一种低功耗自供电二氧化碳传感器系统

1.本发明属于能量收集技术领域，更具体地，涉及一种低功耗自供电二氧化碳传感器系统。


背景技术：

2.在工业园区中，为了辅助生产、监测环境，传感器得到了极大的应用，广泛布置，如温度传感器、流量传感器等。二氧化碳传感器是其中很常见的传感器。二氧化碳浓度是碳排放统计的重要指标，监测其浓度有助于保障园区的安全生产和员工的身体健康。
3.现有的二氧化碳传感器的常见供电方案主要是单独接入电源线和电池供电。大多数工业园区为了确保传感器的长期可靠运行，会采用从高电压等级的电网中单独接线进行供电。这不仅增加了成本，而且占用了厂房空间和面积，后期维护也十分困难，而且在一些场景也存在布线困难的问题。当多个传感器存在时，布线的成本也大大增多。电池供电的方案可以实现无线气体传感器的应用。但该方案存在的问题是长期运行的可靠度较低，需要工作人员定期更换气体传感器电池，或直接更换气体传感器装置。而在一些特殊的环境，更换电池会增加极大的操作复杂度和各种成本。同时大量的废弃电池会严重污染环境。能量收集技术旨在将空间中存在的杂散能量转化为电能，实现无线传感器的自供电，避免为传感器接电池或单独引入电源线，节省诸多成本，实现能源清洁化。
4.自供电系统若想稳定可靠工作，系统的能量供给必须满足低功耗的特性。而现有的二氧化碳传感器与其他传感器的特性不同，其功耗较高，在100mw左右，且正常工作需要一段时间预热。而磁场能量收集到的功率有限，因此为了维持二氧化碳传感器的正常运行，有必要结合二氧化碳传感器的特性对自供电二氧化碳传感器系统进行低功耗设计。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低功耗自供电二氧化碳传感器系统，其目的在于，从环境中提取磁场能量并转化为电能，经能量管理装置后输出直流电为二氧化碳传感装置供电，采集空间中二氧化碳的浓度信息并无线发送到上位机；通过对磁场能量收集输出进行阻抗匹配、合理设置开路电压的比例、设置二氧化碳传感装置中的处理器和发送模块在休眠与工作状态交替运行的方式，充分降低自供电二氧化碳传感器系统的功耗，提高二氧化碳传感器的供电效率，由此解决现有二氧化碳传感器系统供电方式和高低功的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低功耗自供电二氧化碳传感器系统，包括依次连接的：
7.磁场能量收集装置，用于从环境中提取磁场能量；
8.能量管理装置，用于将所述磁场能量转化为供电电压并进行充放电管理，包括：
9.阻抗匹配电路，包括高耐压电容c
match
，用以匹配所述磁场能量收集装置内部的等效电感；
10.所述桥式整流电路，输入端c与c
match
连接，输入端d与所述磁场能量收集装置的输出端b连接，用于将所述磁场能量收集装置输出所述磁场能量对应的交流电转换为直流电，并对其进行稳压和滤波得到安全稳定的直流能量；
11.充放电控制电路包括能量管理芯片以及储能电容cs，在所述直流能量的作用下用于当所述储能电容cs的电压为所述最大电压时所述能量管理芯片控制其放电，当所述储能电容cs放电为最小电压时所述能量管理芯片控制其充电；
12.稳压电路用于对所述充放电控制电路的输出电压进行稳定处理得到所述供电电压；
13.二氧化碳传感装置，利用所述供电电压进行供能，用于采集二氧化碳的浓度数据，当被预设周期的rtc时钟唤醒后根据所述浓度数据获取二氧化碳的浓度信息，进而唤醒发送模块将所述浓度信息发送至数据接收装置。
14.数据接收装置，与上位机连接，用于接收所述二氧化碳传感装置发送的所述浓度信息，并上传至上位机。
15.在其中一个实施例中，所述阻抗匹配电路，包括设置在所述磁场能量收集装置的输出端a与所述桥式整流电路的输入端c之间串联高耐压电容c
match
，以匹配所述磁场能量收集装置内部的等效电感，提高功率传输效率。
16.在其中一个实施例中，所述桥式整流电路包括：整流桥、稳压二极管dz和滤波电容c1；
17.所述整流桥用于将所述磁场能量收集装置输出所述磁场能量对应的交流电转换为直流电；
18.所述稳压二极管dz用于将所述整流桥的最大输出电压限制在阈值以内；
19.所述整流桥包括二极管d1、d2、d3、d4，所述整流桥的正输出端与所述稳压二极管dz的阴极连接，所述整流桥的负输出端与所述稳压二极管dz的阳极连接；所述滤波电容c1并联于所述稳压二极管dz两端。
20.在其中一个实施例中，所述能量管理芯片为adp5090芯片；
21.所述能量管理芯片的sw端通过升压电感l1，与vin端一起连接稳压二极管dz的阴极；agnd端和pgnd端连接到稳压二极管dz的阳极；bat端通过储能电容cs连接agnd；vin端通过r1连接mppt端，mppt端通过r2连接agnd端，配置使得r1与(r1+r2)的比值为所述预设比例，进而使得所述整流电路的工作电压为开路电压的所述预设比例；ref端分别通过r4、r6、r8连接setsd端、setpg端、term端，setsd端、setpg端、term端再分别通过r5、r7、r9连接agnd端；通过r4、r5、r6、r7、r8、r9的设置使得储能电容cs的电压工作在3.4v～5.0v之间；
22.当所述储能电容cs充电到5.0v时，控制pgood为高电平，所述储能电容cs开始放电；当所述储能电容cs的电压降为3.4v时，控制pgood变为低电平，所述储能电容cs将会充电到5.0v后继续放电；
23.所述能量管理芯片的cbp端、sys端分别通过c2、c3连接到agnd和pgnd端，minop端通过r3连接agnd端。
24.在其中一个实施例中，所述储能电容cs选用低内阻的超级电容，所述储能电容cs的大小能够保证所述二氧化碳传感器每次持续工作预设时间以采集所述浓度数据。
25.在其中一个实施例中，所述稳压电路，采用tps78101芯片，tps78101芯片的in端连
接所述能量管理芯片的sys端；tps78101芯片的en端连接所述能量管理芯片的pgood端；tps78101芯片的vout端通过c5接地，并通过r
10
连接vset/fb端，vset/fb端通过r
11
接地；通过r9和r
10
的设置使得tps78101芯片的vout端在工作时能够输出3.0v的直流电压；当tps78101芯片的en端为高电平时，vout端能够输出3.0v的直流电压。
26.在其中一个实施例中，所述二氧化碳传感装置包括：依次连接的二氧化碳传感器、处理器和发送模块；
27.所述二氧化碳传感器，用于采集二氧化碳的浓度数据；
28.所述处理器，用于当被预设周期的rtc时钟唤醒后读取所述浓度数据，以获取判断所述二氧化碳传感器的状态信息和二氧化碳的浓度信息，通过拉高pa11端唤醒连接的所述发送模块并向其传输所述浓度信息，以使其发送所述浓度信息至上位机；发送完成后所述处理器通过拉低pa11端以使所述发送模块进入休眠状态；所述处理器进入停止模式并等待下一个周期的所述rtc时钟。
29.在其中一个实施例中，所述二氧化碳传感器设置有信号输出端scl和sda；所述发送模块采用cc2530模块，p1.6端和p1.7端分别作为串口通信的tx和rx，p1.3作为唤醒引脚；所述处理器采用stm32l431cct6模块，stm32l431cct6模块的pa6端和pa7端分别连接所述二氧化碳传感器的信号输出端scl和sda，stm32l431cct6模块的pa9、pa10和pa11端分别连接发送模块的p1.6、p1.7、p1.3端；所述处理器在完成初始化后进入低功耗运行模式；
30.其中，所述处理器读取所述二氧化碳传感器返回的浓度数据并判断所述二氧化碳传感器的状态信息和二氧化碳的浓度信息；所述处理器通过拉高pa11端唤醒所述发送模块并发送初始化信息或二氧化碳浓度，发送完成后，所述处理器通过拉低pa11端让所述发送模块进入休眠状态；所述处理器进入休眠模式并等待rtc时钟的唤醒；所述处理器的未用引脚均设置为模拟输入状态以降低功耗。
31.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
32.本发明能够最大限度地降低基于磁场能量收集的自供电二氧化碳传感器系统的功耗，提高二氧化碳传感器的供电效率，在维持自供电二氧化碳传感器正常运行的情况下减小对磁场能量收集装置的功率要求；此外，能够充分提取磁场能量收集装置的能量，从环境中提取磁场能量并转化为电能，经能量管理装置后输出直流电为二氧化碳传感装置供电，采集空间中二氧化碳的浓度信息并无线发送到上位机。
附图说明
33.图1是本发明一实施例中的基于磁场能量收集的自供电二氧化碳传感器的系统框图；
34.图2是本发明一实施例中的能量管理装置的电路图；
35.图3是本发明一实施例中的能量管理装置中具有最大功率跟踪功能的充放电控制电路中的储能电容充放电波形图；
36.图4是本发明一实施例中的二氧化碳传感装置的连接图；
37.图5是本发明一实施例中的无线二氧化碳传感装置的工作逻辑图；
38.图6是本发明一实施例中的上位机接收信息示例图。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
40.本发明实施例提供一种低功耗自供电二氧化碳传感器系统，如图1所示，该系统包括磁场能量收集装置、能量管理装置和二氧化碳传感装置和数据接收装置；其中，能量管理装置包括阻抗匹配电路、整流电路、具有最大功率跟踪功能的充放电控制电路和稳压电路；二氧化碳传感装置包括传感器、处理器和zigbee发送模块。
41.本发明实施例通过对磁场能量收集输出进行阻抗匹配、合理设置最大功率跟踪中开路电压法的比例、设置二氧化碳传感装置中的处理器和发送模块在休眠与工作状态交替运行的方式，对能量管理装置和二氧化碳传感装置进行低功耗设计，最大限度地降低磁场能量收集的自供电二氧化碳传感器系统的功耗，充分提取磁场能量收集装置的能量，提高二氧化碳传感器系统的供电效率，在维持自供电二氧化碳传感器可靠运行的情况下减小对磁场能量收集装置的功率要求。
42.现有的二氧化碳传感器功耗相对较高，在获得准确数值前需要初始化并预热一段时间。以sensirion公司生产的sgp30为例介绍传感器系统的设计过程。sgp30传感器是数字型气体传感器，能轻松集成到空气净化器，通风系统和物联网应用中。sgp30传感器模块的平均电流为49ma，供电电压最低3.0v，在上电后需要约15s进行初始化，之后才能读取得到可信数据。为保证传感器返回的数据准确可靠，每次让sgp30传感器工作至少30s，以一定的时间间隔工作。因此需要足够大的储能器件使二氧化碳传感装置能够持续工作30s，间隔时间内储能器件充电。
43.本发明实施例提供的能量管理装置的电路图如图2所示。为了保证从源端到负载的最大功率传输，在能量管理装置中设置了阻抗匹配电路。由于磁场能量收集装置内部阻抗等效为电阻和电感串联，为了匹配磁场能量收集装置内部的等效电感，选取电容构成阻抗匹配电路。阻抗匹配电路通过在磁场能量收集装置的输出端a与整流电路输入端c之间串联高耐压电容c
match
以匹配磁场能量收集装置内部的等效电感，提高功率传输效率；c
match
一端与磁场能量收集装置的输出端a连接，另一端与整流电路输入端c连接。电容c
match
的数值可通过如下方法确定：将磁场能量收集装置置于固定大小、固定频率的磁场环境下，并与阻抗匹配电路、高精度电阻箱串联构成回路，高精度电阻箱用于模拟负载；不断调节电阻箱的数值和阻抗匹配电路中电容c
match
的数值，计算电阻箱获得的功率；电阻箱获得的最大功率时电容c
match
的数值即为最佳匹配电容值。
44.为了将磁场能量收集装置输出的交流电变换为直流电，选取低功耗二极管构成桥式整流电路。为了避免磁场能量收集装置的输出电压过高导致后端充放电控制电路不能正常工作，选用3.3v的稳压二极管起保护作用。电容c1用于滤除整流桥的输出纹波，其数值可依据实际情况进行调整。桥式整流电路的输入端c与c
match
的一端连接，桥式整流电路的输入端d与磁场能量收集装置的输出端b连接；桥式整流电路的正输出端与稳压二极管dz的阴极连接，桥式整流电路的负输出端与稳压二极管dz的阳极连接；电容c1并联于稳压二极管dz两端。
45.为了充分提取磁场能量收集装置的功率、降低电路损耗、满足二氧化碳传感装置单次工作时间持续30s的需求，设计了最大功率跟踪功能的充放电控制电路。adi公司推出的adp5090芯片是一款集成式升压调节器，可对储能元件进行充电，工作损耗在亚μw级别。该芯片采用开路电压法对能量收集器进行最大功率点跟踪，高效提取能量。选取adp5090芯片和储能电容cs构建具有最大功率跟踪功能的充放电控制电路；adp5090芯片的sw端通过升压电感l1，与vin端一起连接稳压到二极管dz的阴极，agnd端和pgnd端连接到稳压二极管dz的阳极；adp5090芯片的bat端通过储能电容cs连接agnd；adp5090芯片的vin端通过r1连接mppt端，mppt端通过r2连接agnd端；ref端分别通过r4、r6、r8连接setsd端、setpg端、term端，setsd端、setpg端、term端再分别通过r5、r7、r9连接agnd端；adp5090芯片的cbp端、sys端分别通过c2、c3连接到agnd和pgnd端，minop端通过r3连接agnd端；储能电容cs选用低内阻的超级电容。
46.具有最大功率跟踪功能的充放电控制电路关键参数设计：当整流桥的输出电压为开路电压的40％时，可实现整流桥前磁场能量收集装置的最大功率输出，配置使得r1与(r1+r2)的比值为40％，进而使得整流电路的工作电压为开路电压的40％；通过r4、r5、r6、r7、r8、r9的设置使得储能电容cs的电压工作在3.4v～5.0v之间；当储能电容cs充电到5.0v时，pgood为高电平，储能电容cs开始放电；当储能电容cs的电压降为3.4v时，pgood变为低电平，储能电容cs将会充电到5.0v后继续放电；为保证二氧化碳传感器每次至少持续工作30s，储能电容cs的大小设置为1.1f。
47.超级电容的工作电压波形如图3所示。当超级电容电压低于1.6v时，adp5090处于冷启动阶段；当超级电容电压高于1.6v时，adp5090正式开始工作，其最大功率跟踪开始起作用；当超级电容电压达到2.25v时，adp5090采样获得新的开路电压并使整流桥的输出电压控制在新开路电压的40％，最大功率跟踪的效果更加明显；此后超级电容不断充放电，电压介于3.4v～5.0v之间。
48.为了保证能量管理装置可以更加稳定地为二氧化碳传感装置供电，在充放电控制电路后端接入了一个低压差线性稳压器，实现可以输出稳定3.0v电压。稳压电路采用tps78101芯片，tps78101芯片的in端连接adp5090芯片的sys端；tps78101芯片的en端连接adp5090芯片的pgood端；tps78101芯片的vout端通过c5接地，并通过r
10
连接vset/fb端，vset/fb端通过r
11
接地；通过r
10
和r
11
的设置使得tps78101芯片的vout端在工作时可输出3.0v的直流电压；当tps78101芯片的en端为高电平时，vout端可输出3.0v的直流电压。
49.本发明实施例提供的二氧化碳传感装置连接图如图4所示。其中二氧化碳传感器设置有信号输出端scl和sda；二氧化碳传感装置的zigbee发送模块采用cc2530模块，该模块的p1.6端和p1.7端分别作为串口通信的tx和rx，p1.3作为唤醒引脚；处理器采用stm32l431cct6模块，stm32l431cct6模块的pa6端和pa7端分别连接传感器的信号输出端scl和sda，stm32l431cct6模块的pa9、pa10和pa11端分别连接zigbee发送模块的p1.6、p1.7、p1.3端。
50.在本发明实施例中，为了充分降低二氧化碳传感装置的功率，二氧化碳传感装置的处理器在采集及发送数据时处于低功耗运行状态，其余时间均处于停止模式，通过rtc时钟定时唤醒。处理器的未用引脚均设置为模拟输入状态以降低功耗。二氧化碳传感装置的zigbee发送模块除发送数据时间外均处于休眠状态，其唤醒和休眠由处理器决定。zigbee
发送模块的休眠电流低至1.5μa，处理器处于停止模式的电流低至4.63μa。zigbee发送模块在被唤醒时会自动搜索到数据接收端并连接，无需人工干预。
51.二氧化碳传感装置的处理器工作逻辑图如图5所示。当stm32l431cct6模块上电后，首先完成处理器自身的初始化，之后便进入低功耗运行模式。处理器读取二氧化碳传感器返回的数值并判断传感器是否处于初始化状态。若传感器仍处于初始化状态，处理器通过拉高pa11端唤醒zigbee发送模块并发送“initializing”，发送完成后，处理器通过拉低pa11端让zigbee发送模块进入休眠状态；处理器进入stop 1模式，等待下一周期的rtc时钟唤醒；处理器被唤醒后进入低功耗运行模式并重复检测传感器是否初始化完成。若传感器初始化完成，处理器会读取传感器的数据，通过拉高pa11端唤醒zigbee发送模块并发送当前co2和tvoc的浓度，发送完成后，处理器通过拉低pa11端让zigbee发送模块进入休眠状态；处理器进入stop1模式，等待下一周期的rtc时钟唤醒；处理器被唤醒后进入低功耗运行模式，并重复读取和发送的操作，直至二氧化碳传感装置断电。rtc时钟的中断函数中对处理器的时钟进行再一次配置，以保证处理器能正常工作。
52.在其中一个实施例中，数据接收装置与上位机连接，用于接收二氧化碳传感装置发送的浓度信息，并上传至上位机。
53.具体的，数据接收装置采用带有ch340芯片和usb接口的cc2530模块，该模块在二氧化碳传感装置的zigbee发送模块工作时与其无线连接，接收二氧化碳浓度信息。数据接收装置通过usb接口与上位机连接并上传接收到的浓度信息。当上位机中安装了串口接收软件，并打开对应的串口并进行配置后，即可在二氧化碳传感装置工作时接收到其发送的浓度信息。上位机接收到的典型信息如图6所示。
54.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。