專利名稱：物聯網微能源自采集mems傳感預儲存系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及物聯網技術領域，特別涉及一種物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統。
背景技術：
WSN(Wireless Sensor Network,無線傳感網絡)主要由三個部分組成:WSN節點、WSN網關和服務器。WSN節點的主要功能為:將傳感器與空間分布的各待監測裝置相連，通過傳感器對待監測裝置進行監控，并將監測到的數據無線發送給WSN網關，WSN網關通過有線或無線方式與服務器相連接，服務器通過對WSN網關上傳的數據進行加工、分析并顯示，從而便于操作人員對分布在不同區域的與傳感器相連接的設備進行實時監控。隨著無線通信和低功耗嵌入式技術的迅速發展，WSN廣泛應用于軍事、環境、醫療、工業和商業等各個領域，具有廣闊的發展前景。現有技術中，WSN節點主要采用能量有限的電池供電，由于WSN節點數量眾多、分布區域較廣，并且應用環境通常較復雜，所以當WSN節點的電池電量用盡后，為WSN節點更換電池成本很高。因此，為解決這一技術問題，出現了由交流電變換所產生的直流穩壓電源為WSN節點供電的方案，但這一方案存在以下兩方面問題:(一)各WSN節點需要較長的供電線纜與電源連接，在具體實現上，安裝供電線纜的工作量仍然很大，且成本較高；(二)由于供電電源模塊的體積較大，并且線路連接較復雜，所以容易對WSN節點數據傳輸產生較大的干擾，從而提高了數據傳輸時的出錯率。因此，WSN節點能源問題已成為限制WSN廣泛應用的關鍵問題，解決這一問題具有重要的現實意義。
發明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發明提供一種物聯網微能源自采集MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems,微機電系統)傳感預儲存系統,對多個主要模塊進行優化，即從多個角度降低整個系統的功耗，同時又提供了一種能有效為整個系統供電的復合微能源電源模塊，從而保證了 WSN節點電源的長期使用，提高了 WSN節點的工作性能和穩定性。本發明采用的技術方案如下:本發明提供一種物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，包括:復合微能源電源模塊、傳感器模塊、微處理器模塊和無線收發模塊；其中，所述復合微能源電源模塊用于向所述傳感器模塊、所述微處理器模塊和所述無線收發模塊供電；所述傳感器模塊用于采集被測目標的相關信息，并將該信息發送給所述微處理器模塊；所述微處理器模塊用于協調WSN節點的工作，處理所述傳感器模塊發送的數據并控制所述無線收發模塊的工作；所述無線收發模塊用于所述WSN節點與其他WSN節點、所述WSN節點與網關以及所述WSN節點與云端間的數據通信。
優選的，所述復合微能源電源模塊包括:微型太陽能電池模塊、微型環境振動能量采集模塊、微型薄膜鋰離子電池儲能系統和微能量管理系統，其中，所述微能量管理系統用于根據負載和外界環境的變化智能化和最優化管理電能的儲存和釋放。優選的，所述微型太陽能電池模塊、所述微型環境振動能量采集模塊、所述微型薄膜鋰離子電池儲能系統和所述微能量管理系統集成到所述復合微能源電源模塊中，并且具有統一標準能量輸出端口。 優選的，所述微型太陽能電池模塊為硅光伏電池微能源系統。優選的，所述微型環境振動能量采集模塊包括壓電能量轉換模塊和可變電容。優選的，所述微型薄膜鋰離子電池儲能系統采用全固態薄膜鋰離子電池。優選的，所述微能量管理系統所使用的管理芯片為MAX1586B。優選的，所述無線收發模塊包括:發射機和接收機，其中，所述發射機包括:依次相連的數模轉換器、重構濾波器和功率放大器；所述接收機包括依次相連的模數轉換器、低噪聲放大器、混頻器和抗混疊濾波器。優選的，所述微處理器模塊還用于:對接收到的來自所述傳感器模塊的數據依次進行數據級處理、特征級處理、融合級處理，并將融合級處理后的數據發送給云端；所述云端對接收到的所述融合級處理后的數據進行語義級處理。優選的，所述數據級處理具體為:所述微處理器模塊對所采集到的原始數據進行數據預處理后，選擇性的進行分布式存儲或集總式存儲，并根據可用的資源狀況，有針對性的進行數據備份，然后進行所述特征級處理；所述特征級處理為對接收到的數據依次進行特征提取、特征分析與選擇、數據分類和優先級分類；所述融合級處理為對接收到的特征級處理后的數據依次進行敏感性分析、智能分級動態加密、以及關聯分析與數據融合；所述語義級處理具體為:云端對接收到的經過融合級處理后的數據依次進行數據重構、模糊分類與語義分析，并對語義分析后的數據進行語義級壓縮。與現有技術相比，本發明提供的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統具有以下優點:(I)本發明提供的復合微能源電源模塊中，微型太陽能電池模塊與微型環境振動能量采集模塊相互配合采集能量，并將剩余能量存儲在微型薄膜鋰離子電池儲能系統中，從而保證長期有效為WSN節點供應能量；(2)本發明提供的無線收發模塊為低功耗的無線收發模塊，從而有效降低了 WSN節點的功耗，達到節能目的；(3)本發明提供的微處理器模塊中，對傳感器采集到的信息依次進行數據級處理、特征級處理、融合級處理，云端對接收到的數據進行語義級處理，通過對海量數據信息進行上述各種處理，即能保證數據傳輸的安全性，同時又能減輕微處理器模塊和云端的計算負擔和存儲負擔，從而降低微處理器模塊和云端的功耗，達到節能目的。總之，通過本發明提供的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，對多個主要模塊進行優化，即多個角度降低整個系統的功耗，同時又提供了一種能有效為整個系統供電的復合微能源電源模塊，從而保證了 WSN節點電源的長期使用，提高了 WSN節點的工作性能和穩定性。
圖1為本發明提供的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統的結構示意圖；圖2為本發明提供的復合微能源電源模塊的結構示意圖；圖3為本發明提供的無線收發模塊的系統架構圖；圖4為現有技術中WSN節點各模塊的功耗對比圖；圖5為本發明提供的微處理器模塊對傳感器上傳的數據進行數據級處理的流程圖；圖6為本發明提供的特征級處理過程流程示意圖；圖7為本發明提供的融合級處理過程流程示意圖；圖8為本發明提供的語義級處理過程流程示意圖；圖9為本發明提供的數據處理整體結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，為本發明提供的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統的結構示意圖，包括:復合微能源電源模塊、傳感器模塊、微處理器模塊和無線收發模塊；其中，所述復合微能源電源模塊用于向所述傳感器模塊、所述微處理器模塊和所述無線收發模塊供電；所述傳感器模塊用于采集被測目標的相關信息，并將該信息發送給所述微處理器模塊；所述微處理器模塊用于協調所述WSN節點的工作，處理所述傳感器模塊發送的數據并控制所述無線收發模塊的工作；所述無線收發模塊用于所述WSN節點與其他WSN節點、所述WSN節點與網關以及所述WSN節點與云端間的數據通信。下面對這四個模塊分別進行介紹:(一 )復合微能源電源模塊如圖2所示，為本發明提供的復合微能源電源模塊的結構示意圖，包括:微型太陽能電池模塊、微型環境振動能量采集模塊、微型薄膜鋰離子電池儲能系統和微能量管理系統，其中，所述微能量管理系統用于根據負載和外界環境的變化智能化和最優化管理電能的儲存和釋放。本發明中，所述微型太陽能電池模塊、所述微型環境振動能量采集模塊、所述微型薄膜鋰離子電池儲能系統和所述微能量管理系統集成到所述復合微能源電源模塊中，并且具有統一標準能量輸出端口。因此，本發明將微型太陽能電池模塊和微型環境振動能量采集模塊復合到一個電源模塊中，晴天的情況下，由微型太陽能電池模塊向WSN節點提供能量并進行能量存儲；同時，為預防出現連綿陰雨天氣時，微型太陽能電池模塊無法采集能量，而微型薄膜鋰離子電池儲能系統所儲存的能量難以滿足WSN節點正常工作需求，所以，本發明提供的電源模塊中還復合有微型環境振動能量采集模塊作為補充。因此，本發明將不同類型的MEMS微能源復合到一個電源模塊中，集合多種能量采集器件和一個能量存儲器件，實現統一標準能量輸出端口，既能實現WSN節點能源有效供應及長期使用的問題，同時又具有輕巧便攜、占用空間小、系統自身功耗低及使用方便的特點，從而保證了 WSN節點的工作性能和穩定性。下面分別介紹本發明提供的復合微能源電源模塊中各模塊的功能:1、微型太陽能電池模塊
本發明提供的微型太陽能電池模塊為硅光伏電池微能源系統，包括:光伏電池、能量緩存器、能量存儲器、窗口控制器、恒流源等。在該系統中，由單片機構成的最佳電壓控制器在軟件控制下實現最佳電壓控制，將光伏電池輸出電壓控制在一定范圍之間，實現光伏電池最大功率輸出。設計中，根據傳感器節點連續陰雨天工作時間要求和能量存儲器供電模式的能量傳輸特性，確定能量存儲器容量。通過利用脈沖式充電式和設計過充放電保護電路，延長能量存儲器工作壽命。本發明提供的微型太陽能電池模塊可以為單晶硅大陽能電池或多晶硅太陽能電池。在單晶硅大陽能電池方面，采用多種納米技術，將電池表面織構化，通過改進的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率，采用IOOnm結構蛾眼型無反射薄膜連續制造技術，極大地提高了光伏電池的光電轉化效率。而在多晶硅太陽能電池方面，通過低成本化學方法，制備有序納米硅線，降低光在器件表面的反射，固態光伏電池轉換效率達到9.3%。2、微型環境振動能量采集模塊由于微型太陽能電池模塊為硅光伏電池微能源系統，即:其發電情況需要依賴太陽光，具有一定的局限性，所以，考慮到在某些極端特殊的情況，譬如長時間的陰雨天氣，微型太陽能電池模塊可能出現無法充分供給WSN節點能量問題，本發明還提供了微型環境振動能量采集模塊，用于彌補微型太陽能電池模塊的不足。微型環境振動能量采集模塊是一種將環境中的振動能轉化為電能的裝置。具體的，該裝置是一種將壓電式懸臂梁和可變電容器結合起來用于振動能量采集的裝置。本發明中，微型環境振動能量采集模塊包括壓電能量轉換模塊和可變電容。具體的，包括依次鍵合相連的上玻璃片、硅片和下玻璃片，其中，在硅片上制備出質量塊和懸臂梁，在上玻璃片和下玻璃片相對表面分別腐蝕出凹槽，從而為硅片處的質量塊預留出振動空間。另外，在上玻璃片的凹槽濺射Au金屬作為可變電容的上電極，在硅片的表面濺射Pt作為可變電容的下電極，上電極和下電極構成了可變電容。壓電能量轉換模塊為:在懸臂梁表面制備壓電材料，質量塊上下振動，不但會引起可變電阻的變化，同時也會導致懸臂梁表面出現形變，該種形變通過壓電效應轉換為電能。基于MEMS技術的環境振動能量采集模塊將環境中的光照、機械振動等能量轉換為電能，實現WSN節點的自供電。具體包括:建立振動能量采集器的物理模型，包括拾振系統的物理模型和能量轉換系統的物理模型；分析電功率輸出與輸入振幅、共振頻率、阻尼比等因素的關系，建立設計振動能量采集器應遵循的一般原則；利用雙面光刻技術、體硅微加工技術和微電鍍技術制作振動能量采集結構。在理想情況下，本發明提供的微型環境振動能量采集模塊的功率可達6mff (milliwatt,毫瓦)，并且可以連續工作，每天的總發電量可達144mwh (milliwatt hour,毫瓦時)，約為太陽能電池采集能量的14%。3、微型薄膜鋰離子電池儲能系統本發明提供的微型薄膜鋰離子電池儲能系統，采用脈沖激光沉積法，使用不同襯底溫度、氧偏壓、襯底材料及沉積時間沉積薄膜。負極與電解質的制備:采用脈沖激光沉積法制備非晶硅薄膜負極，以非晶硅薄膜為工作電極組裝半電池，測試其充放電及循環性能；采用射頻磁控濺射法制備高質量的LiPON電解質薄膜，測量其電導率及電化學窗口。本發明提供的微型薄膜鋰離子電池儲能系統采用薄膜鋰離子微電池的能量存儲技術，主要是基于超薄型全固態鋰離子電池的微能源系統的制備技術。與常規的鋰電池相t匕，薄膜鋰電池具有非常高的能量密度，約幾百Wh/kg (瓦特-小時/千克)；極長的循環壽命，可達幾萬次；固有高安全性和較高的機械強度，從而方便作出所需的形狀和尺寸以及可以在苛刻的條件下工作，例如:工作溫度為-40°C 60°C，從而非常適用于做物聯網各個節點所用的微型能源系統。薄膜鋰電池主要由薄膜正負極材料和電解質薄膜組成，它們都可以通過濺射、激光沉積和真空沉積等微電子加工技術來獲得。通過優化正負極電極材料及電解質的組成、結構參數、取向、表面形貌和厚度來滿足芯片系統的能量密度和功率密度需求。本項目擬采用4.7V電壓的LiNia5Mr^5O4材料做正極薄膜，通過Ru摻雜的方式來提高薄膜的導電性能，從而同時獲得高能量密度和高功率密度，滿足微系統的能量需求。新型全固態薄膜鋰離子電池的制備及表征:設計全固態薄膜電池的結構，按照集流體\正極薄月\電解質薄膜\負極薄膜集流體的順序，依次在襯底上沉積多層薄膜，制備傘固態薄膜鋰離子電池，系統研究及評價薄膜電池系統的電化學性能，如高溫、低溫的充放電性能，大倍率放電性能，長時間的循環穩定性能，結合薄膜電池的電化學性能，研究薄膜電池微結構的穩定性能，進一步優化薄膜電池的結構。4、微能量管理系統
本發明提供的微能量管理系統為管理芯片MAX1586B，用于根據負載和外界環境的變化智能化和最優化管理電能的儲存和釋放。綜上所述，本發明提供的復合微能源電源模塊中，微型太陽能電池模塊為作主能量采集裝置，位于整個微能源系統的外表面，通過光伏發電為WSN節點供給能量；而微型環境振動能量采集模塊作為輔助能量采集模塊，位于整個微能源系統的底面。微型太陽能電池模塊與微型環境振動能量采集模塊相互配合采集能量，并將剩余能量存儲在微型薄膜鋰離子電池儲能系統中，從而保證長期有效為WSN節點供應能量。本設計中的復合微能源電源模塊，晴天平均發電功率可達1224mW，為傳感器節點功率消耗的6倍；陰天或室內的MEMS發電功率也可達340mW以上，完全滿足傳感器節點的能源要求。通過結合高性能和長壽命的儲能電池體系，完全可以滿足物聯網中節點的能耗要求，同時也保證在極端的情況下，例如，連續5天陰雨天氣時，節點仍然可以正常工作。高性能微能源系統和低能耗無線收發模塊的研制是本項目的兩大核心技術，一方面，通過對環境能源的采集，包括光能、振動能等采集實現每天存儲不少于Iwh的能量，考慮模塊的復用、降低模塊本身功耗和減少結點工作頻次等設計方法，實現每個傳感節點每天的能耗不超過0.2wh,保證能源一次滿充可以保證節點工作5個工作日的要求，從而實現自采集微能源對傳感器節點源源不斷的能量供應。( 二)無線收發模塊如圖3所示，為本發明提供的無線收發模塊的系統架構圖，包括:直接變換的發射機和零中頻的接收機。發射機為一發射機構單兀,其具有的主要設備的參數見表I。
表I
權利要求
1.一種物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，包括:復合微能源電源模塊、傳感器模塊、微處理器模塊和無線收發模塊；其中，所述復合微能源電源模塊用于向所述傳感器模塊、所述微處理器模塊和所述無線收發模塊供電；所述傳感器模塊用于采集被測目標的相關信息，并將該信息發送給所述微處理器模塊；所述微處理器模塊用于協調WSN節點的工作，處理所述傳感器模塊發送的數據并控制所述無線收發模塊的工作；所述無線收發模塊用于所述WSN節點與其他WSN節點、所述WSN節點與網關以及所述WSN節點與云端間的數據通信。
2.根據權利要求1所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述復合微能源電源模塊包括:微型太陽能電池模塊、微型環境振動能量采集模塊、微型薄膜鋰離子電池儲能系統和微能量管理系統，其中，所述微能量管理系統用于根據負載和外界環境的變化智能化和最優化管理電能的儲存和釋放。
3.根據權利要求2所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述微型太陽能電池模塊、所述微型環境振動能量采集模塊、所述微型薄膜鋰離子電池儲能系統和所述微能量管理系統集成到所述復合微能源電源模塊中，并且具有統一標準能量輸出端口。
4.根據權利要求2所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述微型太陽能電池模塊為硅光伏電池微能源系統。
5.根據權利要求2所述的物聯 網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述微型環境振動能量采集模塊包括壓電能量轉換模塊和可變電容。
6.根據權利要求2所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述微型薄膜鋰離子電池儲能系統采用全固態薄膜鋰離子電池。
7.根據權利要求2所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述微能量管理系統所使用的管理芯片為MAX1586B。
8.根據權利要求1所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述無線收發模塊包括:發射機和接收機，其中，所述發射機包括:依次相連的數模轉換器、重構濾波器和功率放大器；所述接收機包括依次相連的模數轉換器、低噪聲放大器、混頻器和抗混疊濾波器。
9.根據權利要求1所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于，所述微處理器模塊還用于:對接收到的來自所述傳感器模塊的數據依次進行數據級處理、特征級處理、融合級處理，并將融合級處理后的數據發送給云端；所述云端對接收到的所述融合級處理后的數據進行語義級處理。
10.根據權利要求9所述的物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，其特征在于， 所述數據級處理具體為:所述微處理器模塊對所采集到的原始數據進行數據預處理后，選擇性的進行分布式存儲或集總式存儲，并根據可用的資源狀況，有針對性的進行數據備份，然后進行所述特征級處理； 所述特征級處理為對接收到的數據依次進行特征提取、特征分析與選擇、數據分類和優先級分類； 所述融合級處理為對接收到的特征級處理后的數據依次進行敏感性分析、智能分級動態加密、以及關聯分析與數據融合；所述語義級處理具體為:云端對接收到的經過融合級處理后的數據依次進行數據重構、模糊分類與語義分析，并對語義分析后 的數據進行語義級壓縮。
全文摘要
本發明公開一種物聯網微能源自采集MEMS傳感預儲存系統，包括復合微能源電源模塊、傳感器模塊、微處理器模塊和無線收發模塊，其中，所述微處理器模塊用于協調所述WSN節點的工作，處理所述傳感器模塊發送的數據并控制所述無線收發模塊的工作；所述無線收發模塊用于所述WSN節點與其他WSN節點、所述WSN節點與網關以及所述WSN節點與云端間的數據通信。本發明中，對多個主要模塊進行優化，即從多個角度降低整個系統的功耗，同時又提供了一種能有效為整個系統供電的復合微能源電源模塊，從而保證了WSN節點電源的長期使用，提高了WSN節點的工作性能和穩定性。
文檔編號H04W84/18GK103096437SQ201110341279
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者鄭洪河, 陶智, 張慶, 朱鴻如 申請人:常州節安得能源科技有限公司