一种面向物联网节点的微型能源收集器的制作方法

本发明属于物联网及微型能源收集器技术领域，特别是一种面向物联网节点的微型能源收集器。

背景技术：

随着物联网的飞速发展，物联网的重要组成部分——无线传感器网络也发挥着日益重要的作用。而无线传感网络的节点对电源的寿命和能量密度要求也越来越严格。传统的供电方式采用电池供电，但是电池供电存在寿命短和不易维护更换等缺点。随着传感器节点的个数增多，人力成本也随之大大提高。要使节点能够持续可靠的工作，必须最大限度的使用环境中的可再生能源。

太阳能供电能够常年持续供电，不用频繁更换电池，同时作为绿色能源，具有环保节能、无污染、易维护等特点。目前，人们广泛的研究在无线传感器网络节点的电源电路中采用太阳能供电的方式。

振动能是环境中最广泛的能源之一，它可以通过静电、磁电、压电等转换原理将振动能量转换为电能，从而向无线传感器网络节点供电。振动式微型发电机具有体积小、便于集成、无线等特点。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种面向物联网节点的微型能源收集器。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种面向物联网节点的微型能源收集器，包括基于芯片BQ25504的电源管理电路的太阳能电池板、具有功率调节电路的微型振动发电机、太阳能MPPT、稳压电路、中央控制模块、超级电容、DC-DC转换电路、充电锂电池及传感器节点，太阳能电池板通过太阳能MPPT与中央控制模块及超级电容连接，微型振动发电机通过稳压电路与中央控制模块及超级电容连接，太阳能电池板及微型振动发电机共同构成相互补充的能源供给电路，中央控制模块分别与超级电容、充电锂电池及DC-DC转换电路连接，控制超级电容及充电锂电池的充放电过程，控制DC-DC转换电路的工作状态，超级电容及充电锂电池与DC-DC转换电路连接，为DC-DC转换电路提供电能，DC-DC转换电路与传感器节点连接，向传感器节点供电，

其中，所述基于芯片BQ25504的电源管理电路，为一种过压保护、欠压保护及电池状态监测的电路。

而且，所述太阳能电池板为6cm×6cm的多晶硅太阳能电池板。

而且，所述微型振动发电机具体为PMG17微型振动发电机。

而且，所述微型振动发电机的功率调节电路为由二极管D1至二极管D4构成的桥式整流电路。

而且，所述中央控制模块采用的型号为MSP430，所述超级电容为极化电解质电容，具体采用FITN 10F的超级电容，耐压值5.5V。

而且，在由超级电容及充电锂电池为DC-DC转换电路提供电能时，优先使用超级电容的电能，在超级电容能量不足时，再使用锂电池供电。。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的有益效果是，环保节电，能量利用效率高，广泛的适用于各种环境下的无线传感器节点，特别是环境恶劣、不易更换电池的传感器节点。通过有效的电源能量管理，合理的分配使用电能，能够实现传感器节点无间断的工作，具有较好的理论与应用价值。

2、本发明在光充足的时候采用太阳能收集模式，在阳光不足或者晚上的时候采用振动能获取模式，太阳能收集和振动能收集两种模式相互补充，保证了能量的利用效率。

3、本发明系统还具有超级电容和锂电池两种储能模式，并采用MSP430进行电源管理，提供5V和3.3V两种电压输出模式，方便多种类型的物联网节点的使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中基于BQ25504的电源模块具体电路。

图3为本发明中基于PMG17的微型振动发电机功率调节电路方案图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它实施方式，同样属于本发明保护的范围。

一种面向物联网节点的微型能源收集器，如图1所示，包括基于芯片BQ25504的电源管理电路的太阳能电池板、具有功率调节电路的微型振动发电机、太阳能MPPT(Maximum Power Point Tracking)、稳压电路、中央控制模块、超级电容、DC-DC转换电路、充电锂电池及传感器节点，太阳能电池板通过太阳能MPPT与中央控制模块及超级电容连接，微型振动发电机通过稳压电路与中央控制模块及超级电容连接，太阳能电池板及微型振动发电机共同构成相互补充的能源供给电路，中央控制模块分别与超级电容、充电锂电池及DC-DC转换电路连接，控制超级电容及充电锂电池的充放电过程，控制DC-DC转换电路的工作状态，超级电容及充电锂电池与DC-DC转换电路连接，为DC-DC转换电路提供电能，DC-DC转换电路与传感器节点连接，向传感器节点供电，

其中，所述太阳能电池板为6cm×6cm的多晶硅太阳能电池板，

太阳能电池板主要分为单晶硅和双晶硅两种，单晶硅太阳板的转换效率比较高，但是加工工艺要求高，价格高，多晶硅太阳能电池的转化效率低，成本较低，出于成本考虑，选择多晶硅的太阳能电池板。由于选用的电源管理芯片BQ25504的输入功率范围在0～300mW之间，输入电压在0～5.5V，故可以选用300mW、输出电压为2V、短路电流为150mA、尺寸为6cm×6cm的多晶硅太阳能电池板。

其中，所述基于芯片BQ25504的电源管理电路，如图2所示，电池管理电路为一种过压保护、欠压保护及电池状态监测的电路，

基于BQ25504的电池管理电路连接着太阳能板、锂电池和负载电路，如图2所示。电池管理电路功能为过压保护、欠压保护以及电池状态良好监测。

BQ25504是TI公司生产的一款面向毫微(超低)功率能量收集和管理应用的高效升压型转换器。该器件可管理诸如太阳能、热电能、电磁能和振动能等多种能源所产生的微瓦至毫瓦级功率。

在BQ25504启动工作后，升压转换器可以有效地从低压输出采集器，即太阳能电池板中抽取能量。升压转换器能够在输入电压(VIN)低至330mV时启动，并且一旦启动，它能够在VIN不低于80mV的条件下持续釆集能量。

BQ25504采用一个可编程最大功率点跟踪采样网络以优化器件的功率传输。采样VIN_DC开路电压可使用外部电阻进行编程，并由一个外部参考电容保持。太阳能电池运行在它们开路电压80％的最大功率点上，电阻分压器可被设定到VIN_DC电压的80％，并且此网络将控制VIN_DC使其工作在接近采样基准电压下，或者可以由一个微控制器提供一个外部基准电压以生成一个更复杂的MPPT算法。

BQ25504具有灵活性的设计使其可以支持多种能量存储元件。采集器抽取能量的来源可以是零星的或者随时间变化的。系统通常需要一些类型的能量存储元件，例如可充电电池、超级电容器或者传统电容器。当系统需要时，存储元件将提供特定恒定电流。存储元件还允许系统处理任何峰值电流，此峰值电流并不直接来源于输入源。为防止损坏用户的存储元件，根据用户编程设定的欠压(UV)和过压(0V)，对最高和最低电压进行监视。为了进一步帮助用户严格管理他们的能量预算，当储能电池或者电容器的电压降至低于预设临界水平时，BQ25504触发电池正常标志位以向附加的微控制器传递信号。这将触发负载电流以防止系统进入欠压状况。0V、UV和电池正常阀值可独立编程。

设定欠压阈值VBAT_UV＝2.83V，过压阈值VBAT_OV＝4.2V，电池工作电压范围VBAT_OK_PROG＝3.45V，VBAT_OK_HYST＝3.96V。根据BQ25504的域值设定公式可以得到：R3＝5.6M，R4＝4.4M，R5＝5.6M，R6＝4.3M，R7＝3.1M，R8＝5.6M，R9＝1.3M。当电池电压VBAT小于VBAT_OK_PROG时，此时VBAT_OK输出低电平0，NMOS管截止，PMOS管也截止，停止对负载供电，当锂电池电压从VBAT_OK_PROG逐渐上升到3.60V时，VBAT_OK输出高电平，此时NMOS管导通，PMOS管的栅极为低电平，PMOS管也导通，可以对负载电路供电，直到电池电压降为3.5V为止。

其中，所述微型振动发电机具体为PMG17微型振动发电机，

其中，所述微型振动发电机的功率调节电路，如图3所示，包括由二极管D1至二极管D4构成的桥式整流电路，桥式整流电路的输出再与两端并联有电容器C1和电容器C2的DC-DC变换器连接。

目前Perpetmim系列产品中，PMG17微型振动发电机能够转换传递能量到各种监测和遥感的无线传感器节点。它是设计用于在交流电动机动力机械收获常见的“两次线频率”振动。即使仅为25mg(RMS)振动在2Hz的带宽，它也能产生一个最小0.5mW的电能。这足以为功率传感器、微处理器和射频系统提供电能，使关键性数据传输通过无线协议传送给中央路由器，足够给电力工业无线传感器节点供电。如果有更大的振动会产生更多的电能。PMG17可靠性高，可运行在各种工业环境中。它容易安装，维护方便。当在最小25mg(RMS)振动时，它的输出电压为3V，输出电压可以通过外部电路调节到需要的微电子器件的电压值。

其中，所述中央控制模块采用的型号为MSP430，MSP430系列单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器。

MSP430单片机称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

其中，所述超级电容极化电解质电容，具体采用FITN 10F的超级电容，耐压值5.5V。

本发明的双能量存储指的是超级电容存储和锂充电电池存储。

超级电容(Supercapacitors，Ultracapacitor)，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容可以反复充放电数十万次。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”；大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90％；功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；检测方便，剩余电量可直接读出。

锂电池的选取取决于系统的总功耗及要持续工作的时间。采用的锂电池的容量为2400mAh，额定电压为3.7V，其充满电后的电压为4.2V，放电电压的最低值为2.45V，不能够使锂电池过度充电和过度放电，否则会缩短电池的使用寿命，甚至使电池报废。

在本发明的具体实施中，为了延长锂电池的使用寿命，因此在使用时，优先使用超级电容的电能，在超级电容能量不足时，再使用锂电池供电。

工作原理

太阳能相对于震动能来说，能量更足，因此在使用的时候，优先收集太阳能。但是太阳能受到天气及昼夜影响较大，因此在光照不良及黑夜时，尽量收集震动能。由于系统长期处于充电放电的过程，为了延长锂电池的使用寿命，因此在使用时，优先使用超级电容的电能，在超级电容能量不足时，再使用锂电池供电。

方式一，当外界光照指数高时，传感节点从太阳能电池板获取主要工作能源。太阳能电池板同时对锂电池和超级电容充电。

方式二，当外界光照指数低，但有震动时，传感节点从震动发电机获取主要工作能源。震动发电机同时对锂电池和超级电容充电。

方式三，对于光照低和无震动的情况，传感器优先使用超级电容供电，当超级电容电量不足时，再使用锂电池供电。