一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点制造技术

本实用新型专利技术公开了一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，包括微生物能量捕获装置、能量收集模块、超级电容器、锂电池、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳，所述微生物能量捕获装置通过能量收集模块与无线传感器网络节点、超级电容器相连，分别给无线传感器网络节点供电和超级电容充电，当超级电容器两端电压达到放电电压时，超级电容放电给锂电池充电，当微生物能量捕获装置的供能不足时，通过锂电池为无线传感器网络节点供电。本实用新型专利技术利用微生物能量捕获装置作为环境监测传感器网络节点供电的能量来源，能够有效地延长无线传感器网络节点的工作寿命，实现对湿地环境的长期监测，降低设备维护成本。

A wireless sensor network node for environmental monitoring of microbial energy harvesting

The utility model discloses an environmental monitoring wireless sensor network node for microbiological energy capture, including a microbial energy capture device, an energy collection module, a supercapacitor, a lithium battery, a switch circuit, a wireless sensor network node and a waterproof shell. The microorganism energy capture device passes through an energy collection model. The block is connected to the wireless sensor network node and supercapacitor, and the power supply of the wireless sensor network node and the supercapacitor charge respectively. When the voltage of the two ends of the supercapacitor reaches the discharge voltage, the supercapacitor charges the lithium battery. When the energy supply of the microbial energy capture device is insufficient, the lithium battery is transmitted to the battery for wireless transmission. Sense organ network node power supply. The utility model uses the microorganism energy capture device as the energy source of the network node of the environmental monitoring sensor network. It can effectively prolong the working life of the wireless sensor network nodes, realize the long-term monitoring of the wetland environment and reduce the cost of equipment maintenance.

【技术实现步骤摘要】
一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点
本技术涉及无线传感网络节点
，具体涉及一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点。
技术介绍
享有“地球之肾”美誉的湿地生态系统是自然界最富生物多样性的生态景观之一，湿地能够在净化环境，调节气候，改善人类生活居住条件方面具有重要作用，具有巨大的经济、生态和社会价值。改革开放以来，随着经济的快速发展，城市规模的不断扩张对湿地环境造成了不同程度的污染和破坏。因此，对湿地生态环境的保护就显得越发重要。在湿地生态环境保护的过程中，对湿地土壤的监测是不可或缺的一个环节。而传统的人工巡视监测对于大面积的湿地环境需要耗费大量的人力物力成本，且存在监测周期过长，无法对湿地环境远程实时监测等缺点。现有的由监控中心和若干监测子站组成的湿地生态环境监测系统虽然能够对大面的湿地环境进行实时远程监测，但是由于此系统需要预先铺设电缆和建立多个监测子站，存在着监测范围有限、对湿地生态环境造成破坏、系统成本过高等缺点。因此迫切需要一种高效、实时的湿地土壤监测技术。无线传感器网络是由大量具有监测功能的传感器节点通过无线通信方式实现信息传输，协同地完成不同项目功能的专用网络。无线传感器节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能，利用数据融合技术，传感器节点可完成多类数据信息处理工作，减少传输数据量，通过交换传输组成多跳的自组织、自学习的无线通信网络系统，实时地监测、感知和采集各种监测信息并发给监测人员。无线传感器网络自诞生以来就作为一种全新的信息获取手段，广泛应用于军事、环境监测、灾害预测等领域。
技术实现思路
针对目前湿地生态环境保护中存在的不能长时间监测、需要定期对装置进行维护等问题，本技术采用传感器网络技术，并且采用微生物能量捕获装置为环境监测传感器网络节点供电。实现对湿地环境的长期监测，降低设备维护成本。针对目前湿地土壤环境监测存在的问题，本技术提供了一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，包括微生物能量捕获装置、能量收集模块、超级电容器、锂电池、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳，所述微生物能量捕获装置通过能量收集模块与无线传感器网络节点、超级电容器相连，分别给无线传感器网络节点供电和超级电容充电，当超级电容器两端电压达到放电电压时，超级电容放电给锂电池充电，当微生物能量捕获装置的供能不足时，通过锂电池为无线传感器网络节点供电。在上述方案基础上，所述微生物能量捕获装置以土壤作为微生物的营养媒介，包括反应容器、阳极和阴极，所述反应容器中填充富含有微生物和足够养分的土壤，所述阳极深埋在土壤中来保证营养丰富、缺氧的环境，所述阴极放置在土壤表面以保持富氧的环境条件。将微生物能量捕获装置埋置在所需监测的区域，并通过两根导线将微生物能量捕获装置的阳极和阴极引出反应容器以输出电能。在上述方案基础上，所述反应容器采用圆筒状的聚氯乙烯网格桶，所述阳极采用碳布，所述阴极采用表面均匀涂有一层铂催化剂的碳纸。在上述方案基础上，所述无线传感器网络节点包括MCU(微控制器)、传感器、信号调理电路、无线收发模块和射频天线，所述传感器为分别用于测量土壤的含水量和PH值的土壤湿度传感器和土壤PH值传感器，所述传感器采集到的信息经过信号调理电路进行AD转换和放大处理后由MCU控制无线收发模块通过射频天线将土壤信息发送至邻近的汇聚节点，汇聚节点将信息发送给监测中心供监测人员分析湿地土壤环境状况。所述的无线收发模块采用Zigbee技术。在上述方案基础上，所述能量收集模块包括变压器和DC/DC变换芯片，所述变压器将微生物能量捕获装置产生的电压提升至DC/DC变换芯片的输入电压，所述变压器副端绕组上产生的交流电压通过外部充电泵电容器和芯片整流器进行升压和整流，整流电路将电流馈入VAUX引脚，并将电荷送至外部VAUX电容器，然后输送至其他输出，最后通过VOUT输出电压至无线传感器网络节点。在上述方案基础上，所述变压器为1:100的升压型变压器。在上述方案基础上，当生物能量捕获装置供电能量超过无线传感器网络节点工作所需的能量时，DC/DC变换芯片的VSTORE端口给电容CSTORE充电，该电容采用超级电容器，随着超级电容器两端的电压不断升高，MCU通过比较电路判断超级电容器两端电压是否达到所设定的放电电压值，当达到放电电压时，MCU发出控制信号使开关电路1导通，通过超级电容器放电升压电路给锂电池充电，当超级电容器两端的电压降到充电电压时，开关电路1断开，微生物能量捕获装置的多余能量继续给超级电容器充电。在上述方案基础上，当微生物能量捕获装置的产能不足时，开关电路2导通，由锂电池作为备用电源通过稳压电路给无线传感器网络节点继续供电，保证无线传感器网络节点的正常工作。在上述方案基础上，所述超级电容器放电升压电路与锂电池之间还设有充电保护电路。微生物能量捕获装置输出电能后经能量收集电路进行整流、升压处理后为微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)、传感器和射频模块供电。同时将微生物能量捕获装置产生的多余的电能存储在超级电容器中，在微生物能量捕获装置对超级电容器进行充电的过程中，超级电容器两端的电压逐渐升高。通过电压比较器判断超级电容器两端的电压是否达到预先设定的放电电压值，若是达到所设定的放电电压值，则通过MCU利用I/O端口输出信号控制开关电路1导通，超级电容器通过升压放电电路为锂电池进行充电。当超级电容器两端的电压值降到所设定的充电电压值时，MCU发出控制信号使开关电路1断开，超级电容器停止对锂电池的充电。微生物能量捕获装置产生的多余能量继续对超级电容器进行充电。当微生物能量捕获装置产生的能量充足时，微生物能量捕获装置直接给传感器节点供电。传感器采集到的信息经过信号调理电路进行AD转换、放大等处理。然后通过MCU控制无线收发模块将传感器采集到的土壤环境信息发送出去。当微生物能量捕获装置因养分不足而不能产生足够的能量供给传感器节点工作时，MCU发出控制信号使开关电路2导通，锂电池通过稳压电路为传感器节点供电。MCU和射频模块均采用低功耗器件，减少无线传感器网络节点的功耗，从而延长传无线感器网络节点的使用寿命。本技术与现有技术相比具有的有益效果是：本技术利用微生物能量捕获装置作为环境监测传感器网络节点供电的能量来源，由于湿地环境中的土壤富含微生物与营养物质，且微生物能量捕获装置以土壤为微生物的反应媒介，并且在湿地环境中，随着动植物的分解可以源源不断地供给微生物生长所需的营养物质，所以微生物能量捕获装置可以不断地产生电能供传感器节点使用；本技术还可将微生物能量捕获装置产生的多余能量存储在锂电池中作为备用电源，当微生物能量捕获装置的产能不足时，采用备用电池进行供电，保证了传感器节点工作的稳定性；本技术能够有效地延长无线传感器网络节点的工作寿命，实现对湿地环境的长期监测，降低设备维护成本。附图说明附图用来提供对本技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术，并不构成对本技术的限制。在附图中：图1为本技术的整体结构框图。图2为微生物能量捕获装置的结构示意图。图3为本技术的能量收集模块电路。图中：1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：包括微生物能量捕获装置(1)、能量收集模块(2)、超级电容器(3)、锂电池(4)、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳(5)，所述微生物能量捕获装置(1)通过能量收集模块(2)与无线传感器网络节点、超级电容器(3)相连，分别用于给无线传感器网络节点供电和超级电容器(3)充电，所述超级电容器(3)两端电压达到放电电压时，超级电容器(3)放电给锂电池(4)充电，所述微生物能量捕获装置(1)的供能不足时，通过锂电池(4)为无线传感器网络节点供电。

【技术特征摘要】
1.一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：包括微生物能量捕获装置(1)、能量收集模块(2)、超级电容器(3)、锂电池(4)、开关电路、无线传感器网络节点和防水外壳(5)，所述微生物能量捕获装置(1)通过能量收集模块(2)与无线传感器网络节点、超级电容器(3)相连，分别用于给无线传感器网络节点供电和超级电容器(3)充电，所述超级电容器(3)两端电压达到放电电压时，超级电容器(3)放电给锂电池(4)充电，所述微生物能量捕获装置(1)的供能不足时，通过锂电池(4)为无线传感器网络节点供电。2.根据权利要求1所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述微生物能量捕获装置(1)以土壤作为微生物的营养媒介，包括反应容器(101)、阳极(102)和阴极(103)，所述反应容器(101)中填充富含有微生物和足够养分的土壤，所述阳极(102)深埋在土壤中，所述阴极(103)放置在土壤表面。3.根据权利要求2所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述反应容器(101)采用圆筒状的聚氯乙烯网格桶，所述阳极(102)采用碳布，所述阴极(103)采用表面均匀涂有一层铂催化剂的碳纸。4.根据权利要求1所述的一种微生物能量捕获的环境监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述无线传感器网络节点包括MCU(6)、传感器(7)、信号调理电路(8)、无线收发模块(9)和射频天线，所述传感器(7)为分别用于测量土壤的含水量和PH值的土壤湿度传感器和土壤PH值传感器，所述传感器(7)采集到的信息经过信号调理电路(8)进行AD转换和放大处理后由MCU(6)控制无线收发模块(9)通过射频天线将土壤信息发送至邻近的汇聚节点，汇聚节点将信息发送给监测中心供监测人员分析湿地土壤环境状况。5.根据权利要求1所述的一种微生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彦景，潘东跃，王亮，李松，徐华，华钢，王艳芬，芦楠楠，张晓光，李嫄源，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32