一种无线传感器网络节点振动发电机供电系统的制作方法

本发明涉及大型机械的故障诊断领域，特别涉及到一种无线传感器网络节点振动发电机供电系统。

背景技术：

无线传感器网络节点的供电电源目前主要有蓄电池供电和太阳能光伏供电系统两种形式。蓄电池供电系统发展比较成熟，目前主流的应用是化学电池和锂电子电池作为无线传感器网络节点的供电电源，但是无法避免要定期更换电池的麻烦。太阳供电系统应用不是很广泛，一方面是因为太阳能供电系统转化效率低，另外一方面太阳能供电系统容易受到环境的影响。

蓄电池供电系统使用寿命短，更换供电电池系统需要耗费人力、财力以及设备停运带来的经济损失，且一些特殊的应用场合不便频繁更换蓄电池，这样给系统运行带来很大的不便。太阳能供电系统应用场景比较单一，且只能应用在有光照的场景中，且售价较高，太阳能的转化率低，再加上阴天情况影响，使得太阳能供电系统无法成为非常可靠的供电电源。

无线传感器在工业中已经开始普遍使用，在大型设备的故障诊断领域中也有应用，应用在故障诊断领域中的无线传感器网络节点的供电电源普遍使用蓄电池供电，蓄电池存在使用寿命短，需要定期停运设备更换蓄电池，且有的故障诊断场合不易更换蓄电池，这严重的影响了无线传感器在故障诊断领域中的大规模推广使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种无线传感器网络节点振动发电机供电系统，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种无线传感器网络节点振动发电机供电系统，包括磁电式微型振动发电机、能量变换模块、滤波模块、稳压模块和储能模块，所述能量变换模块包括二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4，所述滤波模块包括电阻r1和电容c1，二极管d4的负极以及二极管d1的正极均与电阻r1的一端相连，电阻r1的另一端与稳压模块的输入端相连，二极管d4的正极与二极管d3的正极相连，二极管d1的负极与二极管d2的负极相连，二极管d3的负极与二极管d2的正极相连；磁电式微型振动发电机的两个接线端分别与二极管d1的负极和二极管d3的正极相连；电容c1的两端分别与二极管d1的正极以及二极管d2的正极相连；储能模块包括电容c2，电容c2与稳压模块的输出端相连。

进一步的，所述稳压模块包括直流变换器芯片，直流变换器芯片的型号为icl7663，电阻r1与直流变换器芯片的vin+引脚相连，二极管d2的正极与直流变换器芯片的shdn引脚相连，电容c2的一端与直流变换器芯片的vout1引脚相连，电容c2的另一端与直流变换器芯片的gnd引脚相连。

进一步的，还包括电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、三极管q1和mos管q2，电阻r2的一端与直流变换器芯片的sense引脚相连，电阻r3的一端与直流变换器芯片的vset引脚以及电阻r2的另一端相连，电阻r3的另一端以及电阻r4的一端均与直流变换器芯片的gnd引脚相连，电阻r4的另一端与直流变换器芯片的vout2引脚相连；三极管q1的基极分别与电阻r5和电阻r6的一端相连，电阻r5的另一端以及三极管q1的集电极均与直流变换器芯片的sense引脚相连，电阻r6的另一端以及mos管的栅极均与三极管q1的发射极相连，mos管q2的源极与直流变换器芯片的gnd引脚相连，电阻r7的两端分别与三极管q1的集电极以及mos管q2的漏极相连。

进一步的，所述磁电式微型振动发电机的型号为pmg17。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过振动发电机将大型机械上的振动能转化为电能，通过设计可靠性高、输出功率效率高的功率调节电路，构成一整套完整的无线传感器网络节点的自供电系统，具有以下优点：

1、本套供电系统区别于传统的自供电系统，不需要添加蓄电池储能系统，只要设备处于运行中就会有源源不断的电能供应，设备停运时故障诊断系统也随之停止监测，无线传感器也无需再进行供电；

2、故障诊断领域中一些设备中不易更换蓄电池而不得不使用有线有源传感器，本套供电系统借助于设备本身运行中产生的振动能转化为电能作为供电电源，无需更换电池，因而可以使用无线传感器来监测设备，使得设备的维护更加便捷，同时也拓宽了无线传感器在故障诊断领域中的应用范围；

3、本套供电系统解决了无线传感器网络节点由于供电问题而无法大规模的在故障诊断领域中推广使用的瓶颈。

本发明通过设计无线传感器网络节点振动发电机供电系统，应用在大型设备的故障诊断领域，作为大型设备故障诊断用的无线网络传感器网络节点的供电电源，利用设备自身产生的振动能转换为电能作为供电电源，节省了蓄电池的使用，使得运行的成本下降，同时解决了一些设备不能频繁停运更换电池的缺陷。

附图说明

图1为本发明所述的无线传感器网络节点振动发电机供电系统的框图。

图2为整体功率调节电路。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，本发明所述的一种无线传感器网络节点振动发电机供电系统，本发明首先需要选用输出电流大、功率密度大、适合高频环境的磁电式微型振动发电机作为机械能和电能的转换模块，可选用型号为pmg17的磁电式微型振动发电机。其次需要设计合适的功率调节电路，功率调节电路包括能量变换模块、滤波模块、稳压模块、储能模块及电压比较模块。

无线网络传感器网络节点需要一个稳定的直流电源，而微型振动发电机输出的是较小电压的交流电，所以功率调节电路首先要将发电机的输出电能进行整流滤波，得到稳定的直流电压，本发明采用桥型全波整流电路作为滤波电路。

能量变换模块包括二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4。二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4组成的全波整流电路。

微型振动发电机发出的电能收集方法一般有两种方法：一种是采用超级电容器；另外一种是采用能够重复充放电的锂离子电池。超级电容器具有很大的放电电流，这一点与无线传感器的瞬时功率大的特点相符合，因此储能器采用超级电容器。滤波模块包括电阻r1和电容c1，二极管d4的负极以及二极管d1的正极均与电阻r1的一端相连，电阻r1的另一端与稳压模块的输入端相连。二极管d4的正极与二极管d3的正极相连，二极管d1的负极与二极管d2的负极相连，二极管d3的负极与二极管d2的正极相连。磁电式微型振动发电机的两个接线端分别与二极管d1的负极和二极管d3的正极相连。电容c1的两端分别与二极管d1的正极以及二极管d2的正极相连。

储能模块包括电容c2，电容c2与稳压模块的输出端相连，电容c2即为储能电容器。由dc/dc电压转换器输出给发射模块提供的电压达到工作电压的要求，但是由于发射发送数据时启动电流较大，dc/dc输出的电流达不到要求，因此这里采用储能模块来给发射模块供电，而储能模块不能在充电初就给发射模块供电，这样放电电压达不到要求，所以要在储能模块充满电以后再给发射模块供电。

稳压模块包括直流变换器芯片u2，直流变换器芯片的型号为icl7663。电阻r1与直流变换器芯片的vin+引脚相连，二极管d2的正极与直流变换器芯片的shdn引脚相连。电容c2的一端与直流变换器芯片的vout1引脚相连，电容c2的另一端与直流变换器芯片的gnd引脚相连。

微型发电机的输出电压或者负载电流变化导致整流滤波输出的直流电压也会发生变化，对于微电机系统是不允许的,所以要采用稳压电路来稳定负载上的电压。无线传感器网络的低功耗的微处理器需要稳定的直流电压，故储能电容不能直接给负载电路直接供电，要将电容中采集到的电量转换为3.6v稳定的直流电，才能将稳压模块输出的电量送入目标系统，并唤醒目标系统工作。采用dc/dc电压转换器来连接储能器和负载电路，将直流电压调整为无线传感器节点所需要的稳定值，当储能电容器的电压在动态变化时，电路依然可以向各负载提供稳定的电压。本发明直接使用dc/dc直流变换器芯片，选用的icl7663芯片即为稳压模块。

还包括电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、三极管q1和mos管q2。电阻r4为微处理器和传感器负载，电阻r7为无线通信负载，即发射模块。电阻r2的一端与直流变换器芯片的sense引脚相连，电阻r3的一端与直流变换器芯片的vset引脚以及电阻r2的另一端相连。电阻r3的另一端以及电阻r4的一端均与直流变换器芯片的gnd引脚相连，电阻r4的另一端与直流变换器芯片的vout2引脚相连。三极管q1的基极分别与电阻r5和电阻r6的一端相连，电阻r5的另一端以及三极管q1的集电极均与直流变换器芯片的sense引脚相连。电阻r6的另一端以及mos管的栅极均与三极管q1的发射极相连。mos管q2的源极与直流变换器芯片的gnd引脚相连，电阻r7的两端分别与三极管q1的集电极以及mos管q2的漏极相连。

当超级电容充满电后就给发射模块供电，当超级电容器输出电压较低时，三极管q1截止，mos管q2截止，随着储能电容器c2电压的升高，当三极管q1的集电极电位uc>ub(基极电位)时，三极管q1导通，储能器电压继续升高，当mos管q2的栅极电位ug>us(源极电位)时，mos管q2导通，储能电容器向发射模块r7供电，随着储能电容器的放电，电压降低，当ug＝us时，mos管q2截止，储能电容器继续处于储能状态。

本发明通过利用振动发电机将设备在运行过程中产生的振动能转换为电能供给无线传感器网络节点作为供电电源，选取输出电流大、功率密度大、适合高频环境的磁电式微型振动发电机作为机械能和电能的转换模块，再设计可靠性高、输出功率效率高的功率调节电路，构成一整套完整的无线传感器网络节点的自供电系统，只要设备在运行，就会有源源不断的电能供应，很好的克服了传统蓄电池供电系统需要定期停运设备更换蓄电池的缺陷，同时节省了运行成本。

本发明利用大型设备在运行时产生的振动，通过振动发电机将振动能转化外可供无线传感器网络节点的供电电源，克服了蓄电池供电的使用寿命限制，只要设备运行就可以产生源源不断的电能供应，从而节省了能源；解决了需要定期更换蓄电池停运设备带来的经济损失；同时解决了一些不易更换电池的场合带来的不便，解决了无线传感器在故障诊断领域中的应用瓶颈。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。