基于可再生能源模块的蓝牙信标基站的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于可再生能源模块的蓝牙信标基站，该蓝牙信标基站包括：可再生能源模块组、蓝牙信标通信模块和壳体，其中：壳体用于容纳蓝牙信标通信模块和可再生能源模块组；可再生能源模块组与蓝牙信标通信模块连接，用于采集可再生能源，并将可再生能源的能量转换为电能后进行存储，以为蓝牙信标通信模块供电；蓝牙信标通信模块用于发送信标信息。本发明将负责广播信标信息的电子通讯模块与可再生能源模块结合起来，从而解决了蓝牙信标基站的供电问题。
【专利说明】
基于可再生能源模块的蓝牙信标基站
技术领域
[0001]本发明涉及蓝牙短距离无线通信技术领域，尤其是一种基于可再生能源模块的蓝牙信标基站。
【背景技术】
[0002]蓝牙4.0以上的版本中加入了低功耗蓝牙BLE (Bluetooth Low Energy或Bluetooth Smart)的通讯标准，这使得蓝牙应用在具备优良的抗干扰性能的同时还具备低功耗的特性，从而使得蓝牙技术在现有的基于语音传输应用的基础上，进一步扩展到物联网及智能设备通信领域。
[0003]超低功耗蓝牙技术中的一个重要特征是信标(Beacon)概念的引入。通过使用加入信标概念的低功耗蓝牙技术，信标基站可以创建一个信号区域(Pan Area)，并在这个信号区域内以一定的间隔、一定的信号强度和特定的数据格式，向所述信号区域内所有支持蓝牙4.0低功耗通讯标准的设备进行广播通讯。支持蓝牙4.0低功耗通讯标准的设备进入该信号区域时，相应的应用程序便会提示用户是否需要接入这个信号区域的蓝牙数据网络，接入之后，便可接收该信号区域的蓝牙数据网络所广播的信息。
[0004]最广义而且最简单的蓝牙信标基站在实现上并不困难，只要使用一颗合乎BLE标准的晶片，然后通过设定程序使其可以在某个蓝牙服务中，定期发送一段特定格式的广播信息即可。此时，接收设备端的应用程序则通过扫描获取该蓝牙服务广播的所有信息，然后再将获得的这些广播信息的内容送到特定的网络服务中去比对，最后根据比对结果进行对应的操作。利用蓝牙信标基站可准确地进行室内定位、定向广告推送以及防丢防盗，随着科技的发展和用户需求的提高蓝牙信标基站的应用越来越广泛。
[0005]在上述蓝牙信标基站看似简单的流程中，有三个主要参数会影响使用者对于蓝牙信标应用的使用体验:一个是广播信息的格式与内容，第二是信息广播的间隔密度，第三是广播的信号强度。举例来说，苹果公司的iBeacon的主要目的之一，是结合智能终端设备来提供区域商店的精准推送广告服务，或是进行精准的室内定位。在该情境下，应用程序多数会在后台执行对于iBeacon广播信息的扫描。此时，广播信息之间的间隔密度不宜太长，这样才不会影响应用程序在后台侦测iBeacon的反应时间。这也就是为什么iBeacon规范中，对于广播信息的间隔要求为不得超过0.15秒的原因。但是，广播信息的间隔越短，信号强度就越高，耗电量也就越多，这对于信标基站供电方式的设计以及信标基站的体积设计，就会形成另外一种限制。这也就是为什么iBeacon的硬件在加入足够的电池之后，都无法做得太小的主要原因。
【发明内容】
[0006]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明针对蓝牙信标基站对于供电的要求，提出一种基于可再生能源模块的蓝牙信标基站，本发明将负责广播信标信息的电子通讯模块与可再生能源模块结合起来，从而解决了蓝牙信标基站的供电问题。
[0007]本发明提出的一种基于可再生能源模块的蓝牙信标基站包括:可再生能源模块组、蓝牙信标通信模块和壳体，其中:所述壳体用于容纳所述蓝牙信标通信模块和可再生能源模块组；所述可再生能源模块组与所述蓝牙信标通信模块连接，用于采集可再生能源，并将所述可再生能源的能量转换为电能后进行存储，以为所述蓝牙信标通信模块供电；所述蓝牙信标通信模块用于发送信标信息。
[0008]可选地，所述可再生能源模块组包括一个或一个以上的可再生能源模块。
[0009]可选地，所述可再生能源模块包括:能量采集层、能量管理层和能量存储层，其中:所述能量采集层、能量管理层和能量存储层之间电连接；
[0010]所述能量采集层用于采集可再生能源，并将其转化为以电能形式存在的能量；所述能量管理层用于将所述能量采集层采集得到的能量传输至所述能量存储层进行存储，对于所述能量采集层和能量存储层的输入或输出以及可再生能源模块的状态进行管理和控制，接收外部输入信号及向外部输出控制和状态信号，并将所述能量存储层存储的电能输出出去；所述能量存储层配置有电能输入和输出端口，用于根据所述能量管理层的控制，通过电能输入端口储存接收到的能量，并通过电能输出端口将能量输出给所述能量管理层。
[0011]可选地，所述能量管理层包括冷启动电荷栗单元、电能参数转换单元、充放电保护管理单元、最大功率点跟踪控制单元、备用能源管理单元、稳压输出单元，系统监测传输单元和中央控制单元，其中:所述冷启动电荷栗单元用于在所述可再生能源模块处于初始状态时，提供聚能功能；所述电能参数转换单元用于对于所述能量采集层输出的电能参数进行转换和调节，产生高电平充电脉冲信号以匹配所述能量存储层对于存储电能所需参数的要求；所述充放电保护管理单元用于实时监测所述能量存储层的工作电压，根据所述能量存储层的工作电压值，控制所述能量存储层的充电输入或放电输出；所述最大功率点跟踪控制单元用于利用最大功率点跟踪控制所述能量采集层的输出电压，以提高所述能量采集层的输出效率；所述备用能源管理单元用于监测外界可再生能源及所述可再生能源模块应用的系统中存在的多种备用电能的强度，并记录监测结果以为所述中央控制单元的能源智能切换提供决策参数；所述稳压输出单元用于对于所述能量存储层的输出进行稳压和调压操作以达到工作电压的要求；所述系统监测传输单元用于对于整个可再生能源模块的工作状态进行监测，并把监测所得到的数据通过有线或无线的方式发送出去；所述中央控制单元与各个单元连接，用于在多种备用能量源之间进行智能切换，并对所述各个单元进行控制和协调。
[0012]可选地，所述能量采集层包括一层或多层能量采集子层，和/或所述能量管理层包括一层或多层能量管理子层，和/或所述能量存储层包括一层或多层能量存储子层，每一能量采集子层和能量存储子层均分别与所述能量管理子层相应电连接。
[0013]可选地，利用基于聚酰亚胺材料的通用基底将所述可再生能源模块的各膜层结合在一起。
[0014]可选地，所述可再生能源模块还包括外部封装层，用于对于所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹。
[0015]可选地，所述蓝牙信标通信模块与所述可再生能源模块中的能量管理层共用同一块电路板。
[0016]可选地，所述可再生能源模块组具备柔性性质，柔性可再生能源模块组可移动地置于所述壳体所形成的容纳空间内。
[0017]可选地，还包括指示模块，所述指示模块与所述可再生能源模块组连接，用于指示所述可再生能源模块组的电量信息。
[0018]根据上述技术方案，本发明提出的蓝牙信标基站具有以下有益效果:
[0019]1、解决蓝牙信标基站的持续供电问题；
[0020]2、提高蓝牙信标基站的广播频率，缩短广播信息的间隔；
[0021]3、提高蓝牙信标基站的广播信号强度，扩大广播的覆盖范围；
[0022]4、减小蓝牙信标基站的体积；
[0023]5、减少蓝牙信标基站的安装和维护费用；
[0024]6、降低蓝牙信标基站的单位制作成本。
【附图说明】
[0025]图1是本发明基于可再生能源模块的蓝牙信标基站的结构示意图；
[0026]图2是苹果公司定义的低功耗蓝牙设备广播数据包格式示意图；
[0027]图3根据本发明一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；
[0028]图4是根据本发明一实施例的能量管理层的结构示意图；
[0029]图5是将能量采集层输出的低电压信号转换成高电压脉冲信号的示意图；
[0030]图6是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；
[0031]图7是根据本发明一实施例的基于光能的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；
[0032]图8是根据本发明一实施例的基于压电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；
[0033]图9是根据本发明一实施例的基于热电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；
[0034]图10是根据本发明一实施例的基于电磁感应能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；
[0035]图11是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；
[0036]图12是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；
[0037]图13是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；
[0038]图14是根据本发明一实施例的各膜层的结合示意图；
[0039]图15是根据本发明另一实施例的各膜层的结合示意图；
[0040]图16是根据本发明另一实施例的蓝牙信标基站的结构示意图；
[0041]图17是根据本发明另一实施例的带有指示模块的蓝牙信标基站的外观示意图。
【具体实施方式】
[0042]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0043]蓝牙信标的概念(beacon)实际上是来自于蓝牙4.0协议中的低能耗(BLE)协议中的广播信道及其相对应的数据包格式的一种特殊应用。蓝牙低能耗(BLE)协议中的通讯双方可分为主从(master-slave)两个角色。双方的通讯是从从属一方在广播信道(advertising channel)上发布公告信息开始的，主方(master)收到公告信息后，可根据公告信息的内容与相应的从属一方建立连接，从而展开信息交换。信标就是利用了从属一方广播特定信息的功能，得到广播信息后并不建立与从属方的连接，而是把得到的信息与后台数据进行关联，以获得与当前进行广播的从属方有关的信息。习惯上，称正在进行广播的从属方为信标(beacon)，例如可以利用信标来进行室内定位，这里可以在室内不同的位置放置信标设备，当用户进入此区域内时，用户的手机或其他智能终端设备可以接收到某一特定信标所发出的广播信息，此时用户可以根据此信标的特定标识，到后台数据库中索引此信标的室内物理坐标，从而达到室内定位的目的。
[0044]图1是本发明基于可再生能源模块的蓝牙信标基站的结构示意图，如图1所示，所述基于可再生能源模块的蓝牙信标基站包括可再生能源模块组、蓝牙信标通信模块2和壳体3，其中:
[0045]所述壳体3用于容纳所述蓝牙信标通信模块2和可再生能源模块组；
[0046]所述可再生能源模块组与所述蓝牙信标通信模块连接，用于采集可再生能源，并将所述可再生能源的能量转换为电能后进行存储，以为所述蓝牙信标通信模块供电；
[0047]所述蓝牙信标通信模块用于发送信标信息。
[0048]其中，所述蓝牙信标通信模块可采用市场上通用的支持蓝牙4.0协议以上的蓝牙通讯模块。
[0049]其中，所述信标信息可使用苹果公司定义的低功耗蓝牙设备广播数据包格式(iBeacon)，如图2所示，也可使用其他符合低功耗蓝牙标准的广播数据包格式，具体的广播数据包格式可根据实际应用情况而定，本发明对其不作任何限定。其中，所述可再生能源模块组包括一个或一个以上的可再生能源模块1，图3是根据本发明一实施例的可再生能源模块I的截面结构示意图，如图3所示，每一个可再生能源模块I进一步包括能量采集层
11、能量管理层12和能量存储层13，其中:
[0050]所述能量采集层11、能量管理层12和能量存储层13之间电连接；
[0051]所述能量采集层11用于采集可再生能源，并将其转化为以电能形式存在的能量；
[0052]其中，所述可再生能源至少包括光能(Photovoltaic Energy)、压电能量(Piezoelectric Energy)、热电能量(Thermoelectric Energy)、电磁感应能量(Magneticinduct1n Energy)、人体动能能量(Kinetic Energy)、生物电能量(B1-energy)、环境噪音能量(Environment Noise Energy)中的一种或几种，具体地，所述光能包括室外日照和室内照明产生的光能；压电包括震动和压力变形产生的能量；热电包括人体环境温差和物体温差产生的能量；电磁感应包括由于震动产生的切割磁力线效应、无线信号源和电磁干扰产生的能量；所述人体动能能量包括利用人体动能产生的能量；所述生物电能量包括利用生物电的方式产生的能量；所述环境噪音能量包括利用环境噪音产生的能量。
[0053]所述能量管理层12用于将所述能量采集层11采集得到的能量传输至所述能量存储层13进行存储，对于所述能量采集层11和能量存储层13的输入或输出以及所述可再生能源模块I的状态进行管理和控制，接收外部输入信号及向外部输出控制和状态信号，并将所述能量存储层13存储的电能输出出去；
[0054]图4是根据本发明一实施例的能量管理层12的结构示意图，如图4所示，在本发明一实施例中，所述能量管理层12包括冷启动电荷栗单元(Cold Start ChargePump Unit)、电能参数转换单元(Power Boost Unit)、充放电保护管理单元(BatteryController Unit)、最大功率点跟踪控制单元(MPPT Controller Unit)、备用能源管理单元(Backup Power Controller Unit)、稳压输出单元(Low Dropout Regulator Unit)、系统监测传输单元(Sensing and Communicat1n Unit)和中央控制单元，其中:
[0055]所述冷启动电荷栗单元用于在所述可再生能源模块处于初始状态，即内部零能源状态时，提供聚能功能，即对所述冷启动电荷栗单元内部的电容进行充电，以提供初始能量源；
[0056]所述电能参数转换单元用于对于所述能量采集层11输出的电能参数进行转换和调节，产生高电平充电脉冲以匹配所述能量存储层13对于存储电能所需参数的要求；
[0057]具体地，由于所述能量采集层11输出的电能参数往往与所述能量存储层13所需要的充电参数不匹配，例如，如果所述能量采集层11为光伏膜，并在光照强度为500LUX时采集并转换得到的输出电能参数分别为1.1V和?0.39mA，而当所述能量存储层13为固态锂离子充电膜时，其充电所需的电能参数则为4.2V和>0.1mA，很明显，两者并不匹配。为了能够把所述能量采集层11采集得到的能量存储到所述能量存储层13，所述电能参数转换单元需要对于所述能量采集层11输出的电能参数进行调整，以满足所述能量存储层13对于充电参数的要求，比如，将所述能量采集层11输出的低电压信号转换成高电压脉冲信号，如图5所示，图5中，Vh表示所述能量采集层11输出信号的电压，V。表示所述能量存储层13所要求的充电电压，Vp表示经过所述电能参数转换单元转换后得到的脉冲信号的电压。
[0058]所述充放电保护管理单元用于实时监测所述能量存储层13的工作电压，根据所述能量存储层13的工作电压值，控制所述能量存储层13的充电输入或放电输出，即为所述能量存储层13的过度充放电提供动态保护；
[0059]具体地，所述能量存储层13在充电完成后即达到最高工作电压，此时如果继续向所述能量存储层13进行充电，将会对其造成不可挽回的损坏，即所谓的过度充电；另一方面，所述能量存储层13在持续放电后其工作电压将会低于最低容许电压，此时如果继续放电，也将会对所述能量存储层13造成不可挽回的损坏，为了避免由于过度充放电对于所述能量存储层13造成的损坏，所述充放电保护管理单元将实时监测所述能量存储层13的工作电压，当监测发现所述能量存储层13的工作电压高于最高工作电压，或者低于最低容许电压时，则立即断开所述能量存储层13的充电输入(防止过度充电)或放电输出(防止过度放电)。
[0060]所述最大功率点跟踪控制单元用于利用最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking,MPPT)控制所述能量采集层11的输出电压，以提高所述能量采集层11的输出效率;
[0061]最大功率点跟踪是指，可再生能源采集的功率输出在某一特定输出电压时会达到最大，通常把这一特定电压点称作最大功率点，其中，不同可再生能源的最大功率点会有所不同，比如对于光伏可再生能源，其最大功率点一般在开路电压的70% -80%之间，其中，开路电压是指可再生能源在输出电路断开(即没有负载)的情况下所测得的输出电压；对于热能可再生能源，其最大功率点一般在开路电压的60%-70%之间。而MPPT的目的就是保证所述能量采集层11在工作时的输出电压稳定在最大功率点。以光伏可再生能源为例，假设光伏可再生能源采集层的开路电压为1.2V，经过换算，可以得知其最大功率点的输出电压为1.2*80%= 0.96V，那么MPPT控制电路就会通过调节自身的负载阻抗(其中，MPPT控制电路与所述能量采集层11形成连接，MPPT控制电路可以认为是负载部分)，来控制所述能量采集层11的输出电压，从而使所述能量采集层11的输出电压稳定在0.96V。根据实验比较计算，MPPT可以使所述能量采集层11的输出效率提高30% -40%。
[0062]所述稳压输出单元用于对于所述能量存储层13的输出进行稳压和调压操作以达到工作电压的要求，在应用系统中，通常对工作电压有着不同的要求，而且在一定的电流范围内，电压需要保持不变，所述稳压输出单元就是用来保证可再生能源模块的输出电压满足系统工作电压的要求。
[0063]所述备用能源管理单元用于监测外界可再生能源及所述可再生能源模块应用的系统中存在的多种备用电能的强度，并记录监测结果以为所述中央控制单元的能源智能切换提供决策参数，从而优化可再生能源能量转换的效率；
[0064]所述系统监测传输单元用于对于整个可再生能源模块的工作状态进行监测，并把监测所得到的数据通过有线或无线的方式发送出去，在以物联网和云计算为特点的应用中，各个节点的能量使用状态可以通过大数据技术进行分析；
[0065]所述中央控制单元与上述各个单元，即与所述冷启动电荷栗单元、电能参数转换单元、充放电保护管理单元、最大功率点跟踪控制单元、备用能源管理单元、稳压输出单元和系统监测传输单元连接，用于在多种备用能量源之间进行智能切换，并对上述各个单元进行控制和协调，从而保证所述能源采集层11和能源存储层13能够正常地工作和运行。
[0066]所谓能量源智能切换是指，所述充电装置还可利用除可再生能源之外的电能来源来储存能量，比如，所述充电装置的自备电池或外接直流电源，所述中央控制单元可根据实际应用的情况，动态地选择电能来源来储存能量。比如，假设所述充电装置附近存在备用电池或外接直流电源，则所述中央控制单元可以在外界有光照等可再生能源的时候选择由所述可再生能源模块来储存能量，在晚间等没有光照或其他可再生能源的时候，如果所述可再生能源模块存储的能量不能够满足供电需要时，所述中央控制单元就会选择备用电池或外接直流电源来储存能量。
[0067]需要说明的是，图4中对于能量管理层结构的描述只是一种逻辑上的功能描述，其不对能量管理层的具体实现作出限制，本领域技术人员可根据实际应用的需要确定具体实现方式，比如可以采用SoC (System on Chip)的方式实现所述能量管理层，也可以采用使用不同电子元件和连接电路的方式实现所述能量管理层，本发明对于这一点不作任何限定。
[0068]在本发明一实施例中，所述能量管理层12由电子元件、控制芯片和安装所述电子元件与控制芯片的电路板组成，进一步地，所述电路板又分为柔性电路板和非柔性电路板(比如普通FR-4电路板)。与非柔性电路板相比，柔性电路板具有体积小、重量轻、厚度薄，柔性的特点，因此在实际应用中，除非对于电路板的强度有特殊的要求，所述电路板通常采用柔性电路板。
[0069]在本发明另一实施例中，所述能量管理层12为柔性光能调节印制电路。
[0070]如上所述，所述能量管理层12也可采用其他控制电路，对此本发明不作具体限制，所有能够实现上述能量管理层12的功能的控制电路均落入本发明的保护范围内。
[0071]所述能量存储层13配置有电能输入和输出端口，用于根据所述能量管理层12的控制，通过电能输入端口将接收到的能量储存起来，并通过电能输出端口将能量输出给所述能量管理层12，以备后续为后级负载提供能量。
[0072]其中，所述能量存储层13为能量储存装置，比如超薄锂离子聚合物、固态锂离子充电膜等可充放电类储电单元，其中，所述固态锂离子充电膜的无记忆充放电次数> 5000次，放电区间为4.2-2.6伏。
[0073]当然，所述能量存储层13也可采用其他能量储存装置，对此本发明不作具体限制，所有能够进行能量储存的装置或元件均落入本发明的保护范围内。
[0074]在本发明一实施例中，比如当所述可再生能源模块设置于所应用系统的外部，则所述可再生能源模块还包括外部封装层10，如图6所示，所述外部封装层10对于所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹，相反地，如果所述可再生能源模块设置于所应用系统的内部，则所述外部封装层10可以省去。
[0075]所述外部封装层10对于所述能量采集层11、能量管理层12和能量存储层13等中间层进行封装包裹，以形成所述可再生能源模块，其中，所述外部封装层10封装包裹的内部空间呈真空压紧状态，所述外部封装层10不仅能够使可再生能源通过，而且还能够起到固定压紧中间层、防水、防尘、防化学污染的作用。
[0076]其中，所述外部封装层10配置有电信号输入/输出(I/O)接口，所述电信号输入/输出(I/O)接口与内部所述能量管理层12电连接，分别用于接收外部输入信号或输出内部信号，其中，所述外部输入信号包括但不限于备用电源的输入信号、外部系统状态和控制输入信号等信号；所述内部信号包括但不限于电能输出信号、所述可再生能源模块的状态和控制输出信号等信号。
[0077]其中，对于不同的可再生能源，所述外部封装层10的制作工艺及使用材料均有所不同，具体将在下文中进行说明。
[0078]通常情况下，为了减少电路走线的长度，可将所述能量管理层12放置于所述能量采集层11和能量存储层13的中间。
[0079]上文提及，本发明可再生能源模块可采集光能、压电能量、热电能量、电磁感应能量、人体动能能量、生物电能量、环境噪音能量等可再生能源，并对其进行转换、管理和存储，并在需要的时候为后续设备提供电能，但是对于不同类型的可再生能源，能量采集层11的选用有所不同，接下来分别针对光能、压电能量、热电能量、电磁感应能量等四种已经具备商业化和规模产量的可再生能源，对于其相应的能量采集层11的设置一一进行说明。
[0080]对于光能，所述能量采集层11可以采用可采集光子能量的发电单元(Photovoltaic Energy Harvesting Unit)，比如砷化镓光伏膜等光伏发电单元，其厚度在110um+-40um之间，砷化镓半导体材料与传统的硅材料相比，其电子移动率为硅材料的5.7倍，它具有高光子转化率、高电子迀移率、宽禁带、直接带隙以及消耗功率低等特性。采用砷化镓光伏膜作为能量采集层11，可高效地采集外界环境中的光能。
[0081]另外，所述砷化镓光伏膜超薄且具有柔性，其厚度仅为数微米，因此，无论在室内还是室外均可适用。
[0082]进一步地，所述砷化镓光伏膜可为单结(光转化效率为28.8 % )或双结(光转化效率为30.8% )太阳能电池片。
[0083]图7是本发明基于光能的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图7所示，对于基于光能的可再生能源模块，能量采集层11 (砷化镓光伏膜)收集外界环境中的光能，并将收集得到的光能转换为电能，然后经能量管理层12的管理和控制储存在能量存储层13中，以在需要的时候为后级负载提供能量。
[0084]当然，所述能量采集层11也可采用其他可采集光子能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集光子能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。
[0085]需要特别说明的是，对于采集光能的可再生能源模块，需要封装时，位于能量采集层一侧的外部封装层10使用的封装材料应具备良好的透光性，即，所述外部封装层10的制作材料不能阻碍波长在350nm-850nm之间的光线的通过；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层10的厚度最好不要超过被封装物体厚度的20% -30%。
[0086]对于压电能量，所述能量采集层11可以采用具有压电能量采集功能的发电单元(Piezoelectric Energy Harvesting Unit)，比如压电震动发电膜，其厚度在 410um+_40um之间，所述微电震动发电膜能够在存在变形弯曲、震动等的情况下产生电流。图8是本发明基于压电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图8所示，对于基于压电能量的可再生能源模块，能量采集层11 (压电震动发电膜)收集外界环境中由于变形弯曲、震动产生的机械能，并将收集得到的机械能转换为电能，然后经能量管理层12的管理和控制储存在能量存储层13中，以在需要的时候为后续负载提供能量。
[0087]当然，所述能量采集层11也可采用其他可采集压电能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集压电能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。
[0088]需要特别说明的是，对于采集压电能量的可再生能源模块，需要封装时，所述外部封装层10使用的制作材料需要具备良好的延展性，不能对震动源产生屏蔽作用；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层10的厚度最好不要超过被封装物体厚度的 10% -15%。
[0089]对于热电能量，所述能量采集层11可以采用具有热电能量采集功能的发电单元(Thermoelectric Energy Harvesting Unit)，比如热电发电膜等热电发电单元，其厚度在600un+-40un之间，所述热电发电膜能够在存在温差的情况下产生电流。
[0090]具体地，所述热电发电膜通过热电效应(Thermoelectric Effect)利用介质两面的温差来产生电流。目前热电发电膜处于从理论向商业化产品转换的阶段，对于所述热电发电膜的介绍，可参见以下链接:http://ieeexplore.1eee.0rg/xpl/login.jsp ? tp =&arnumber = 6576100&url = http% 3A% 2F% 2Fieeexplore.1eee.0rg% 2Fxpls% 2Fabs_all.jsp % 3Farnumber % 3D657610 0 和 http://www.perpetuapower.com/technology,htm。图9是本发明基于热电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图9所示，对于基于热电能量的可再生能源模块，能量采集层11 (热电发电膜)收集外界环境中由于高温热源与低温热源之间的温差产生的热能，并将收集得到的热能转换为电能，然后经能量管理层12的管理和控制储存在能量存储层13中，以在需要的时候为后续负载提供能量。
[0091]当然，所述能量采集层11也可采用其他可采集热电能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集热电能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。
[0092]需要特别说明的是，对于采集热能的可再生能源模块，需要封装时，位于能量采集层一侧的外部封装层10使用的制作材料应具备良好的热传导性，比如导热系数λ不小于100ff/m.K的制作材料，如果所使用的制作材料达不到所要求的上述导热系数，可以通过在外部封装层10的表面开孔或者降低外部封装层10厚度的方法来提高其热传导效率。可选地，在所述可再生能源模块与热源体接触的一面不进行封装，即不设置封装层；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层10的厚度最好不要超过被封装物体厚度的 10% -15%。
[0093]对于电磁感应能量，所述能量采集层11采用可采集电磁感应能量的发电单元(Electromagnetic Energy Harvesting Unit)，比如电磁感应发电膜等电磁感应发电单元，其厚度在200um+-40um之间，所述电磁感应发电膜能够在感应电磁场下产生电流。
[0094]其中，可采集电磁感应能量的薄膜的工作原理与近场通信(NFC)的天线功能类似，即利用电路板上走线(比如铜线)组成的线圈在外界电磁场感应下产生电流，其产生电流的强度与外界感应磁场的强度、线圈的绕数及面积有关。另外，由于同为电路板制成，为了简化所述可再生能源模块的内部结构，可将采集电磁感应能量的薄膜与所述能源管理层12合并，比如，在所述能源管理层12的柔性电路板的外围由铜走线形成多条感应线圈，在柔性电路板的内部布置所述能源管理层12所需要的电子元件和芯片。
[0095]图10是本发明基于电磁感应能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图10所示，对于基于电磁感应能量的可再生能源模块，能量采集层11 (电磁感应发电膜)受到外部磁场变化产生电磁能(Ambient-radiat1n)，比如所述能量采集层11从其他无线信号或无线干扰信号中获得电磁能量，或通过震动在所包裹的磁芯周围产生切割磁力线的效应而产生电磁能，并将收集得到的电磁能转换为电能，然后经能量管理层12的管理和控制储存在能量存储层13中，以在需要的时候为后续负载提供能量。
[0096]当然，所述能量采集层11也可采用其他可采集电磁感应能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集电磁感应能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。
[0097]需要特别说明的是，对于采集电磁感应能量的可再生能源模块，需要封装时，所述外部封装层10使用的制作材料不能对电磁信号有屏蔽作用；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层10的厚度最好不要超过被封装物体厚度的10% -15%。
[0098]图11和图12是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图，该实施例中的可再生能源模块与上文中的实施例的可再生能源模块的结构大体相同，而且外部封装层10、能量管理层12和能量存储层13的结构和特征与上文中的实施例相同或相似，只是在该实施例中，所述能量采集层11包括两层或多层能量采集子层，每一能量采集子层均与所述能量管理层12电连接，其中，所述多层能量采集子层可以相同，也可以不同，其可为光能能量采集子层、压电能量采集子层、热电能量采集子层、电磁感应能量采集子层中的任意一种。但是需要注意的是，所述多层能量采集子层根据各能量采集子层的特性进行放置，比如，电磁感应能量采集子层和压电能量采集子层不需要与所采集的能源直接接触，其可以放置于中间位置，而光能能量采集子层和热电能量采集子层需要与采集能源直接接触，则需要放置于外部位置，在满足上述前提下，具备相同或相似特性的能量采集子层可顺序叠放。比如，具备相同或相似特性的多层能量采集子层(111、112、113)依次叠放在所述能量管理层12的上方，如图11所示，或者依次穿插设置在外部封装层10、能量管理层12、能量存储层13之间，如图12所示，再或者是其他叠放形式。
[0099]需要说明的是，图11和图12只是示例性的示出多层能量采集子层的放置位置，本领域技术人员可以了解，在实际应用中，在遵守上述能量采集原则的前提下，各能量采集子层可根据实际应用的需要进行放置，本发明对于各能量采集子层的放置位置不作具体的限制，所有合理地、可能的放置方式均落入本发明的保护范围内。
[0100]在该实施例中，包括多层能量采集子层的可再生能源模块可同时或加倍收集外界环境中的光能、由于变形弯曲、震动产生的机械能、由于高温热源与低温热源之间的温差产生的热能和/或电磁能，并将收集得到的光能、机械能、热能和/或电磁能转换为电能，然后经能量管理层12的管理和控制储存在能量存储层13中，以在需要的时候为后续负载提供會ti。
[0101]图13是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图，在该实施例中，所述能量采集层、能量管理层和能量存储层均为两层或多层，且顺序交叉叠放，并封装于外部封装层10的内部，每一能量采集子层和能量存储子层均与相应能量管理子层电连接，其中，所述外封装层10的结构和特征均与上文中的实施例相同或相似，在此不再赘述。
[0102]在图13所示的实施例中，所述可再生能源模块包括三层能量采集子层(111、112、113)、三层能量管理子层(121、122、123)和三层能量存储子层(131、132、133)，其中，每一能量采集子层可以相同，也可以不同，其可为光能能量采集层、压电能量采集层、热电能量采集层、电磁感应能量采集层中的任意一种，但是在放置时，需考虑上文提及的各能量采集层的特性。
[0103]在该实施例中，分别包括两层或多层功能层的可再生能源模块可同时或加倍收集外界环境中的光能、由于变形弯曲、震动产生的机械能、由于高温热源与低温热源之间的温差产生的热能和/或电磁能，并将收集得到的光能、机械能、热能和/或电磁能转换为电能，然后分别经相应能量管理层的管理和控制储存在相应的能量存储层中，以在需要的时候为后续负载提供能量。
[0104]在本发明一实施例中，所述能量采集层11、能量管理层12和能量存储层13通过基于聚酰亚胺(Polyimide)材料的通用基底(Common Usage of Polyimide Substrate)相结合，以形成所述可再生能源模块。
[0105]聚酰亚胺(Polyimide，PI)是一类具有酰亚胺重复单元的聚合物，具有适用温度广、耐化学腐蚀、高强度等优点。鉴于聚酰亚胺优良的物理稳定性和绝缘特性，已越来越多的被采用作为可再生能源采集产品的基底材料，例如柔软光伏膜的基底层(PolyimideSubstrate of Flexible Photovoltaics)，具体可参见以下链接所指向的内容:http://www.dupont.com/content/dam/assets/products-and-services/solar-photovoltaic-materials/assets/dec-Kapton-for-PV.pdf。另外，由于聚酰亚胺层具有良好的机械延展性和拉伸强度，能够有助于提高聚酰亚胺层以及聚酰亚胺层与上面沉积的金属层之间的粘合，因此成为柔性电路板制作中不可缺少的材料。通常来说，柔性印刷电路板主要由五部分组成:基板，常用的材料为聚酰亚胺(PI);铜箔，分为电解铜与压延铜两种；接着剂，一般采用0.5mil环氧树脂热固胶；保护膜，表面绝缘用，常用的材料为聚酰亚胺(PI);补强，用于加强柔性印刷电路板的机械强度，由这五部分组成的柔性印刷电路板是结构最简单的柔性板，叫做单层柔性板。再者，基于聚酰亚胺基底的柔软胶片固态电池(Usage ofPolyimide Substrate in thin film solid state batteries)可以大大降低电池的厚度同时提供良好的柔软性，是目前被广泛使用的胶片固态电池的基底材料。
[0106]通过上文对于聚酰亚胺基底的物理特性及其应用的描述可以发现，聚酰亚胺基底在本发明可再生能源模块的能量采集层、能量管理层以及能量存储层所对应的独立产品中都可以作为基底层存在，因此，在本发明一实施例中，使用基于聚酰亚胺材料的通用基底实现本发明可再生能源模块内部结构的融合，使之成为独立且统一的模块。
[0107]图14是根据本发明一实施例的各膜层的结合示意图，图14中，所述能量采集层
11、能量管理层12和能量存储层13共用一块通用基底15，从图14中可以看出，所述能量采集层11、能量管理层12和能量存储层13通过基于聚酰亚胺材料的通用基底15融合为一体，形成了所述可再生能源模块。实际上，在该实施例中，通过所述通用基底15将能量采集层11、能量管理层12和能量存储层13融合为一体后，所述通用底层15已经成为了它们共有的内部结构的一部分。
[0108]另外，需要说明的是，在该实施例中，所述能量管理层12需选用柔性电路板。
[0109]当然，图14只是对于能量采集层11、能量管理层12和能量存储层13结合方式的一种示例性说明，其并不是通用基底在可再生能源模块中的唯一结合方式，比如，对于电磁感应采集层等没有基底的能量采集层2来说，通用基底只存在于能量管理层12和能量存储层13之间，如图15所示，在实际应用中，对于通用基底的连接对象以及其自身的存在形式，本领域技术人员均可根据需求灵活设置。另外，图14和图15只是对于单一能量采集层、能量管理层和能量存储层的通用基底进行示例性的说明，对于两层或多层能量采集层、能量管理层和能量存储层的结构，可以此类推。
[0110]需要说明的是，上述实施例仅为示意性的说明，除了上述实施例所提及的情况，所述能量采集层、能量管理层和能量存储层的结构选择和放置方式还有很多，比如，当需要更大的能量存储空间来储存收集到的能量时，可仅将能量存储层设置为两层或多层；当存在两层或多层的能量采集子层时，为了对于每一能量采集子层分别进行管理，可设置与能量采集子层的层数相对应的能量管理子层和/或能量存储子层；另外，当存在两层或多层的能量采集子层、能量管理子层和能量存储子层时，他们既可顺序叠加放置，也可交叉放置，只要每一能量采集子层和能量存储子层均分别与所述能量管理子层相应电连接即可。总之，在实际应用中，可根据实际需求的不同，灵活地更改和设置每一膜层的厚度、各个膜层的排列组合方式、放置方式甚至封装方法，本发明对此不作任何限制，本领域技术人员能够想到的所有可能的修改、等同替换均落入本发明的保护范围内。
[0111]另外，在能量管理层12采用柔性电路板、其他各膜层采用柔性薄膜的情况下，本发明可再生能源模块I为柔性的，即具备柔性性质。
[0112]当所述可再生能源模块组包括一个以上的可再生能源模块I时，一个以上的可再生能源模块I互相之间可以电连接，也可以彼此独立存在，但独立的一个以上的可再生能源模块I均通过各自配置的外部接口与所述蓝牙信标通信模块2连接。另外，当所述可再生能源模块组包括一个以上的可再生能源模块I时，所述可再生能源模块I的数量、采集的可再生能源类型、所述可再生能源模块I的内部结构以及可再生能源模块I的放置方式均可根据实际应用的需要灵活设置，对此，本发明不作赘述。
[0113]在本发明一实施例中，所述蓝牙信标通信模块2与所述可再生能源模块中的能量管理层共用同一块电路板，如图16所示，当然也可以采用SoC的解决方案。对于所述蓝牙信标通信模块2与可再生能源模块组之间的连接方式以及在所述壳体3内的放置方式，本发明不做任何限制，任何可能的、合理的连接方式和放置方式均落入本发明的保护范围内。
[0114]在本发明一实施例中，所述蓝牙信标基站还包括指示模块4，所述指示模块4与所述可再生能源模块组连接，用于指示所述可再生能源模块组的电量信息。带有指示模块的蓝牙信标基站的外观如图17所示，当然，所述指示模块的安装位置可根据实际应用的需要进行调整。
[0115]其中，所述指示模块4可以为灯光指示模块，比如三色LED灯光指示模块，也可以为声音指示模块，本发明对于指示模块的具体表现形式不作任何限定。
[0116]在本发明一实施例中，所述蓝牙信标基站不需要单独设置指示可再生能源模块组电量信息的单元，所述可再生能源模块组的电量信息可以通过蓝牙通讯的方式与各终端设备进行交互传输。
[0117]需要特别说明的是，本发明所述的蓝牙信标基站，在提供信标服务的同时，也支持一般蓝牙低功耗协议所定义的通讯功能，即用户的智能终端可以与蓝牙信标基站建立正常的连接，进行数据交换。
[0118]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于可再生能源模块的蓝牙信标基站，其特征在于，该蓝牙信标基站包括:可再生能源模块组、蓝牙信标通信模块和壳体，其中: 所述壳体用于容纳所述蓝牙信标通信模块和可再生能源模块组； 所述可再生能源模块组与所述蓝牙信标通信模块连接，用于采集可再生能源，并将所述可再生能源的能量转换为电能后进行存储，以为所述蓝牙信标通信模块供电； 所述蓝牙信标通信模块用于发送信标信息。2.根据权利要求1所述的蓝牙信标基站，其特征在于，所述可再生能源模块组包括一个或一个以上的可再生能源模块。3.根据权利要求2所述的蓝牙信标基站，其特征在于，所述可再生能源模块包括:能量采集层、能量管理层和能量存储层，其中: 所述能量采集层、能量管理层和能量存储层之间电连接； 所述能量采集层用于采集可再生能源，并将其转化为以电能形式存在的能量； 所述能量管理层用于将所述能量采集层采集得到的能量传输至所述能量存储层进行存储，对于所述能量采集层和能量存储层的输入或输出以及可再生能源模块的状态进行管理和控制，接收外部输入信号及向外部输出控制和状态信号，并将所述能量存储层存储的电能输出出去； 所述能量存储层配置有电能输入和输出端口，用于根据所述能量管理层的控制，通过电能输入端口储存接收到的能量，并通过电能输出端口将能量输出给所述能量管理层。4.根据权利要求3所述的蓝牙信标基站，其特征在于，所述能量管理层包括冷启动电荷栗单元、电能参数转换单元、充放电保护管理单元、最大功率点跟踪控制单元、备用能源管理单元、稳压输出单元，系统监测传输单元和中央控制单元，其中: 所述冷启动电荷栗单元用于在所述可再生能源模块处于初始状态时，提供聚能功能；所述电能参数转换单元用于对于所述能量采集层输出的电能参数进行转换和调节，产生高电平充电脉冲信号以匹配所述能量存储层对于存储电能所需参数的要求； 所述充放电保护管理单元用于实时监测所述能量存储层的工作电压，根据所述能量存储层的工作电压值，控制所述能量存储层的充电输入或放电输出； 所述最大功率点跟踪控制单元用于利用最大功率点跟踪控制所述能量采集层的输出电压，以提高所述能量采集层的输出效率； 所述备用能源管理单元用于监测外界可再生能源及所述可再生能源模块应用的系统中存在的多种备用电能的强度，并记录监测结果以为所述中央控制单元的能源智能切换提供决策参数； 所述稳压输出单元用于对于所述能量存储层的输出进行稳压和调压操作以达到工作电压的要求； 所述系统监测传输单元用于对于整个可再生能源模块的工作状态进行监测，并把监测所得到的数据通过有线或无线的方式发送出去； 所述中央控制单元与各个单元连接，用于在多种备用能量源之间进行智能切换，并对所述各个单元进行控制和协调。5.根据权利要求3所述的蓝牙信标基站，其特征在于，所述能量采集层包括一层或多层能量采集子层，和/或所述能量管理层包括一层或多层能量管理子层，和/或所述能量存储层包括一层或多层能量存储子层，每一能量采集子层和能量存储子层均分别与所述能量管理子层相应电连接。6.根据权利要求3所述的蓝牙信标基站，其特征在于，利用基于聚酰亚胺材料的通用基底将所述可再生能源模块的各膜层结合在一起。7.根据权利要求3所述的蓝牙信标基站，其特征在于，所述可再生能源模块还包括外部封装层，用于对于所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹。8.根据权利要求1所述的蓝牙信标基站，其特征在于，所述蓝牙信标通信模块与所述可再生能源模块中的能量管理层共用同一块电路板。9.根据权利要求1所述的蓝牙信标基站，其特征在于，所述可再生能源模块组具备柔性性质，柔性可再生能源模块组可移动地置于所述壳体所形成的容纳空间内。10.根据权利要求1所述的蓝牙信标基站，其特征在于，还包括指示模块，所述指示模块与所述可再生能源模块组连接，用于指示所述蓝牙信标基站的状态信息。
【文档编号】H02J7/00GK105990872SQ201510096749
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年3月4日
【发明人】王昱, 王国臣
【申请人】栖岩责任有限公司