本發(fā)明屬于智能監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，環(huán)境溫度的精確監(jiān)測與管理對于提高環(huán)境控制精度、節(jié)約能源及促進生產(chǎn)有著重要的作用。目前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)匱乏，即便是有，往往采用一些生物檢測法，布線檢測法嚴重浪費能源，由不同位置的各項參數(shù)往往都不均勻和不同的，所以需要采集多個不同點的溫度值進行綜合評判，目前的大多數(shù)溫度監(jiān)測系統(tǒng)都不能有效地覆蓋整個社區(qū)，難以實現(xiàn)各個參數(shù)的統(tǒng)一性。

隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)和生活的方方面面。無線通信網(wǎng)已經(jīng)逐步發(fā)展到能為任何人和物件之間隨時、隨地通信的物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模極速擴大，但與此同時物聯(lián)網(wǎng)的總體的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展問題也越來越突出。與此同時，為了滿足人類生活的需要，越來越多的傳感器需要被安放在人跡罕至或者環(huán)境惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)惡劣的環(huán)境決定了人們無法使用化學(xué)電池為無線傳感器節(jié)點供電，因為在這些地區(qū)更換化學(xué)電池往往是一件不太可能的事情。正因為這些原因，本發(fā)明才想到采用可再生能源為無線通信節(jié)點供能來解決這些問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)的不足提供了一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，包含監(jiān)控中心、無線通信網(wǎng)絡(luò)、和由多個用于檢測環(huán)境參數(shù)的傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述傳感器節(jié)點通過無線通信網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控中心，所述傳感器節(jié)點包含溫濕度傳感器、風速檢測模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊和電源模塊；所述溫濕度傳感器和風速檢測模塊分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊和電源模塊分別與數(shù)據(jù)處理模塊連接；所述電源模塊包含依次連接的溫差電能收集器、電源能量管理電路，所述電源能量管理電路包含MPPT模塊、電能輸出接口、升壓電路和能量緩沖器，所述能量緩沖器包含儲能電容、比較器和穩(wěn)壓器；所述MPPT模塊的輸出端連接電能輸出接口的輸入端、所述電能輸出接口的輸出端連接升壓電路的輸入端，所述升壓電路的輸出端連接穩(wěn)壓器的輸入端，所述比較器和儲能電容的輸入端連接在升壓電路和穩(wěn)壓器之間，所述升壓電路包含變換器、電感、穩(wěn)壓管、第一電解電容、第二電解電容、第一電阻和第二電阻，第一電解電容的正極分別連接電感的一端和電能輸出接口的輸出端，電感的另一端連接第一電阻的一端，第一電阻的另一端分別連接穩(wěn)壓管的正極和變換器的輸入端，穩(wěn)壓管的負極分別連接第二電解電容的正極、變換器的輸出端和開關(guān)的常閉端，開關(guān)的活動端與第二電阻串聯(lián)后與充電電路連接，第一電解電容的負極、第二電解電容的負極、變換器的接地端與地連接。

作為本發(fā)明一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)的進一步優(yōu)選方案，所述監(jiān)控中心包含控制器模塊以及分別與其連接的顯示模塊、無線射頻接收器和報警模塊。

作為本發(fā)明一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)的進一步優(yōu)選方案，所述溫濕度傳感器采用芯片型號為HTU21D的溫濕度傳感器。

作為本發(fā)明一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)的進一步優(yōu)選方案，所述無線通信模塊包含單片機以及與其連接的無線射頻發(fā)射器。

作為本發(fā)明一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)的進一步優(yōu)選方案，所述數(shù)據(jù)處理模塊采用芯片型號為SPCE061A的微處理器。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明采用芯片型號為HTU21D的溫濕度傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)路實時采集社區(qū)環(huán)境的溫濕度參數(shù)，其具有價格低廉、體積小、組網(wǎng)方便、靈活等特點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入社區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，通過實時對環(huán)境的監(jiān)測給社區(qū)居民提供方便；

2、本發(fā)明采用了高性能的微處理器SPCE061A為核心實現(xiàn)了一種智能建筑的網(wǎng)絡(luò)化消防報警監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)具有較強的網(wǎng)絡(luò)通信能力、高實時性、通信快速可靠的特點，具有很高的實用價值；

3、本發(fā)明以微型溫差發(fā)電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實現(xiàn)了可以從低至80mV的能量源采集能量，并利用外圍電路實現(xiàn)對能量源的最大功率點跟蹤控制，并結(jié)合能量緩沖器在必要時存儲能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩(wěn)壓器，實現(xiàn)了微型溫差能量的有效采集和利用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2是本發(fā)明傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖3是本發(fā)明傳感器節(jié)點電源模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明傳感器節(jié)點電源模塊升壓電路電路圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計一種基于升壓電路的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，包含監(jiān)控中心、無線通信網(wǎng)絡(luò)、和由多個用于檢測環(huán)境參數(shù)的傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述傳感器節(jié)點通過無線通信網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控中心，本發(fā)明通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對社區(qū)環(huán)境的各項參數(shù)進行實時檢測，更好的為社區(qū)服務(wù)，無線傳感器網(wǎng)路實時采集社區(qū)環(huán)境的溫濕度參數(shù)，其具有價格低廉、體積小、組網(wǎng)方便、靈活等特點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入社區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，通過實時對環(huán)境的監(jiān)測給社區(qū)居民提供方便。

如圖2所示，所述傳感器節(jié)點包含溫濕度傳感器、風速檢測模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊和電源模塊；所述溫濕度傳感器和風速檢測模塊分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊和電源模塊分別與數(shù)據(jù)處理模塊連接；本發(fā)明采用芯片型號為HTU21D的溫濕度傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)路實時采集社區(qū)環(huán)境的溫濕度參數(shù)，其具有價格低廉、體積小、組網(wǎng)方便、靈活等特點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入社區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，通過實時對環(huán)境的監(jiān)測給社區(qū)居民提供方便。

如圖3所示，所述電源模塊包含依次連接的溫差電能收集器、電源能量管理電路，所述電源能量管理電路包含MPPT模塊、電能輸出接口、升壓電路和能量緩沖器，所述能量緩沖器包含儲能電容、比較器和穩(wěn)壓器；所述MPPT模塊的輸出端連接電能輸出接口的輸入端、所述電能輸出接口的輸出端連接升壓電路的輸入端，所述升壓電路的輸出端連接穩(wěn)壓器的輸入端，所述比較器和儲能電容的輸入端連接在升壓電路和穩(wěn)壓器之間。

如圖4所示，所述升壓電路包含變換器、電感、穩(wěn)壓管、第一電解電容、第二電解電容、第一電阻和第二電阻，第一電解電容的正極分別連接電感的一端和電能輸出接口的輸出端，電感的另一端連接第一電阻的一端，第一電阻的另一端分別連接穩(wěn)壓管的正極和變換器的輸入端，穩(wěn)壓管的負極分別連接第二電解電容的正極、變換器的輸出端和開關(guān)的常閉端，開關(guān)的活動端與第二電阻串聯(lián)后與充電電路連接，第一電解電容的負極、第二電解電容的負極、變換器的接地端與地連接。

本發(fā)明以微型溫差發(fā)電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實現(xiàn)了可以從低至80mV的能量源采集能量，并利用外圍電路實現(xiàn)對能量源的最大功率點跟蹤控制，并結(jié)合能量緩沖器在必要時存儲能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩(wěn)壓器，實現(xiàn)了微型溫差能量的有效采集和利用。

微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的發(fā)射端結(jié)構(gòu)由溫差電能收集器、具有MPPT功能的升壓電路、能量緩沖器和系統(tǒng)負載(無線傳感器節(jié)點)組成。溫差電能收集器是由熱電轉(zhuǎn)換芯片組成的，可以根據(jù)實際的應(yīng)用場所的大小和所需電能的多少決定熱電轉(zhuǎn)換芯片表面積大小和疊加的層數(shù)，用以滿足不同的應(yīng)用環(huán)境。

電源管理集成電路主要是由最大功率點跟蹤模塊(MPPT)、電能輸出接口、升壓電路(DC-DC升壓模塊)、能量緩沖器構(gòu)成。其中能量緩沖器電路由儲能電容、比較器電路和穩(wěn)壓器電路構(gòu)成。負載主要包括處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。

BQ25504電源管理芯片主要實現(xiàn)了從熱能轉(zhuǎn)換模塊中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一個16個引腳的、3mm*3mm分裝的高效率能量管理芯片，16個引腳依次逆時針分布，本發(fā)明通過合理地應(yīng)用這些引腳的相應(yīng)的功能，實現(xiàn)了微型能量的高效管理。除此之外，該芯片的一個顯著優(yōu)點是擁有超低的工作啟動電壓，這使得它可以在穩(wěn)定工作時從低至80mv的能量源提取能量，并對超低電壓進行升壓轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)電路進行存儲使用。搭配合適的外圍電路實現(xiàn)了從超低功率能量源采集電能的最大功率點跟蹤，這對于微型溫差能量自供給系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。同時通過外圍電路設(shè)定過壓和欠壓的電路保護，保證芯片的穩(wěn)定工作。

MIC841N是一個超低功耗的具有內(nèi)部參考電壓的雙電壓比較器。在本發(fā)明通過設(shè)置其電壓比較的上限和下限來驅(qū)動后面的線性穩(wěn)壓器。其工作的特點是，通過不斷的檢測引腳VDD上的電壓，并與引腳LTH和HTH上設(shè)定的工作電壓進行比較，從而確定輸出的電壓的高低，進而控制穩(wěn)壓器TPS78001的工作狀態(tài)。

TPS78001是TI生產(chǎn)的超低功耗穩(wěn)壓器，它可以實現(xiàn)電路輸出電壓的穩(wěn)壓作用，通過設(shè)置相應(yīng)的外圍電路的電阻參數(shù)，可以使輸出得到一個穩(wěn)定的電壓，這樣就可以穩(wěn)定地驅(qū)動后面的無線傳感器發(fā)射節(jié)點。

MPPT是一種最大化利用發(fā)電器所產(chǎn)生電能的技術(shù)。本發(fā)明通過一定的電氣模塊調(diào)節(jié)微型溫差發(fā)電器的溫差芯片的輸出電壓，從而實現(xiàn)溫差發(fā)電器輸出功率的最大化。根據(jù)已知的微型溫差發(fā)電器的輸出特性曲線，當輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率。從TEG提取最大功率的技術(shù)主要是動態(tài)改變DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，本發(fā)明根據(jù)這一特性利用BQ25504采用了電阻比例分壓法實現(xiàn)了輸出電壓為開路電壓的一半，進而實現(xiàn)了輸出功率的最大化。

本發(fā)明通過高效的能量收集和有效的能量管理實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)，同時也順應(yīng)了現(xiàn)在我國通信行業(yè)綠色無線電的發(fā)展要求。

所述數(shù)據(jù)處理模塊通過單片機連接無線射頻發(fā)射器；所述溫濕度傳感器用于實時采集環(huán)境的溫濕度參數(shù)，所述風速檢測模塊用于實時檢測社區(qū)環(huán)境的風速，進而經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，進而將處理后的信息參數(shù)上傳至數(shù)據(jù)處理模塊，進而經(jīng)過單片機控制射頻發(fā)射器將采集的社區(qū)溫濕度參數(shù)和風速參數(shù)經(jīng)過路由器節(jié)點的匯總處理，進而上傳至監(jiān)控中心，當環(huán)境溫度和風速不適宜人出行時給出提醒。

本發(fā)明采用了高性能的微處理器SPCE061A為核心經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)具有較強的網(wǎng)絡(luò)通信能力、高實時性、通信快速可靠的特點，具有很高的實用價值；SPCE061A微處理器是凌陽科技公司所生產(chǎn)的16位μ'nSPTM微處理器，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)。主要參數(shù)有：工作電壓(CPU)VDD為2．4～3．6 V，(I／O)VDDH為2．4～5．5 V；時鐘：0．32～49．152 MHz；內(nèi)置2 KBSRAM和32 KB FLASH；2個16位可編程定時器／計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)；2個10位DAC(數(shù)／模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位I／O位通用可編程輸入／輸出端口；14個中斷源可來自定時器A／B時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；中斷系統(tǒng)支持10個中斷向量及10余個中斷源，具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能，內(nèi)置在線仿真電路ICE接口，具有保密能力，具有Watch Dog功能，μ'nSPTM的指令系統(tǒng)提供具有較高運算速度的16位×16位乘法運算指令和內(nèi)積運算指令，為其應(yīng)用增添了DSP功能。

SPCE061A具有很高的計算速度，這對于實時操作系統(tǒng)是極為重要的。對于SPCE061A，傳統(tǒng)的微處理器硬件和軟件的開發(fā)已被簡化，不再需要在線仿真。其SPCE061A大容量FLASH及SRAM，內(nèi)建以太網(wǎng)接口，可直接通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)控；具備UART接口，可使各種串行設(shè)備快速進行網(wǎng)絡(luò)連接。SPCE061A微處理器的軟件開發(fā)平臺ICE集編程、編譯、鏈接、調(diào)試、下載于一體，并有完善的TCP／IP協(xié)議棧，支持全功能UART通信，配備各種I／O驅(qū)動函數(shù)庫。

本發(fā)明采用芯片型號為HTU21D的溫濕度傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)路實時采集社區(qū)環(huán)境的溫濕度參數(shù)，其具有價格低廉、體積小、組網(wǎng)方便、靈活等特點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入社區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，通過實時對環(huán)境的監(jiān)測給社區(qū)居民提供方便；

本發(fā)明采用了高性能的微處理器SPCE061A為核心實現(xiàn)了一種智能建筑的網(wǎng)絡(luò)化消防報警監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)具有較強的網(wǎng)絡(luò)通信能力、高實時性、通信快速可靠的特點，具有很高的實用價值。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語（包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語）具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。上面對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以再不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。