一种无线传感节点的自供能装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器技术领域，具体涉及一种无线传感节点的自供能装置。
【背景技术】
[0002]无线传感网络是由部署在被监测区域的大量传感器节点组成，节点相互通讯形成自组织的网络系统。每个传感器节点都是一个集成信息采集、数据处理和无线通讯等功能的微系统。
[0003]无线传感器网络具有节点数目庞大、分布区域广、部署环境复杂或危险的特点，有些区域甚至人员不能到达，所以利用人工更换电池、充电等方式补充能量是不现实的。当携带的能量耗尽时，传感器节点将无法完成预定的任务，这极大限制了传感器网络在许多领域的推广应用。要实现无线传感器网络实用化，就必须解决能源瓶颈问题。为解决这一制约问题，需要无线传感器节点采集环境中的能量并且存储利用。环境中能量采集的来源包括太阳能、风能、温差能、振动能、噪声等多种能源。
[0004]现在已经有多种为无线传感节点供能的装置，一般来说这些装置的能量来源有四种:太阳能、风能和振动能。例如边义祥在其专利《利用压电振动发电供能的物联网节点》(CN 103532427A)中公开了一种利用组合式压电发电机供电的物联网节点，用多个两面贴有多片压电元件的悬臂梁进行宽频压电发电，把自然环境的振动机械能转换成电能，为物联网节点供电。这种装置利用压电振动产生的电能非常小，实际应用中能够提供足够振动能以保证装置正常工作的场合非常少，装置无法在大部分应用场合中广泛应用。此外，这种装置只利用了振动能进行发电，俘能方式单一，没有充分利用自然环境中的其他能量，装置在环境发生变化如长时间没有振动时无法持续工作。
[0005]又如刘成良在其专利《无线传感器网络节点光伏能源自治系统及其自治方法》(CN101808423A)中描述了一种无线传感器网络节点光伏能源自治系统及其自治方法，利用太阳能为超级电容充电，将能量自治方法纳入无线传感器网络系统中。这种方法仅仅依靠太阳能进行发电，太阳能电池板的发电功率受天气影响很大，阴天或多云等光照较弱的条件下发出的电量过小甚至无法存储。遇到连续阴雨天的状况则会使系统耗尽超级电容中的电能储备而停止工作，适应性不强，难以在实际应用中投入使用。
[0006]金仁成在其专利《一种基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统》(CN103259323A)公开了一种基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统。其中，太阳能采集模块使用太阳能电池板采集环境中的光能，压电式垂直轴风能采集模块采集环境中的风能，超级电容将采集到的能量存储在超级电容中，接口电路为能量存储和WSN节点供电提供通道。专利提供的整体结构仅仅将垂直轴风机和太阳能电池板进行了简单的拼接，没有对有限的装置空间进行合理分配、充分利用。实际应用中的装置体积都比较小，小型化后风力发电机和太阳能电池板的体积都受到极大压缩，在满足无线传感器节点小型化要求的同时难以保证太阳能电池板的面积和垂直轴风机的通风量，装置整体的发电量将大幅下降甚至难以维持无线传感器节点正常工作。此外，整体结构呈长方体，无法进行抛撒部署。当装置受到外力而改变姿态时无法自我恢复到可以正常工作的姿态。为保证传感器节点处于正确的姿态，部署节点时需要固定每个节点的底面，工作量过大。固定的节点同时丧失了无线传感网络的灵活性，在广泛部署无线传感网络时不具有实用性和可行性。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提供了一种无线传感节点的自供能装置，能够综合利用太阳能、风能、温差能进行发电，且满足装置小型化。
[0008]本发明的无线传感节点的自供能装置，包括球形骨架、天线、顶部太阳能电池板、风道口太阳能电池板、传感器、导风片、垂直风力发电机、顶部温差发电片、底部温差发电片、电源控制模块、储能模块和传感数据处理模块；
[0009]其中，球形骨架包括穹顶形顶盖和下底面为平面的底板，多个导风片均匀地竖直安装在顶盖和底板之间；天线安装在顶盖上表面的顶端;传感器安装在顶盖下表面上;顶部太阳能电池板安装在顶盖上表面;顶部温差发电片的热端贴在顶部太阳能电池板的背面，冷端贴合有散热装置;垂直风力发电机安装在球形骨架的中部;导风片、顶盖下表面和底板上表面共同构成风道;风道口太阳能电池板安装在风道的下表面上，底部温差发电片的热端贴在风道口太阳能电池板的背面，冷端贴合有散热装置；
[0010]电源控制模块、储能模块和传感数据处理模块安装在球形骨架的底板上，天线、顶部太阳能电池板、风道口太阳能电池板、传感器、顶部温差发电片、底部温差发电片、垂直风力发电机与电源控制模块相连;传感器与传感数据处理模块相连；电源控制模块分别与储能模块、传感数据处理模块相连。
[0011]较优的，所述导风片与其根部所在圆形的切线成40°?60°角，导风片的倾斜方向与垂直风力发电机扇叶方向一致。
[0012]较优的，所述导风片的数量与垂直风力发电机扇叶的数量一致。
[0013]较优的，所述传感器有多个，各风道内安装有一个或多个传感器，各风道内安装的传感器种类可以相同也可以不同。
[0014]较优的，所述散热装置包括热管和翅片状散热器，其中，热管包括蒸发段、冷凝段、以及蒸发段和冷凝段之间的绝热段;热管的蒸发段贴合在温差发电片的冷端，冷凝段附着有翅片状散热器，翅片状散热器位于垂直风力发电机的扇叶区。
[0015]较优的，所述传感数据处理模块包括状态管理子模块、时钟或触发子模块、数据处理子模块和无线通讯子模块;所述传感数据处理模块为事件驱动机制，所述传感数据处理模块有3个工作状态:信号激发状态、浅度休眠状态和深度休眠状态;其中，当传感数据处理模块处于信号激发状态时，传感数据处理模块的全部子模块都工作；当传感数据处理模块只需要收集传感数据而不需要实时传输时处于浅度休眠状态，此时传感数据处理模块中除了无线通讯子模块外，其余子模块都处于正常工作状态；当传感数据处理模块不需要收集数据时处于深度休眠状态，传感数据处理模块中只有触发子模块或定时时钟在工作，当满足再次工作的条件时，传感数据处理模块触发激活进入相应工作状态。
[0016]较优的，所述球形骨架的底板还安装有配重物。
[0017]有益效果:
[0018]本发明在满足装置小型化要求的同时，能够充分俘获环境中的各种可利用能源，将其转换为电能为无线传感器节点提供足够能量。本发明装置可以抛撒部署、姿态自我恢复、抗损坏能力强，无需人工更换电池、充电等维护，在实际工作环境中可以长期正常工作。
[0019](I)本发明采用了近似球体的整体结构。形似削去一小部分底部的球体结构重心较低，保证部署无线传感节点如随意抛撒时装置能够保持正确的姿态。当装置受到外力发生滚动位移或姿态改变时，较低的重心和球形结构能够让装置像不倒翁一样最终恢复正确姿态。
[0020](2)本发明包括太阳能采集模块、集风装置、垂直轴风能采集模块、温差发电模块、散热模块、超级电容储能模块、电源控制模块和传感器数据处理模块。明确的模块分工提高了整体系统的稳定性。
[0021](3)本发明在球体装置中部采用了集风结构，集风装置由六个喇叭型风道构成。集风结构提高了进入垂直轴扇叶的风速，间接降低了垂直轴发电机的启动风速，提高了整体垂直轴扇叶区的单位时间通风量，从而提高垂直轴风能采集模块的发电功率。
[0022](4)本发明采用的风道结构底部可以为太阳能电池板提供更多的安装空间。突破了野外自供能装置只有单片太阳能电池板的传统设计，将太阳能电池板的铺设面积扩大了近一倍。从而大大提高太阳能采集模块的发电功率。
[0023](5)本发明中太阳能电池板分布于装置顶部和六个风道底侧面，确保装置在任何姿态、任何时间都能够保持最大受光面积，从而使太阳能采集模块最大限度俘获太阳能，为装置提供足够电能。
[0024](6)本发明采用的温差发电模块中，温差发电片热端与太阳能电池板背面、冷端与热管集热端通过导热性能良好的导热硅胶紧密粘合。温差发电片热端吸收太阳能电池板发电时产生的热能而升温，与冷端形成温差从而产生电能。太阳能电池板的温度上升会导致太阳能采集模块发电效率的下降，因此，温差发电模块在利用太阳能电池板废热发电的同时提高了太阳能采集模块的发电效率。
[0025](7)本发