基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统

摘要

本发明公开了一种基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统，系统主要包括太阳能采集模块、压电式垂直轴风能采集模块、超级电容储能模块和接口电路。其中，太阳能采集模块使用太阳能电池板采集环境中的光能，压电式垂直轴风能采集模块采集环境中的风能，超级电容模块将采集到的能量存储在超级电容中，接口电路为能量存储和WSN节点供电提供通道。另外，为了提高风能采集模块的采集效率并减小风向的影响，风能采集模块采用垂直轴压电式的方案。由于锂电池可充电次数有限，且环境能量采集过程中充放电频繁，系统中使用超级电容代替锂电池作为系统储能单元，可延长储能单元的寿命。本发明可采集坏境中的能量，无需人工更换电池、充电等维护，从而延长节点使用寿命，解决无线传感器网络的供能问题。

说明书

技术领域

本发明属于通信及广播技术领域，涉及一种基于太阳能-风能互补的WSN（无线传感器网络）节点的自供电设备，主要用于WSN节点的能量自供给。

背景技术

随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络以其廉价、方便、扩展性强和低能耗等优点，广泛应用在军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

传统的无线传感器网络节点通常使用干电池或可充电电池提供能量，但由于电池的容量有限，需要定期更换电池或为电池充电。然而在传感器节点数量多、分布范围广、环境恶劣、位置偏僻的情况下，更换电池或为电池充电这一工作将显得异常繁琐，无疑与无线传感器网络方便人们生活的初衷相违背。并且在使用可充电电池时，可充电电池往往在传感器节点失效之前达到使用寿命，大大影响了传感器节点的长时间使用。因此开发基于环境能量采集的环境友好型无线传感器网络自供电系统势在必行。

环境中可以采集的能量一般有以下几种：太阳能、风能、热能、振动能、电磁能等。对于不同形式的能量，丰富程度和采集原理都不相同，其中太阳能在环境中的丰富程度可达到100mW/cm2（光照下），风能的能量密度为 （1mW/cm2）其他形式的能量一般在μW/cm2数量级。随着太阳能电池板技术的发展和普及，太阳能的采集较为方便，一块尺寸为95*95mm的太阳能电池板在阳光下最大输出功率可达1W。风能的采集一般使用风力发电机，传统的风力发电设备体积大、能量转化率低、产生电磁场干扰无线信号输出，因此不适用于传感器节点的自供电系统。压电式风力发电机是指通过安装在扇叶旋转轴上的凸轮带动悬臂梁式压电振子做强迫振动产生电能的风能采集设备，这种风能采集设备能量转化率高，无电磁干扰且适用于微型设备中。

常用的电能存储装置有电池和电容两种。目前常见的可充电电池一般有铅蓄电池、镍镉电池，镍氢电池和锂电池。其中锂电池以能量密度高、自放电率低、单体电压高、 质量轻体积小等优点，被广泛应用于各种微系统设备的供电。但存在可充电次数较少，寿命短，工作温度范围较小等缺点，在传感器网络节点使用中产生风险。电容是靠聚集电荷存储电能，普通电容的储能密度较小，但超级电容的能量储存密度较大，一块尺寸为直径22mm高度45mm的超级电容，容量可达100F。超级电容工作温度范围广，且可充放电次数一般是锂电池的10~100倍，更适合在充放电频繁的能量采集系统中。

现有的一些节点自供电系统，如专利“光伏—温差微能源与无线传感器网路节点集成自治微系统”是基于光伏和温差的环境能量采集，但这两种能量都是在有光照时才能采集到，因此不能起到互补的作用；专利“一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统”中仅采用锂电池作为能量存储单元，限制了自供电系统的使用寿命和使用环境；专利“压电发电机供电的无线传感器网络节点”提出的是基于振动能量采集的自供电系统，但由于振动能的能量密度较小，因此仅适用于某些振动较强烈的场合。

发明内容

本发明为了弥补无线传感器网络节点使用电池供电的不足，提供了一种基于太阳能-风能互补的无线传感器网络节点自供电系统。该系统使用太阳能采集模块、压电式垂直轴风能采集模块采集环境中的太阳能和风能，转化为电能，并存储在由超级电容组成的电能存储模块中，超级电容作为供能单元向无线传感器网络节点供电。从而实现无线传感器网络节点能量自供给。

本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种基于太阳能-风能互补的无线传感器网络节点自供电系统，包括太阳能采集模块、压电式垂直轴风能采集模块、超级电容储能模块和接口电路。

太阳能采集模块用于采集环境中的太阳能并将其转化成电能，由安装在自供电系统外壳的太阳能电池板和二极管串联的构成，二极管的功能是防止电流逆行危害太阳能电池板。

压电式垂直轴风能采集模块用于采集环境中的风能并将其转化成电能，包括扇叶、压电振子阵列和安装有凸轮的旋转轴；四个扇叶平行于旋转轴，关于旋转轴中心对称分布，且与旋转轴半径方向有夹角。压电振子阵列由以旋转轴为中心呈圆周分布的压电振子单元阵列组成，压电振子单元由弹性体和压电陶瓷组成，两者粘贴在一起。凸轮具有突起部分，该突起部分在凸轮旋转时能够拨动弹性体，使弹性体发生强迫振动，从而使压电陶瓷变形产生电流。

接口电路的作用是为各个模块提供接口，其由太阳能输入模块、风能输入模块、电能存储接口和稳压模块几个部分组成。

太阳能输入模块包含一个二极管以防止电流逆行；风能输入模块包括桥式整流电路和小容量存储单元，其中桥式整流电路将风能采集模块采集到的交流电转换成直流电，小容量存储单元由小容量电容和开关电路组成，当小容量电容电压达到预定值时，开关电路导通，使小电容积累的能量传输给后级电路；电能存储接口将两个超级电容串联，稳压输出模块使输出电压满足WSN节点供电需求。

由于锂电池可充电次数较少，且环境能量采集过程中充放电频繁，系统中使用超级电容代替锂电池作为储能单元。超级电容储能模块由两个容量为60F的超级电容串联组成。为保证后级电路正常工作，超级电容储能模块电压应高于稳压模块的最低工作电压。串联连接可使超级电容储能模块总电压升高，从而使超级电容的有效容量增加，以提高超级电容储能模块的供能效率。

本发明的优点是采用太阳能-风能互补的能量采集形式，从环境中采集能量为无线传感器网络节点供电，实现了节点的自供电，免去为节点更换电池或为电池充电的工作。并使用了超级电容作为节点的能量存储单元，解决了由于锂电池寿命限制导致的无线传感器网络节点寿命短的问题。

附图说明

图1是本发明的各模块连接图。

图2是本发明的整体结构图。

图3是本发明的压电振子阵列结构图。

图4是本发明的接口电路图。

图中：1扇叶，2压电振子阵列，3接口电路，4超级电容储能模块，

5太阳能电池板，6旋转轴，7凸轮，8压电陶瓷，9弹性体，10固定环。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，从图中可以很容易看出各模块之间的连结关系：接口电路是本系统中各个模块之间链接的纽带。太阳能采集模块和压电式垂直轴风能采集模块采集到环境中的能量后通过接口电路对超级电容进行充电，将电能存储在超级电容储能模块中，也可直接为无线传感器网络节点供电（当超级电容储能模块中能量已经存满时）。当环境能量采集量不足以为节点供电时，超级电容将放电为节点供电，一旦再次采集到能量，将立即补充超级电容储能模块的损失。

如图2所示，压电式垂直轴风能采集模块，主要由扇叶1和压电振子阵列2、接口电路3、超级电容储能模块4、太阳能电池板5等。四个扇叶平行于旋转轴，关于旋转轴中心对称分布，且与旋转轴半径方向有夹角。垂直轴安装的优势是不受风向影响，结构稳定性好。风能的采集使用压电振子阵列，与传统的电磁式发电相比，风能转化效率更高且不产生电磁场不对无线信号产生干扰。超级电容储能模块使用两个60F的超级电容串联。使用超级电容存储电能与传统锂电池相比，具有可充放电次数多，使用寿命长，工作温度范围广等优势。使用两个超级电容串联以提高整个供能系统的电压，使储能系统的容量利用率更高。

如图3 所示，压电振子阵列主要由旋转轴6、凸轮7、压电陶瓷8、弹性体9等几部分组成，压电振子单元（包括压电陶瓷、弹性体）由固定环10固定。当扇叶转动，扇叶旋转轴带动安装在旋转轴上的凸轮转动。凸轮带动压电振子单元做强迫振动，压电振子中的压电陶瓷片发生形变从而产生电流。

图中旋转轴即为扇叶的旋转轴。凸轮是指具有一系列突起的轮盘。弹性体是压电振子的基体，使用铜质或铝合金薄片。压电陶瓷是具有压电效应的一种陶瓷材料，使用时将压电陶瓷粘接在弹性体上，随弹性体的振动产生微小形变。固定环用于固定这些压电振子单元，使其组成压电振子阵列。当风力带动扇叶旋转，旋转轴和凸轮随之旋转，凸轮突起部分拨动弹性体，使弹性体发生强迫振动，压电陶瓷变形产生电流。与传统的电磁式发电相比，这种结构使风能转化效率更高且不产生电磁场对无线信号不产生干扰。

如图4所示，接口电路为系统中各个模块的连接提供接口。主要实现接收太阳能采集模块和压电式垂直轴风能采集模块采集到的能量、为超级电容储能模块充放电提供接口、为WSN节点供电等功能。

如图示，接口电路由太阳能输入接口、压电式风能输入接口、电能存储接口和稳压输出几个部分组成。太阳能输入接口使用二极管与太阳能电池板串联防止电流逆行。压电式风能输入接口包含一个全桥整流电路将采集到的交变电压转化为直流电压，并为4.7mF的小容量电容C1充电，随着能量的积累小容量电容两端电压逐渐升高，当达到稳压二极管D5的稳压值和三极管Q1的阀值之和时，三极管Q1处于导通状态，电阻R2的分压达到场效应管Q2的开启电压，Q2处于导通状态即压电式垂直轴风能采集模块开始为超级电容供电，当C1的电压下降后，Q2再次处于断开状态，电容C1又开始处于充电状态，如此循环。稳压输出模块使用MAX666稳压芯片，并通过分压的方式将输出电压控制在3.3V。选用MAX666稳压芯片是因为其电压输入范围广，最低输入电压为2.0V，超级电容的容量利用率较高。