一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统，温差电能收集器连接电源管理电路，电源管理电路将收集到的电能处理后稳定传输至由温湿度传感器、微处理器和无线通信模块组成的负载电路，为负载电路供电，微处理器将温湿度传感器采集到的湿温度数据通过无线通信模块发射；电源管理电路由两大部分电路组成，第一部分是具MPPT功能的升压变换器电路以及能量存储电路；第二部分是能量缓冲器电路，能量缓冲器电路又包含双电压比较器电路和稳压器输出电路。本实用新型提高了收集能量的效率，不浪费环境中的微弱温差能量，同时能稳定输出范围可调的电压，实现了在环境恶劣地区无需人工维护即可延长无线传感器节点的使用寿命。
【专利说明】—种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及供电系统领域，特别涉及一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统。
【背景技术】
[0002]在全球面临能源紧缺、气候变暖等严重问题的情况下，人类为了生存和发展转而去寻找和利用清洁能源技术。清洁能源包括太阳能、风能、热能、振动能、海洋能，以及其他能量如人体动能、生化能等能量。但是这些能量是动态变化着的，不能直接被我们利用，我们得利用动态能量采集技术将这些动态的能量存储到超级电容或者化学电池中，然后才能加以利用。
[0003]随着科技的发展，无线传感器网络技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面。无线通信网已经逐步发展到能为任何人和物件之间随时、随地通信的物联网，网络的规模极速扩大，但与此同时物联网的总体的稳定性和可持续发展问题也越来越突出。这是因为虽然单个无线传感器节点的能耗不是很大，但是物联网系统中有着数以亿计的节点，综合起来看这些节点的总能耗是很大的，因此能否稳定的为这些传感器节点供电就决定着物联网系统能否可持续发展。与此同时，为了满足人类生活的需要，越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区，这些地区恶劣的环境决定了人们无法使用化学电池为无线传感器节点供电，因为在这些地区更换化学电池往往是一件不太可能的事情。正因为这些原因，人们才想到采用可再生能源(动态能源)为无线通信节点供能来解决这些问题。本实用新型基于环境中温差能量采集，通过合适的能量管理最终供给无线传感器节点。
[0004]相比较于其他的环境能量采集系统，温差电能量采集系统是有着特殊的优势。温差电池是利用环境中的温度差异，将热能直接转化为电能的装置。相比较于太阳能电池等能量采集电池，温差电池对于环境的要求相对较弱，能基本上工作在世界上的任何地区，受天气的影响不大，对于现在的热能转换芯片大约只要5摄氏度的温差就可以稳定驱动一个无线传感器网络节点；温差电池在一些特殊的环境中更是有着无可比拟的优势，而这些地区可利用的其他的环境能量很小，例如，我们在日常生活中常用它来测量冶炼及热处理炉的高温；太阳能电池的采集光能的电池板的表面积很大，无法在一些微型区域使用，而只要有足够大的温差和一定效率的热电转换材料，温差电池可以做得很小而不影响其输出功率。
[0005]传统的温差发电器多应用于处理工业废热，而这些热量的总能量很大，可用的温差能也很大，因此在这些地方普通的温差发电器在转换效率不是很高的情况下也可以达到很可观的输出电压，这些电能经过一定的能量管理控制设备最终实现并网，实现了工业废热的再利用。传统的处理大型工业废热的温差发电器系统的特点如下:(I)自身温差电偶的很大，占有很大的空间，发电量很大，但其绝对发电效率较低。除此之外，其造价昂贵，应用场合很苛刻，无法应用于无线传感器网络系统。(2)工业级温差发电器系统往往需要进行并网发电，需要复杂的变电组网设备，广泛的应用于地热发电等工业级供电领域，无法适应无线传感器网络系统供电的要求。
实用新型内容
[0006]本实用新型提供了一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统，本实用新型基于微型温差发电器供给的无线传感器网络建立了比较完整的能量自供给的无线传感器网络系统，有效地解决了微型温差发电器发电量微弱不足以提供无线传感器网络节点使用的问题，详见下文描述:
[0007]—种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统，包括:用于收集电能的温差电能收集器，所述温差电能收集器连接电源管理电路，所述电源管理电路将收集到的电能处理后稳定传输至由温湿度传感器、微处理器和无线通信模块组成的负载电路，为所述负载电路供电，所述微处理器将所述温湿度传感器采集到的湿温度数据通过所述无线通信模块发射；
[0008]其中，所述电源管理电路由两部分电路组成，第一部分电路包括:升压变换器电路以及能量存储电路；第二部分电路是能量缓冲器电路，所述能量缓冲器电路包括:双电压比较器电路和稳压器输出电路。
[0009]所述升压变换器电路以及能量存储电路包括:微型温差发电器TEG，
[0010]所述微型温差发电器TEG输出的是温差电转换的裸电压，所述微型温差发电器TEG输出经过电阻R1接入BQ25504芯片的VIN_DC端；电阻R1经过高频扼流圈LBST接入LBST端；电阻R1经过滤波电容CHVR接地；VIN_DC通过电阻Roc2连接V0C_SAMP，V0C_SAMP通过电阻Rocl接地；VRDIV通过电阻Rov2和电阻Rovl接地；VRDIV和VBAT_0V之间通过电阻Rov2相连；VRDIV通过电阻Ruv2和电阻Ruvl接地；VBAT_UV和VRDIV之间通过电阻Ruv2 相连；VBAT_UV 接电阻 Ruvl 接地；VBAT_UV 通过电阻 Rok3、Rok2 和 Rokl 接地；VBAT_UV和0K_HYST之间通过电阻Rok3相连；0K_HYST和0K_PRCG之间通过电阻Rok2相连；0K_PRCG通过电阻Rokl接地；VSS和AVSS接地；VBAT通过二极管Dl接储能电容器Cstor。
[0011]所述双电压比较器电路包括:MIC841N芯片，
[0012]MIC841N芯片的Vin端接储能电容器Cstor的正极；Vin端通过电阻R2接入LTH端；LTH端和HTH端通过电阻R3相连；HTH端接电阻R4然后接地；Vout接稳压器输出电路。
[0013]所述稳压器输出电路包括:TPS78001芯片，
[0014]TPS78001芯片的IN端接储能电容器Cstor的正极；EN使能端接MIC841N芯片的输出端;0UT端和FB端之间接电阻R5 ；FB端接电阻R6然后接地；0UT端输出一个稳定的电压。
[0015]本实用新型提供的技术方案的有益效果是:本实用新型通过将微型温差发电器与传感器节点的结合，使无线传感器节点可以在没有电池供电的情况下自行供电，解决了无线传感器网络的能源瓶颈，在环境恶劣地区无需人工维护即可延长无线传感器节点的使用寿命。本实用新型采用最新的电能管理芯片和电能存储设备，实现了对于微弱温差能的有效储存和利用，达到了可以从低至80mv的超低能源汲取能量，为我国在微型环境能量采集电路方面提供了一定的参考价值。为了能够更有效的利用微型能量，本实用新型设计了能量缓冲器，可以在采集能量不足时暂时充当能量供给源的角色，保证无线传感器节点稳定工作。同时，本实用新型利用能量缓冲器巧妙的解决了能量采集管理电路中对于储能电容器充放电工作状态的切换难题，不使用单片机等复杂控制，依靠比较器和稳压器实现了对储能电容器充放电的控制，有效地节约了能耗。是无线传感器网络自供给系统的重要组成部分，有力地支持了国家绿色节能产业技术的发展，为我国在“十二五”期间建设“低碳”环保的通信行业做出了贡献。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统的示意图；
[0017]图2为电源管理电路的示意图；
[0018]图3为带MPPT功能的DC-DC升压电路和能量存储电路原理的示意图；
[0019]图4为MIC841N双电压比较器工作参考电路的示意图；
[0020]图5为MIC841N芯片工作功能图；
[0021]图6为稳压器输出电路原理图。
【具体实施方式】
[0022]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
[0023]可再生能源供电技术已经越来越广泛的应用于无线传感器网络节点的设计中，然而可再生能源的采集很困难，与此同时产生的能量也极其微弱，因此就需要一种从采集能量、能量管理到能量使用的系统的提出，用来使整个传感器网络稳定的工作下去。目前国内外的一些研究主要集中于大型的太阳能可再生能源发电并网或者是大型温差发电设备和变电的研究，很少有研究针对微型温差发电器供电的无线传感器网络。目前针对微型可再生能源采集进行的研究多处于这样一种两难的境地中:要想最大程度的从微小能量源采集能量就必须采用复杂高级的能量采集和管理模块电路，而往往这部分电路的耗能也十分可观，总体来看，对于整个能量采集系统得不偿失。本实用新型为了解决这个问题，在能量采集和能量管理两个方面采用了复杂度不同的电路设计，在能量采集方面，采用相对复杂的升压和最大功率点跟踪电路设计，实现对于更微小能量的利用；在能量管理使用方面采用了能量缓冲器设置，该模块可以在能量充足时储存部分能量，用以在能量不足时使用，有效地解决了微型温差发电器发电量微弱不足以提供无线传感器网络节点使用的问题。同时本电路抛弃单片机控制这一相对高耗能的电路设计方式，而采用了比较器和稳压器搭配相应的分立元件的方式来控制输出，可以实现电压的稳定输出供给后面的无线传感器节点使用。
[0024]如图1所示是微型温差发电器供电的无线传感器网络节点的发射端的结构。由图1可知，微型温差发电器供电的无线传感器网络节点的发射端结构由温差电能收集器、具有MPPT功能的升压电路、能量缓冲器和系统负载(无线传感器节点)组成。温差电能收集器是由热电转换芯片组成的，可以根据实际的应用场所的大小和所需电能的多少决定热电转换芯片表面积大小和叠加的层数，用以满足不同的应用环境。电源管理电路主要是由最大功率点跟踪模块(MPPT)、电能输出接口、充电器(DC-DC升压模块)、能量缓冲器构成。其中能量缓冲器电路由超级电容、比较器电路和稳压器电路构成。负载主要包括温湿度传感器、微处理器和无线通信模块，微处理器将采集到的温湿度数据，通过无线发射模块发射出去。[0025]由图1可知，在微型温差发电器供电的无线传感器网络节点中，电源管理电路(PMC)是极其重要的一环，它所包含的电路功能多而重要，是微型温差发电器能量采集系统的关键所在。在本实用新型中电源管理电路主要包含了如下功能，最大功率点跟踪、DC-DC升压转换和能量缓冲。
[0026]如图2所示，该电源管理电路主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和储能电容器以及它们相应的外围电路构成。超低电压升压转换和管理芯片BQ25504，低功耗多功能电压比较器MIC841N和线性稳压输出芯片TPS78001 —起构成了微型温差发电器供给的无线传感器网络节点的温差能量采集和管理使用的多重功能。
[0027]在本实用新型中，德州仪器(TI)公司生产的BQ25504电源管理芯片主要实现了从热能转换模块中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一个16个引脚的、分装的高效率能量管理芯片，16个引脚依次逆时针分布，本实用新型通过合理地应用这些引脚的相应的功能，实现了微型能量的高效管理。除此之外，该芯片的一个显著优点是拥有超低的工作启动电压，这使得它可以在稳定工作时从低至SOmv的能量源提取能量，并对超低电压进行升压转换，以便后续电路进行存储使用。在本实用新型电路中，搭配合适的外围电路实现了从超低功率能量源采集电能的最大功率点跟踪，这对于微型温差能量自供给系统有着至关重要的作用。同时通过外围电路设定过压和欠压的电路保护，保证芯片的稳定工作。
[0028]MIC841N是一个超低功耗的具有内部参考电压的双电压比较器。在本实用新型中通过设置其电压比较的上限和下限来驱动后面的线性稳压器。其工作的特点是，通过不断的检测引脚VDD上的电压，并与引脚LTH和HTH上设定的工作电压进行比较，从而确定输出的电压(即引脚OUT的输出信号)的高低，进而控制稳压器TPS78001的工作状态。
[0029]TPS78001是德州仪器公司生产的超低功耗稳压器，它可以实现电路输出电压的稳压作用，通过设置相应的外围电路的电阻参数，可以使输出得到一个稳定的电压，这样就可以稳定地驱动后面的无线传感器节点。
[0030]下面对上述电路图的各个模块包含的芯片和相关电子元件，以及工作方式和功能进行详细的描述。
[0031]图2中的电路是微型温差发电器自供电系统的总体电路图，根据实际电路的作用可将其划分为三个电路，在此以电路A、B和C来代替。
[0032]电路A是以BQ25504芯片为核心的具有MPPT功能的DC-DC升压变换器电路以及能量存储电路；电路B是以MIC841N芯片为核心的双电压比较器电路；电路C是以TPS78001芯片为核心的稳压器输出电路。
[0033]1、电路A的详细电路原理图如图3所示:
[0034]如图3所示，电路A主要是由电能管理芯片BQ25504及其外围电路构成。
[0035]首先按照如图3连接电路A的相关电子元器件。TEG即是微型温差发电器，它输出的是温差电转换的裸电压。TEG输出经过电阻Rl (实际为TEG等效内阻)接入BQ25504的VIN_DC端；电阻Rl经过高频扼流圈LBST接入LBST端；电阻Rl经过滤波电容CHVR接地；VIN_DC通过电阻Roc2连接V0C_SAMP，V0C_SAMP通过电阻Rocl接地；VRDIV通过电阻Rov2和电阻Rovl接地；VRDIV和VBAT_0V之间通过电阻Rov2相连；VRDIV通过电阻Ruv2和电阻Ruvl接地；VBAT_UV和VRDIV之间通过电阻Ruv2相连；VBAT_UV接电阻Ruvl接地；VBAT_UV通过电阻Rok3、Rok2和Rokl接地；VBAT_UV和0K_HYST之间通过电阻Rok3相连；0K_HYST和OK_PRCG之间通过电阻Rok2相连；OK_PRCG通过电阻Rokl接地；VSS和AVSS接地；VBAT通过二极管Dl接储能电容器Cstor。
[0036]电路A的主要功能是MPPT、DC-DC升压变换，以及能量存储电路，以下对如何实现这三个功能进行详细叙述。
[0037]最大功率点跟踪(MPPT)是一种最大化利用微型温差发电器所产生电能的技术。本实用新型通过一定的电气模块调节微型温差发电器的温差芯片的输出电压，从而实现温差发电器输出功率的最大化。根据已知的微型温差发电器的输出特性曲线，当输出的电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大的输出功率。从TEG提取最大功率的技术主要是动态改变DC/DC转换器开关频率，本实用新型根据这一特性利用BQ25504采用了电阻比例分压法实现了输出电压为开路电压的一半，进而实现了输出功率的最大化。
[0038]如图3所示，为了实现MPPT功能，在引脚2 (VIN_DC)和引脚3 (V0C_SAMP)分别接电阻Roc2和电阻Rra。引脚2通过Rtjc2接引脚3，引脚3通过Rra接地，具体如电路原理图所示。
[0039]然后按照以下的方式确定Rqci和Rqc2的阻值:
[0040]VIN_DC是电压输出端，通过Rra和Rre2的分压作用，使得V0C_SAMP处的电压为:
【权利要求】
1.一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统，包括:用于收集电能的温差电能收集器，其特征在于，所述温差电能收集器连接电源管理电路，所述电源管理电路将收集到的电能处理后稳定传输至由温湿度传感器、微处理器和无线通信模块组成的负载电路，为所述负载电路供电，所述微处理器将所述温湿度传感器采集到的湿温度数据通过所述无线通信模块发射； 其中，所述电源管理电路由两部分电路组成，第一部分电路包括:升压变换器电路以及能量存储电路；第二部分电路是能量缓冲器电路，所述能量缓冲器电路包括:双电压比较器电路和稳压器输出电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统，其特征在于，所述升压变换器电路以及能量存储电路包括:微型温差发电器TEG， 所述微型温差发电器TEG输出的是温差电转换的裸电压，所述微型温差发电器TEG输出经过电阻Rl接入BQ25504芯片的VIN_DC端；电阻Rl经过高频扼流圈LBST接入LBST端；电阻Rl经过滤波电容CHVR接地；VIN_DC通过电阻Roc2连接VOC_SAMP，VOC_SAMP通过电阻Rocl接地；VRDIV通过电阻Rov2和电阻Rovl接地；VRDIV和VBAT_0V之间通过电阻Rov2相连；VRDIV通过电阻Ruv2和电阻Ruvl接地；VBAT_UV和VRDIV之间通过电阻Ruv2相连；VBAT_UV 接电阻 Ruvl 接地；VBAT_UV 通过电阻 Rok3、Rok2 和 Rokl 接地；VBAT_UV 和 0K_HYST之间通过电阻Rok3相连；0K_HYST和0K_PRCG之间通过电阻Rok2相连；0K_PRCG通过电阻Rokl接地；VSS和AVSS接地；VBAT通过二极管Dl接储能电容器Cstor。
3.根据权利要求2所述的一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统，其特征在于，所述双电压比较器电路包括:MIC841N芯片， MIC841N芯片的Vin端接储能电容器Cstor的正极；Vin端通过电阻R2接入LTH端；LTH端和HTH端通过电阻R3相连；HTH端接电阻R4然后接地；Vout接稳压器输出电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统，其特征在于，所述稳压器输出电路包括:TPS78001芯片， TPS78001芯片的IN端接储能电容器Cstor的正极；EN使能端接MIC841N芯片的输出端；0UT端和FB端之间接电阻R5 ；FB端接电阻R6然后接地；0UT端输出一个稳定的电压。
【文档编号】H02N11/00GK203691641SQ201320670603
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】由磊, 赵耀, 侯春萍 申请人:天津大学