自供电式本安型传感器的制作方法

1.本实用新型涉及一种自供电传感器，尤其是针对煤矿井下机械设备进行状态监测的传感器。


背景技术：

2.传统形式的传感器需要另外接供电及通讯线缆，以完成传感器正常工作所需的供电及信号传输。随着煤矿井下设备智能化技术的不断发展，用于检测机电设备及井下工况环境的专用传感器种类及数量急剧增加。传统传感器布置时需要专门针对各种传感器线缆进行处理，但仍然会存在因线缆异常导致传感器出现各种故障的情况。尤其是在煤矿井下应用时，振动、瓦斯、粉尘、水雾等恶劣的工况环境对传统形式的传感器的布设提出了严苛挑战。
3.随着物联网技术的发展，具有自供电特点的传感器得到了广泛应用，但现有的自供电传感器还无法持续稳定地工作在井下工况环境中。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种自供电式本安型传感器，能持续稳定地工作在煤矿井下工况环境中，省去传感器线缆布线的繁琐，而且还避免了传感器线缆故障。
5.本实用新型的主要技术方案有：
6.一种自供电式本安型传感器，包括依次连接的能量获取模块、电源管理模块、微控制器和多源传感器，所述微控制器上还连接有无线通讯模块，所述能量获取模块中包含多个分别针对不同能量类型的能量获取电路，各能量获取电路之间相互独立，各能量获取电路各自通过一套可控开关与所述电源管理模块的供电端连接，所述微控制器通过输入输出接口连接所述电源管理模块的驱动信号输入端和监测信号输出端以及所述可控开关的控制输入端，所述多源传感器通过多路串口通讯接口与所述微控制器进行通讯。
7.所述能量获取模块中可以包括温差能量获取电路、光能量获取电路、振动能量获取电路以及rf能量获取电路中的至少两种能量获取电路。
8.每一种能量获取电路都包含依次电性连接的换能器、整流电路、能量缓冲及稳压电路。
9.温差能量获取电路的换能器采用热电发生器，光能量获取电路的换能器采用小型光伏电池板，振动能量获取电路的换能器采用压电器件，rf能量获取电路的换能器采用rf贴片天线。
10.所述电源管理模块的主电路采用boost电路架构，所述电源管理模块设有变压器tx1、mos管v1、第一二极管d1、第二二极管d2、稳压电路a1、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5和第六电阻r6，所述变压器tx1的原边的首端连接第一二极管d1的负极和第一电容c1的正极，第一二极管d1的正极作为所述电源管理模块的电压输入端，第一电容c1的负极接地，所述变压
器tx1的原边的末端连接mos管v1的漏极，mos管v1的源极和门极分别经第三电阻r3和第四电阻r4接地，mos管v1的门极还连接第一电阻r1的一端，mos管v1的源极还连接第二电阻r2的一端，变压器tx1的副边与第二电容c2并联，同时变压器tx1的副边的首端连接第二二极管d2的正极，第二二极管d2的负极连接稳压电路a1的输入端，稳压电路a1的输出端和接地端之间连接相互并联的第四电容c4和第五电阻r5，其中第四电容c4的正极连接稳压电路a1的输出端，变压器tx1的副边的末端经过第六电阻r6接地，第二二极管d2的负极连接第三电容的正极，第三电容c3的负极接地，所述第一电阻r1的另一端作为所述电源管理模块的驱动信号输入端，所述第二电阻r2的另一端、所述稳压电路a1的输入端和输出端构成所述电源管理模块的监测信号输出端。
11.所述第四电容c4采用超级电容。
12.所述无线通讯模块内部包含有红外唤醒模块，通过所述红外唤醒模块所述无线通讯模块由睡眠状态切换为工作状态。
13.所述无线通讯模块工作状态下有wi
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fi通讯模式、蓝牙通讯模式和wi
‑
fi与蓝牙共同通讯模式三种。
14.所述多源传感器优选包括温度传感器、光照度传感器、振动传感器和rf传感器中的至少两种，且多源传感器所包含的传感器种类所涉及的能量类型覆盖但不限于所述能量获取模块所能获取的所有能量类型。
15.本实用新型的有益效果是：
16.由于所述自供电式本安型传感器的自供电能量来源有多种，避免单一能量源供电无法满足井下各种典型工况应用需求的问题，易于实现稳定可靠的自供电，因此能持续稳定地工作在煤矿井下环境中，使自供电类型的传感器得以扩展应用于煤矿井下等类似工况的场合，免去了传统的传感器线缆布线操作，也避免了使用过程中的传感器线缆故障。
17.所述能量获取模块优选采用温差能量获取电路、光能量获取电路、振动能量获取电路以及rf能量获取电路中的至少两种，使所述自供电式本安型传感器可以直接从煤矿井下工况环境中获取能量，更加便捷的同时也实现了对煤矿井下工况环境中能量的有效利用。
18.所述电源管理模块的具体电路结构结合微控制器对电源管理模块的实时监测和控制，实现了传感器内部自带电源的适时供电，内部储能元件的适时充电以及电源输出的稳压。
19.优选使各个能量获取电路所涉及的能量类型在所述多源传感器中都有对应，这样，多源传感器可以将实时获取的工况环境信息传输给微控制器，所述微控制器选择供电电路所依据的信息更全面，确定的供电电路或供电电路组合更趋合理，也更有利于提高工况环境内能量的利用率。
附图说明
20.图1为本实用新型的功能原理框图；
21.图2为本实用新型的电源管理模块的功能原理图；
22.图3为本实用新型的工作模式判断逻辑图。
23.附图标记：
24.1.能量获取模块；2.电源管理模块；3.无线通讯模块；4.多路串口通讯接口；5.多源传感器；6.红外唤醒模块；7.输入输出接口；8.系统功耗；9.工况环境信息；10.能量计算器；11.开关控制表；12.功放。
具体实施方式
25.本实用新型公开了一种自供电式本安型传感器，如图1
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3所示，包括依次电性连接的能量获取模块1、电源管理模块2、微控制器和多源传感器5。所述能量获取模块用于多种环境能量的收集，其中包含多个分别针对不同能量类型的能量获取电路，各能量获取电路之间相互独立，各能量获取电路各自通过一套可控开关与所述电源管理模块的供电端连接。所述微控制器上还连接有无线通讯模块3，无线通讯模块使微控制器具有无线通讯功能，可以向外传输无线信号，也可以接收来自上位机的无线信号，例如接收指令和数据。所述微控制器通过输入输出接口7连接所述电源管理模块的驱动信号输入端和监测信号输出端以及所述可控开关的控制输入端，使所述微控制器得以直接完成对电源管理模块的控制和电流监测保护，以及切换不同能量类型的能量获取电路作为供电电路。所述微控制器监测所述电源管理模块可以掌握系统功耗情况，再确定所述能量获取模块中一个或多个能量获取电路作为供电电路，并控制与供电电路相对应的各个可控开关接通、其他可控开关关断，使多种能量类型的电源相结合，为多源传感器提供持续稳定的电源供给。
26.所述可控开关可以独立工作，也可以同步工作。
27.所述多源传感器可用于检测机电设备状态及井下工况环境(通常同时也是所述微控制器、电源管理模块及能量获取模块所处的环境，包括温度、光照度、振动及rf能量强度等环境因素)，能检测多种物理量，通常可以通过多路串口通讯接口4与所述微控制器进行通讯。
28.所述自供电式本安型传感器的自供电能量来源有多种，避免单一能量源供电无法满足井下各种典型工况应用需求的问题，易于实现稳定可靠的自供电，因此能持续稳定地工作在煤矿井下环境中，使自供电类型的传感器得以扩展应用于煤矿井下等类似工况的场合，免去了传统的传感器线缆布线操作，也避免了使用过程中的传感器线缆故障。
29.由于煤矿井下存在多种能量，例如温度、光照、振动及rf能量等，因此所述能量获取模块优选采用温差能量获取电路、光能量获取电路、振动能量获取电路以及rf能量获取电路中的至少两种，使所述自供电式本安型传感器可以直接从煤矿井下工况环境中获取能量，更加便捷的同时也实现了对煤矿井下工况环境中能量的有效利用。
30.每一种能量获取电路都包含依次电性连接的换能器、整流电路、能量缓冲及稳压电路。所述温差能量获取电路的换能器可以采用热电发生器，光能量获取电路的换能器可以采用小型光伏电池板，振动能量获取电路的换能器可以采用压电器件，rf能量获取电路的换能器可以采用rf贴片天线。所述光伏电池板及rf贴片天线可以作为辅助供电集成到能量获取模块中。
31.进一步地，所述热电发生器优选采用teg半导体温差发电片，以井下旋转机械应用为例，所述温差发电片的热端布置在齿轮箱高温区，冷端通过煤矿装备自身的水道散热器进行散热。所述压电器件优选采用音叉型结构的压电器件，其具有多个共振点。
32.所述电源管理模块采用boost拓扑结构。
33.如图2所示，本实施例中所述电源管理模块设有变压器tx1、mos管v1、第一二极管d1、第二二极管d2、稳压电路a1、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5和第六电阻r6。所述变压器tx1的原边的首端连接第一二极管d1的负极和第一电容c1的正极，第一二极管d1的正极作为所述电源管理模块的电压输入端(即供电端)，同时与各个所述可控开关连接。
34.第一电容c1的负极接地，所述变压器tx1的原边的末端连接mos管v1的漏极，mos管v1的源极和门极分别经第三电阻r3和第四电阻r4接地。mos管v1的门极还连接第一电阻r1的一端。mos管v1的源极还连接第二电阻r2的一端。
35.变压器tx1的副边与第二电容c2并联，同时变压器tx1的副边的首端连接第二二极管d2的正极，第二二极管d2的负极连接稳压电路a1的输入端，稳压电路a1的输出端和接地端之间连接相互并联的第四电容c4和第五电阻r5，其中第四电容c4为电源管理模块的储能部件，其正极连接稳压电路a1的输出端，变压器tx1的副边的末端经过第六电阻r6接地，第二二极管d2的负极连接第三电容的正极，第三电容c3的负极接地。
36.所述第一电阻r1的另一端作为所述电源管理模块的驱动信号drm输入端，所述第二电阻r2的另一端、所述稳压电路a1的输入端和输出端构成所述电源管理模块的监测信号输出端。驱动信号drm来自于微控制器，用于控制mos管v1的通断状态以及通断频率，从而调整占空比，进而改变第三电容的端电压um，也是稳压电路a1的输入电压。
37.所述监测信号包括稳压电路a1的输入端电压um、输出端电压uout(也是第四电容c4的端电压以及所述电源管理模块的输出电压)和流过第二电阻r2的充电电流im以及系统功耗。其中um、uout可直接获取。所述第三电阻r3为取样电阻。所述微控制器通过测量取样电阻上的压降，计算出流过第二电阻r2的充电电流im，进一步通过uout和im可以计算出系统功耗，由此实现对电源管理模块的监测。
38.所述微控制器实时监测稳压电路a1的输入电压幅值um，当um小于预设值时，通过改变驱动信号drm提高mos管v1的占空比，当um大于预设值时，通过改变驱动信号drm降低mos管v1的占空比，进而实现电压幅值um的动态平衡，再配合稳压电路a1的稳压作用，最终实现电源管理模块的输出电压的稳压。
39.所述第四电容c4采用超级电容。
40.微控制器对所述超级电容的端电压uout和充电电流im进行监测，当超级电容的端电压uout大于额定电压δu1且充电电流im小于设定的最小充电电流icm时，停止所述电源管理模块的调制；当超级电容的端电压uout小于设定的最小电压us时，启动所述电源管理模块的调制，对超级电容进行充电。启动和停止所述电源管理模块的调制通过给和不给驱动信号drm实现。
41.所述无线通讯模块内部包含有红外唤醒模块6，使所述无线通讯模块具有低功耗特点。通过所述红外唤醒模块所述无线通讯模块可由睡眠状态切换为工作状态。所述红外唤醒模块使用单一脉冲接近测量技术，当触发物体接近距离小于最低探测距离或者在探测范围外(不工作时)，系统自动进入低功耗模式。
42.所述无线通讯模块工作状态下有wi
‑
fi通讯模式、蓝牙通讯模式和wi
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fi与蓝牙共同通讯模式三种。
43.所述微控制器能对第四电容c4的充电状态及可用电量进行估算，进而将估算结果
作为判断依据，实现对多源传感器信号读取与否以及无线通讯模块处于何种状态进行控制。例如当可用电量过低时，控制多源传感器不工作，控制所述无线通讯模块处于睡眠状态，优先保证微控制器自身的正常运行。
44.所述多源传感器所包含的传感器种类、数量不限，但所述多源传感器所包含的传感器种类所涉及的能量类型最好能覆盖所述能量获取模块所能获取的所有能量类型，例如能量获取模块包含温差能量获取电路、光能量获取电路和振动能量获取电路，那么多源传感器最好包含但不限于温度传感器、光照度传感器和振动传感器，即各个能量获取电路所涉及的能量类型在所述多源传感器中都有对应时，这种情况时正常工作状态下，所述多源传感器可以将实时获取的工况环境信息、能量获取模块和电源管理模块的工况信息(例如能量获取模块自身的振动情况)等传输给微控制器，因此所述微控制器可以具体而全面地掌握所述自供电式本安型传感器自身的状况，可以对比工况环境中各种不同类型能量的多少、波动情况和获取难易程度中的一种或多种因素，选择工况环境中至少一个时段内能量较多或更容易获取的一种或多种能量类型所对应的能量获取电路作为供电电路，或者选择工况环境中能量较多或更容易获取的一种或多种能量类型所对应的能量获取电路作为主供电电路，并将其余能量获取电路作为辅助供电电路，使供电电路的确定所依据的信息更全面，使确定的供电电路或供电电路组合更合理，还能尽可能地提高工况环境内能量的利用率。
45.进一步地，在所述能量获取模块包括温差能量获取电路、光能量获取电路、振动能量获取电路以及rf能量获取电路中的至少两种能量获取电路的情况下，所述多源传感器优选包括温度传感器、光照度传感器、振动传感器和rf传感器中的至少两种，且传感器的类型与所述能量获取模块所能获取的能量种类一一对应。
46.更进一步地：所述能量获取模块包括温差能量获取电路、光能量获取电路、振动能量获取电路以及rf能量获取电路，所述多源传感器包括温度传感器、光照度传感器、振动传感器和rf传感器。
47.本技术的工作模式判断逻辑如图3所示，所述多源传感器5将传感器外围工况环境信息9例如振动、光照度及温度等数据实时地传输至微控制器中，由微控制器内部的能量计算器10对各个换能器可能产生的能量进行判断，然后确定所述可控开关的开关组合，对应四路能量源的开关状态组合。第四电容充电状态下，优选方案为四路能量源同步供电。传感器待机状态下，微控制器会根据实时的系统功耗8，从能量获取模块中选择一种或多种能量获取电路对设备供电。所述可控开关的开关组合在微控制器内部以开关控制表11的形式存在，开关控制表与所述可控开关的实际开关器件的开关状态相对应，开关控制表由输入输出接口7输出至多路功放12实施开关信号控制，通过功放12控制所述可控开关。