翼通过中心轴上装配的万向机构6固定在万向机构6的主轴上，调节太阳能电池板7的角度，所述主轴通过带有阻尼的锁紧套8和连接器10螺接在壳体3上；太阳能电池板7的导线贯通万向机构6的中心过孔，电连接固定在壳体3容纳腔中的充电电路板4及其相连的充电电源11，充电电路板4将承载有各传感器电路与包含了天线的射频模块的各传感器电路连接在一起，并设置于壳体3内，充电电路板4采用线性可调稳压器与三极管连接，组成作为充电电源11锂电池充电电路，锂电池充电电路将太阳能电池板10输出电压限制在4.2V内，充电电路将太阳能电池板7输出的电能存储进充电电源11中，充电电路板4的数据处理单元采集传感器1数据，无线传感器电路单片机对数据存储，充电电路板4的无线通信单元隔时发送一次数据；当太阳能能量不足，能量收集速度慢，电量消耗过快时，充电电路板4的数据处理单元调整自身的数据采集频率和无线通信单元数据发送频率，降低功耗，阳光充足时，充电路板4的数据处理单元自动调高自身的数据采集频率，自动退出低功耗模式。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
结构紧凑。本发明将充电电路板及充电电源设置于壳体内，固联在支座1端平面上，连接太阳能电池板的万向机构，结构简洁紧凑。
能量采集效率高，持续工作时间长。本发明从能量采集入手，将无线传感器与具有能量收集功能的太阳能电池板7集成为一体，通过带阻尼的万向机构调节太阳能电池板的角度，保证不同纬度的使用环境都可以充分利用太能，保证了传感器在无外部供电的情况下持续工作。采用太阳能充电锂离子电池，工作时高效率地进行充电及储存，为无线传感器持续供电，通过高效电能存储使无线传感器实现能量自给自足，保证了无线传感器长时间工作。
适应复杂环境强。本发明采用将承载有各传感器电路与包含了天线的射频模块的各传感器电路连接在一起，并设置于壳体3内，通过带阻尼的万向机构调节太阳能板的角度，保证不同纬度的使用环境都可以充分利用太阳能，保证传感器在无外部供电的情况下持续工作。通过选用工作频率2.4GHz的无线通讯模块提高抗干扰能力，保证了无线传感器较长无线传输距离的通讯，提高了适应复杂环境的能力。
附图说明
图1为本发明且能持续为自身供电的无线传感的结构透视图；
图2为图1的电路原理示意图。
图中：1支座，2传感器，3壳体，4充电电路板，5屏幕，6万向机构，7太阳能电池板，8锁紧套，9球罩，10连接器，11充电电源。
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，一种自供电无线传感器，包括：设置于壳体内的充电电路板4及充电电源11，固定在壳体3上端的支座1和固联在转向支座1端平面上，连接太阳能电池板7的万向机构6，其中，太阳能电池板7的两翼中心轴9固定在万向机构的主轴上，调节太阳能电池板7的角度；太阳能电池板7通过导线连接万向机构6，导线贯通万向机构6和支座1的中心过孔，连接固定在壳体3壁身容纳腔中的充电电路板4电连接的充电电源11，充电电路板4内置充电管理单元、无线通讯单元，连接无线传感器的数据处理单元、连接单片机的信号调理电路，将承载有各传感器电路与包含了天线的射频模块的各传感器电路连接在一起，并设置于壳体3内。与太阳能电池板7连接的万向机构6通过前端的连接器10，连接于带有阻尼的锁紧套8，锁紧套8同时螺接在壳体3上。充电电路板4 采用线性可调稳压器与三极管连接，组成作为充电电源11锂电池充电电路，锂电池充电电路将太阳能电池板10输出电压限制在4.2V内，充电电路将太阳能电池板7输出的电能存储进充电电源11中，充电电路板4的数据处理单元采集传感器1数据，无线传感器电路单片机对数据存储，充电电路板4的无线通信单元隔时发送一次数据；当太阳能能量不足，能量收集速度慢，电量消耗过快时，充电电路板4的数据处理单元调整自身的数据采集频率和无线通信单元数据发送频率，降低功耗，阳光充足时，充电路板4的数据处理单元自动调高自身的数据采集频率，自动退出低功耗模式。
充电电路板4内置充电管理单元、无线通讯单元和连接无线传感器的数据处理单元，以及连接单片机的信号调理电路。作为本发明优选实施例，支座1包括：中心开有过孔的上盖和下盖构成的矩形盒体，以及沿矩形盒体对角线延展的扁平状四爪正交支架，并且每个支架的末端制有连通矩形盒体的圆筒，每个圆筒上装配有由球罩9部分的传感器2。
在本实施例中，壳体3是由矩形顶盖固联构成的梯形四方体，充电电路板4固定在梯形盒体的底部，通过引线连接充电电源11与固定在壳体3外侧表面上的屏幕5；屏幕斜面可视角度符合人体工学。
进一步的，充电电源11由太阳能充电的可充电锂电池，本实施例充电电路板4采用线性可调稳压器TL431与三极管连接，组成作为充电电源11锂电池充电电路，锂电池充电电路将太阳能电池板10输出电压限制在4.2V内，满足3.7V锂电池充电电压要求。
传感器包括固定在支座1扁平状四爪正交支架四个支架上的温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器和烟雾传感器。作为本实施例优选的，温度传感器采用电流型AD590型号的传感器，湿度传感器可以采用HS1101型号的传感器，甲醛传感器可以采用MS1200型号的传感器，烟雾传感器可以采用MQ-2型号的传感器。其中，温度传感器输出电流与温度值成正比，当温度每变化1℃，其输出电流变化1uA，因此需用与充电电路板相连的电阻将电流转换成电压，即可实现温度传感器信号的采集调理。湿度传感器HS1101可以是电容值输出传感器。湿度传感器通过设置在充电电路板4上的低功耗计时器TLC555所构成的振荡电路，将自身输出的电容量转换成方波信号，该方波信号采用测频的方式实现对周围环境湿度的测量。烟雾传感器MQ-2和甲醛传感器MS1200均为电阻输出型传感器。烟雾传感器MQ- 2和甲醛传感器MS1200都采用电阻分压法分别实现对烟雾和甲醛的测量，再由充电电路板 4上的单片机对信号采样，换算出各参数，通过充电电路板4上的无线通信单元发送给无线传感器接收端。
参阅图2。无线传感器电路包括：包含了射频电路与天线的无线通信单元，放电电路、充电电路和低电量告警电路及其充电管理单元，以及连接屏幕显示单元的数据处理单元，其中，无线通信单元包含射频电路与天线，天线的作用是增加发射功率，射频电路将数据处理单元已经处理成数字信号的数据，封装成固定的数据结构，调制成2.4GHz的电磁波发射出去。
充电管理单元包含放电电路、充电电路、低电量告警电路，放电电路是将充电电源11的电能供给传感器2、充电电路板4上所有器件、屏幕5，充电电源11输出电压3.7V，放电电路使用TLV61220将3.7V转换为5V输出，为传感器2、充电电路板4上所有器件、屏幕5供电。充电电路是将太阳能电池板7输出的电能存储进充电电源11中，使用电压调整芯片TL431将输出电压限制在4.2V，以此满足充电电源11的充电限制。
低电量告警是监测充电电源11的电压，使用电源监测芯片TC54VX21监测充电电源11的输出电压，输出电压低于2.6V时告警。
数据处理单元包括与传感器2连接的信号调理电路、与信号调理电路连接的(Micro Control Unit)微控制单元MCU；MCU将计算机的CPU、易挥发性随机存取存储器RAM、固态半导体存储器ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的单片机。在可选的实施例中，微控制单元MCU可以采用型号为IAP12LE62S的单片机。IAP12LE62S单片机是一款带62k字节程序储存空间，片上集成了8k字节的RAM，3个内部定时器的增强型IT指令单片机。IAP12LE62S是一款高效的单片机，通过软件设置可实现超低功耗工作模式。
为提高抗干扰性，在本实施例中，无线通信单元优选广泛应用于多种近距离低速率通讯领域，工作于2.4GHz频率，软件可修改波特率，最大传输速率256kbps，开阔地传输距离达120m，灵敏度达到-97dBm，如采用TI公司的CC2530无线通信芯片。
为提高无线传感器数据传输的可靠性，在可选的实施例中，无线传感器采用RS422通信接口，采用MAXIM公司生产的MAX3077通信接口芯片，该芯片具有完全兼容 RS422/RS485两种通信协议的工作电平，最大传输速率达16Mbps；；
无线传感器由安装于壳体3的开关按钮控制开启和关闭，开关按钮分别与数据处理单元并联无线通信单元、充电管理单元和屏幕显示单元连接，并承载于充电电路板4上。
进一步的，在可选的实施例中，采用低功耗计时器TLC555作为湿度传感器的电容测量电路的定时器，湿度传感器输出连接低功耗计时器TLC555构成计算器振荡电路输入端，输出电容值，振荡电路产生的正弦波频率信号经整形电路整形得到与金属氧化物半导体逻辑器件TTL兼容的方波信号，送给微控制单元MCU的计数器输入端，在MCU内将该方波信号转换为数字信号存储。
综上所述，采用本发明将传感器设置于支座1内，将充电电路板、无线通信模块与充电电源设置于壳体3内，将太阳能电池板7设置于万向机构上，向锂电池充电，保证向传感器持续稳定的提供电能；进一步，选用工作频率2.4GHz的无线通信模块，可靠性高，抗干扰能力强。
无线传感器的工作方式以上述结构及电路为基础，通过在单片机中嵌入不同的软件的方式实现具体的工作方式，应对使用本无线传感器时可能出现的不同纬度对太阳能进行收集，对本申请中单片机嵌入的低功耗工作模式进行以下举例：
首先，将无线传感器平稳放置，依据当地的纬度和时节，得到正午时太阳入射角度，调整万向机构，使太阳能电池板7的受光角度逼近于90度；打开开关按钮，开始收集能量，充电电路板4的数据处理单元采集传感器1数据，每10分钟采集一次，无线传感器电路单片机对数据存储，充电电路板4的无线通信单元每隔一小时发送一次数据，除了发送、采集数据，平时无线传感器处于休眠状态，功耗低。
当太阳能能量不足，能量收集速度较慢，电量消耗过快时，充电电路板4的数据处理单元将对自身的数据采集频率调整，充电电路板4的无线通信单元数据发送频率调整，无线传感器的接收主机收到调整信号，由技术人员调整无线传感器数据的采集频率，降低功耗。阳光充足充电电路板4的数据处理单元自动调高自身的数据采集频率，合理退出低功耗模式。
因此，在年平均光照时间长，强度大的地区，依据每天不同时段与天气的光照强度，调整充电电路板4的数据处理单元采集数据和充电电路板4的无线通信单元发送数据的频率，充分发挥无线传感器的功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种自供电无线传感器，包括：设置于壳体(3)内的充电电路板(4)及充电电源(11)，固定在壳体(3)下端的支座(1)和固联在壳体(3)上端平面上通过连接器(10)连接的锁紧套(8)，通过锁紧套8相连的太阳能电池板(7)，其特征在于：太阳能电池板(7)的两翼通过中心轴上装配的万向机构(6)固定在万向机构(6)的主轴上，调节太阳能电池板(7)的角度，所述主轴通过带有阻尼的锁紧套(8)和连接器(10)螺接在壳体(3)上；太阳能电池板(7)的导线贯通万向机构(6)的中心过孔，电连接固定在壳体(3)容纳腔中的充电电路板(4)及其相连的充电电源(11)，充电电路板(4)将承载有各传感器电路与包含了天线的射频模块的各传感器电路连接在一起，并设置于壳体(3)内；充电电路板(4)采用线性可调稳压器与三极管连接，组成作为充电电源(11)锂电池充电电路，锂电池充电电路将太阳能电池板(10)输出电压限制在4.2V内，充电电路将太阳能电池板(7)输出的电能存储进充电电源(11)中，充电电路板(4)的数据处理单元采集传感器(1)数据，无线传感器电路单片机对数据存储，充电电路板(4)的无线通信单元隔时发送一次数据；当太阳能能量不足，能量收集速度慢，电量消耗过快时，充电电路板(4)的数据处理单元调整自身的数据采集频率和无线通信单元数据发送频率，降低功耗，阳光充足时，充电路板(4)的数据处理单元自动调高自身的数据采集频率，自动退出低功耗模式。
2.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：支座(1)包括：中心开有过孔的上盖和下盖构成的矩形盒体，以及沿矩形盒体对角线延展的扁平状四爪正交支架，并且每个支架的末端制有连通矩形盒体的圆筒，每个圆筒上装配有由球罩(9)部分的传感器(2)。
3.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：充电电路板(4)内置充电管理单元、无线通讯单元和连接无线传感器的数据处理单元，以及连接单片机的信号调理电路。
4.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：壳体(3)是由矩形顶盖固联构成的梯形四方体，充电电路板(4)固定在梯形盒体的底部，通过引线连接充电电源(11)与固定在壳体(3)外侧表面上的屏幕(5)。
5.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：传感器包括固定在支座(1)扁平状四爪正交支架四个支架上的温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器和烟雾传感器。
6.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：烟雾传感器和甲醛传感器都采用电阻分压法分别实现对烟雾和甲醛的测量，再由充电电路板(4)上的单片机对信号采样，换算出各参数，通过充电电路板(4)上的无线通信单元发送给无线传感器接收端。
7.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：无线传感器电路包括：包含了射频电路与天线的无线通信单元，放电电路、充电电路和低电量告警电路的充电管理单元，以及连接屏幕显示单元的数据处理单元；射频电路将数据处理单元已经处理成数字信号的数据，封装成固定的数据结构，调制成2.4GHz的电磁波发射出去。
8.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：数据处理单元包括与传感器(2)连接的信号调理电路、与信号调理电路连接的微控制单元MCU；MCU将计算机的CPU、易挥发性随机存取存储器RAM、固态半导体存储器ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的单片机。
9.如权利要求8所述的自供电无线传感器，其特征在于：微控制单元MCU采用一款带62k字节程序储存空间，片上集成了8k字节的RAM，3个内部定时器的增强型IT指令单片机。
10.如权利要求1所述的自供电无线传感器，其特征在于：无线传感器由安装于壳体(3)的开关按钮控制开启和关闭，开关按钮分别与数据处理单元并联无线通信单元、充电管理单元和屏幕显示单元连接，并承载于充电电路板(4)上；采用低功耗计时器TLC555作为湿度传感器的电容测量电路的定时器，湿度传感器输出连接低功耗计时器构成计算器振荡电路输入端，输出电容值，振荡电路产生的正弦波频率信号经整形电路整形得到与金属氧化物半导体逻辑器件TTL兼容的方波信号，送给微控制单元MCU的计数器输入端，在MCU内将该方波信号转换为数字信号存储。
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