基于微能量采集的混合供电方法、装置及微能量供电器与流程

本发明属于电子领域，尤其涉及一种基于微能量采集的混合供电方法、装置及微能量供电器。

背景技术：

随着智能化的发展，越来越多的智能化传感器、控制器以及通信网络被应用于各种复杂的环境中，并且随着环保意识的增强，在供电需求上会优先考虑采用应用环境中的清洁能源供电的设计方案。特别是对于一些微弱功耗的无线传感器、蓝牙、低功耗的无线执行器等设备，由于这些应用设备体积小、功耗低，因此选择采集环境中的微能量供电最为环保方便。

然而，现有的低功耗通信设备或智能终端通常采用单一的清洁能源供电，例如太阳能、风能、流体能量等，由于应用环境的局限性和不确定性，特别是对于一些环境中的微能量，常常出现能量采集不稳定、不持久的情况，从而导致了在环境中的清洁能源采集量低下时，难以保障智能设备全天候稳定的工作，影响设备应用的持续性、稳定性和准确性，还可能由于设备断电造成不可估量的损失和严重后果，同时也大大的降低了设备在各种环境中的可用性。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于微能量采集的混合供电方法，旨在解决现有设备使用单一的环境能源供电，由于环境能量采集不稳定导致用电设备可靠性差、持续性差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于微能量采集的混合供电方法，所述方法包括下述步骤：

采集微能量，并将采集到的微能量储存在能量储存单元中；

能量存储单元在达到启动电量后唤醒或启动系统；

系统启动后进入省电模式，并切换为备用储能单元供电；

通过微能量采集到的能量供电给系统进行数据交互；

在完成数据传递后系统进入省电模式，并切换为备用储能单元供电。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种基于微能量采集的混合供电装置，所述装置包括：

采集单元，用于采集微能量，并将采集到的微能量储存在能量储存单元中，能量存储单元在达到启动电量后唤醒或启动系统；

数据交互单元，用于唤醒系统并进行数据交互，所述数据交互单元通过微能量采集到的能量供电；

电源切换单元，用于系统启动后以及完成数据传递后控制系统进入休眠，并切换为备用电池为休眠供电。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种包括上述基于微能量采集的混合供电装置的微能量供电器。

本发明实施例采用环境能量采集为主要供电，化学电池为辅助的混合供电方式来保证设备的全天候工作的。以超低功耗的mcu作为控制中心，辅以执行电路，匹配收集多种微弱的环境能量，为设备提供可靠的，全天候的电能供应。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电方法的流程结构图；

图2为本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电方法中步骤s104的流程结构图；

图3为本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电方法中步骤s202的流程结构图；

图4为本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电装置的结构图；

图5为本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电装置中数据交互单元的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例采用环境能量采集为主要供电，化学电池为辅助的混合供电方式来保证设备的全天候工作的。以超低功耗的mcu作为控制中心，辅以执行电路，匹配收集多种微弱的环境能量，为设备提供可靠的，全天候的电能供应。

图1示出了本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电方法的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，本方法可以应用在光能、风能、流体能量以及压力动能的供电控制，尤其适用于多种电量较小的微安级的微能量供电的切换控制。

该基于微能量采集的混合供电方法包括下述步骤：

步骤s101，采集微能量，并将采集到的微能量储存在能量储存单元中；

在本发明实施例中，采集的微能量包括：光能、风能、流体能量、压力动能、温差能以及磁力能量，其中的一种或多种。

例如，该微能量采集可以只采集压力动能一种微能量，也可以采集光能和压力动能等多种微能量。

在本发明实施例中，根据不同的使用环境选择不同的能量来源，针对不同类型的能量来源采用不同的收集策略进行能量收集，例如，在光线能够得到保证的情况下，可以使用太阳板和储能器件的方式采集能量的方式供给系统。比如无线门铃等户外或固定位置有光环境的设备上。在移动的设备上可以使用干电池加压力能量收集的方式，既保证了设备的可用性，也解决了免维护性。

具体地，能量储存单元可以采用较大容量的电容实现以满足启动系统的能量需求。

进一步地，采集微能量的步骤具体为：根据当前环境选择采集模式，并按照采集模式进行微能量采集；

该采集模式包括：双向交流采集模式和单向直流采集模式。

在本发明实施例中，双向交流采集模式可以针对压力动能的采集，其中压力换能板将压力动能转换为电能，由于压力是随机发生，并且是大动态的范围、高电压、弱电流的交流能量，因此需要通过快速的整流和能量收集。

压力换能板将产生的电能通过io口进入mcu检测，当检测到输入到a口的值为高，b口的值为低时，那么，迅速的把a口的上拉mos管，b口的下拉mos管打开，完成收集正向输入的电能采集，把能量转存到系统的vcc电容(能量储存单元)上；当检测到输入到b口的值为高，a口的值为低时，同样，迅速的把a口的上拉mos管，b口的下拉mos管打开，把反向的电能采集到电源vcc中，完成交流电流的整流与双向采集。

当采集持续微弱的能量时，当采集的输入电压低于可以采集利用的能量点时，切断能量采集系统工作，等待当输入电压高于可利用的点时，重新开始采集能量。

在本发明实施例中，单向直流采集模式可以针对太阳能采集，由于太阳能板输出的是持续的小电流，所以需要直接把能量采集到vcc的电容里，并且需要一个高隔断的开关来保证最大限度的收集到能量而不泄漏，在太阳能板上的能量大到可以利用时(通过电压点判别的方式确定是否可以利用)，打开mos管开关，采集能量，当低于预设值时，为了避免能量反灌，关闭mos管开关，切断太阳能板与能量储存单元的联系。

步骤s102，能量存储单元在达到启动电量后唤醒或启动系统；

优选地，为了加快启动，降低启动能耗，也可以通过芯片的rom或者flash启动系统，不需要装载相关的程序，把ram数据保存在不需要维持电流的fram之类的存储器件中，这样就不需要维持电流，直接吸取压力产生的能量，把数据通过蓝牙、无线通信协议把数据发射出去。

步骤s103，系统启动后进入省电模式，并切换为备用储能单元供电；

作为本发明一实施例，省电模式可以是休眠模式也可以是采用工作频率很低的低功耗模式。备用储能单元可以是干电池，也可以是电容或充电电池等储能设备。当能量储存单元和备用储能单元均为储能设备时也可以复用以减少硬件设置。

在本发明实施例中，在省电模式下，按照休眠的电流1-2ua来计算，一个2032270mah的干电池可以使用30年，实现了设备的免维护。

步骤s104，通过微能量采集到的能量供电给系统进行数据交互；

在本发明实施例中，以无电池无线压力传感器为例进行说明，当震动发生时，收集能量压力传递过来的电能，并转存在电容里，当电容的电压达到发送数据的功耗需求时，由电容供电，根据通信指令进行数据交互。

步骤s105，在完成数据传递后系统进入省电模式，并切换为备用储能单元供电。

在本发明实施例中，多种形式的电能之间的供电切换与数据通信分别采用独立的通信通道，并且数据通信还可以采用看门狗监控，以保证系统最大效率、可靠的工作。

本发明实施例采用环境能量采集为主要供电，化学电池为辅助的混合供电方式来保证设备的全天候工作的。以超低功耗的mcu作为控制中心，辅以执行电路，匹配收集多种微弱的环境能量，为设备提供可靠的，全天候的电能供应。

图2示出了本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电方法中步骤s104的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

步骤s104的步骤具体为：

步骤s201，将采集到的微能量暂存在能量暂存单元中；

步骤s202，将系统从省电模式中唤醒，并将备用储能单元供电切换为能量暂存单元供电；

步骤s203，根据接收到的通信指令进行数据交互。

在步骤s203中，通信指令接收到之后，需要等到能量暂存单元中有足够的能量后才执行通信指令。

在本发明实施例中，能量暂存单元中的能量不被长期保存，达到能执行数据交互的供电需求时就用掉。

作为本发明一实施例，步骤s202的步骤具体为：

步骤s301，通过能量暂存单元的电量拉高电源线上的电压；

步骤s302，识别到电源线上电压升高后唤醒系统；

步骤s303，将高电位的能量暂存单元作为当前供电。

在本发明实施例中，由于使用两个以上的电源，根据电源性能不同可以分为瞬时采集的大电能、持续采集的微小电能和干电池储存的电能，将瞬时采集的大电能作为数据交互的供电设置，将持续采集的微小电能和、或干电池储存的电能作为省电模式下的供电设置。

在省电模式下，可以通过低功耗ldo(lowdropoutregulator，低压差线性稳压器)将备用储能单元的电压转换为高于系统工作电压的电压点作为电源线的电压供电。

当另一个瞬时采集的大电能进来的时候，它会拉高电源线上的电压，这时处理单元通过io口唤醒系统后，检测电源线上的电压变化，由于这时瞬时采集的大电能的电压高于备用储能单元(干电池)的供电电压，高电势差的电源就替代干电池电源成为主供电电源，完成多电源无缝切换。

作为本发明一优选实施例，还可以在步骤s203之前包括下述步骤：

步骤s401，接收并判断通信指令的通信等级；

在通信等级为高时，执行步骤s402，通过电源线上的电压判断当前采集电量是否满足通信供电需求；

若是，则执行步骤s203；

若否，则执行步骤s403，切换到所述备用储能单元供电，再执行步骤s203；

在通信等级为低时，执行步骤s404，监控电源线上的电压变化，并通过电源线上的电压判断当前采集电量，当当前采集电量满足通信供电需求时，执行步骤s203。

在本发明实施例中，若通信等级为高，例如报警指令，即使当前能量暂存单元中没有足够的能量，也可以切换到备用储能单元供电，执行通信指令；若通信等级为低，例如数据传输指令，则需要继续等待能量暂存单元中有足够的能量后才执行通信指令。

下面以蓝牙遥控器为例，说明其协同工作的过程：

在蓝牙无电池的遥控器中，选用一个太能板产生的电来维持系统在省电模式时的工作电流(当然能板它不是必须，在一些不需要待机模式的无线系统中，直接用压电能直接唤醒收集系统，打开无线发射数据。)，当压力发生时，通过采集单元把能量转为直流，用小电容滤掉尖峰电压，再把电直接供给蓝牙芯片，蓝牙唤醒后打开无线系统，把数据发射出去，完成通信。

由于蓝牙芯片启动时由于需要装载整个蓝牙协议栈，需要大量的能量来启动它。这个能量大，导致一般太阳能，压力产生的电不足以完成这个工作，因而需要一个可充电的电池作为后备来完成系统启动，也就是通过太阳能板先把能量存储到充电池里面，等能量积累到可以启动蓝牙芯片的时候，再打来蓝牙，把芯片启动起来。

也可以通过减少加载程序优化，将程序大部分固化在rom里面，启动的时候只需装载很小一部分的主程序，这样就可以在极短的时间内把系统启动起来，这样就能把上电启动的能量做到了最小化，达到无后备能量也可以启动起来。

芯片启动后进入睡眠模式，以极低的功耗模式运行，用极小的能量维持小量ram中的数据运行即可，通常在1ua以下的电流就可以了。也可以把ram的数据运行在不需要维持电流的fram之类的存储器件中，做到无电池待机。

当按键按下时(压力动能)，压电片受到形变产电能，电能唤醒睡眠中的芯片，芯片启动后利用压电中的电能进行数据交互，该数据发送的时机根据以下方法确定：

扫描按键，确定按键位置；

收集压电能量板的能量。

压电片上的能量经过整流后进入一个小电容进行暂存，当电容的电量上升的一个电压点(3.5v)后，这个电压选取要根据压电片的面积，按键行程，芯片最佳工作电压，工作电压范围，发射时电流，时间，电容大小等综合计算，再根据实际情况测算确定。芯片启动无线发射，把按键数据发射出去。

数据发射完成后，系统进入休眠，等待下一次的唤醒。

在本发明实施例中，由于压力按键的电量具有时间性，也就是手按键的电能量是一个波峰型的能量分布，也就是在这个过程中，无线发射最需要电的时机要把握好，也就是要在上升的过程中开始启动发射，在波峰的时候发射无线信号。也就是在能量最多的时候做大功耗任务，才能最有效的完成数据的发射。在最高功率点也是最有力的时间点，如果偏离了这个时间，就会降低用户的感受度，提前了，就会感觉按键手感不好，在下按的启动过程中，由于突然把压电片的能量全部提前取走了，相当于压电片短路了，直接产生一个比较大的阻力，需要一个大的往下按的力，导致手感直接变差，如同按在一个铁板上，导致按键的手感硬。如果滞后了，导致电量不充分，发射就有可能失败，也导致按键没有手感，比较松软。

电容大小要根据每次压力产生的电量，芯片使用的最佳工作电压时消耗的电能进行测算，比如每发射一次需要的能量是1uc，芯片的最佳工作电压是3.3v。最低工作电压是2.4v这样根据在3.5v到2.6v的这个范围要保存能量是要保证芯片能正常启动跑到系统准备发射那个时间点，在发射时，通过压电片，电容共同供电给系统。保证数据交互完成。在这里最好的方式是通过压电换能器的电来做为数据通信供电，备用储能单元作为待机或睡眠供电。因为按键的力度，速度都会不一样，导致产生的电就不一样，就会发生很多时候电不够发射，或者电太多了损坏芯片。

本发明实施例可以将光能、压力能、温差能等通过对应的换能器件转为电能后，再通过能量采集mcu把能量收集到电容器，或者暂存在储能器件里面，同时唤醒或者打开无线系统，把采集到的按键信息，或者传感器获取到的数据通过无线发射出去，完成数据交互。以超低功耗的mcu作为处理单元辅以执行电路进行电源切换控制，匹配收集多种微弱的环境能量，为设备提供可靠的，全天候的电能供应。

图4示出了本发明实施例提供的基于微能量采集的混合供电装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该基于微能量采集的混合供电装置包括：

采集单元11，用于采集微能量，并将采集到的微能量储存在能量储存单元21中，能量存储单元在达到启动电量后唤醒或启动系统22；

在本发明实施例中，微能量采集可以采集一种微能量，也可以采集多种微能量。

优选地，该采集单元11包括一采集模式选择单元，用于根据当前环境选择采集模式，并按照采集模式进行微能量采集；

采集模式包括：双向交流采集模式和单向直流采集模式。

在本发明实施例中，双向交流采集模式可以针对压力动能的采集，其中压力换能板将压力动能转换为电能，由于压力是随机发生，并且是大动态的范围、高电压、弱电流的交流能量，因此需要通过快速的整流和能量收集。

作为本发明一实施例，采集单元11在压力环境中采用双向交流采集模式，可以包括：压力换能板和mcu，压力换能板将产生的电能通过io口进入mcu检测，当检测到输入到a口的值为高，b口的值为低时，那么，迅速的把mcu中a口的上拉mos管，b口的下拉mos管打开，完成收集正向输入的电能采集，把能量转存到系统的vcc电容(能量储存单元)上；当检测到输入到b口的值为高，a口的值为低时，同样，迅速的把a口的上拉mos管，b口的下拉mos管打开，把反向的电能采集到电源vcc中，完成交流电流的整流与双向采集。

当采集持续微弱的能量时，当采集的输入电压低于可以采集利用的能量点时，切断能量采集系统工作，等待当输入电压高于可利用的点时，重新开始采集能量。

在本发明实施例中，单向直流采集模式可以针对太阳能采集，由于太阳能板输出的是持续的小电流，所以需要直接把能量采集到vcc的电容里，并且需要一个高隔断的开关来保证最大限度的收集到能量而不泄漏，在太阳能板上的能量大到可以利用时(通过电压点判别的方式确定是否可以利用)，打开mcu中mos管开关，采集能量，当低于预设值时，为了避免能量反灌，关闭mos管开关，切断太阳能板与能量储存单元的联系。

当然，采集单元11也可以同时包括压力换能板、太阳能电池板和mcu，根据当前环境选择双向交流采集模式或单向直流采集模式。

为了加快启动，降低启动能耗，可以在启动系统时，加载特定主程序，其他程序固化于rom或flash中。

数据交互单元12，用于唤醒系统22并进行数据交互，数据交互单元12通过微能量采集到的能量供电；

以无电池无线压力传感器为例进行说明，当震动发生时，收集能量压力传递过来的电能，并转存在电容里，当电容的电压达到发送数据的功耗需求时，由电容供电，根据通信指令进行数据交互。

在本发明实施例中，多种形式的电能之间的供电切换与数据通信分别采用独立的通信通道，并且数据通信还可以采用看门狗监控，以保证系统最大效率、可靠的工作。

电源切换单元13，用于系统22启动后以及完成数据传递后控制系统进入休眠，并切换为备用电池23为休眠供电。

作为本发明一实施例，省电模式可以是休眠模式也可以是采用工作频率很低的低功耗模式。备用储能单元可以是干电池，也可以是电容或充电电池等储能设备。当能量储存单元和备用储能单元均为储能设备时也可以复用以减少硬件设置。

在本发明实施例中，在省电模式下，按照休眠的电流1-2ua来计算，一个2032270mah的干电池可以使用30年，实现了设备的免维护。

图5示出了本发明实施例提供的基于微能量采集的电源管理装置中数据交互单元的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，数据交互单元12包括：

能量暂存单元121，用于暂存采集到的微能量；

在本发明实施例中，能量暂存单元中的能量不被长期保存，达到能执行数据交互的供电需求时就用掉。

处理单元122，用于唤醒系统，并将备用电池供电切换为所述能量暂存单元供电，以及识别当前指令，并根据当前指令进行数据交互。

在本发明实施例中，通信指令接收到之后，需要等到能量暂存单元中有足够的能量后才执行通信指令。

电源切换在休眠状态，通过低功耗ldo将备用电池电压转换为高于系统工作电压的电压点作为电源线的电压，以提供休眠供电；

能量暂存单元拉高电源线上的电压，处理单元识别到电源线上电压升高后唤醒系统，将高电位的能量暂存单元作为当前供电。

进一步地，处理单元122包括：

识别单元1221，用于识别当前指令；

监控单元1222，用于监控电源线上的电压变化，并通过电源线上的电压判断当前采集电量，当当前采集电量满足通信供电需求时根据当前指令进行数据交互。

在本发明实施例中，由于使用两个以上的电源，根据电源性能不同可以分为瞬时采集的大电能、持续采集的微小电能和干电池储存的电能，将瞬时采集的大电能作为数据交互的供电设置，将持续采集的微小电能和、或干电池储存的电能作为省电模式下的供电设置。

在省电模式下，可以通过低功耗ldo(lowdropoutregulator，低压差线性稳压器)将备用储能单元的电压转换为高于系统工作电压的电压点作为电源线的电压供电。

当另一个瞬时采集的大电能进来的时候，它会拉高电源线上的电压，这时处理单元通过io口唤醒系统后，检测电源线上的电压变化，由于这时瞬时采集的大电能的电压高于备用储能单元(干电池)的供电电压，高电势差的电源就替代干电池电源成为主供电电源，完成多电源无缝切换。

作为本发明一优选实施例，处理单元122还可以包括通信指令判断单元，在根据接收到的通信指令进行数据交互之前，判断通信指令的通信等级，在通信等级为高时，通过电源线上的电压判断当前采集电量是否满足通信供电需求；若是，则进行数据交互；若否，切换到备用储能单元供电，再进行数据交互；

在通信等级为低时，监控电源线上的电压变化，并通过电源线上的电压判断当前采集电量，当当前采集电量满足通信供电需求时，进行数据交互。

在本发明实施例中，若通信等级为高，例如报警指令，即使当前能量暂存单元中没有足够的能量，也可以切换到备用储能单元供电，执行通信指令；若通信等级为低，例如数据传输指令，则需要继续等待能量暂存单元中有足够的能量后才执行通信指令。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种包括上述基于微能量采集的电源管理装置的微能量供电器。

本发明实施例采用环境能量采集为主要供电，化学电池为辅助的混合供电方式来保证设备的全天候工作的。以超低功耗的mcu作为控制中心，辅以执行电路，匹配收集多种微弱的环境能量，为设备提供可靠的，全天候的电能供应。

以上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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。