專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電裝置，特別是涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，還涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器節(jié)點以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，可以多角度(設(shè)置多類傳感器)感知、連續(xù)采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息并報告給用戶。在環(huán)境監(jiān)測中，由于很多野外環(huán)境比較惡劣，比如煤礦、油田安全監(jiān)測、森林環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等，不適合搭建有線網(wǎng)絡(luò)，因此，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測有很大的優(yōu)勢。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，節(jié)點能量提供與管理技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。環(huán)境監(jiān)測對傳感器節(jié)點能源提供技術(shù)有如下幾個方面的要求:(I)體積??；(2)環(huán)境適應(yīng)性強；(3)安全性能高；(4)成本低；(5)無污染。通常情況下雖然傳感器節(jié)點采用超低功耗設(shè)計，但如果采用一次性電池供電，如采用2節(jié)AA電池進行供電，按照1500mAh的電池容量，每隔I分鐘進行I次溫濕度、煙霧等測量，估算節(jié)點也只可以工作半年。而在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多、分布區(qū)域廣且長期布設(shè)在無人值守的環(huán)境區(qū)域，傳感器節(jié)點部署環(huán)境和實際應(yīng)用中的要求決定了節(jié)點電源大多數(shù)情況下不可能接入正常的電力系統(tǒng)供電，通過頻繁更換電池的方式來補充能源也是不實際的，所以必須采用有效的能源補充策略，以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。傳統(tǒng)技術(shù)采用充電電池為節(jié)點提供能量，利用節(jié)點布放環(huán)境中一些能量資源(例如光能、風(fēng)能和機械振動能)為節(jié)點充電電池充電。傳統(tǒng)技術(shù)中適用于為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的可充電電池有鋰聚合物電池、鋰離子電池、鎳鎘電池、鎳氫電池,但這四種電池都存在著高低溫性能差、循環(huán)壽命差(均低于500次)，性能不穩(wěn)定，易泄露、損傷、有可能燃燒爆炸、有記憶效應(yīng)以及環(huán)境污染等問題。如鋰聚合物電池、鋰離子電池的工作溫度范圍通常只有-5 45°C，鎳鎘電池、鎳氫電池工作溫度范圍通常只有-10 50°C，而節(jié)點在應(yīng)用領(lǐng)域環(huán)境較為惡劣，夏季在陽光暴曬的情況下，地表溫度可達60°C以上，在此高溫環(huán)境下，傳統(tǒng)的鋰聚合物電池和鋰離子電池易鼓包開裂。當環(huán)境溫度高于40°C以上時對上述四種電池充電，都容易出現(xiàn)爆裂燃燒的情況，存在安全隱患。由此可見上述四種可充電電池并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一些安全性要求高的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中為節(jié)點供電。而節(jié)點供電的安全問題不解決，會限制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種高安全性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置。一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，包括為所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的充電電池,所述充電電池是磷酸鐵鋰電池。

優(yōu)選的，包括:發(fā)電模塊，用于產(chǎn)生電能；充電控制電路，連接所述發(fā)電模塊和磷酸鐵鋰電池，控制所述發(fā)電模塊為所述磷酸鐵鋰電池充電；穩(wěn)壓模塊，對所述磷酸鐵鋰電池輸出的電源進行穩(wěn)壓處理，并將穩(wěn)壓處理后的電能輸出給傳感器模塊和所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。優(yōu)選的，包括連接所述磷酸鐵鋰電池和穩(wěn)壓模塊的電池保護電路，用于在電路狀態(tài)異常時對所述磷酸鐵鋰電池進行保護。優(yōu)選的，所述電池保護電路包括電池保護芯片、放電控制MOS管、充電控制MOS管、第一限流電阻、第二限流電阻以及第一濾波電容，所述放電控制MOS管和充電控制MOS管是N溝道MOS管；所述電池保護芯片的接地端接地并連接所述磷酸鐵鋰電池的負極；所述電池保護芯片的電源端與所述磷酸鐵鋰電池的正極之間接有第一限流電阻，且所述電源端與接地端之間接有所述第一濾波電容；所述放電控制MOS管的柵極連接所述電池保護芯片的放電控制端，所述放電控制MOS管的源極連接所述磷酸鐵鋰電池的負極，所述放電控制MOS管的漏極與充電控制MOS管的漏極相互連接；所述充電控制MOS管的柵極連接所述電池保護芯片的充電控制端，所述第二限流電阻一端連接充電控制MOS管的源極，另一端連接所述電池保護芯片的過流檢測端。優(yōu)選的，所述充電控制電路包括充電控制芯片、充電電流設(shè)置電阻、維持電流設(shè)置電阻、第一分壓電阻、第二分壓電阻、第三分壓電阻、第四分壓電阻、第三限流電阻、熱敏電阻、第二濾波電容、NPN型三極管、充電指示發(fā)光二極管以及維持指示發(fā)光二極管；所述充電控制芯片的溫度檢測端與所述磷酸鐵鋰電池的負極之間接有所述熱敏電阻，所述熱敏電阻連接溫度檢測端的一端與地線之間接有第二分壓電阻；所述充電控制芯片的電壓輸入端與所述第二分壓電阻之間接有第一分壓電阻，所述電壓輸入端與地線之間接有第二濾波電容，所述電壓輸入端連接發(fā)電模塊的輸出端獲取發(fā)電模塊產(chǎn)生的電能；所述NPN型三極管的發(fā)射極接地，所述第三限流電阻一端接NPN型三極管的基極，另一端接所述充電控制芯片的充電狀態(tài)指示端和所述充電指示發(fā)光二極管的負極，所述充電指示發(fā)光二極管的正極連接所述電壓輸入端，所述維持指示發(fā)光二極管的正極連接所述電壓輸入端，所述維持指示發(fā)光二極管的負極連接所述NPN型三極管的集電極；所述充電控制芯片的維持電流設(shè)置端與充電電流設(shè)置端之間接有維持電流設(shè)置電阻；所述充電控制芯片的充電電流設(shè)置端與地線之間接有充電電流設(shè)置電阻；所述充電控制芯片的電池連接端連接所述磷酸鐵鋰電池的正極且與所述充電控制芯片的電池電壓反饋端之間接有第三分壓電阻；所述充電控制芯片的電池電壓反饋端與地線之間接有第四分壓電阻。優(yōu)選的，所述發(fā)電模塊是太陽能電池板。優(yōu)選的，所述穩(wěn)壓模塊包括第一升壓穩(wěn)壓電路和第二升壓穩(wěn)壓電路；所述第一升壓穩(wěn)壓電路用于向所述傳感器模塊和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輸出3.3伏特直流電源，所述第二升壓穩(wěn)壓電路用于向所述傳感器模塊輸出9伏特直流電源。還有必要提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置以及傳感器模塊，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置包括磷酸鐵鋰電池。優(yōu)選的，所述傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、煙霧傳感器以及風(fēng)向傳感器。優(yōu)選的，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置包括:發(fā)電模塊，用于產(chǎn)生電能；充電控制電路，連接所述發(fā)電模塊和磷酸鐵鋰電池，控制所述發(fā)電模塊為所述磷酸鐵鋰電池充電；穩(wěn)壓模塊，對所述磷酸鐵鋰電池輸出的電源進行穩(wěn)壓處理，并將穩(wěn)壓處理后的電能輸出給傳感器模塊和所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；所述穩(wěn)壓模塊包括第一升壓穩(wěn)壓電路和第二升壓穩(wěn)壓電路；所述第一升壓穩(wěn)壓電路用于向所述溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輸出3.3伏特直流電源，所述第二升壓穩(wěn)壓電路用于向所述煙霧傳感器和風(fēng)向傳感器輸出9伏特直流電源。上述高安全性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用磷酸鐵鋰電池為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電，該電池具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性能好。因此，提高了裝置/系統(tǒng)整體的安全性，有效延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存期，延長了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。也解決了在煤礦、油田安全監(jiān)測、森林環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等特殊環(huán)境下節(jié)點的工作安全問題。

圖1是一實施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的示意圖；圖2是另一實施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不意圖；圖3是一實施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置的電路原理圖；圖4是圖3所示電路原理圖中充電控制電路的電路原理圖；圖5是圖3所示電路原理圖中電池保護電路的電路原理圖；圖6是圖3所示電路原理圖中第一升壓穩(wěn)壓電路的電路原理圖；圖7是圖3所示電路原理圖中第二升壓`穩(wěn)壓電路的電路原理圖。
具體實施方式為使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。為解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在環(huán)境監(jiān)測中的安全隱患問題，本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置中的充電電池選用磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池是一種用磷酸鐵鋰(LiFePO4)材料作電池正極、用石墨作電池負極的新型鋰離子電池。該電池正極材料具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性能好。工作溫度范圍可達-20 75°C，外部溫度65°C時內(nèi)部溫度即使高達95°C，電池的結(jié)構(gòu)仍然安全、完好。在常溫下進行IC充放電，單體經(jīng)2000次循環(huán)后容量仍大于80%，使用壽命可達8年，長期使用成本經(jīng)濟。無記憶效應(yīng)，過放電到零伏也無損壞。對環(huán)境無污染。磷酸鐵鋰電池的這些特點完全符合環(huán)境監(jiān)測對傳感器節(jié)點能源提供技術(shù)的要求，是目前較合適的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的充電電池。圖1是一實施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的示意圖，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點20、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置以及傳感器模塊30。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置除了磷酸鐵鋰電池130外還包括:發(fā)電模塊110，用于產(chǎn)生電能。
充電控制電路120，連接發(fā)電模塊110和磷酸鐵鋰電池130，控制發(fā)電模塊110為磷酸鐵鋰電池130充電。穩(wěn)壓模塊140，對磷酸鐵鋰電池130輸出的電源進行穩(wěn)壓處理，并將穩(wěn)壓處理后的電能輸出給傳感器模塊30和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點20。在一個實施例中，發(fā)電模塊110采用太陽能電池板。太陽能是目前最常見并且使用最成熟的一項可再生能源，它產(chǎn)生的能源充足，成本低，適用于布設(shè)在環(huán)境監(jiān)測中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。在一個實施例中，太陽能電池為多晶娃型，尺寸為56mmX 56mm,安裝于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點20的外殼或密封蓋上。該太陽能電池的輸出電壓最大為4.4V，最大電流為70mA，最大功率約為0.4W。磷酸鐵鋰電池130的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是
3.6±0.05V、終止放電電壓是2.0V，容量lOOOmAh。采用太陽能既可解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身的供能問題，有效延長了節(jié)點的生存期，延長了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，也減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置次數(shù)，降低了應(yīng)用成本。由于太陽能電池板的輸出電流隨光照強度的變化而變化，所以一般不能用太陽能電池板給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點20直接供電，需要將太陽能電池板的能量先存儲在充電電池中，然后通過充電電池為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電。圖2是另一實施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的示意圖，其在圖1所示實施例的基礎(chǔ)上增加了電池保護電路150，且穩(wěn)壓模塊140具體包括第一升壓穩(wěn)壓電路142和第二升壓穩(wěn)壓電路144。電池保護電路150連接磷酸鐵鋰電池130和穩(wěn)壓模塊140，用于在電路狀態(tài)異常時對磷酸鐵鋰電池130進行保護。在本實施例中，傳感器模塊30包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、煙霧傳感器以及風(fēng)向傳感器。其中溫度傳感器、濕度傳感器以及光照度傳感器需要較為穩(wěn)定的3 3.3V直流電源，風(fēng)向傳感器和煙霧傳感器需要8 12V直流電源。上述各種器件所需的電壓不一致，為使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點20可靠地工作，高效的DC-DC升壓穩(wěn)壓供電電路也是必不可少的一環(huán)。因此穩(wěn)壓模塊140包括用于向溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點20輸出3.3V直流電源的第一升壓穩(wěn)壓電路142，以及用于向煙霧傳感器和風(fēng)向傳感器輸出9V直流電源的第二升壓穩(wěn)壓電路144。圖3是一實施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置的電路原理圖。圖4是圖3所示電路原理圖中充電控制電路120的電路原理圖。充電控制電路120包括充電控制芯片Ul、維持電流設(shè)置電阻R7、充電電流設(shè)置電阻R8、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第三分壓電阻R9、第四分壓電阻R10、第三限流電阻R3、熱敏電阻RTC、第二濾波電容Cl、NPN型三極管Q1、充電指示發(fā)光二極管RLED以及維持指示發(fā)光二極管GLED。在其它實施例中，NPN型三極管Ql可以用其它開關(guān)器件代替，例如一個N溝道M0SFET。充電控制芯片Ul的溫度檢測端TEMP與磷酸鐵鋰電池130的負極之間接有熱敏電阻RTC，熱敏電阻RTC連接溫度檢測端TEMP的一端與地線之間接有第二分壓電阻R2。充電控制芯片Ul的電壓輸入端VIN與第二分壓電阻R2之間接有第一分壓電阻Rl,電壓輸入端VIN與地線之間接有第二濾波電容Cl，電壓輸入端VIN連接發(fā)電模塊110的輸出端以獲取發(fā)電模塊110產(chǎn)生的電能。NPN型三極管Ql的發(fā)射極接地，第三限流電阻R3—端接NPN型三極管Ql的基極，另一端接充電控制芯片Ul的充電狀態(tài)指示端CHRG和充電指示發(fā)光二極管RLED的負極，充電指示發(fā)光二極管RLED的正極連接電壓輸入端VIN。維持指示發(fā)光二極管GLED的正極所述電壓輸入端VIN，維持指示發(fā)光二極管GLED的負極連接NPN型三極管Ql的集電極。充電控制芯片Ul的維持電流設(shè)置端MIN與充電電流設(shè)置端ISET之間接有維持電流設(shè)置電阻R7。充電控制芯片Ul的充電電流設(shè)置端ISET與地線之間接有充電電流設(shè)置電阻R8。充電控制芯片Ul的電池連接端BAT連接磷酸鐵鋰電池130的正極，且電池連接端BAT與充電控制芯片Ul的電池電壓反饋端FB之間接有第三分壓電阻R9。充電控制芯片Ul的電池電壓反饋端FB與地線之間接有第四分壓電阻R10。充電控制芯片Ul的地端GND接地。在本實施例中，充電指示發(fā)光二極管RLED采用能發(fā)紅光的LED，維持指示發(fā)光二極管GLED采用能發(fā)綠光的LED。在本實施例中，充電控制電路120還包括與維持指示發(fā)光二極管GLED串聯(lián)的第四限流電阻R5，以及與充電指示發(fā)光二極管RLED串聯(lián)的第五限流電阻R6。充電控制芯片Ul的充電過程包括預(yù)充電(涓流充電)，恒流充電和維持充電三個階段。在本實施例中，充電控制芯片Ul采用型號為CN3082的芯片。當電壓輸入端VIN的輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值3.75V時，充電控制芯片Ul開始對電池充電，在預(yù)充電狀態(tài)和恒流充電狀態(tài)，充電狀態(tài)指示端CHRG輸出低電平，此時充電指示發(fā)光二極管RLED燈亮，表示充電正在進行。如果電池電壓反饋端FB電壓低于1.54V，充電控制芯片Ul處于預(yù)充電狀態(tài)，充電電流為所設(shè)置的恒流充電狀態(tài)的恒流充電電流的20%。當電池電壓反饋端FB的電壓大于1.54V且小于2.445V時，充電控制芯片Ul進入恒流充電狀態(tài)，恒流充電電流由充電電流設(shè)置電阻R8確定。當電池電壓反饋端FB的電壓大于2.445V時，充電控制芯片Ul進入維持充電狀態(tài)，維持充電電流由電壓輸入端VIN的輸入電壓、充電電流設(shè)置電阻R8和維持電流設(shè)置電阻R7共同決定。充電狀態(tài)指示端CHRG輸出高阻態(tài)，此時充電指示發(fā)光二極管RLED燈滅，維持指示發(fā)光二極管GLED燈亮，表示充電結(jié)束，進入維持充電狀態(tài)。當電池電壓反饋端FB的電壓下降到1.65V時，充電控制芯片Ul將開始新的充電周期，進入預(yù)充電狀態(tài)或者恒流充電狀態(tài)。充電控制芯片Ul具有輸入電壓源限流模式。當因光照不強，發(fā)電模塊110的電流輸出能力小于所設(shè)置的恒流充電電流時，充電控制芯片Ul內(nèi)部的8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路根據(jù)發(fā)電模塊110的電流輸出能力自動控制充電電流，此時實際充電電流可能小于所設(shè)置的恒流充電電流，但是在保證電壓輸入端VIN的電壓不低于最小工作電壓的前提下，能夠使得充電電流最大化。充電控制芯片Ul還具有電池溫度監(jiān)測保護功能，具體是通過測量溫度檢測端TEMP的電壓實現(xiàn)。熱敏電阻RTC設(shè)置于磷酸鐵鋰電池130的內(nèi)部或貼設(shè)于磷酸鐵鋰電池130的外部，在本實施例中熱敏電阻RTC采用負溫度系數(shù)熱敏電阻。充電控制芯片Ul將溫度檢測端TEMP的電壓同芯片內(nèi)部的兩個閾值Vm和Vhiot相比較，以確認磷酸鐵鋰電池130的溫度是否超出正常范圍。設(shè)電壓輸入端VIN的電壓為V1，在充電控制芯片Ul內(nèi)部，V-被固定在45% XV1, Vhigh被固定在80% XV”如果溫度檢測端TEMP的電壓Vtemp < Vlow超過
0.15秒、或者Vtemp > Vhigh超過0.15秒，則表示電池的溫度太高或者太低，充電過程將被暫停。如果在暫停的狀態(tài)下Vtemp在Vot和Vhiot之間超過0.15秒，充電周期則繼續(xù)。圖5是圖3所示電路原理圖中電池保護電路150的電路原理圖，電池保護電路150包括電池保護芯片U2、放電控制MOS管Ml、充電控制MOS管M2、第一限流電阻Rl2、第二限流電阻R4以及第一濾波電容C5。放電控制MOS管Ml和充電控制MOS管M2是N溝道MOSFET。
電池保護芯片U2的接地端VSS接地并連接磷酸鐵鋰電池130的負極。電池保護芯片U2的電源端VDD與磷酸鐵鋰電池130的正極之間接有第一限流電阻R12，起到限流、穩(wěn)壓及靜電防護的作用。電源端VDD與接地端VSS之間接有第一濾波電容C5，起到濾波穩(wěn)壓的作用。放電控制MOS管Ml的柵極連接電池保護芯片U2的放電控制端0D，放電控制MOS管Ml的源極連接磷酸鐵鋰電池130的負極，放電控制MOS管Ml的漏極與充電控制MOS管M2的漏極相互連接。充電控制MOS管M2的柵極連接電池保護芯片U2的充電控制端0C，第二限流電阻R4 —端連接充電控制MOS管M2的源極，另一端連接電池保護芯片U2的過流檢測端CS。在本實施例中，電池保護芯片U2采用型號為HY2112-AB的芯片。在一個實施例中，兩個N溝道MOSFET可以采用型號為STS8201的芯片實現(xiàn)。正常工作時，電池保護芯片U2持續(xù)偵測電源端VDD和接地端VSS之間的電池電壓，以及過流檢測端CS與接地端VSS之間的電壓差，來控制充電和放電。當電源端VDD和接地端VSS之間的電壓在過放電檢測電壓(2.1V)以上并在過充電檢測電壓(3.65V)以下，且過流檢測端CS的電壓在放電過流檢測電壓(IOOmV)以下時，電池保護芯片U2的充電控制端OC和放電控制端OD都輸出高電平，使充電控制MOS管M2和放電控制MOS管Ml同時導(dǎo)通。此狀態(tài)下，充電和放電都可以自由進行。正常工作狀態(tài)下的磷酸鐵鋰電池130在充電過程中，為防止溫度上升所導(dǎo)致的電池內(nèi)壓上升，電池保護芯片U2檢測磷酸鐵鋰電池130的電壓。一旦電源端VDD和接地端VSS之間的電壓超過過充電檢測電壓(3.65V)時，并且這種狀態(tài)持續(xù)的時間超過過充電檢測延遲時間(典型值100ms)以上時，即啟動過充電保護，電池保護芯片U2就會通過充電控制端OC關(guān)閉充電控制MOS管M2，停止充電。正常工作狀態(tài)下的磷酸鐵鋰電池130在放電過程中，當電池電壓降低到過放電檢測電壓(2.1V)以下，并且這種狀態(tài)持續(xù)的時間超過過放電檢測延遲時間(典型值25ms)以上時，即啟動過放保護。電池保護芯片U2會通過放電控制端OD關(guān)閉放電控制MOS管M1，停止放電。當關(guān)閉放電控制MOS管Ml后，過流檢測端CS由電池保護芯片U2內(nèi)部的電阻上拉到電源端VDD的輸入電壓，使電池保護芯片U2的耗電流減小到最小，將磷酸鐵鋰電池130保持在低靜態(tài)電流的待機模式。在磷酸鐵鋰電池130正常工作的狀態(tài)下，電池保護芯片U2通過檢測過流檢測端CS的電壓持續(xù)偵測放電電流進行過流/短路保護。一旦過流檢測端CS的電壓超過放電過流檢測電壓(IOOmV)，并且這種狀態(tài)持續(xù)的時間超過放電過流檢測延遲時間(典型值IOms)，則通過放電控制端OD關(guān)閉放電控制MOS管M1，停止放電。而一旦過流檢測端CS的電壓超過負載短路檢測電壓(0.85V)，并且這種狀態(tài)持續(xù)的時間超過負載短路檢測延遲時間(典型550us)，則也通過放電控制端OD關(guān)閉放電控制MOS管Ml，停止放電。過流或短路保護主要是為了防止意外原因(電池正負極遭金屬物誤觸短路或節(jié)點故障導(dǎo)致電流過大等)造成電池過電流或短路，此時為確保安全使電池停止放電。圖6是圖3所示電路原理圖中第一升壓穩(wěn)壓電路142的電路原理圖，圖7是圖3所示電路原理圖中第二升壓穩(wěn)壓電路144的電路原理圖。本發(fā)明中第一升壓穩(wěn)壓電路142通過VCC端口輸出3.3V直流電源，該直流電源經(jīng)過磁珠濾波后通過圖6所示的VDD端口給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的射頻部分供電。在本實施例中，第一升壓穩(wěn)壓電路142包括型號為TPS61097的低輸入電壓同步升壓轉(zhuǎn)換器U3，電源轉(zhuǎn)換效率大于95%，靜態(tài)電流小于5nA，在低輸出功率時具有省電模式以提高效率。請參看圖7，第二升壓穩(wěn)壓電路144通過PB+端獲取磷酸鐵鋰電池130提供的電能。第二升壓穩(wěn)壓電路144包括型號為MAX1790的低輸入電壓同步升壓轉(zhuǎn)換器U5，其輸出使能由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點20中的微處理器U4的IO端口PCO控制。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，包括為所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的充電電池，其特征在于，所述充電電池是磷酸鐵鋰電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，其特征在于，包括: 發(fā)電模塊，用于產(chǎn)生電能； 充電控制電路，連接所述發(fā)電模塊和磷酸鐵鋰電池，控制所述發(fā)電模塊為所述磷酸鐵鋰電池充電； 穩(wěn)壓模塊，對所述磷酸鐵鋰電池輸出的電源進行穩(wěn)壓處理，并將穩(wěn)壓處理后的電能輸出給傳感器模塊和所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，其特征在于，包括連接所述磷酸鐵鋰電池和穩(wěn)壓模塊的電池保護電路，用于在電路狀態(tài)異常時對所述磷酸鐵鋰電池進行保護。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，其特征在于，所述電池保護電路包括電池保護芯片、放電控制MOS管、充電控制MOS管、第一限流電阻、第二限流電阻以及第一濾波電容，所述放電控制MOS管和充電控制MOS管是N溝道MOS管； 所述電池保護芯片的接地端接地并連接所述磷酸鐵鋰電池的負極； 所述電池保護芯片的電源端與所述磷酸鐵鋰電池的正極之間接有第一限流電阻，且所述電源端與接地端之間接有所述第一濾波電容； 所述放電控制MOS管的柵極連接所述電池保護芯片的放電控制端，所述放電控制MOS管的源極連接所述磷酸鐵鋰電池的負極，所述放電控制MOS管的漏極與充電控制MOS管的漏極相互連接；` 所述充電控制MOS管的柵極連接所述電池保護芯片的充電控制端，所述第二限流電阻一端連接充電控制MOS管的源極，另一端連接所述電池保護芯片的過流檢測端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，其特征在于，所述充電控制電路包括充電控制芯片、充電電流設(shè)置電阻、維持電流設(shè)置電阻、第一分壓電阻、第二分壓電阻、第三分壓電阻、第四分壓電阻、第三限流電阻、熱敏電阻、第二濾波電容、NPN型三極管、充電指示發(fā)光二極管以及維持指示發(fā)光二極管； 所述充電控制芯片的溫度檢測端與所述磷酸鐵鋰電池的負極之間接有所述熱敏電阻，所述熱敏電阻連接溫度檢測端的一端與地線之間接有第二分壓電阻； 所述充電控制芯片的電壓輸入端與所述第二分壓電阻之間接有第一分壓電阻，所述電壓輸入端與地線之間接有第二濾波電容，所述電壓輸入端連接發(fā)電模塊的輸出端獲取發(fā)電模塊產(chǎn)生的電能； 所述NPN型三極管的發(fā)射極接地，所述第三限流電阻一端接NPN型三極管的基極，另一端接所述充電控制芯片的充電狀態(tài)指示端和所述充電指示發(fā)光二極管的負極，所述充電指示發(fā)光二極管的正極連接所述電壓輸入端，所述維持指示發(fā)光二極管的正極連接所述電壓輸入端，所述維持指示發(fā)光二極管的負極連接所述NPN型三極管的集電極； 所述充電控制芯片的維持電流設(shè)置端與充電電流設(shè)置端之間接有維持電流設(shè)置電阻； 所述充電控制芯片的充電電流設(shè)置端與地線之間接有充電電流設(shè)置電阻； 所述充電控制芯片的電池連接端連接所述磷酸鐵鋰電池的正極且與所述充電控制芯片的電池電壓反饋端之間接有第三分壓電阻； 所述充電控制芯片的電池電壓反饋端與地線之間接有第四分壓電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，其特征在于，所述發(fā)電模塊是太陽能電池板。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，其特征在于，所述穩(wěn)壓模塊包括第一升壓穩(wěn)壓電路和第二升壓穩(wěn)壓電路；所述第一升壓穩(wěn)壓電路用于向所述傳感器模塊和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輸出3.3伏特直流電源，所述第二升壓穩(wěn)壓電路用于向所述傳感器模塊輸出9伏特直流電源。
8.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置以及傳感器模塊，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置包括磷酸鐵鋰電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、煙霧傳感器以及風(fēng)向傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置包括: 發(fā)電模塊，用于產(chǎn)生電能； 充電控制電路，連接所述發(fā)電模塊和磷酸鐵鋰電池，控制所述發(fā)電模塊為所述磷酸鐵鋰電池充電； 穩(wěn)壓模塊，對所述磷酸鐵鋰電池輸出的電源進行穩(wěn)壓處理，并將穩(wěn)壓處理后的電能輸出給傳感器模塊和所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；所述穩(wěn)壓模塊包括第一升壓穩(wěn)壓電路和第二升壓穩(wěn)壓電路；所述第一升壓穩(wěn)壓電路用于向所述溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點輸出3.3伏特直流電源，所述第二升壓穩(wěn)壓電路用于向所述煙霧傳感器和風(fēng)向傳感器輸出9伏特直流電源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置，包括為所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的充電電池，所述充電電池是磷酸鐵鋰電池。本發(fā)明還涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置以及傳感器模塊，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電裝置包括磷酸鐵鋰電池。本發(fā)明采用磷酸鐵鋰電池為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電，該電池具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性能好。因此，提高了裝置/系統(tǒng)整體的安全性，有效延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存期，延長了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號H02J7/00GK103166252SQ20111040974
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者耿永清, 于峰崎 申請人:中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院