本實用新型涉及風能收集的研究領域，特別涉及一種基于無線傳感器網絡的風能收集裝置。

背景技術：

自21世紀以來，許多無線傳感器網絡已經可以實現(xiàn)收集、利用環(huán)境能量的功能，比如：Trio，AmbiMax，Prometheus等無線傳感器網絡系統(tǒng)，上述系統(tǒng)都是通過采集環(huán)境中的太陽能。太陽能一經太陽能電池板采集，即被儲存在超級電容、蓄電池或其他媒介中，進而向無線傳感器網絡系統(tǒng)提供能量。

隨著環(huán)境能量收集技術的不斷提升完善，應用于無線傳感器網絡能量供應的方案也日漸成熟。然而，研究的較多的方案大多基于太陽能電池取電，振動取電，溫差取電等能量收集技術。在基于風能收集的無線傳感器網絡的系統(tǒng)設計，這一模塊尚無太大的開發(fā)研究。一方面，因為風力分布不均，在不同地理位置的大小不同；另一方面由于基于風能的環(huán)境能量收集的技術難度相對較大，相應設備的前期投入較大。在基于風能收集的無線傳感器網絡系統(tǒng)設計現(xiàn)在仍然處于探索階段。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種基于無線傳感器網絡的風能收集裝置，實現(xiàn)風能的高效率收集。

為了達到上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

本實用新型提供了一種基于無線傳感器網絡的風能收集裝置，包括上位機，還包括用于向無線傳感器網絡提供能量的發(fā)電機、用于存儲電能的電池模塊、用于收集發(fā)電機的電壓和電流信息并對收集到的信息進行檢測和整理的處理模塊、用于將所述處理模塊處理過的檢測信號發(fā)送到上位機的無線傳輸模塊以及用于實現(xiàn)所述處理模塊與上位機有線通信的USB轉串口模塊；所述發(fā)電機一端與電池模塊連接，另一端與處理模塊連接；所述USB轉串口模塊和無線傳輸模塊均與處理模塊連接。

作為優(yōu)選的技術方案，所述電池模塊包括充電電池和低壓穩(wěn)壓模塊，充電電池通過低壓穩(wěn)壓模塊與發(fā)電機連接，發(fā)電機輸出的電壓、電流經過低壓降穩(wěn)壓模塊，由充電電池進行儲存。

作為優(yōu)選的技術方案，所述充電電池還與無線傳感器網絡連接，當發(fā)電機停止工作時，存儲在充電電池中的電能為無線傳感器網絡提供能量。

作為優(yōu)選的技術方案，所述低壓穩(wěn)壓模塊采用LM2596開關電壓調節(jié)器，輸出5V電壓。

作為優(yōu)選的技術方案，所述充電電池采用10F的超級電容。

作為優(yōu)選的技術方案，所述處理模塊包括電流采集器和處理芯片，所述電流采集器與發(fā)電機連接，用于收集發(fā)電機的電壓、電流信息；所述處理芯片與電流采集器連接，用于對來自電流采集器的數(shù)據(jù)進行檢測和整理；所述處理芯片還和無線傳輸模塊連接。

作為優(yōu)選的技術方案，所述電流采集器采用MAX471電流采集芯片。

作為優(yōu)選的技術方案，所述處理芯片采用STM32最小系統(tǒng)。

作為優(yōu)選的技術方案，所述無線傳輸模塊采用433Hz的CC1101無線芯片。

作為優(yōu)選的技術方案，所述USB轉串口模塊采用CP2102轉換芯片。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本實用新型設計實現(xiàn)了風能的能量收集電路，適合大部分無線傳感器網絡節(jié)點的能量策略，實現(xiàn)了風能收集電路的高效率。

2、本實用新型為了整體設計的低功耗，高集成度，選用了效率更為高的LM2596開關降壓調節(jié)器，它將快速通/斷的晶體管置于輸入與輸出之間，通過調節(jié)通/斷比例(占空比)來控制輸出直流電壓的平均值。另外，LM2596的輸出電壓可以為5V，恰恰契合為無線傳感器輸出的電壓值。

3、本實用新型的超級電容屬于雙極層電容器，當給超級電容充電時，在當給超級電容充電時，電極兩端施加的電場將會使得電解液中的陰陽離子分別向正負電極板遷移，形成兩個容性儲存層，也正是以為這種結構，超級電容能儲存很大的電荷量。充電完成后，兩級間產生了穩(wěn)定的電位差。

附圖說明

圖1為本實用新型的整體結構框圖；

圖2為本實用新型低壓降穩(wěn)壓模塊的電路原理圖；

圖3為本實用新型處理模塊中電流采集器的原理圖；

圖4為本實用新型處理模塊中單片機電路原理圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例

如圖1所示，本實用新型基于無線傳感器網絡的風能收集裝置，包括上位機，用于向無線傳感器網絡提供能量的發(fā)電機、用于存儲電能的電池模塊、用于收集發(fā)電機的電壓和電流信息并對收集到的信息進行檢測和整理的處理模塊、用于將所述處理模塊處理過的檢測信號發(fā)送到上位機的無線傳輸模塊以及用于實現(xiàn)所述處理模塊與上位機有線通信的USB轉串口模塊；所述發(fā)電機一端與電池模塊連接，另一端與處理模塊連接，所述USB轉串口模塊和無線傳輸模塊與處理模塊連接。

所述電池模塊包括充電電池和低壓穩(wěn)壓模塊，充電電池通過低壓穩(wěn)壓模塊與發(fā)電機連接，發(fā)電機輸出的電壓、電流經過低壓降穩(wěn)壓模塊，由充電電池進行儲存；所述充電電池還與無線傳感器網絡連接，當發(fā)電機停止工作時，存儲在充電電池中的電能為無線傳感器網絡提供能量。

如圖2所示，所述低壓降穩(wěn)壓模塊采用LM2596開關電壓調節(jié)器，輸出5V電壓。LM2596開關電壓調節(jié)器芯片的第1腳為電源輸入腳連接充電電池，串聯(lián)電容680uF接地，第3腳接地，第5腳控制芯片啟用和關閉，第2腳為輸出腳，串聯(lián)220uF電容接地。

所述充電電池采用10F的超級電容，取代無線傳感器網絡中廣泛使用的鋰電池，對比分析可以發(fā)現(xiàn)，靜電電容主要特點是充放電速度快，功率密度高，然而其能量密度低儲存容量小，限制了在設計中的應用；蓄電池主要特點是能量密度高，儲存能量大，但也有充放電周期長，循環(huán)壽命短的缺點；超級電容并兼了兩種元件的優(yōu)點，法拉級別的超大電容能滿足無線傳感器網絡的能源策略，且性能優(yōu)異，綠色環(huán)保。

本實施例中，所述處理模塊包括電流采集器和處理芯片，所述電流采集器與發(fā)電機連接，用于收集發(fā)電機的電壓、電流信息；所述處理芯片與電流采集器連接，用于對來自電流采集器的數(shù)據(jù)進行檢測和整理；所述處理芯片還和無線傳輸模塊連接。

如圖3所示，所述電流采集器采用MAX471電流采集芯片，該芯片的1腳為正常工作時的關閉端，和4腳一起連接到地。2腳和3腳為電源端，2腳和3腳連接在一起。電流流過內部二極管D3或者D4指示與SIGN輸出有關的流動方向，由于本設計不需要指示電流方向，將5腳(sign端懸空)。7腳為電源輸入端。連接至檢測電阻與RG1的連接點。8腳為電流輸出端，它正比于流過TSENSE被測電路的幅度，此引腳到地之間接一個2kΩ電阻，每一安培被測電流將產生大小等于1V的電壓，數(shù)據(jù)送往處理模塊。

如圖4所示，所述處理器芯片采用STM32最小系統(tǒng)，1腳輸入電源，C3、C4、C5、C6使用4個104貼片電容進行電源的濾波，這樣可以有效地保護電源，讓單片機運行的更穩(wěn)定，濾去了電源當中的紋波等干擾。BOOT0、BOOT1用于設置STM32的啟動方式，一般情況下(即標準的ISP下載步驟)如果想用串口下載代碼，則必須先配置BOOT0為1，BOOT1為0(BOOT1串聯(lián)10K電阻接DGND,BOOT0空置)，然后按復位鍵，最后再通過程序下載代碼。在單片機的晶振引腳2腳和3腳上接兩個起振電容，這兩個電容為10pf，再并聯(lián)接DGND。7腳串聯(lián)一個104電容接DGND。

本實施例中，所述無線傳輸模塊采用433Hz的CC1101無線芯片，通過STM32的控制，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。CC1101的1號引腳(VCC)連接MCU的18號引腳，CC1101得到電源，2號引腳與MCU的19號引腳相連接地，3號引腳與MCU的14號引腳相連設置SPI接口MOSI，4號引腳與MCU的12號引腳相連，設置SPI接口時鐘線，6號引腳與MCU的9號引腳相連設置通用IO功能。

本實施例中，所述USB轉串口模塊采用CP2102轉換芯片，該芯片電容C19、C20，電阻R6、R7，Mini-USB接口、開關S1組成。CP2102轉換芯片第3、0腳接地，第6腳串聯(lián)電容C20接地和串聯(lián)電阻R6接第9腳，第11腳串聯(lián)電阻R7接地。第5腳接USB口的D-，第4腳接USB口的D+，第7、8腳接USB口VBUS，開關S1控制是否為模塊提供5V電壓。第1、2、23～28腳供其他模塊擴展通訊，解決串口問題，方便開發(fā)者對芯片進行編程。

本實施例對無線傳感器節(jié)點，交流發(fā)電機、交直流轉換器、DC/DC模塊和超級電容等重要模塊具體涉及的基本原理及技術方案，進行可行性分析、主要技術的解決。研究風能的收集、儲存，進而開始對實際應用探索性研究和對環(huán)境能量充足地區(qū)的無線傳感器網絡進行過詳細的了解參考。取得了以下主要成果：設計實現(xiàn)了風能的能量收集電路，適合大部分無線傳感器網絡節(jié)點的能量策略；針對風能的儲存研究了鋰電池和法拉電容的性能，滿足基本需求；在整個系統(tǒng)的設計過程中，實現(xiàn)了風能收集電路的高效率；設計制作上位機，監(jiān)控風機電壓，電流以及供電電壓；設置單片機，其最小系統(tǒng)以及復位電路。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。