一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统与方法技术方案

一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统与方法，包括太阳能电池、分压电路、基准电压电路，还包括保护二极管A、保护二极管B、充电保护器、能量存储器、能量分配管理控制电路、辅助存储器、稳压器、MEMS无线传感器。本发明专利技术相对于传统的方法，具有电路简单、容易实现片上集成，能在光照和无光照条件下工作，适合于在片上集成的MEMS传感器节点中使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电技术应用领域，具体涉及。
技术介绍
随着微电子技术及MEMS传感器技术的发展，MEMS无线传感器节点的功耗越来越小(激活状态功耗为几mW，休眠状态功耗为几十μ W)，而且激活状态所占时间较短，节点长期工作在休眠状态。使用传统的电源技术为MEMS无线传感器节点供电，其直接限制无线传感器节点的微型化。另外，考虑到无线传感器节点通常用于对边远地区环境及有毒有害物质的监测等，后续的维护较为困难。为此，转换环境能量为MEMS无线传感器节点供电是扩大和延长无线传感器节点工作寿命的主要途径。其中，由于太阳能具有分布广泛、能量密度大、无污染和光伏电池易于与电路集成等特点，因此，研究光电微能源为MEMS无线传感器节点供电成为了一种重要的选择。 在专利“一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统”介绍了一种在光伏能源中，利用专用锂离子电池充电保护芯片ΜΑΧ1811作为充电保护电路，实现对锂离子电池的充电保护的方法。在专利“光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法及装置”中，介绍了一种利用单片机控制的脉冲式为锂离子电池充电的方法。以上光电微能源的能量存储控制方式，其控制系统较为复杂，自身功耗较大，达到十几mW，其适合于为功耗几十mW的无线传感器节点供电，光伏微能源采用电路板方式集成。 但是，随着微电子技术及MEMS传感器技术的发展，MEMS无线传感器节点的功耗越来越小(激活状态功耗为几mW，休眠状态功耗为几十μ W)，而且激活状态所占时间较短，节点长期工作在休眠状态。其平均功耗在μ W级。因此，光伏微能源的片上集成已成为MEMS微型化的必然要求。但是，复杂的能量管理方案由于电路系统复杂及自身功耗较大等特点，难于与太阳能电池实现片上集成。因此，先前介绍的光伏微能源系统的能量存储管理模式不适合在片上集成光伏微能源系统中使用。 目前，能长期在光照和无光照条件下为MEMS无线传感器节点供电的片上集成光电微能源能量转换、存储及保护控制系统及其控制方法研究没有相关的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的正是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能长期在光照和无光照条件下为MEMS无线传感器节点供电的片上集成光电微能源能量转换、存储及分配的控制系统与控制方法。 一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统，包括太阳能电池、分压电路、基准电压电路，本专利技术特征在于:还包括保护二极管Α、保护二极管Β、充电保护器、能量存储器、能量分配管理控制电路、辅助存储器、稳压器、MEMS无线传感器； 其中，太阳能电池用于转换太阳能为电能； 保护二极管A用于防止太阳能电池在充电保护器导通时太阳能电池短路； 充电保护二极管B用于防止充电保护时能量存储器输出端被短路放电； [0011 ] 能量存储器用于在太阳光照和MEMS传感器休眠状态时存储太阳能电池输出能量，在MEMS传感器激活状态时与辅助能量存储混合为MEMS传感器供电； 充电保护器在能量存储器充满时导通，将光伏电池输出旁路，光伏电池停止对能量存储器充电； 分压电路为能量分配控制电路提供控制输入信号； 基准电压电路为能量分配控制电路提供基准控制电压； 能量分配控制电路通过控制输入信号实时监测能量存储器的充电电压，能量存储器充满时，能量分配控制单元输出充电保护控制信号，控制充电保护器导通； 辅助能量存储器主要用于在MEMS无线传感器节点激活状态时，与能量存储器并联为传感器节点供电； 稳压器主要用于为MEMS无线传感器节点提供稳定工作电压。 上述组成器件的连接关系为: 太阳能电池经保护二极管A同时与充电保护器的一端和保护二极管B的一端相连，充电保护器的另一端与能量分配控制器的一端相连，保护二极管B的另一端同时与能量存储器、分压电路、能量分配控制器、基准电压电路、稳压器的一端相连，分压电路的一端与能量分配控制器一端相连，基准电压电路的一端与能量分配控制器一端相连，稳压器的一端与MEMS传感器的一端相连，太阳能电池的负极同时与分压电路、基准电压电路、充电保护器、能量存储器、能量分配管理控制电路、辅助存储器、稳压器、MEMS无线传感器的负极相连。 本专利技术能量分配管理控制电路由NM0S场效应管T2、T3、T4，以及PM0S场效应管Τ3、Τ4组成，NM0S场效应管Τ2、Τ3、Τ4的开启电压为1.5V，沟道的长宽比为2:4，PM0S场效应管Τ3、Τ4的夹断电压为-2.5V，沟道的长宽比为1:1，充电保护器由PM0S场效应管1\构成，?\的夹断电压为-1.5V; 一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统的控制方法: 首先，在太阳光照条件下，利用MEMS无线传感器工作休眠状态，实现太阳能量的转换、存储和能量存储器的充电保护控制，在MEMS无线传感器节点工作在激活状态时，光伏电池、能量存储器与辅助存储器并联为传感器节点供电，其次，在无太阳光照条件下，能量存储器与辅助存储器并联为传感器节点供电，与采用单一的能量存储器供电方式相比，其能有效提高输出峰值功率、减小存储器内部损耗、延长供电时间； 为提高能量转换、存储效率和实现能量存储器的充电保护控制，集成无线传感器光电微能源能量控制系统具备五种工作状态，即:能量存储、混合供电、充电保护、并联供电和能量转存； 太阳光照条件下，当无线传感器节点工作在休眠状态时，光伏微能源能量控制系统工作在能量存储状态，太阳能电池输出为能量存储器和辅助存储器充电，并同时为传感器节点供电，太阳能电池输出电流等于能量存储器、辅助存储器的充电电流、能量控制系统所需自身工作电流及无线传感器节点工作电流之和，各电流关系如下式所示: Is = Iec+Icc+Ics+Irs (1) (1)式中Is为太阳能电池输出电流，Ie。为微电池充电电流，I。。为辅助存储器充电电流，1。3为能量控制系统所需自身工作电流，为无线传感器工作在休眠状态工作电流；根据能量存储器的电压特性，合理设计太阳能电池的开路电压，能保证太阳能电池工作在最大功率点附近，使其具有较大的输出转换效率； 光照条件下，当无线传感器节点工作在激活状态时，系统工作在混合供电状态，太阳能电池、能量存储器、辅助存储器同时为传感器节点供电，电流之间的关系如下式所示: Ira = Ie+Ic+Is-1cs ⑵ (2)式中，1。3为能量管理系统所需自身工作电流，Ira为无线传感器节点工作在激活状态电流，Is太阳能电池输出电流，Ie能量存储器输出电流，I。辅助存储器输出电流，在混合供电条件下，由于辅助存储器(电容器)支路阻抗较小，为传感器节点提供的电流较大，因此，混合供电模式能有效提高能量存储器输出峰值功率、减小内部损耗和延长供电时间； 光照条件下，当能量存储器充满时，光伏微能源能量管理系统工作在充电保护状态，此时，充电保护器导通，太阳能电池输出经保护二极管A旁路，停止为能量存储充电，同时，保护二极管B截止，防止能量存储器经充电保护器放电，在能量存储器的充电保护状态，能量存储器、辅助存储器同时并联为传感器节点供电，能量存储器与辅助存储器并联为MEMS无线传感器节点供电，各电流之间的关系如下式所示: Irs = Ies+Icd-1cs (3) (3)式中，Is为太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统，包括太阳能电池、分压电路、基准电压电路，其特征在于:还包括保护二极管A、保护二极管B、充电保护器、能量存储器、能量分配管理控制电路、辅助存储器、稳压器、MEMS无线传感器； 其中，太阳能电池用于转换太阳能为电能； 保护二极管A用于防止太阳能电池在充电保护器导通时太阳能电池短路； 保护二极管B用于防止充电保护时能量存储器输出端被短路放电； 能量存储器用于在太阳光照和MEMS传感器休眠状态时存储太阳能电池输出能量，在MEMS传感器激活状态时与辅助能量存储混合为MEMS传感器供电； 充电保护器在能量存储器充满时导通，将光伏电池输出旁路，光伏电池停止对能量存储器充电； 分压电路为能量分配控制电路提供控制输入信号； 基准电压电路为能量分配控制电路提供基准控制电压； 能量分配控制电路通过控制输入信号实时监测能量存储器的充电电压，能量存储器充满时，能量分配控制单元输出充电保护控制信号，控制充电保护器导通； 辅助能量存储器用于在MEMS无线传感器节点激活状态时，与能量存储器并联为传感器节点供电； 稳压器用于为MEMS无线传感器节点提供稳定工作电压。 上述组成器件的连接关系为： 太阳能电池经保护二极管A同时与充电保护器的一端和保护二极管B的一端相连，充电保护器的另一端与能量分配控制器的一端相连，保护二极管B的另一端同时与能量存储器、分压电路、能量分配控制器、基准电压电路、稳压器的一端相连，分压电路的一端与能量分配控制器一端相连，基准电压电路的一端与能量分配控制器一端相连，稳压器的一端与MEMS传感器的一端相连，太阳能电池的负极同时与分压电路、基准电压电路、充电保护器、能量存储器、能量分配管理控制电路、辅助存储器、稳压器、MEMS无线传感器的负极相连。...

【技术特征摘要】
1.一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统，包括太阳能电池、分压电路、基准电压电路，其特征在于:还包括保护二极管A、保护二极管B、充电保护器、能量存储器、能量分配管理控制电路、辅助存储器、稳压器、MEMS无线传感器； 其中，太阳能电池用于转换太阳能为电能； 保护二极管A用于防止太阳能电池在充电保护器导通时太阳能电池短路； 保护二极管B用于防止充电保护时能量存储器输出端被短路放电； 能量存储器用于在太阳光照和MEMS传感器休眠状态时存储太阳能电池输出能量，在MEMS传感器激活状态时与辅助能量存储混合为MEMS传感器供电； 充电保护器在能量存储器充满时导通，将光伏电池输出旁路，光伏电池停止对能量存储器充电； 分压电路为能量分配控制电路提供控制输入信号； 基准电压电路为能量分配控制电路提供基准控制电压； 能量分配控制电路通过控制输入信号实时监测能量存储器的充电电压，能量存储器充满时，能量分配控制单元输出充电保护控制信号，控制充电保护器导通； 辅助能量存储器用于在MEMS无线传感器节点激活状态时，与能量存储器并联为传感器节点供电； 稳压器用于为MEMS无线传感器节点提供稳定工作电压。 上述组成器件的连接关系为: 太阳能电池经保护二极管A同时与充电保护器的一端和保护二极管B的一端相连，充电保护器的另一端与能量分配控制器的一端相连，保护二极管B的另一端同时与能量存储器、分压电路、能量分配控制器、基准电压电路、稳压器的一端相连，分压电路的一端与能量分配控制器一端相连，基准电压电路的一端与能量分配控制器一端相连，稳压器的一端与MEMS传感器的一端相连，太阳能电池的负极同时与分压电路、基准电压电路、充电保护器、能量存储器、能量分配管理控制电路、辅助存储器、稳压器、MEMS无线传感器的负极相连。2.如权利要求1所述一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统，其特征在于:能量分配管理控制电路由NMOS场效应管T2、T3、T4,以及PMOS场效应管T3、T4组成，NMOS场效应管T2、T3> T4的开启电压为1.5V，沟道的长宽比为2:4，PMOS场效应管T3、T4的夹断电压为-2.5V，沟道的长宽比为1:1，充电保护器由PMOS场效应管T1构成，T1的夹断电压为-1.5V。3.根据权利要求1所述的一种集成无线传感器光电微能源能量控制系统的控制方法，其特征在于: 首先，在太阳光照条件下，利用MEMS无线传感器工作休眠状态，实现太阳能量的转换、存储和能量存储器的充电保护控制，在MEMS无线传感器节点工作在激活状态时，光伏电池、能量存储器与辅助存储器并联为传感器节点供电，其次，在无太阳光照条件下，能量存储器与辅助存储器并联为传感器节点供电，与采用单一的能量存储器供电方式相比，其能有效提高输出峰值功率、减小存储器内部损耗、延长供电时间； 为提高能量转换、存储效率和实现能量存储器的充电保护控制，集成无线传感器光电微能源能量控制系统具备五种工作状态，即:能量存储、混合供电、充电保护、并联供电和能量转存； 太阳光照条件下，当无线传感器节点工作在...

【专利技术属性】
技术研发人员：何永泰，肖丽仙，
申请(专利权)人：楚雄师范学院，
类型：发明
国别省市：云南;53