一種基于風(fēng)能與太陽能互補(bǔ)的無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于風(fēng)能與太陽能互補(bǔ)的無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其連接的動(dòng)態(tài)性、通訊的可靠性以及網(wǎng)絡(luò)組織形式的靈活 性，被廣泛應(yīng)用于軍事國防、火險(xiǎn)檢測(cè)、區(qū)域監(jiān)控、家居安防、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。然而無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)因具有分布區(qū)域廣、數(shù)量多、儲(chǔ)能容量有限的特點(diǎn)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)或野外環(huán)境等 應(yīng)用場合中，難以通過及時(shí)更換節(jié)點(diǎn)電池或接入電網(wǎng)使工作區(qū)域內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)獲得穩(wěn)定的能 量輸入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境能量采集與儲(chǔ)存利用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 常見的節(jié)點(diǎn)環(huán)境能量采集技術(shù)太陽能采集技術(shù)。然而太陽能采集受地域和氣候影 響比較大，在極端惡劣的天氣情況下，太陽能電池板采集到的能量往往不能滿足高耗能節(jié) 點(diǎn)系統(tǒng)的能耗需求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于風(fēng)能與太陽能互補(bǔ)的無 線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種基于風(fēng)能與太陽能互補(bǔ)的無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，包括太陽能采集模塊、風(fēng)能采 集模塊、電源管理器、超級(jí)電容、微處理器及射頻模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊；太陽能采集模塊和 風(fēng)能采集模塊與電源管理器連接，電源管理器與超級(jí)電容、微處理器及射頻模塊連接，微處 理器及射頻模塊與步進(jìn)電機(jī)模塊連接、風(fēng)能采集模塊和太陽能采集模塊連接。
[0006] 優(yōu)選的，所述太陽能采集模塊包括太陽能電池板和升降壓斬波電路。
[0007] 優(yōu)選的，所述風(fēng)能采集模塊包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)和升降壓斬波電路。
[0008] 優(yōu)選的，所述電源管理器采用TI公司的BQ25504電源管理器。
[0009] 優(yōu)選的，所述微處理器及射頻模塊包括多通道ADC模塊，PWM輸出模塊以及通信模 塊。
[0010] 優(yōu)選的，所述微處理器及射頻模塊采用TI公司的CC2530模塊。
[0011] 優(yōu)選的，所述步進(jìn)電機(jī)模塊包括步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。
[0012] 優(yōu)選的，所述步進(jìn)電機(jī)采用HDB公司的5相混合式步進(jìn)電機(jī)。
[0013] 優(yōu)選的，所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用HDB公司的ESD414R芯片。
[0014] 優(yōu)選的，所述微處理器及射頻模塊和所述步進(jìn)電機(jī)模塊的電源電壓為所述的電源 管理器電壓。
[0015] 本實(shí)用新型提供的基于風(fēng)能與太陽能互補(bǔ)的無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于采用風(fēng) 能-太陽能相互補(bǔ)充的能量采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作電源的自我供給和余能儲(chǔ)存， 有效避免了為各節(jié)點(diǎn)額外提供能量補(bǔ)充的問題。此外，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的兩種能源采集模塊均應(yīng) 用了MPPT技術(shù)，并引入步進(jìn)電機(jī)調(diào)整光伏電池板的傾角，確保了能量采集的高效性和能量 供應(yīng)的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0016] 此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分， 并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定，在附圖中：
[0017] 圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；
[0018] 圖2是微處理器及射頻模塊的電路圖；
[0019] 圖3是電源管理器的電路圖；
[0020] 圖4是MPPT升降壓斬波的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本實(shí)用新型，在此以本實(shí)用新型的示 意性實(shí)施例及說明用來解釋本實(shí)用新型，但并不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。
[0022] 實(shí)施例：
[0023] 如圖1所示，本實(shí)用新型涉及一種基于風(fēng)能與太陽能互補(bǔ)的無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)， 由太陽能采集模塊1、風(fēng)能采集模塊2、電源管理器3、超級(jí)電容4、微處理器及射頻模塊5和 步進(jìn)電機(jī)模塊6共六部分組成。圖中清晰展現(xiàn)了各模塊之間的連接關(guān)系，太陽能采集模塊 1和風(fēng)能采集模塊2與電源管理器3連接，電源管理器3與超級(jí)電容4、微處理器及射頻模 塊5連接，微處理器及射頻模塊5與步進(jìn)電機(jī)模塊6連接、風(fēng)能采集模塊2和太陽能采集模 塊1連接。
[0024] 太陽能采集模塊1收集太陽能。當(dāng)微處理器檢測(cè)到太陽能采集功率變化值超過閾 值時(shí)，通過MPPT算法，控制電源管理芯片重新追蹤最大功率點(diǎn)，從而獲得最大功率輸出。
[0025] 風(fēng)能采集模塊2采用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有額定風(fēng)速低、抗風(fēng)能力強(qiáng)、運(yùn)行噪 音少的特點(diǎn)，便于捕獲各方向的風(fēng)能，適用于各種野外應(yīng)用環(huán)境，當(dāng)太陽能微弱時(shí)可作為重 要的能源補(bǔ)充。
[0026] 電源管理器模塊3采用TI公司的BQ25504電源管理器，已內(nèi)置電池欠壓、過壓保 護(hù)功能，用于對(duì)采集得到的能量作DC-DC轉(zhuǎn)換處理以及超級(jí)電容充放電管理。
[0027] 為避免傳統(tǒng)可充電電池的劣勢(shì)，本系統(tǒng)采用超級(jí)電容4作為儲(chǔ)能設(shè)備，利用超級(jí) 電容特有的循環(huán)壽命長、工作溫度范圍廣、充放電時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)能量的高效存儲(chǔ)。
[0028] 微處理器及射頻模塊5采用TI公司的CC2530,該芯片具有8個(gè)12位ADC通道，片 內(nèi)附帶Zigbee通信模塊，可利用內(nèi)部計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM輸出。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)將利用微處理器完成 數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)榷囗?xiàng)任務(wù)，并與周圍節(jié)點(diǎn)建立低功耗、短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)，從上位 機(jī)接收傾角信號(hào)，根據(jù)算法流程定時(shí)執(zhí)行MPPT，從而實(shí)現(xiàn)各模塊協(xié)同運(yùn)作。
[0029] 步進(jìn)電機(jī)模塊6采用由HDB公司ESD414R芯片驅(qū)動(dòng)的5相混合式步進(jìn)電機(jī)，其中控 制芯片負(fù)責(zé)從微處理器接收傾角調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成光伏電池板的傾角調(diào)整。
[0030] 如圖2所示，節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的微處理器采用TI公司的CC2530芯片，通過管腳 "VCC，GND"向CC2530供電。管腳"P0_0"與電阻R1串聯(lián)后和光伏電池板的正輸出端相連； 管腳"P0_1"直接與光伏電池板的正輸出端相連；管腳"P0_2"與電阻R2串聯(lián)后和風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的正輸出端相連；管腳"P〇_3"直接與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正輸出端相連。CC2530片內(nèi)ADC模 塊選用12位單次采樣模式，采用內(nèi)部3. 3V參考電壓基準(zhǔn)，以管腳"P0_0,P0_1，P0_2,P0_3" 作為模擬信號(hào)輸入通道，其中管腳"P〇_l"用于采集光伏電池板的輸出電壓，管腳"P〇_3 "用 于采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓。通過測(cè)量管腳"P〇_〇，P〇_2"的電壓值并利用電阻R1、R2的 已知阻值即可算得兩種能量采集模塊的輸出電流。
[0031] 微處理器及射頻模塊5的管腳"Pl_7,Pl_6"分別與太陽能采集模塊1和風(fēng)能采集 模塊2中直流斬波電路的PWM輸入端口連接；管腳"P1_0"與步進(jìn)電機(jī)模塊6的管腳"PUL-" 相連。啟用CC2530片內(nèi)的16位定時(shí)器1和8位定時(shí)器3,兩個(gè)定時(shí)器的工作模式均采用模 模式，利用輸出比較功能，從管腳"Pl_〇,Pl_6,Pl_7"輸出PWM脈