一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法，其中，该系统包括：通过能量收集子模块，收集目标对象振动时产生的机械能，将机械能转换为目标直流电能；并通过超级电容储存；当超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，充电控制开关电路导通，将超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；稳压电路接收并调整目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；通过无线传感器节点微处理器中的ADC监测子模块，监测超级电容电压，当超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点保持休眠；当超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制无线传感器节点开始工作。

【技术实现步骤摘要】
一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法
本专利技术涉及无源无线传感器网络领域，具体涉及一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法。
技术介绍
在轨道交通领域，通常利用无线传感器节点对轨道交通车辆，例如，地铁轮轴的运行状态进行实时监测，解决了地铁轮轴预防计划性维修维护模式存在的过修、欠修甚至事后修等问题，然而，无线传感器节点依赖外部电池供电，能量受限，当节点的能量耗尽时，节点的生命周期结束。利用电磁式振动能量收集技术将地铁轮轴振动的机械能转换为无线传感器节点工作的电能可解决节点能量受限的困境，电磁式振动能量收集的核心在于能量管理系统优化方法的设计，以实现电磁式振动能量收集供能环节和无线传感器节点耗能环节之间的协调。相关技术中存在的问题如下：通过电磁式振动能量收集器收集地铁轮轴在振动场景中产生的能量，但是，电磁式振动能量收集器的能量转换效率和无线传感器节点的功耗不匹配，导致电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，而升压稳压模块会在能量累积，缓缓上升期间，消耗较多电能，也就是导致升压稳压模块陷入了充电陷阱，从而影响了无线传感器节点的工作。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的电磁式振动能量收集必须经过升压稳压模块，而升压稳压会导致在能量累积期间陷入充电陷阱，从而影响无线传感器节点工作，基于此，提供一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统及方法。根据第一方面，本专利技术实施例提供了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统，包括：能量存储模块、能量消耗模块以及能量管理模块，其中：所述能量存储模块，包括：能量收集子模块，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为目标直流电能；超级电容，用于储存所述目标直流电能；所述能量管理模块，包括：充电控制开关电路，当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，所述充电控制开关电路导通，将所述超级电容储存的目标直流电能传输至所述稳压电路；稳压电路，用于接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；所述能量消耗模块，包括无线传感器节点，所述无线传感器节点包括：ADC监测子模块，用于监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述能量收集子模块，具体包括：第一转换子单元，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为电能，所述电能为交流电能；第二转换子单元，用于将所述交流电能转换为直流电能，并过滤所述直流电能中的噪声，生成目标直流电能。结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述充电控制开关电路，还用于：当所述超级电容电压小于第一预设电压阈值时，隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存。结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述稳压电路具体用于：当所述目标直流电能对应的第一目标电压小于预设稳定输出电压时，将所述第一目标电压升压，生成所述稳压输出电能；当所述目标直流电能对应的第二目标电压大于预设稳定输出电压时，将所述第二目标电压降压，生成所述稳压输出电能。结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，所述无线传感器节点，还包括：工作子模块，用于当所述无线传感器节点开始工作时，监测所述目标对象的运行状态，并传输所述目标对象的运行状态信息。结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，所述ADC监测子模块还用于：当所述无线传感器节点传输所述目标对象的运行状态信息之后，监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；所述充电控制开关电路还用于：当所述超级电容电压小于第三预设电压阈值时，重新隔离所述无线传感器节点及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存，所述第三预设电压阈值与所述第一预设电压阈值相等。结合第一方面，在第一方面第六实施方式中，所述能量存储模块，还包括：模拟子模块，包括振动控制器、功率放大器、振动台，用于构建模拟激振系统，模拟所述目标对象的振动运行，生成机械能。根据第二方面，本专利技术实施例提供了一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法，包括：收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换成目标直流电能，在超级电容中储存所述目标直流电能；当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，导通充电控制开关电路，将所述超级电容储存的所述目标直流电能传输至所述稳压电路；接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能；当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为目标直流电能，具体包括：收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为电能，所述电能为交流电能，将所述交流电能转换为直流电能，并过滤所述直流电能中的噪声，生成目标直流电能。结合第二方面，在第二方面第二实施方式中，该方法还包括：当所述超级电容电压小于第一预设电压阈值时，隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存。结合第二方面，在第二方面第三实施方式中，该方法还包括：当所述目标直流电能对应的第一目标电压小于预设稳定输出电压时，将所述第一目标电压升压，生成所述稳压输出电能；当所述目标直流电能对应的第二目标电压大于预设稳定输出电压时，将所述第二目标电压降压，生成所述稳压输出电能。结合第二方面，在第二方面第四实施方式中，该方法还包括：当所述无线传感器节点传输所述目标对象的运行状态信息之后，监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压小于第三预设电压阈值时，所述充电控制开关电路重新隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存，所述第三预设电压阈值与所述第一预设电压阈值相等。根据第三方面，本专利技术实施例提供了一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行第二方面或第二方面任一实施方式中所述的面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理方法的步骤。根据第四方面，本专利技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统，其特征在于，包括：能量存储模块、能量消耗模块以及能量管理模块，其中：/n所述能量存储模块，包括：/n能量收集子模块，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为目标直流电能；/n超级电容，用于储存所述目标直流电能；/n所述能量管理模块，包括：/n充电控制开关电路，当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，所述充电控制开关电路导通，将所述超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；/n稳压电路，用于接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；/n所述能量消耗模块，包括无线传感器节点，所述无线传感器节点包括：ADC监测子模块，用于监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向轨道交通车辆的振动能量收集和管理系统，其特征在于，包括：能量存储模块、能量消耗模块以及能量管理模块，其中：
所述能量存储模块，包括：
能量收集子模块，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为目标直流电能；
超级电容，用于储存所述目标直流电能；
所述能量管理模块，包括：
充电控制开关电路，当所述超级电容电压大于或等于第一预设电压阈值时，所述充电控制开关电路导通，将所述超级电容储存的目标直流电能传输至稳压电路；
稳压电路，用于接收所述目标直流电能，并调整所述目标直流电能，生成稳压输出电能，输入至无线传感器节点；
所述能量消耗模块，包括无线传感器节点，所述无线传感器节点包括：ADC监测子模块，用于监测所述超级电容电压，当所述超级电容电压小于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点保持休眠；当所述超级电容电压大于或等于第二预设电压阈值时，控制所述无线传感器节点开始工作；所述第一预设电压阈值大于充电陷阱电压，所述第二预设电压阈值大于所述第一预设电压阈值。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量收集子模块，具体包括：
第一转换子单元，用于收集目标对象在振动时产生的机械能，并将所述机械能转换为电能，所述电能为交流电能；
第二转换子单元，用于将所述交流电能转换为直流电能，并过滤所述直流电能中的噪声，生成目标直流电能。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电控制开关电路，还用于：当所述超级电容电压小于第一预设电压阈值时，隔离所述无线传感器节点、所述充电控制开关电路以及所述稳压电路，实现所述目标直流电能在超级电容中的储存。


4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稳压电路具体用于：
当所述目标直流电能对应的第一目标电压小于预设稳定输出电压时，将所述第一目标电压升压，生成所述稳压输出电能；
当所述目标直流电能对应的第二目标电压大于预设稳定输出电压时，将所述第二目标电压降压，生成所述稳压输出电能。


5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线传感器节点，还包括：工作子...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨冬，王洪超，陈宏升，张宏科，郜帅，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11