專利名稱：基于振動機械能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于振動機械能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源系統(tǒng)。
背景技術：
目前，無線傳感器網(wǎng)絡在國際上備受關注，是一個涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并報告給用戶。因此，無線傳感器網(wǎng)絡在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多重要領域都有潛在的實用價值。然而，無線傳感器網(wǎng)絡并未像人們當初預想的那樣快速市場化，其中最關鍵的一 個制約瓶頸是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量供給問題。無線傳感器節(jié)點普遍采用自帶電池的供電方式，盡管電池的儲能密度和使用壽命不斷提高，但因電池有供能壽命有限，需重復充電，體積與質(zhì)量較大等自身無法克服的缺陷，并不能完全滿足無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展要求。隨著無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目越來越龐大，大規(guī)模的更換電池既不經(jīng)濟也不現(xiàn)實。因此，供能問題已成為無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸。壓電能量采集裝置可將環(huán)境周圍的振動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，具有結(jié)構(gòu)簡單，無電磁干擾，能量密度大，壽命長等優(yōu)點。優(yōu)化壓電能量采集裝置的能量采集效率和怎樣利用壓電能量采集裝置為無線網(wǎng)絡節(jié)點供電是研究的熱點。壓電能量采集裝置所收集的電能通常儲存在能量存儲裝置(如電池)中，通常由電池直接向網(wǎng)絡節(jié)點供電，但是壓電能量采集裝置收集的能量時多時少，而且電池的存儲能力有限，電池如果一直處于同時充電放電狀態(tài)，不利于電池壽命也不利于網(wǎng)絡節(jié)點的正常工作。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種利用壓電能量采集裝置為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電的電源系統(tǒng)，為壓電能量采集裝置向網(wǎng)絡節(jié)點供電提供了一種行之有效的途徑。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的方案是一種基于振動機械能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源系統(tǒng)，包括壓電發(fā)電裝置、壓電能量轉(zhuǎn)換單元和用于為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電的能量存儲單元，所述能量存儲單元通過一個能量管理單元連接無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電源，所述能量管理單元由一個智能開關電路(X)與一個穩(wěn)壓電路(Y)構(gòu)成，智能開關電路(X)輸入端連接所述能量存儲單元的輸出端，智能開關電路(Y)輸出端連接所述穩(wěn)壓電路(X)的輸入端，穩(wěn)壓電路(Y)輸出連接所述無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電源；智能開關電路(X)包括一個用于切斷與導通所述穩(wěn)壓電路輸入回路的開關管(Q7)，以及一條與能量存儲單元輸出端并聯(lián)的分壓支路，所述開關管(Q7)的控制端連接在所述分壓支路的分壓點上。所述分壓支路包括從智能開關電路的正輸入端到負輸入端依次串聯(lián)的第一電阻(R13)、PNP型的三極管(Q6)和第二電阻(R14)，三極管(Q6)的射極連接第一電阻(R13)，集電極連接第二電阻(R14)，開關管(Q6)的控制極連接在三極管(Q6)集電極；三極管(Q6)基極通過一個穩(wěn)壓管(D8)連接智能開關電路的負輸入端。所述開關管(Q7)為MOS管，源極與漏極連接在智能開關電路的負輸入端與負輸出端之間。本實用新型在能量存儲單元和無線網(wǎng)絡節(jié)點之間增設了一個能量管理單元，該能量管理單元能夠在能量存儲單元的電量較少時切斷對無線網(wǎng)絡節(jié)點的供電，對能量存儲單元進行充電，當充電到一定程度時，通過能量管理單元向無線網(wǎng)絡節(jié)點放電。本實用新型的壓電發(fā)電裝置、壓電能量轉(zhuǎn)換單元和能量存儲單元是一種自適應主動壓電能量采集裝置，由主電路與其控制單元構(gòu)成，主電路包括用于將外部激振力的振動能量轉(zhuǎn)換為電能的壓電元件，壓電元件通過電感(LI)輸出連接一個由二極管構(gòu)成的 全橋整流單元，該全橋整流單元的直流側(cè)通過一個DC/DC單元輸出連接一個能量存儲單元，全橋整流單元與DC/DC單元之間還設有一個充電電容(Cl)，所述全橋整流單元的每個二極管上均并聯(lián)有一個開關管(Q1-Q4)，所述DC/DC單元為Buck電路，該Buck電路中的開關管(Q5)接在所述充電電容(Cl)的正極端；全橋整流單元的交流側(cè)設有電流采集器，Buck電路的輸出端設有功率采集器，主電路中還設有一個用于采集外部激振力頻率的加速度傳感器；所述控制單元輸入采樣連接所述加速度傳感器的輸出信號、所述功率采集器的功率信號、所述電流采集器的電流信號；所述控制單元輸出控制連接所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關管(Q1-Q4)、所述Buck電路的開關管(Q5)的控制端。所述控制單元包括MCU，MCU產(chǎn)生最優(yōu)電壓相位信號，該最優(yōu)電壓相位信號、所述加速度傳感器的輸出信號以及所述電流采集器的輸出信號作為輸入連接到一個驅(qū)動信號產(chǎn)生電路，該驅(qū)動信號產(chǎn)生電路輸出觸發(fā)信號控制所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關管(Q1-Q4)。所述驅(qū)動信號產(chǎn)生電路通過輸入所述加速度傳感器的輸出信號與所述MCU輸出的最優(yōu)控制電壓相位信號，輸出與振動頻率對應的全橋整流單元的各開關管(Q1-Q4)的控制觸發(fā)信號。MCU產(chǎn)生最優(yōu)電壓幅值信號，該最優(yōu)電壓幅值信號輸出到所述Buck電路的開關管(Q5)的控制端。所述驅(qū)動信號產(chǎn)生電路還包括用于避免上下橋臂同時開通的死區(qū)生成單元。所述MCU采用MSP430F169微處理器。所述電流采集器為一個電流檢測單元，該電流檢測單元通過檢測串設在全橋整流單元交流側(cè)的采樣電阻(Rsensel)的兩端電壓差檢測電流。所述功率采集器為一個電流采集單元，該電流采集單元通過檢測串設在DC/DC單元輸出端的采樣電阻(RsenSe2)的兩端電壓差采集電流和/或功率。所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關管(Q1-Q4)、所述Buck電路的開關管(Q5)均為MOSFET。所述能量存儲單元包括一個恒壓充電器，該恒壓充電器輸出連接電池組。當周圍環(huán)境振動時，懸臂梁兩表面的壓電元件把振動能轉(zhuǎn)換為電能，壓電能量采集裝置的等效電學模型如圖5所示。假設外界激振力為正弦，則機械部分的阻抗可表示為Zm=C + j(com-—)Zm(I)
CD式中，m、k、C、to、a分別表示系統(tǒng)的慣性質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度、阻尼系數(shù)、振動頻率和力因數(shù)。[0017]當機械部分與電學部分阻抗匹配時，系統(tǒng)能采集到最大能量。機械部分匹配阻抗為
權利要求1.一種基于振動機械能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源系統(tǒng)，包括壓電發(fā)電裝置、壓電能量轉(zhuǎn)換單元和用于為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電的能量存儲單元，其特征在于，所述能量存儲單元通過一個能量管理單元連接無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電源，所述能量管理單元由一個智能開關電路(X)與一個穩(wěn)壓電路(Y)構(gòu)成，智能開關電路(X)輸入端連接所述能量存儲單元的輸出端，智能開關電路(Y)輸出端連接所述穩(wěn)壓電路(X)的輸入端，穩(wěn)壓電路(Y)輸出連接所述無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電源；智能開關電路(X)包括一個用于切斷與導通所述穩(wěn)壓電路輸入回路的開關管(Q7)，以及一條與能量存儲單元輸出端并聯(lián)的分壓支路，所述開關管(Q7)的控制端連接在所述分壓支路的分壓點上。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于振動機械能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源系統(tǒng)，其特征在于，所述分壓支路包括從智能開關電路的正輸入端到負輸入端依次串聯(lián)的第一電阻(R13)、PNP型的三極管(Q6 )和第二電阻(R14 )，三極管(Q6 )的射極連接第一電阻(R13 )，集電極連接第二電阻(R14)，開關管(Q6)的控制極連接在三極管(Q6)集電極；三極管(Q6)基極通過一個穩(wěn)壓管(D8)連接智能開關電路的負輸入端。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于振動機械能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源系統(tǒng)，其特征在于，所述開關管(Q7)為MOS管，源極與漏極連接在智能開關電路的負輸入端與負輸出端之間。
專利摘要本實用新型涉及一種基于振動機械能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源系統(tǒng)，在能量存儲單元和無線網(wǎng)絡節(jié)點之間增設了一個能量管理單元，該能量管理單元能夠在能量存儲單元的電量較少時切斷對無線網(wǎng)絡節(jié)點的供電，對能量存儲單元進行充電，當充電到一定程度時，通過能量管理單元向無線網(wǎng)絡節(jié)點放電。為壓電能量采集裝置向網(wǎng)絡節(jié)點供電提供了一種行之有效的途徑。
文檔編號H02J15/00GK202363945SQ20112051856
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月10日 優(yōu)先權日2011年12月10日
發(fā)明者付磊, 張利偉, 張前進, 彭勃, 李佩佩, 李敏, 李濟順, 梁釗, 鄭國強, 馬華紅 申請人:河南科技大學