一种可热自供电的无线传感器节点供能装置的制作方法

本实用新型属于建筑安全监测技术领域，涉及一种可热自供电的无线传感器节点供能装置。

背景技术：

随着建筑领域技术的发展，超高层建筑的数量和高度日益增加，其安全性越来越受到人们的重视。如果对建筑日常监管维护不力，那么会对建筑自身的安全产生不利影响，甚至会造成严重人员伤亡事故。随着无线传感器网络技术的出现和发展，人们利用该技术能够实现对超高层建筑进行实时监测，有利于建筑的日常安全维护。

然而无线传感器节点的能量通常是有限，而且一般要将其部署在环境恶劣或者无法破坏的结构中，很难进行电池的更换，一旦节点能量耗尽，会对网络的运行带来不利影响，所以无线传感器节点能够实现自供电非常重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种可热自供电的无线传感器节点供能装置，以解决现有传感器节点因能量有限且无法进行补充而无法长期工作的问题，实现对烟囱长期实时有效的监测。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种可热自供电的无线传感器节点供能装置，包括依次连接的热能转换装置、稳压滤波电路和供能模块，所述的热能转换装置与供能模块为所述的无线传感器节点提供能量，

所述的供能模块包括依次连接的电平输出模块、电压判断模块和充放电模块，所述的电平输出模块产生的电平输入给电压判断模块，作为稳压滤波电路输出电压的参考电压阈值。

具体地，所述的电平输出模块包括低电平vl模块和高电平vh模块，所述的稳压滤波电路输出电压为vs，

vs小于等于vl时，热能转换装置产生的电压对充放电模块进行充电；

vs大于vl且小于等于vh时，充放电模块产生放电电压vd对节点进行供电；

vs大于vh时，热能转换装置产生的电压既对充放电模块进行充电又对节点进行供电。

具体地，所述稳压滤波电路由电阻r1、电阻r2、三极管q1、电容c1、电容c2和稳压管d1连接组成，具体为：

电阻r1分别与三极管q1的基极与三极管q1的集电极两端并联连接，电容c1与三极管q1的基极串联连接，稳压管d1与电容c1并联连接，电容c2串联连接q1的发射极，电阻r2与电容c2并联连接，电容c1、稳压管d1、电容c2和电阻r2的另一端均接地。

具体地，所述的低电平vl模块由直流电源vcc1、电阻r3、电阻r4、电阻r5、三极管q2、三极管q3和运算放大器a1连接组成，具体为：

电阻r3与电阻r4的公共端与直流电源vcc1连接，电阻r4的另一端与三极管q2的集电极串联连接，三极管q2的基极连接三极管q2的集电极，三极管q2的发射极接地，电阻r3的另一端串联连接电阻r5，三极管q3的基极与三极管q3的集电极连接且公共端连接电阻r5的另一端，三极管q3的发射极接地，运算放大器a1的同相端与电阻r4、三极管q2的集电极连接，运算放大器a1的反相端在电阻r3、电阻r5连接，运算放大器a1输出端与直流电源vcc1连接；

所述的高电平vh模块(32)由直流电源vcc2、电阻r6、电阻r7、电阻r8、三极管q4、三极管q5和运算放大器a2连接组成，具体为：

电阻r6与电阻r7的公共端与直流电源vcc2连接，电阻r7的另一端与三极管q4的集电极串联连接，三极管q4的基极连接三极管q4的集电极，三极管q4的发射极接地，电阻r6的另一端串联连接电阻r8，三极管q5的基极与三极管q5的集电极连接并且公共端连接电阻r8的另一端，三极管q5的发射极接地，运算放大器a2的同相端与电阻r7、三极管q4的集电极连接，运算放大器a2的反相端与电阻r6、电阻r8连接，运算放大器a2输出端与直流电源vcc2连接。

进一步地，所述的电压判断模块由直流电源vcc3、电阻r9、电阻r10、电阻r11、运算放大器a3、运算放大器a4、二极管d3和二极管d4连接组成，具体为：

电阻r9的一端与所述的产生高电平vh模块的电平输出模块连接，电阻r9的另一端与运算放大器a3的反相输入端串联连接，运算放大器a3的同相输入端与运算放大器a4的反相输入端相连接的公共端与所述的稳压滤波电路的三极管q1的发射极连接，电阻r10的一端与所述的产生低电平vl模块的电平输出模块连接，电阻r10的另一端与运算放大器a4的同相输入端连接，运算放大器a3输出端串联连接二极管d3的正极，直流电源vcc3与运算放大器a3连接，电阻r11两端分别与直流电源vcc3、二极管d3负极连接，运算放大器a4输出端与二极管d4的正极串联连接，二极管d3的负极与二极管d4的负极连接。

具体地，所述的充放电模块由温控开关和超级电容连接组成。

进一步地，所述的热能转换装置包括引线、保护套管、散热元件、热电偶丝、接线柱、导热件，所述引线的一端与热电偶丝连接，引线的另一端与所述的稳压滤波连接，所述的热电偶丝和引线的外部依次设置导热件、保护套管和散热元件，所述的引线通过接线柱进行固定和引出。

进一步地，还包括依次连接的稳压管模块、微处理器模块、射频器模块和天线，所述的稳压管模块与电压判断模块连接。

进一步地，所述的微处理器模块包括微处理器，所述的微处理器采用msp430f133的单片机。

进一步地，所述的射频器模块包括射频器，所述的射频器采用sx1278的芯片。

本实用新型与现有技术相比具有以下的有益效果：

通过热能捕获装置和供能模块为无线传感器节点提供能量，对比于采用电池供电的传感器节点，该实用新型具有更长的寿命，可长时间监测烟囱结构安全状况；而且该无线传感器网络节点电压源采用了电平输出模块，属于有源节点，能够忽略外界温度、工艺等外部因素对电源的影响，使得节点工作性能更加稳定和抗噪声能力更为显著。

附图说明

图1是本实用新型结构图；

图2是本实用新型电路图；

图3是微处理器模块下载电路图；

图4是射频模块电路图；

图5是热能收集装置图；

图中各标号表示：1、热能转换装置；11、引线；12、保护套管；13、散热元件；14、热电偶丝；15、接线柱；16、导热件；2、稳压滤波电路；3、电平输出模块；31、低电平vl模块；32、高电平vh模块；4、电压判断模块；5、充放电模块；6、稳压管模块；7、微处理器模块；71、晶振单元；72、数据采集单元；73、复位单元；8、射频器模块；9、天线。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做具体说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

本实用新型主要是一种可热自供电的无线传感器节点供能装置，包括依次连接的热能转换装置、稳压滤波电路和供能模块，热能转换装置与供能模块为无线传感器节点提供能量，供能模块包括依次连接的电平输出模块、电压判断模块和充放电模块，电平输出模块产生的电平输入给电压判断模块，作为稳压滤波电路输出电压的参考电压阈值。

电平输出模块产生的电平包括高电平vh模块和低电平vl模块，所述的稳压滤波电路输出电压为vs，vs小于等于vl时，热能转换装置产生的电压对充放电模块进行充电；vs大于vl且小于等于vh时，充放电模块产生放电电压vd对节点进行供电；vs大于vh时，热能转换装置产生的电压既对充放电模块进行充电又对节点进行供电。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、应做广义理解，例如，可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

遵从上述技术方案，本实施例提供一种可热自供电的无线传感器节点供能装置，如图1至图5所示，包括依次连接的热能转换装置1、稳压滤波电路2和供能模块，所述的热能转换装置1与供能模块为无线传感器节点提供能量，供能模块包括依次连接的电平输出模块3、电压判断模块4和充放电模块5，电平输出模块3产生的电平输入给电压判断模块4，作为稳压滤波电路2输出电压的参考电压阈值。电平输出模块3优选带隙基准电压源。可热自供电的无线传感器节点供能装置还包括依次连接的稳压管模块6、微处理器模块7、射频器模块8和天线9，稳压管模块6与电压判断模块4连接。

热能转换装置1用于将烟囱中的热能转换成为节点后续部分工作所需的电压。稳压滤波电路2用于去除由于热能转换装置1所受环境等因素影响而产生的噪声电压，并稳定热能转换装置1所输出的正常电压。电平输出模块3包括低电平vl模块31和高电平vh模块32，稳压滤波电路2输出电压为vs。稳压滤波电路2输出电压vs小于等于vl时，热能转换装置1所产生的电压仅对超级电容进行充电；vs大于vl且小于等于vh时，超级电容产生放电电压vd对节点进行供电，使节点进行数据传输；vs大于vh时，热能转换装置1所产生的电压既对超级电容进行充电又对节点进行供电，支持节点进行数据传输。

图2是本实用新型节点电路图，稳压滤波电路2由电阻r1、电阻r2、三极管q1、电容c1、电容c2和稳压管d1连接组成，具体为：电阻r1分别与三极管q1的基极与三极管q1的集电极两端并联连接，电容c1与三极管q1的基极串联连接，稳压管d1与电容c1并联连接，电容c2串联连接q1的发射极，电阻r2与电容c2并联连接，电容c1、稳压管d1、电容c2和电阻r2的另一端均接地。

低电平vl模块31由直流电源vcc1、电阻r3、电阻r4、电阻r5、三极管q2、三极管q3和运算放大器a1连接组成；具体为：电阻r3与电阻r4的公共端与直流电源vcc1连接，电阻r4的另一端与三极管q2的集电极串联连接，三极管q2的基极连接三极管q2的集电极，三极管q2的发射极接地，电阻r3的另一端串联连接电阻r5，三极管q3的基极与三极管q3的集电极连接且公共端连接电阻r5的另一端，三极管q3的发射极接地，运算放大器a1的同相输入端“+”连接在电阻r4与三极管q2的集电极的公共端，运算放大器a1的反相输入端“-”连接在电阻r3与电阻r5的公共端，运算放大器a1输出端分别串联连接直流电源vcc1与电阻r10。

高电平vh模块32由直流电源vcc2、电阻r6、电阻r7、电阻r8、三极管q4、三极管q5和运算放大器a2连接组成。具体为：电阻r6与电阻r7的公共端与直流电源vcc2连接，电阻r7的另一端与三极管q4的集电极串联连接，三极管q4的基极连接三极管q4的集电极，三极管q4的发射极接地，电阻r6的另一端串联连接电阻r8，三极管q5的基极与三极管q5的集电极连接并且公共端连接电阻r8的另一端，三极管q5的发射极接地，运算放大器a2的同相输入端“+“连接在电阻r7与三极管q4的集电极的公共端，运算放大器a2的反相输入端”-“连接在电阻r6与电阻r8的公共端，运算放大器a2输出端分别串联连接直流电源vcc2与电阻r9。

电压判断模块4由直流电源vcc3、电阻r9、电阻r10、电阻r11、运算放大器a3、运算放大器a4、二极管d3和二极管d4连接组成。具体为：电阻r9的一端与高电平vh模块32连接，电阻r9的另一端串联连接在运算放大器a3的反相输入端，运算放大器a3的同相输入端与运算放大器a4的反相输入端相连接的公共端与稳压滤波电路2的三极管q1的发射极连接，电阻r10的一端与低电平vl模块31连接，电阻r10的另一端连接运算放大器a4的同相输入端，运算放大器a3输出端串联连接二极管d3的正极，直流电源vcc3为运算放大器a3供电，电阻r11两端分别连接直流电源vcc3与二极管d3负极，运算放大器a4输出端串联连接二极管d4的正极，二极管d3的负极与二极管d4的负极相连接并且公共端与微处理器模块7连接。

充放电模块5由温控开关s1、s2和超级电容c3连接组成。超级电容用于存储电压判断模块4所产生的充电电压vc，并在烟囱内部温度较低时，产生放电电压vd，释放所存储的电能为节点供电。超级电容具有充电速度快、循环使用寿命长、能量转换效率高等优点。稳压管模块6对电压判断模块4的输出电压进行稳压处理，以产生使微处理器运行的稳定的直流电压。稳压管d2构成稳压管模块6；微处理器模块7包括微处理器、晶振单元71、数据采集单元72和复位单元73，电容c4、c5和晶振y1连接组成微处理器模块7的晶振单元71；直流电源vcc4、电阻r12、和芯片u1连接构成微处理器模块7的数据采集单元72；vcc5和芯片u2连接构成微处理器模块7的复位单元73。微处理器模块7能够将无线传感器网络节点采用lora通信协议进行无线通信。lora协议是一种基于扩频技术的超远距离无线传输，特点是无线传输距离远，最远可达15km，其接收功耗也相对低，休眠电流低于200na，适合于远距离、低速率的无线通信。射频器模块8包括射频器，射频器优先采用型号为sx1278的芯片，该芯片能将节点采集的信息进行射频放大并按照lora通信协议规则将信息发射出去，同时也能进行相应信息的接收。该芯片具有规模小、效率高、低功耗并且接收灵敏度较高，通信距离远和强抗干扰性的特点。

其中，微处理器优先采用型号为msp430f133的单片机，该单片机有低电源电压范围、超低功耗，并拥有5种低功耗模式，拥有灵活的时钟使用模式和高速的运算能力等优点，除此之外，该处理器还有丰富的功能模块。芯片u1优先选用型号为max809str，其复位端reset连接射频器sx1278的reset端。温控开关s1用于控制超级电容c3的充电电压vc。温控开关s2用于控制超级电容c3的放电电压vd。

图3是微处理器模块7下载电路图，usb接口转换器优先选用pl2303，其dtr_n端接微处理器的p3.7端，rts_n端接接微处理器的p3.6端。直流电源与usb组成usb电路模块。电容c8和c9、晶振y2组成pl2303的晶振单元71。

图4是射频器模块8电路图，sx1278芯片的miso端连接微处理器的p4.3端，sx1278的mosi端连接微处理器的p4.2端，sx1278的sck端连接微处理器的p4.1端，sx1278的nss端连接微处理器的p4.0端。

图5是热能收集装置图，热能转换装置1包括引线11、保护套管12、散热元件13、热电偶丝14、接线柱15、导热件16，所述引线11的一端与热电偶丝14连接，引线11与热电偶丝14优选焊接的方式，引线11的另一端与所述的稳压滤波连接，所述的热电偶丝14和引线11的外部依次设置导热件16、保护套管12和散热元件13，所述的引线11通过接线柱15进行固定和引出。导热件16包裹在热电偶丝14和引线11组成的单元外围，导热件16采用常规的导热材料进行相应的涂覆，用以封装保护热电偶丝14与引线11。保护套管12套设在导热件16表面，散热元件13焊接在保护套管12外表面；引线11通过接线柱15固定和引出，从而与稳压滤波电路2相连接。

热电偶丝14为含有镍铬—镍硅两种成份的导体焊接而成，并且用粘土质绝缘材料对热电偶丝14之间进行填充，将其互相隔离；引线11为含有镍铬—镍硅两种成份的导体，同样用绝缘材料对引线11之间进行填充，将其互相隔离以使该热能收集装置输出端能够产生电压。导热件16用于将热电偶丝14冷端的热量尽快通过散热元件13散发出去，从而在热电偶丝14输出端产生更多的电动势。

本实用新型的可热自供电的无线传感器节点供能装置通过热能转换装置进行热能捕获和充电电池部分为无线传感器节点提供能量，对比于采用电池供电的传感器节点，该实用新型具有更长的寿命，长时间监测烟囱结构安全状况；而且该无线传感器网络节点电压源采用了电平输出模块，属于有源节点，能够忽略外界温度、工艺等外部因素对电源的影响，使得节点工作性能更加稳定和抗噪声能力更为显著。

以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。