基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路

摘要

本发明公开了一种能量采集器的无源无线传感器节点电源电路，包括能量采集器、转换储存电路、电源管理电路、传感器模块和信息发送模块；所述能量采集器包括复数个振动能量采集器，所述转换储存电路包括整流电路和储能单元，所述电源管理电路包括启动阈值检测电路、反馈电路、关断阈值检测电路和开关电路。本发明所述的电源原理电路是一种无电阻低功耗电路，在任意能量采集器输出功率条件下，自动检测储能单元上电压变化，储能单元上能量满足传感节点工作要求时，为节点提供稳定电源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路，属于传感技术领域。

背景技术

随着无线通信、传感技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，无线传感网络可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，为物联网的发展奠定基础。这些组成无线传感网的传感器节点常在能源极度受限的情况下工作，例如国防边境、自然野外或无人区域等。若采用有线供电将极大地限制物联网节点的部署范围，削弱无线传感技术的意义；采用电池供电则将将导致相当高成本的电池更换和维护工作。因此，在保证可靠性的前提下为传感器节点提供稳定能量，实现自供电的传感器节点对解决无线传感网工作寿命受限、推动物联网发展具有重大意义。

近年来，随着微机械系统技术的发展及无线传感网节点对微小型新能源需求的增长，出现了不同形式的能量采集器，如振动能量采集器可以将环境中不同频率不同频带振动转换为电能并具有体积结构小、易集成、不需更换等优点，为解决上述问题提供了一种合理的方法。但是实际环境中，振动较为杂散，分布频带较宽，常常在10Hz量级的低频，不管振动能量采集器采用压电式、电磁感应式还是静电式的换能机制，对于大多数能量收集器而言，虽然振动产生相当高的输出电压，但其最大输出功率往往不高、输出电流较小，其输出电压是环境振动随机变化，对于可应用的小体积能量采集器而言上述问题更加突出。因此，能量采集器输出的能量是无法直接驱动后续电路。

发明专利申请201310508550X中，介绍了一种采用分级储能方式的微能量控制电路，可以实现由控制器按照输入电压等级不同将能量储存在不同的存储模块内，实现微能量的高效储存转化；实用新型专利201320277157.X中，提出了一种多能量采集的无线传感网络节点电源，可以在不同的环境条件下有稳定能量供应。但上述方案都无法实现储能单元电压的阈值控制且存在功耗过大缺陷，不宜适用于能量采集器供电的无源无线传感节点中。

现有技术仍存在以下问题：首先，由于振动能量采集器的输出功率小，在储能单元电压增长速率有限情况下，如何设计电源管理电路使微控制器芯片、传感器芯片、射频芯片电源端的压摆率达到上电复位启动的要求；其次，如何管理储能单元上的能量，为传感节点提供充足能量，使自供电传感节点可以稳定工作，高效率的实现信息发送；最后，在有限能量下，如何设计传感节点的工作模式，使节点可以实现高效率低功耗的数字信息发射。

有鉴于此，本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何设计一个高效率低功耗的电源电路，在能量采集器输出功率有限情况下，使得整个电源电路稳定工作。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路，解决现有技术低效率、高功耗、信息传播距离短等问题。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路，包括能量采集器、转换储存电路、电源管理电路、传感器模块和信息发送模块，

所述能量采集器与转换储存电路电连接，所述转换储存电路与电源管理电路电连接，所述电源管理电路分别与传感器模块和信息发送模块电连接，

所述能量采集器包括复数个振动能量采集器，所述转换储存电路包括整流电路和储能单元，所述电源管理电路包括启动阈值检测电路、反馈电路、关断阈值检测电路和开关电路。

优选地，所述启动阈值检测电路包括第一电压检测芯片、第一NMOS管和第一PMOS管，所述第一电压检测芯片的输入端与储能单元的正极相连，所述第一电压检测芯片的地线与储能单元负极相连，输出端均与两个MOS管的栅极相连，第一NMOS管的漏极与第一PMOS管的漏极相连。

优选地，所述反馈电路包括第二NMOS管、第二PMOS管，所述第二NMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极相连，所述第二NMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连。

优选地，所述关断阈值检测电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第二电压检测芯片，所述第三PMOS管的栅极与第一NMOS管的漏极相连，所述第三PMOS管的漏极与第二电压检测芯片的输出相连，所述第四PMOS管的栅极与第二NMOS管的漏极相连，所述第四PMOS管的漏极与第二电压检测芯片的输出相连，所述第二电压检测芯片的输出端与第二NOMS管的栅极相连，其地线与储能单元的负极相连。

优选地，所述开关电路包括第三NMOS管、第五PMOS管和二极管，所述第三NMOS管的栅极与第二电压检测芯片的输出端相连，所述第三NMOS管的漏极与第五PMOS管的栅极相连，所述二极管的正极与第五PMOS管的栅极相连，所述二极管的负极与第五PMOS管的源极相连，其中所述第五PMOS管的漏极为电源管理电路输出端。

优选地，所述第一NMOS管、所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的源极均与储能单元的负极相连；所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管的源极均与储能单元的正极相连。即每个所述NMOS管的源极均与储能单元的负极相连，每个所述PMOS管的源极均与储能单元的正极相连。

优选地，所述传感器单元为温度湿度传感器、压力传感器、位置运动传感器、气体传感器或生化传感器中的一种或几种。

优选地，所述天线为柱状天线、鞭状天线、PCB天线或定向天线中的一种或几种。

上文中，所述启动阈值检测电路的输出端与关断阈值检测电路的控制端相连，所述关断阈值检测电路的输出端与反馈电路的输入端相连，所述反馈电路的输出端与关断阈值检测电路的反馈端相连，所述关断阈值检测电路的输出端与开关电路的输入端相连，所述启动阈值检测电路的输入端和所述关断阈值检测电路的输入端为电源管理电路的输入端，所述开关电路的输出端为电源管理电路的输出端。

上文中，传感器模块包括复数个传感器单元，信息发送模块包括微控制器、射频芯片和天线。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明所述的电源电路是一种无电阻低功耗电路，在任意能量采集器输出功率条件下，自动检测储能单元上电压变化，储能单元上能量满足传感节点工作要求时，为节点提供稳定电源；

2.本发明解决了现有传感节点供电技术中需要经常更换电池，容易造成环境污染，维护工作成本高的弊端，利用外界振动能量为后续单元供电，无需单独电源；

3.本发明自供电无源无线传感节点电源电路高效率、低功耗、可靠性好且传输距离远，实现能量和带宽资源的有效分配，具有很高的实用价值；

4.本发明可以在不同的环境条件下都能稳定的工作，对解决无线传感网工作寿命受限、推动物联网发展具有重大意义。

附图说明

图1是本发明实施例一的系统框图。

图2是本发明实施例一的电路图。

图3是本发明实施例一中电源管理电路的电路图。

图4是本发明实施例一的工作流程示意图。

其中：1、能量采集器；100、启动阈值检测电路；101、第一电压检测芯片；102、第一NOMS管；103、第一PMOS管；2、转换储存电路；200、反馈电路；201、第二NMOS管；202、第二PMOS管；3、电源管理电路；300、关断阈值检测电路；301、第三PMOS管；302、第四PMOS管；303、第二电压检测芯片；4、传感器模块；400、开关电路；401、第三NMOS管；402、第五PMOS管；403、二极管；5、信息发送模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1所示，为本实施例基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路的系统框图，包括能量采集器、转换储存电路、电源管理电路、传感器模块和信息发送模块；

参见图2所示，为本实施例基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路的电路图，能量采集器1包括复数个振动能量采集器，传感器模块4包括复数个传感器单元，转换储存电路2包括整流电路和储能单元，电源管理电路3包括启动阈值检测电路、反馈电路、关断阈值检测电路和开关电路，信息发送模块2包括微控制器、射频芯片和天线；

能量采集器1与转换储存电路2电连接，转换储存2电路与电源管理电路3电连接，电源管理电路3分别与传感器模块4和信息发送模块5电连接。

本实施例中，启动阈值检测电路包括第一电压检测芯片101、第一NMOS管102和第一PMOS管103，所述第一电压检测芯片101的输入端与储能单元正极相连，第一电压检测芯片101的地线与储能单元负极相连，输出端均与两个MOS管的栅极相连，第一NMOS管102的漏极与第一PMOS管103的漏极相连；

本实施例中，反馈电路包括第二NMOS管201、第二PMOS管202，所述第二NMOS管201的漏极与第二PMOS管202的漏极相连，所述第二NMOS管201的栅极与第二PMOS管202的栅极相连；

本实施例中，关断阈值检测电路包括第三PMOS管301、第四PMOS管302、第二电压检测芯片303，第三PMOS管301的栅极与第一NMOS管102的漏极相连，所述第三PMOS管301的漏极与第二电压检测芯303片的输出相连，第四PMOS管302的栅极与第二NMOS201管的漏极相连，第四PMOS管302的漏极与第二电压检测芯片303的输出相连，所述第二电压检测芯片303的输出端与第二NOMS管201的栅极相连，地线与储能单元的负极相连；

本实施例中，开关电路包括第三NMOS管401、第五PMOS管402和二极管403，第三NMOS管402的栅极与第二电压检测芯片303的输出端相连，第三NMOS管401的漏极与第五PMOS管402的栅极相连，二极管403的正极与第五PMOS管402的栅极相连，二极管403的负极与第五PMOS管402的源极相连，其中所述第五PMOS管402的漏极为电源管理电路输出端；

本实施例中，第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管的源极均与储能单元的负极相连；第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管的源极均与储能单元的正极相连。每个NMOS管的源极均与储能单元的负极相连，每个PMOS管的源极均与储能单元的正极相连。

本实施例中，启动阈值检测电路100的输出端与关断阈值检测电路300的控制端相连，所述关断阈值检测电路300的输出端与反馈电路200的输入端相连，所述反馈电路200的输出端与关断阈值检测电路300的反馈端相连，所述关断阈值检测电路300的输出端与开关电路400的输入端相连，所述启动阈值检测电路100的输入端和所述关断阈值检测电路300的输入端为电源管理电路3的输入端，所述开关电路400的输出端为电源管理电路3的输出端。

本实施例中，所述启动阈值检测电路100的输出端与关断阈值检测电路300的控制端相连，所述关断阈值检测电路300的输出端与反馈电路200的输入端相连，所述反馈电路200的输出端与关断阈值检测电路300的反馈端相连，所述关断阈值检测电路300的输出端与开关电路400的输入端相连，所述启动阈值检测电路100的输入端和所述关断阈值检测电路300的输入端为电源管理电路3的输入端，所述开关电路400的输出端为电源管理电路3的输出端。

本实施例中，储能单元用于储存由能量采集器1采集的能量，电源管理电路3用于能量和带宽等资源的有效分配，能量采集器1将环境中振动机械能转换为电能，传感器模块4用于监测数据，信息发送模块5用于数据包的处理与收发。

本实施例中，储能单元为复数个钽电容；现有的储能单元可以为可充电电池，但其存在充放电次数限制，同时废弃的电池会污染环境，还有的储能单元为超级电容，但其存在较大的漏电流；而本实施例的钽电容的容值相对较小，可以根据实际的需求并联数个组成容值较大的电容，以满足系统对能量的需求，本实施例采用的钽电容为470uF钽电容。

本发明电源管理电路的设计原理如下：不管振动能量采集器的换能机制是压电式、电磁感应式还是静电式，对于大多数能量收集器而言，虽然振动产生较高的输出电压，但其输出电流十分微小通常为十几微安，所以输出功率往往不高；同时，输出电压受环境振动影响，能量采集器输出随机变化、不稳定，对后续的电路工作带来很大的影响，无法直接驱动电子设备。在实际应用中，储能单元上的电压是慢慢增加的，而微控制器及射频模芯片等都是利用POR（上电复位）原理启动芯片，这样的启动方法对加载在微控制器供电端电压的压摆率有较大要求，如SI4463芯片要求VDD上电压在1ms内上升到VRRH（最小启动电压的百分之九十），并在接下来的10ms内持续供电，微控制器才能正常启动。若直接将微控制器电源端与储能单元的正极相连，在储能单元上电压未达到微控制器的工作电压前，振动能量采集器所提供的电流全部被微控制器消耗，储能单元上的电压不再继续增加，微控制器被限制在“亚启动”状态，无法正常启动。

因此在后续与储能单元之间需要一个电源管理电路，这个电源管理电路可以在能量采集器输出功率有限的前提下，实现微控制器正常启动并保证其稳定工作；振动能量采集器所提供的能量是由外界环境决定，不同频带不同频率的振动，导致能量采集器的输出功率也是变化无法预估的，因此电源管理电路应自动检测储能单元上储存能量是否达到驱动后续电路的启动阈值，在能量不足以维持后续电路工作时，关断储能电容与后续电路的连接。

参见图3所示，为本实施例电源管理电路3的示意图，包括启动阈值检测电路100、反馈电路200、关断阈值检测电路300和开关电路，第一电压检测芯片的电压检测阈值VON、第二电压检测芯片的电压检测阈值VOFF和储能电容C共同决定开关电路在导通期间为后续电路提供的电能值：W=1/2*C*(VON2-VOFF2)。本实施例中电压检测芯片可优先选用TOREX公司的XC61CC，第一电压检测芯片选用XC61CC3502MR芯片，第二电压检测芯片可选用XC61CC1802MR，选用上述470uF的钽电容，储能单元为后续电路提供2.12mJ的电能。

本实施例中，电源管理电路3的工作步骤如下：能量采集器1将振动能转换为电能，储存在储能单元上。储能单元C上电压增加，在未达到3.5V时，第一电压检测芯片101输出为零，第一PMOS管103导通使第三PMOS管301关断，第二电压检测芯片303输出为零，反馈电路200无法产生反馈信号，开关电路400关断，电源管理电路的输出为零。当储能单元C上电压增长高于3.5V时，第一NMOS管102导通导致第三PMOS管301导通，第二电压检测芯片303输出高电压，开关电路400中第五PMOS管402导通，电源管理电路输出跟随电容电压变化。此时，反馈电路200中第二NMOS管201产生反馈信号，加载在第四PMOS管302上。当储能单元电压下降时，由于产生了反馈信号，在储能单元电压未降至第二电压检测芯片检测阈值时，第二电压检测芯片303输出保持高电平，开关电路200保持导通，直至储能单元上电压低于1.8V时，开关电路400中第三NMOS管401和第五PMOS管402处于截止状态，储能单元停止为后续电路供电,电源管理电路输出为零。

第二电压检测芯片303阈值与微控制器最小关断相同时，可以最大化利用储能单元上电压，也可以根据实际需要选择不同阈值的电压检测芯片。

采用上述电源管理电路3，可以实现信息发送模块在低输出功率的情况下正常启动，并保证能量采集器所提供的能量得到高效的利用，这样的电源管理电路具有普适性，对于其他低输出功率的能量采集器同样适用；利用上述电源管理装置的传感节点可以实现节点能量的全部自供给，解决了传统传感节点电源寿命有限，维护困难的问题，无限延长了节点工作寿命。

为了保证微控制器、传感器、射频芯片的稳定工作，或在选用大容量的储能单元时，可以选择性在电管管理电路3中加入升压型DC-DC转换器，以提高传感装置的稳定性及能量采集效率。

上述的电源管理电路3采用无电阻设计，大大降低了电源管理电路的功耗，但如果以阻性元件或其他器件代替电路关键部件，电源管理电路同样可以工作。

本实施例中，信息发送模块5包括微控制器、射频芯片和天线，其中微控制器可选用TI公司的MSP430，MSP430是一个16位具有精简指令集结构的超低功耗单片机，最低工作电压为1.8v，其片内资源丰富，可实现两路12位AD转换，具有I2C串行总线，在有实时时钟工作的低功耗LMP3模式下的最低功耗约0.7μA。由于各个传感节点之间不存在较大能量差，所以传感节点组网难度较大，在选择射频芯片时可选用具有极大发射功率的芯片以延长节点的通信距离。

本实施例中射频芯片选用SiliconLabs公司的SI4463芯片，这是一款高度集成的无线ISM收发芯片，覆盖了119MHz至1050MHz的Sub-1GHz频段，支持(G)FSK、4(G)FSK、(G)MSK、OOK四种可选调制方式，数据传输速率在100bps至1Mbps可调，待机模式下电流仅为40nA，最高发射功率是20+dBM，可以实现远距离的数据通信，本实施实例中选用了433MHz的载波频率和3.5Kbps的发射速率，用以平衡信息传输距离与能量消耗间的关系，不同应用场合根据实际需要改变载波频率及数据传输速率。为进一步降低智能信息发送模块的功耗，微控制器与射频芯片组成的信息发送模块通过超低功耗传感节点通信协议实现无线信息的发送。

本实施例中信息发送模块5工作步骤如下：当电源管理电路检测储能电容达到启动电压，微控制器上电启动后，可以在电源管理电路3提供的能量范围内立即控制传感器及信息发送模块完成工作，然后关断节点。也可以使节点长时间处于上电状态，以间歇工作的低功耗模式运行。

如图4所示，为本实施例的工作流程示意图，微控制器启动后立即进入低功耗模式。在此低功耗模式下，微控制器和射频芯片平时处于休眠状态，以省电模式运行，此时电流消耗仅有0.5μA。能量采集器1所采集到的能量在足以维持微控制器稳定工作并继续为能量储能单元提供能量。微控制器进入低功耗模式后由睡眠定时器按照预设的时间间隔唤醒微控制器的CPU，微控制器被唤醒后检测储能单元上的电压大小，计算此时储能单元上所提供的能量并判断此能量是否达到传感器模块与信息发送模块的能量阈值，若未达到阈值则立刻进入低功耗模式继续等待振动能量采集器采集能量，若达到能量阈值则通过微控制器使能传感器模块采集数据，存入微控制器的储存单元中，微控制器再将采集到的数据发送给信息发送模块，最终，信息发送模块将采集的传感数据以数据包的格式发送出去。

本实施例将上述的预设时间预设为6s，当然也可以根据实际的工作环境和需要来进行设置，微控制器启动进入低功耗模式6s后，由睡眠定时器唤醒CPU，微控制器输入端口检测储能单元电压信号V，检测时间约为1ms，这时，微控制器的CPU接受电压信号V，并通过1/2*C(V2-1.82)计算储能模块上的能量能否使传感器模块正常工作并保证微控制器的运行，若不能满足则微控制器立即进入低功耗模式，振动能量采集器继续等待采集周围环境振动能量，微控制器等待下次唤醒；若能量满足需求，则使能第一传感器，等传感器采集完数据后关闭第一传感器，并将采集到的数据发送至微控制器的储存单元中，此时微控制器再次进入低功耗模式，重复上述操作直至所有传感器工作完成。当所需传感信息为温度时，以温度传感器TMP112为例，工作电压为2v时消耗电流15μA工作时间为35ms,则可根据公式W=IRT计算出所需能量约为1.1mJ。传感器模块工作完成后，微控制器继续判断储能单元上电压是否可以使智能信息发送模块完成数据传输用，当判断有充足能量时，微控制器将储存单元中的采集数据发送至射频芯片，信息发送模块将数据处理成数据包格式并最终发送出去，若射频芯片的工作频率为433MHz，发射功率为Pt=＋20dBm(100mW)，接收灵敏度Pr=-110dBm的系统，假设收发天线增益Gr=Gt=0dB，以及空间传输损耗为35dB不变，根据自由空间损耗定理可以计算出节点通信距离约为3.1KM。

上述实施方案中，信息发送模块上电启动后进入低功耗模式，当储能单元储存的能量足够时，信息发送模块上电启动后，也可以立即发送传感信息。