一种无线传感器节点系统及无线传感器网络的制作方法

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种无线传感器节点系统及无线传感器网络。

背景技术：

随着物联网技术的发展和进步，对于传感器的需求更加迫切，对传感器供电模块的供电问题也提出了严峻挑战。由于电池的寿命等限制因素，以及人类生活的多元化需求，很多传感器需要被安放在人迹罕至的区域，大部分情况下无法更换电池。

已经报道的无线传感的自供电方案有如申请号为[201310018190.5]的和申请号为[201410593958.6]的专利中各自报道了一种能量自供给无线传感系统，虽然实现了自供给，但是提供的还是太阳能电池为能量源的方案，仍然受制于电池寿命等因素；申请号为[201410684064.4]的提供了一种利用矿井动力源供电的无线传感装置，依然需要蓄电池来储存电，仍然受制于电池寿命；申请号为[201510738405.X]提供了一种无线传感网络节点方案，依然采用电池实现自供给；申请号为[201310346849.X]的报道了一种利用感应交变的高压电厂来取能，用于后续无线传感器节点的供电，适合应用于高压变站点等高压源附近；申请号为[201420158434.X]的和申请号为[201510460201.4]的报道了一种以温差发电机为能量源的无线传感器节点系统，由于它是以温差为能量源适用条件也比较有限。申请号为[201620315381.7]报道了一种井下自功能环境监测系统，它同时以陶瓷压电换能器和传统风力发电机为能量源，难以摆脱笨重移动性差的特点，难以实现分布式的发展。申请号为[201520286398.X]的提供了一种利用海洋波浪能通过压电原理发电、储存电荷发电用于无线传感网络，仅仅是从概念上提出想法，并未给出具体实现方案；申请号为[201420547138.9]和[20150845831.3]的同样如此，虽然设计了一种用于无线传感的电源，并未能给出实现无线传输的具体方案，自供给无线传感网络依然停留在概念层面。申请号为[201110414062.3]的提供了一种基于振动机械能的自供给无线网络节点具体方案，并有完整的电路设计，但并没有给出具体无线传输成功实现的数据，也仅仅停留在设计层面。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种可长期自发电、能量源寿命长的无线传感器节点系统。

一种无线传感器节点系统，包括：

传感器，用于采集环境信息以输出传感数据；

主控器，与所述传感器连接，用于读取所述传感数据；

无线发射器，与所述主控器连接，用于根据主控器的控制向外发射所述传感数据；

能量装置，与所述传感器和主控器连接，为所述传感器和主控器提供电能；

其中，所述能量装置包括基于管道风力源的风能发电单元、储能电容组、以及电源管理模块；所述风能发电单元包括多个位于具有固定风速的通风管道中的发电器件；多个发电器件的输出端连接到整流桥；所述整流桥的输出端连接到储能电容组；所述储能电容组在风能发电单元发电过程中存储电能；

所述电源管理模块与所述储能电容组连接，在储能电容组的电压达到设定阈值后启动主控器读取所述传感数据、并通过无线发射器向外发射。

在其中一个实施例中，所述发电器件包括支撑薄膜、摩擦层、驻极体层以及电极层，其中所述摩擦层与支撑薄膜层叠设置，驻极体层与电极层层叠设置，且摩擦层与电极层电连接，驻极体层充负电处理。

在其中一个实施例中，所述电源管理模块包括电源管理芯片；所述电源管理芯片输入整流桥输出的电压，并连接储能电容组，以在储能电容组的电压达到设定阈值后输出电压启动主控器。

在其中一个实施例中，所述电源管理芯片LTC3588-1；

所述电源管理芯片LTC3588-1的PZ1引脚、PZ2引脚输入整流桥输出的电压；

所述电源管理芯片LTC3588-1的VIN引脚与所述储能电容组的正极连接，所述储能电容组的负极接地；

所述电源管理芯片LTC3588-1的SW引脚通过电感与VOUT引脚连接；

所述电源管理芯片LTC3588-1的VIN引脚和CAP引脚之间还连接电容。

在其中一个实施例中，所述电源管理模块还包括高压电容组；

所述电源管理芯片LTC3588-1的VOUT引脚与所述高压电容组的正极连接，所述高压电容组的负极接地。

在其中一个实施例中，所述主控器为微控制器Si4010；

所述微控制器Si4010的TXP引脚和TXM引脚与无线发射器连接；

所述微控制器Si4010的通用输入输出引脚与传感器连接。

在其中一个实施例中，所述传感器为温度传感器、湿度传感器、气体传感器或光传感器。

在其中一个实施例中，所述温度传感器采用芯片Si705x；芯片Si705x的VDD引脚输入能量模块提供的电压，SDA引脚和SCL引脚分别与主控器进行I2C连接。

一种无线传感器网络，包括无线网关和多个上述的无线传感器节点系统，所述无线网关与多个无线传感器节点系统通信连接。

在其中一个实施例中，所述无线网关包括依次连接的无线接收器、树莓派和网络单元。

上述无线传感器节点系统及无线传感网络，通过自发电并储能的能量装置供能，解决了无线传感器长期供能的问题。同时，在自发电的能量可用于发送传感器信号时，自启动主控器从传感器读取传感数据并发送，既可以保证传感器数据的收集，又节省能量。克服了传统风力发电装置笨重、占用空间大、可移植性差、成本造价高的缺点。

附图说明

图1为无线传感网络的拓扑图；

图2为一实施例的无线传感器节点系统模块图；

图3为一个实施例的无线网关的模块图；

图4a为图2所示无线传感器节点系统的工作流程图；

图4b为图3所示的无线网关的工作流程图；

图5为采用温度传感器的模块连接示意图；

图6为主控器采用微控制器Si4010的电路原理图；

图7为能量装置模块图；

图8为鼓风机在测试过程中为发电单元提供18m/s的管道气体流动时发电单元输出的开路电压随时间变化的测试图；

图9a为电容组Co和电容组Cs在工作过程中充电时间与充电电压的曲线图；

图9b为电源管理芯片在工作过程中充电时间与充电电压及电流的曲线图；

图10为电源管理模块采用电源管理芯片LTC3588-1的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进行进一步说明。

图1为无线传感网络的拓扑图。该无线传感器网络包括多个无线传感器节点系统10、无线网关20和显示终端30，所述无线网关20与多个无线传感器节点系统10通信连接，无线网关20与显示终端30通过网络连接。无线传感器节点系统10收集环境信息生成传感数据，并发送到与之相连的无线网关20。无线网关20将所述传感数据发送到显示终端30进行显示。

图2为一实施例的无线传感器节点系统模块图。该无线传感器节点系统10包括传感器100、主控器200、无线发射器300以及能量装置400。其中，传感器100用于收集环境信息生成传感数据。主控器200在能量装置400供能足够时启动，读取所述传感数据，并控制无线发射器300将所述传感数据到无线网关20。图3为一个实施例的无线网关的模块图。所述无线网关20包括依次连接的无线接收器210、树莓派220和网络单元230。无线接收器210可以采用芯片Si4355，接收来自无线发射器300的传感数据。无线接收器210通过树莓派220将传感数据发送到网络单元230，从而可以通过网络向外发出。显示终端30从网络上获取到该传感数据进行显示。其中，所述能量装置400为自发电储能装置，在自发电过程中采用储能电容组(图未示)存储电能，并在电能达到设定阈值后启动主控器200读取所述传感数据、通过无线发射器300向外发射。

上述无线传感器节点系统通过自发电并采用储能电容组储能的能量装置400供能，储能电容组不会受到像电池寿命的限制，解决了无线传感器长期供能的问题。同时，在自发电的能量可用于发送传感器信号时，自启动主控器200从传感器100读取传感数据并发送，既可以保证传感器数据的收集，又节省能量。

如图4a所示，上述无线传感器节点系统采用如下流程工作。

步骤S110：能量装置自发电并存储电能。

步骤S120：判断电能是否足够，若是，则执行步骤S130，否则执行步骤S110。

步骤S130：启动主控器读取传感数据。

步骤S140：主控器对传感数据进行编码。

步骤S150：主控器控制无线发射器发射信号。

如图4b所示，上述无线网关采用如下流程工作。

步骤S210：无线接收器等待接收信号。

步骤S220：判断信号是否有效，若有效，则执行步骤S240，否则执行步骤S230，并转到步骤S210。

步骤S230：丢弃无效信号数据。

步骤S240：树莓派接收该信号并进行数据处理。

步骤S250：将处理后的数据通过网络单元发送至网络。

传感器100可以是温度传感器、湿度传感器或者气体传感器等多种传感器。在本实施例中，传感器100示例为温度传感器，并采用芯片Si7055。如图5所示，芯片Si7055的VDD引脚输入能量模块400提供的电压、SDA引脚和SCL引脚分别通过I2C方式输出和输入。其中SDA引脚可输出温度数据，即上述的传感数据。

在一个实施例中，如图6所示，主控器200可以采用微控制器Si4010。所述微控制器Si4010的TXP引脚和TXM引脚与无线发射器300连接。所述微控制器Si4010的通用输入输出引脚与传感器100连接。对应于上述的温度传感器，本实施例的微控制器Si4010的GPIO4引脚与芯片Si7055的SDA引脚连接、微控制器Si4010的LED引脚与芯片Si7055的SCL引脚连接。其中，Vout电压均由能量装置400供给。无线发射器300包括天线及其匹配电路。可以理解，主控器200不限于采用微控制器Si4010。

当能量模块400的电能存储到一定程度后，主控器200接收Vout电压输入并启动，然后通过GPIO4引脚从芯片Si7055的SDA引脚读取温度数据，通过无线发射器300向外发射。其中，温度传感器的电能也可以通过Vout供给。

在一个实施例中，如图7所示，所述能量装置400包括能量收集模块410和电源管理模块420。所述能量收集模块410用于收集环境能量以自发电并传输给所述储能电容组。所述电源管理模块420与储能电容组连接，在储能电容组的电压达到设定阈值后输出供主控器200工作的电压。能量收集模块410收集的环境能量可以是风能或太阳能等。在本实施例中，能量收集模块410包括基于管道风力源的风能发电单元，所述风能发电单元包括多个位于通风管道中的纳米级的发电器件；多个发电器件的输出端连接到整流桥；所述整流桥的输出端连接到储能电容组。所述发电器件包括支撑薄膜、摩擦层、驻极体层以及电极层，其中所述摩擦层与支撑薄膜层叠设置，驻极体层与电极层层叠设置，且摩擦层与电极层电连接，驻极体层充负电处理。

支撑薄膜在风力的作用下飘动，并带动支撑薄膜上的摩擦层飘动，使得摩擦层与驻极体层接触，接触后，驻极体层的表面带有负电荷，而摩擦层的表面带有正电荷。当摩擦层与驻极体层分开后，为了达到平衡驻极体层上，电子会通过摩擦层流动到电极层，使得电极层带有正电荷，该过程会形成电信号向外输出，此为摩擦发电过程。

另外，由于电极层与摩擦层电连接，驻极体层被充负电处理，而摩擦层的材料为导电材料，使得当摩擦层与驻极体层不接触时，储存有电荷的驻极体层、电极层与摩擦层构成电容结构，由于支撑薄膜在风力的作用飘动，使得电极层与摩擦层的距离不断变化，导致电容结构的电容值发生改变，电荷不断在电极层和摩擦层之间重新分布，此为静电发电过程。

由于上述发电器件的支撑薄膜在风力的作用下能够飘动，并带动金属层和摩擦层飘动，使金属层与电极层接触，以实现摩擦发电；同时，当摩擦层与驻极体层不接触时，由于驻极体层被充负电处理，使得储存有电荷的驻极体层、电极层与金属层构成电容结构，当支撑膜层能够在风力的作用下飘动，使得电极层与金属层的距离不断变化，导致电容结构的电容值发生改变，电荷不断在电极层和金属层之间重新分布，以实现静电发电，从而将静电发电和摩擦发电结合在一起，能够有效地提高发电单元的输出性能。

图8为鼓风机在测试过程中为发电单元提供18m/s的管道气体流动时发电单元输出的开路电压随时间变化的测试图。

图9a为电容组Co和电容组Cs在工作过程中充电时间与充电电压的曲线图。图9b为电源管理芯片在工作过程中充电时间与充电电压及电流的曲线图。

在一个实施例中，如图10所示，所述电源管理模块420包括电源管理芯片LTC3588-1和储能电容组Cs。所述电源管理芯片LTC3588-1的PZ1引脚、PZ2引脚输入能量收集模块410输出的电压。所述电源管理芯片LTC3588-1的VIN引脚与所述储能电容组Cs的正极连接，所述储能电容组Cs的负极接地。所述电源管理芯片LTC3588-1的SW引脚通过电感L1与VOUT引脚连接。所述电源管理芯片LTC3588-1的VIN引脚和CAP引脚之间还连接电容C1。当储能电容组Cs储存的电量达到设定阈值的时候，通过引脚Vout放电。储能电容组Cs的容量优选为470μF。

进一步地，所述电源管理模块420还可以包括高压电容组Co。所述电源管理芯片LTC3588-1的VOUT引脚与所述高压电容组Co的正极连接，所述高压电容组Co的负极接地。电源管理芯片LTC3588-1的D0引脚与D1引脚为模式选择引脚，二者通过设置高低电平一共可以设置4种工作模式，输出1.8V、2.5V、3.3V、3.6V 4个不同的电压。高压电容组Co通过的释放电荷形成一瞬间的高电平来辅助设置电源管理芯片LTC3588-1的工作模式。高压电容组Co的容量优选为430μF。

上述主控器200、无线发射器300以及电源管理单元420可以集成在一块PCB板上。传感器100可以单独设置在一块PCB板上，然后与主控器200通过信号线连接。能量收集模块410可作为单独的装置，并通过导线与电源管理单元420电连接。

上述无线传感器节点系统及无线传感网络，通过自发电并储能的能量装置供能，解决了无线传感器长期供能的问题。同时，在自发电的能量可用于发送传感器信号时，自启动主控器从传感器读取传感数据并发送，既可以保证传感器数据的收集，又节省能量。克服了传统风力发电装置笨重、占用空间大、可移植性差、成本造价高的缺点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。