专利名称：一种基于振动机械能的无线传感器网络节点电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于振动机械能的无线传感器网络节点电源系统。
背景技术：
目前，无线传感器网络在国际上备受关注，是ー个涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究領域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信 技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并报告给用户。因此，无线传感器网络在军事国防、エ农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值。然而，无线传感器网络并未像人们当初预想的那样快速市场化，其中最关键的一个制约瓶颈是无线传感器网络节点的能量供给问题。无线传感器节点普遍采用自带电池的供电方式，尽管电池的储能密度和使用寿命不断提高，但因电池有供能寿命有限，需重复充电，体积与质量较大等自身无法克服的缺陷，并不能完全满足无线传感器网络的发展要求。随着无线传感器网络节点数目越来越庞大，大規模的更换电池既不经济也不现实。因此，供能问题已成为无线传感器网络发展的瓶颈。压电能量采集装置可将环境周围的振动机械能转变为电能，具有结构简单，无电磁干扰，能量密度大，寿命长等优点。优化压电能量采集装置的能量采集效率和怎样利用压电能量采集装置为无线网络节点供电是研究的热点。压电能量采集装置所收集的电能通常储存在能量存储装置(如电池)中，通常由电池直接向网络节点供电，但是压电能量采集装置收集的能量时多时少，而且电池的存储能力有限，电池如果一直处于同时充电放电状态，不利于电池寿命也不利于网络节点的正常工作。
发明内容
本发明的目的是提供ー种利用压电能量采集装置为无线传感器网络节点供电的电源系统，为压电能量采集装置向网络节点供电提供了一种行之有效的途径。为实现上述目的，本发明的方案是一种基于振动机械能的无线传感器网络节点电源系统，包括压电发电装置、压电能量转换单元和用于为无线传感器网络节点供电的能量存储单元，所述能量存储单元通过ー个能量管理単元连接无线传感器网络节点的电源，所述能量管理単元由ー个智能开关电路(X)与ー个稳压电路(Y)构成，智能开关电路(X)输入端连接所述能量存储单元的输出端，智能开关电路(Y)输出端连接所述稳压电路(X)的输入端，稳压电路(Y)输出连接所述无线传感器网络节点的电源；智能开关电路(X)包括一个用于切断与导通所述稳压电路输入回路的开关管(Q7)，以及一条与能量存储单元输出端并联的分压支路，所述开关管(Q7)的控制端连接在所述分压支路的分压点上。所述分压支路包括从智能开关电路的正输入端到负输入端依次串联的第一电阻(R13)、PNP型的三极管(Q6)和第二电阻(R14)，三极管(Q6)的射极连接第一电阻(R13)，集电极连接第二电阻(R14)，开关管(Q6)的控制极连接在三极管(Q6)集电极；三极管(Q6)基极通过一个稳压管(D8)连接智能开关电路的负输入端。所述开关管(Q7)为MOS管，源极与漏极连接在智能开关电路的负输入端与负输出端之间。本发明在能量存储单元和无线网络节点之间增设了一个能量管理単元，该能量管理单元能够在能量存储单元的电量较少时切断对无线网络节点的供电，对能量存储单元进行充电，当充电到一定程度时，通过能量管理単元向无线网络节点放电。本发明的压电发电装置、压电能量转换单元和能量存储单元是ー种自适应主动压 电能量采集装置，由主电路与其控制单元构成，主电路包括用于将外部激振カ的振动能量转换为电能的压电元件，压电元件通过电感(LI)输出连接一个由ニ极管构成的全桥整流単元，该全桥整流単元的直流侧通过ー个DC/DC単元输出连接一个能量存储单元，全桥整流単元与DC/DC単元之间还设有ー个充电电容(Cl)，所述全桥整流単元的每个ニ极管上均并联有一个开关管(Q1-Q4)，所述DC/DC单元为Buck电路，该Buck电路中的开关管(Q5)接在所述充电电容(Cl)的正极端；全桥整流単元的交流侧设有电流采集器，Buck电路的输出端设有功率采集器，主电路中还设有ー个用于采集外部激振カ频率的加速度传感器；所述控制单元输入采样连接所述加速度传感器的输出信号、所述功率采集器的功率信号、所述电流采集器的电流信号；所述控制单元输出控制连接所述全桥整流単元各ニ极管的并联开关管(Q1-Q4)、所述Buck电路的开关管(Q5)的控制端。所述控制単元包括MCU，MCU产生最优电压相位信号，该最优电压相位信号、所述加速度传感器的输出信号以及所述电流采集器的输出信号作为输入连接到一个驱动信号产生电路，该驱动信号产生电路输出触发信号控制所述全桥整流単元各ニ极管的并联开关管(Q1-Q4)。所述驱动信号产生电路通过输入所述加速度传感器的输出信号与所述MCU输出的最优控制电压相位信号，输出与振动频率对应的全桥整流単元的各开关管(Q1-Q4)的控制触发信号。MCU产生最优电压幅值信号，该最优电压幅值信号输出到所述Buck电路的开关管(Q5)的控制端。所述驱动信号产生电路还包括用于避免上下桥臂同时开通的死区生成单元。所述MCU采用MSP430F169微处理器。所述电流采集器为ー个电流检测单元，该电流检测单元通过检测串设在全桥整流単元交流侧的采样电阻(Rsensel)的两端电压差检测电流。所述功率采集器为ー个电流采集単元，该电流采集单元通过检测串设在DC/DC单元输出端的采样电阻(RsenSe2)的两端电压差采集电流和/或功率。所述全桥整流単元各ニ极管的并联开关管(Q1-Q4)、所述Buck电路的开关管(Q5)均为MOSFET。所述能量存储単元包括ー个恒压充电器，该恒压充电器输出连接电池组。当周围环境振动时，悬臂梁两表面的压电元件把振动能转换为电能，压电能量采集装置的等效电学模型如图5所示。假设外界激振カ为正弦，则机械部分的阻抗可表示为Zm=c +j(am——)Zm(I)式中，m、k、C、ω、α分别表示系统的惯性质量、结构刚度、阻尼系数、振动频率和力因数。
当机械部分与电学部分阻抗匹配时，系统能采集到最大能量。机械部分匹配阻抗为
权利要求
1.一种基于振动机械能的无线传感器网络节点电源系统，包括压电发电装置、压电能量转换单元和用于为无线传感器网络节点供电的能量存储单元，其特征在于，所述能量存储单元通过一个能量管理单元连接无线传感器网络节点的电源，所述能量管理单元由一个智能开关电路(X)与一个稳压电路(Y)构成，智能开关电路(X)输入端连接所述能量存储单元的输出端，智能开关电路(Y)输出端连接所述稳压电路(X)的输入端，稳压电路(Y)输出连接所述无线传感器网络节点的电源；智能开关电路(X)包括一个用于切断与导通所述稳压电路输入回路的开关管(Q7)，以及一条与能量存储单元输出端并联的分压支路，所述开关管(Q7)的控制端连接在所述分压支路的分压点上。
2.根据权利要求I所述的一种基于振动机械能的无线传感器网络节点电源系统，其特征在于，所述分压支路包括从智能开关电路的正输入端到负输入端依次串联的第一电阻(R13)、PNP型的三极管(Q6)和第二电阻(R14)，三极管(Q6)的射极连接第一电阻(R13)，集电极连接第二电阻(R14)，开关管(Q6)的控制极连接在三极管(Q6)集电极；三极管(Q6)基极通过一个稳压管(D8)连接智能开关电路的负输入端。
3.根据权利要求I所述的一种基于振动机械能的无线传感器网络节点电源系统，其特征在于，所述开关管(Q7)为MOS管，源极与漏极连接在智能开关电路的负输入端与负输出端之间。
全文摘要
本发明涉及一种基于振动机械能的无线传感器网络节点电源系统，在能量存储单元和无线网络节点之间增设了一个能量管理单元，该能量管理单元能够在能量存储单元的电量较少时切断对无线网络节点的供电，对能量存储单元进行充电，当充电到一定程度时，通过能量管理单元向无线网络节点放电。为压电能量采集装置向网络节点供电提供了一种行之有效的途径。
文档编号H02J15/00GK102684244SQ20111041406
公开日2012年9月19日 申请日期2011年12月10日 优先权日2011年12月10日
发明者付磊, 张利伟, 张前进, 彭勃, 李佩佩, 李敏, 李济顺, 梁钊, 郑国强, 马华红 申请人:河南科技大学