本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)及微型能源收集器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種面向物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的微型能源收集器。

背景技術(shù)：

隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮著日益重要的作用。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點對電源的壽命和能量密度要求也越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的供電方式采用電池供電，但是電池供電存在壽命短和不易維護更換等缺點。隨著傳感器節(jié)點的個數(shù)增多，人力成本也隨之大大提高。要使節(jié)點能夠持續(xù)可靠的工作，必須最大限度的使用環(huán)境中的可再生能源。

太陽能供電能夠常年持續(xù)供電，不用頻繁更換電池，同時作為綠色能源，具有環(huán)保節(jié)能、無污染、易維護等特點。目前，人們廣泛的研究在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源電路中采用太陽能供電的方式。

振動能是環(huán)境中最廣泛的能源之一，它可以通過靜電、磁電、壓電等轉(zhuǎn)換原理將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，從而向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電。振動式微型發(fā)電機具有體積小、便于集成、無線等特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種面向物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的微型能源收集器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種面向物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的微型能源收集器，包括基于芯片BQ25504的電源管理電路的太陽能電池板、具有功率調(diào)節(jié)電路的微型振動發(fā)電機、太陽能MPPT、穩(wěn)壓電路、中央控制模塊、超級電容、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、充電鋰電池及傳感器節(jié)點，太陽能電池板通過太陽能MPPT與中央控制模塊及超級電容連接，微型振動發(fā)電機通過穩(wěn)壓電路與中央控制模塊及超級電容連接，太陽能電池板及微型振動發(fā)電機共同構(gòu)成相互補充的能源供給電路，中央控制模塊分別與超級電容、充電鋰電池及DC-DC轉(zhuǎn)換電路連接，控制超級電容及充電鋰電池的充放電過程，控制DC-DC轉(zhuǎn)換電路的工作狀態(tài)，超級電容及充電鋰電池與DC-DC轉(zhuǎn)換電路連接，為DC-DC轉(zhuǎn)換電路提供電能，DC-DC轉(zhuǎn)換電路與傳感器節(jié)點連接，向傳感器節(jié)點供電，

其中，所述基于芯片BQ25504的電源管理電路，為一種過壓保護、欠壓保護及電池狀態(tài)監(jiān)測的電路。

而且，所述太陽能電池板為6cm×6cm的多晶硅太陽能電池板。

而且，所述微型振動發(fā)電機具體為PMG17微型振動發(fā)電機。

而且，所述微型振動發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)電路為由二極管D1至二極管D4構(gòu)成的橋式整流電路。

而且，所述中央控制模塊采用的型號為MSP430，所述超級電容為極化電解質(zhì)電容，具體采用FITN 10F的超級電容，耐壓值5.5V。

而且，在由超級電容及充電鋰電池為DC-DC轉(zhuǎn)換電路提供電能時，優(yōu)先使用超級電容的電能，在超級電容能量不足時，再使用鋰電池供電。。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：

1、本發(fā)明的有益效果是，環(huán)保節(jié)電，能量利用效率高，廣泛的適用于各種環(huán)境下的無線傳感器節(jié)點，特別是環(huán)境惡劣、不易更換電池的傳感器節(jié)點。通過有效的電源能量管理，合理的分配使用電能，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器節(jié)點無間斷的工作，具有較好的理論與應(yīng)用價值。

2、本發(fā)明在光充足的時候采用太陽能收集模式，在陽光不足或者晚上的時候采用振動能獲取模式，太陽能收集和振動能收集兩種模式相互補充，保證了能量的利用效率。

3、本發(fā)明系統(tǒng)還具有超級電容和鋰電池兩種儲能模式，并采用MSP430進(jìn)行電源管理，提供5V和3.3V兩種電壓輸出模式，方便多種類型的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中基于BQ25504的電源模塊具體電路。

圖3為本發(fā)明中基于PMG17的微型振動發(fā)電機功率調(diào)節(jié)電路方案圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進(jìn)一步詳述：需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其它實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。

一種面向物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的微型能源收集器，如圖1所示，包括基于芯片BQ25504的電源管理電路的太陽能電池板、具有功率調(diào)節(jié)電路的微型振動發(fā)電機、太陽能MPPT(Maximum Power Point Tracking)、穩(wěn)壓電路、中央控制模塊、超級電容、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、充電鋰電池及傳感器節(jié)點，太陽能電池板通過太陽能MPPT與中央控制模塊及超級電容連接，微型振動發(fā)電機通過穩(wěn)壓電路與中央控制模塊及超級電容連接，太陽能電池板及微型振動發(fā)電機共同構(gòu)成相互補充的能源供給電路，中央控制模塊分別與超級電容、充電鋰電池及DC-DC轉(zhuǎn)換電路連接，控制超級電容及充電鋰電池的充放電過程，控制DC-DC轉(zhuǎn)換電路的工作狀態(tài)，超級電容及充電鋰電池與DC-DC轉(zhuǎn)換電路連接，為DC-DC轉(zhuǎn)換電路提供電能，DC-DC轉(zhuǎn)換電路與傳感器節(jié)點連接，向傳感器節(jié)點供電，

其中，所述太陽能電池板為6cm×6cm的多晶硅太陽能電池板，

太陽能電池板主要分為單晶硅和雙晶硅兩種，單晶硅太陽板的轉(zhuǎn)換效率比較高，但是加工工藝要求高，價格高，多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率低，成本較低，出于成本考慮，選擇多晶硅的太陽能電池板。由于選用的電源管理芯片BQ25504的輸入功率范圍在0～300mW之間，輸入電壓在0～5.5V，故可以選用300mW、輸出電壓為2V、短路電流為150mA、尺寸為6cm×6cm的多晶硅太陽能電池板。

其中，所述基于芯片BQ25504的電源管理電路，如圖2所示，電池管理電路為一種過壓保護、欠壓保護及電池狀態(tài)監(jiān)測的電路，

基于BQ25504的電池管理電路連接著太陽能板、鋰電池和負(fù)載電路，如圖2所示。電池管理電路功能為過壓保護、欠壓保護以及電池狀態(tài)良好監(jiān)測。

BQ25504是TI公司生產(chǎn)的一款面向毫微(超低)功率能量收集和管理應(yīng)用的高效升壓型轉(zhuǎn)換器。該器件可管理諸如太陽能、熱電能、電磁能和振動能等多種能源所產(chǎn)生的微瓦至毫瓦級功率。

在BQ25504啟動工作后，升壓轉(zhuǎn)換器可以有效地從低壓輸出采集器，即太陽能電池板中抽取能量。升壓轉(zhuǎn)換器能夠在輸入電壓(VIN)低至330mV時啟動，并且一旦啟動，它能夠在VIN不低于80mV的條件下持續(xù)釆集能量。

BQ25504采用一個可編程最大功率點跟蹤采樣網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化器件的功率傳輸。采樣VIN_DC開路電壓可使用外部電阻進(jìn)行編程，并由一個外部參考電容保持。太陽能電池運行在它們開路電壓80％的最大功率點上，電阻分壓器可被設(shè)定到VIN_DC電壓的80％，并且此網(wǎng)絡(luò)將控制VIN_DC使其工作在接近采樣基準(zhǔn)電壓下，或者可以由一個微控制器提供一個外部基準(zhǔn)電壓以生成一個更復(fù)雜的MPPT算法。

BQ25504具有靈活性的設(shè)計使其可以支持多種能量存儲元件。采集器抽取能量的來源可以是零星的或者隨時間變化的。系統(tǒng)通常需要一些類型的能量存儲元件，例如可充電電池、超級電容器或者傳統(tǒng)電容器。當(dāng)系統(tǒng)需要時，存儲元件將提供特定恒定電流。存儲元件還允許系統(tǒng)處理任何峰值電流，此峰值電流并不直接來源于輸入源。為防止損壞用戶的存儲元件，根據(jù)用戶編程設(shè)定的欠壓(UV)和過壓(0V)，對最高和最低電壓進(jìn)行監(jiān)視。為了進(jìn)一步幫助用戶嚴(yán)格管理他們的能量預(yù)算，當(dāng)儲能電池或者電容器的電壓降至低于預(yù)設(shè)臨界水平時，BQ25504觸發(fā)電池正常標(biāo)志位以向附加的微控制器傳遞信號。這將觸發(fā)負(fù)載電流以防止系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀況。0V、UV和電池正常閥值可獨立編程。

設(shè)定欠壓閾值VBAT_UV＝2.83V，過壓閾值VBAT_OV＝4.2V，電池工作電壓范圍VBAT_OK_PROG＝3.45V，VBAT_OK_HYST＝3.96V。根據(jù)BQ25504的域值設(shè)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。當(dāng)電池電壓VBAT小于VBAT_OK_PROG時，此時VBAT_OK輸出低電平0，NMOS管截止，PMOS管也截止，停止對負(fù)載供電，當(dāng)鋰電池電壓從VBAT_OK_PROG逐漸上升到3.60V時，VBAT_OK輸出高電平，此時NMOS管導(dǎo)通，PMOS管的柵極為低電平，PMOS管也導(dǎo)通，可以對負(fù)載電路供電，直到電池電壓降為3.5V為止。

其中，所述微型振動發(fā)電機具體為PMG17微型振動發(fā)電機，

其中，所述微型振動發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)電路，如圖3所示，包括由二極管D1至二極管D4構(gòu)成的橋式整流電路，橋式整流電路的輸出再與兩端并聯(lián)有電容器C1和電容器C2的DC-DC變換器連接。

目前Perpetmim系列產(chǎn)品中，PMG17微型振動發(fā)電機能夠轉(zhuǎn)換傳遞能量到各種監(jiān)測和遙感的無線傳感器節(jié)點。它是設(shè)計用于在交流電動機動力機械收獲常見的“兩次線頻率”振動。即使僅為25mg(RMS)振動在2Hz的帶寬，它也能產(chǎn)生一個最小0.5mW的電能。這足以為功率傳感器、微處理器和射頻系統(tǒng)提供電能，使關(guān)鍵性數(shù)據(jù)傳輸通過無線協(xié)議傳送給中央路由器，足夠給電力工業(yè)無線傳感器節(jié)點供電。如果有更大的振動會產(chǎn)生更多的電能。PMG17可靠性高，可運行在各種工業(yè)環(huán)境中。它容易安裝，維護方便。當(dāng)在最小25mg(RMS)振動時，它的輸出電壓為3V，輸出電壓可以通過外部電路調(diào)節(jié)到需要的微電子器件的電壓值。

其中，所述中央控制模塊采用的型號為MSP430，MSP430系列單片機是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器。

MSP430單片機稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片機”解決方案。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。

其中，所述超級電容極化電解質(zhì)電容，具體采用FITN 10F的超級電容，耐壓值5.5V。

本發(fā)明的雙能量存儲指的是超級電容存儲和鋰充電電池存儲。

超級電容(Supercapacitors，Ultracapacitor)，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬。充電速度快，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95％以上；循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1～50萬次，沒有“記憶效應(yīng)”；大電流放電能力超強，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90％；功率密度高，可達(dá)300W/KG～5000W/KG，相當(dāng)于電池的5～10倍；產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護；超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃；檢測方便，剩余電量可直接讀出。

鋰電池的選取取決于系統(tǒng)的總功耗及要持續(xù)工作的時間。采用的鋰電池的容量為2400mAh，額定電壓為3.7V，其充滿電后的電壓為4.2V，放電電壓的最低值為2.45V，不能夠使鋰電池過度充電和過度放電，否則會縮短電池的使用壽命，甚至使電池報廢。

在本發(fā)明的具體實施中，為了延長鋰電池的使用壽命，因此在使用時，優(yōu)先使用超級電容的電能，在超級電容能量不足時，再使用鋰電池供電。

工作原理

太陽能相對于震動能來說，能量更足，因此在使用的時候，優(yōu)先收集太陽能。但是太陽能受到天氣及晝夜影響較大，因此在光照不良及黑夜時，盡量收集震動能。由于系統(tǒng)長期處于充電放電的過程，為了延長鋰電池的使用壽命，因此在使用時，優(yōu)先使用超級電容的電能，在超級電容能量不足時，再使用鋰電池供電。

方式一，當(dāng)外界光照指數(shù)高時，傳感節(jié)點從太陽能電池板獲取主要工作能源。太陽能電池板同時對鋰電池和超級電容充電。

方式二，當(dāng)外界光照指數(shù)低，但有震動時，傳感節(jié)點從震動發(fā)電機獲取主要工作能源。震動發(fā)電機同時對鋰電池和超級電容充電。

方式三，對于光照低和無震動的情況，傳感器優(yōu)先使用超級電容供電，當(dāng)超級電容電量不足時，再使用鋰電池供電。