用于电子传感器的光纤传能能量管理系统的制作方法

1.本发明涉及光纤传能技术领域，尤其涉及一种用于电子传感器的光纤传能能量管理系统。


背景技术：

2.随着微电子技术、计算技术和通信等技术的进步，推动了电子传感器的快速发展。电子传感器以其低成本、体积小、扩展性强和低能耗等优点，广泛应用于环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监测、城市交通等领域。电子传感器是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式；人们可以通过电子传感器直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。
3.光纤传能技术是指通过光伏效应把光能直接转换成电能的光电转换过程，其目的是尽可能地将远端传输的激光能量转换为电能输出给电子式终端使用。随着光纤传能系统的应用场景不断丰富，所涉及的应用场景包含多种低功耗传感器终端以及部分大功耗设备，因而对于光纤传能系统的功率输出以及能量存储的要求也在不断提高。而现有的光纤传能系统普遍存在着无法对微小光能量进行有效收集且存储效率低的问题，尤其是在远距离传输场景下，该问题更加明显。因此，对于用于电子传感器的光纤传能系统，如何使低功耗的电子传感器得到有效的能量供应是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种用于电子传感器的光纤传能能量管理系统，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。
5.根据本发明的一个方面，本发明公开了一种用于电子传感器的光纤传能能量管理系统，所述系统包括：光电转化单元，其输入端用于与传能光纤连接，所述光电转化单元用于将接收到的光信号转换为电信号；能量管理单元，其输入端与所述光电转化单元的输出端连接，所述能量管理单元用于对所述光电转化单元进行最大功率点跟踪；储能单元，其输入端与所述能量管理单元的输出端连接，所述储能单元用于储存所述光电转化单元输出的电能；电子传感单元，包括电源管理电路、微控制器、升压电路以及传感器，所述电源管理电路与所述能量管理单元连接，所述电源管理电路用于将所述能量管理单元输出的电压调制为稳定电压，所述微控制器与所述电源管理电路、升压电路以及传感器均连接，所述微控制器用于控制所述升压电路以及传感器的工作状态。
6.在本发明的一些实施例中，所述电源管理电路包括第一稳压芯片和第二稳压芯片，所述第一稳压芯片的输入端与所述能量管理单元的输出端连接，所述第一稳压芯片的输出端与所述微控制器的输入端连接，所述微控制器的输出端与所述第二稳压芯片的输入
端连接，所述第二稳压电路的输出端与所述升压电路的输入端连接，所述升压电路的输出端与所述传感器的输入端连接。
7.在本发明的一些实施例中，所述第一稳压芯片和第二稳压芯片均为ldo稳压芯片；第一ldo稳压芯片的ce引脚和vin引脚均与所述能量管理单元的输出端连接，所述第一ldo稳压芯片的vss引脚与所述能量管理单元的输出端之间设有第一电容，所述第一ldo稳压芯片的vout引脚与所述微控制器的输入端连接，所述第一ldo稳压芯片的vout引脚与接地端之间设有第二电容；第二ldo稳压芯片的ce引脚与所述微控制器的输出端连接，所述第二ldo稳压芯片的vin引脚与所述能量管理单元的输出端连接，所述第二ldo稳压芯片的vss引脚与所述能量管理单元的输出端之间设有第三电容，所述第二ldo稳压芯片的vout引脚与所述升压电路的输入端连接，所述第二ldo稳压芯片的vout引脚与接地端设有第四电容，所述第二ldo稳压芯片的vout引脚与所述升压电路之间还设有多个并联连接的第五电容。
8.在本发明的一些实施例中，所述第一电容、第二电容第三电容和第四电容的容量均为1μf，各所述第五电容的容量均为100nf。
9.在本发明的一些实施例中，所述升压电路包括升压芯片、电感、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第六电容；所述升压芯片的vin引脚和en引脚均与所述第二ldo稳压芯片的vout引脚连接，所述升压芯片的vin引脚和sw引脚分别与所述电感的两端连接，所述升压芯片的sw引脚还与所述二极管的正极连接，所述二极管的负极与所述第一电阻的正极、第五电容的一端均连接，所述第一电阻和第二电阻串联连接，所述第二电阻的负极与所述升压芯片的fb引脚连接，所述fb引脚还与第三电阻的正极连接，所述第三电阻的负极、所述第六电容的另一端均与接地端连接。
10.在本发明的一些实施例中，所述第一电阻的阻值为100千欧，所述第二电阻的阻值为91千欧，所述第三电阻的阻值为10千欧。
11.在本发明的一些实施例中，所述能量管理单元包括adp5091或adp5092电源管理芯片。
12.在本发明的一些实施例中，所述传感器为温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器和风速传感器中的一种或多种。
13.在本发明的一些实施例中，所述储能单元包括超级电容，所述超级电容的容量为0.001f-5f。
14.在本发明的一些实施例中，所述光电转化单元包括ingaas光电二极管，所述传能光纤所传输的信号光的中心波长范围为1450至1550纳米。
15.本发明所公开的用于电子传感器的光纤传能能量管理系统，通过能量管理单元追踪光电转化单元的最大功率输出点电压，保证光电转化单元能持续进行最大功率输出，从而进行高效率的升压和存储；储能单元储存的光电转化单元输出的电能，在光功率微弱无法满足电子传感单元运行瞬间爆发的能耗需求时，可通过储存单元储存的微能量满足一次电子传感器节点瞬间爆发的能耗需求；因而该光纤传能能量管理系统可使低功耗的电子传感器得到有效的能量供应。
16.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对
于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
17.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：图1为本发明一实施例的用于电子传感器的光纤传能能量管理系统的结构示意图。
19.图2为本发明一实施例的电子传感单元的结构示意图。
20.图3为本发明一实施例的第一ldo稳压芯片相关电路的电路示意图。
21.图4为本发明一实施例的第二ldo稳压芯片相关电路的电路示意图。
22.图5为本发明一实施例的升压电路的电路示意图。
23.图6为本发明一实施例的能量管理单元的电路结构示意图。
24.图7为本发明一实施例的用于电子传感器的光纤传能能量管理系统的能量转换流程图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
26.在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
27.应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
28.目前的光纤传能系统普遍存在着无法对微小光能量进行有效收集且存储效率低的问题，尤其是在远距离传输场景下，该问题更加明显；从而对于应用于电子传感器的光纤传能系统，如何解决对微小光能量进行有效收集且存储效率低的问题成为光纤传能技术发展中亟待解决的技术问题。因此，为了使低功耗的电子传感器得到有效的能量供应，本发明提供了一种用于电子传感器的光纤传能能量管理系统。
29.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
30.图1为本发明一实施例的用于电子传感器的光纤传能能量管理系统的结构示意图,如图1所示，该能量管理系统至少包括光电转化单元110、能量管理单元120、储能单元
130以及电子传感单元140。光电转化单元110的输入端用于与传能光纤连接，所述光电转化单元110用于将接收到的光信号转换为电信号；能量管理单元120的输入端与所述光电转化单元110的输出端连接，能量管理单元120的输出端与储能单元130的输入端和电子传感单元140的输入端均连接，能量管理单元120用于对光电转化单元110进行最大功率点跟踪，以追踪光电转化单元110的最大输出功率点电压值，并且锁定该电压值进行持续高效率转换并输出。储能单元130用于储存所述光电转化单元110输出的电能；在储能单元130的电压达到或超过电压上阈值时，能量管理单元120使储能单元130向电子传感单元140供电，而当储能单元130的电压低于电压下阈值时，能量管理单元120使储能单元130停止向电子传感单元140供电。在该实施例中，电子传感单元140为负载部分，主要对储能单元130所存储的能量进行消耗。
31.图2为本发明一实施例的电子传感单元140的结构示意图，如图2所示，电子传感单元140主要包括电源管理电路201、微控制器203、升压电路202以及电子传感器204，所述电源管理电路201与所述能量管理单元120连接，所述电源管理电路201用于将所述能量管理单元120输出的电压调制为稳定电压，所述微控制器203与所述电源管理电路201、升压电路202以及电子传感器204均连接，所述微控制器203用于控制所述升压电路202以及电子传感器204的工作状态。具体的，微控制器203在休眠周期结束后会对储能单元130电压值进行采集，判断储存单元电能是否充足，如不充足则再次进入休眠状态等待储能单元130继续储能，如能量充足系则开启电源管理电路201为升压电路202和电子传感器204提供能量；而当微控制器203采集指令完成后，将关断电源管理电路201，使电子传感单元140进入休眠状态等待下一次工作循环。
32.在该实施例中，光电转化单元110将传能光纤传输来的光能转换为电能，能量管理单元120对光电转化单元110进行最大功率点跟踪，以将传能光纤输出的微弱光能量转化为合适的直流电压(电能)存储至储能单元130；并且能量管理单元还在当储能单元130内存储的电压达到或超过电压上阈值时，控制储能单元130供电给电子传感单元140，而当储能单元130内存储的电压低于电压下阈值时，停止向电子传感单元140供电。电子传感单元140内的微控制器203、电源管理电路201以及升压电路202，实现对电子传感器204的工作状态进行有效控制，从而合理利用有限的能量实现低功耗高效率工作。该用于电子传感器的光纤传能能量管理系统提高了光纤传能系统的输出效率及能量管理效率，实现了对微小光能量的有效收集与利用，极大扩展了光纤传能系统的应用场景，使低功耗的电子传感器204得到有效的能量供应。
33.在本发明的一实施例中，电源管理电路201包括第一稳压芯片和第二稳压芯片，所述第一稳压芯片的输入端与所述能量管理单元120的输出端连接，所述第一稳压芯片的输出端与所述微控制器203的输入端连接，所述微控制器203的输出端与所述第二稳压芯片的输入端连接，所述第二稳压电路的输出端与所述升压电路202的输入端连接，所述升压电路202的输出端与所述传感器的输入端连接。
34.示例性的，第一稳压芯片和第二稳压芯片均为ldo稳压芯片，此时电源管理电路201包括第一ldo稳压芯片和第二ldo稳压芯片。图3和图4分别为第一ldo稳压芯片和第二ldo稳压芯片相关电路的电路示意图。如图3所示，第一ldo稳压芯片上至少具有ce引脚、vss引脚、vin引脚以及vout引脚，该第一ldo稳压芯片相关电路至少包括第一电容和第二电容；
具体的，第一ldo稳压芯片的ce引脚与所述能量管理单元120的输出端连接，而第一ldo稳压芯片的vin引脚进一步的可与第一ldo稳压芯片的ce引脚汇聚为一点，并进一步与能量管理单元120的输出端连接，此时图3电路中的vcc 5v端对应于能量管理单元120的输出端。第一ldo稳压芯片的vss引脚与所述能量管理单元120的输出端之间设有第一电容，第一ldo稳压芯片的vout引脚与微控制器203的输入端连接，第一ldo稳压芯片的vout引脚与接地端之间设有第二电容。第一电容的一端与vcc 5v端连接，而第一电容的另一端与接地端gnd连接，此时第一ldo稳压芯片的vss引脚则与第一电容的接地端汇成一点，即第一ldo稳压芯片的vss引脚也与接地端gnd连接；而该电路中的vout引脚的输出端为mcu vcc端，此时第二电容的一端与mcu vcc端连接，而第二电容的另一端则与接地端gnd连接。示例性的，第一电容和第二电容的容量可均为1μf。
35.如图4所示，第二ldo稳压芯片上也至少具有ce引脚、vss引脚、vin引脚以及vout引脚，且该第二ldo稳压芯片相关电路还至少包括第三电容、第四电容和多个第五电容。具体的，第二ldo稳压芯片的ce引脚与微控制器203的输出端连接，第二ldo稳压芯片的vin引脚与能量管理单元120的输出端连接，第二ldo稳压芯片的vss引脚与能量管理单元120的输出端之间设有第三电容，第三电容与图3中的第一电容类似的，其一端与vcc 5v端（能量管理单元120的输出端）连接，另一端与接地端gnd端连接，此时第二ldo稳压芯片的vss引脚与第三电容的接地端汇成一点，即第二ldo稳压芯片的vss引脚也与接地端gnd连接。第二ldo稳压芯片的vout引脚与升压电路202的输入端连接，第二ldo稳压芯片的vout引脚与升压电路202之间还设有多个并联连接的第五电容；第四电容与图3中的第二电容类似的，第四电容的一端与vout引脚连接，而第四电容的另一端与接地端gng连接。
36.在该电路中，第五电容的数量为五个，此时五个第五电容并联连接，第五电容的一端均与第二ldo稳压芯片的vout引脚连接，而第五电容的另一端均与接地端gnd连接。进一步的，第三电容和第四电容的容量可均为1μf，各第五电容的容量均为100nf。应当理解的是，上述所列举的各电容的容量仅是一种示例，在其他实施例中，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及第五电容的容量可根据实际需要进行设定。
37.在该实施例中，第一ldo稳压芯片和第二ldo稳压芯片级联，将由能量管理单元120输出的电压调制为稳定电压，具体的，所调制的稳定电压为3.3v。其中，前一级ldo稳压芯片主要为微控制器203提供工作电压与能量，并通过微控制器203控制后一级ldo稳压芯片的使能端，从而进一步控制升压电路202以及传感器的通断，减小电子传感单元140在休眠状态时的功耗，实现微能量的有效利用。
38.进一步的，储能单元130包括一个或者多个并联的超级电容，超级电容又名电化学电容器，双电层电容器，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件，突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。超级电容在额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出；超级电容可以快速充电且可以反复循环数十万次；超级电容的工作温度范围比较广，充放电次数一般是锂电池的数百倍，更适合在充放电频繁的能量采集系统中，所以适合用超级电容代替锂电池作为系统的储能单元130。示例性的，超级电容的容量范围可为0.001f-5f，优选的，超级电容的容量为0.047f。在一实施例中，储能电容具体的可为锂离子电容器或电解电容器。
39.具体的，该能量管理系统能够收集光纤传能过程中存在的0.5mw至3.5mw的能量，
使得电子传感单元140可得到有效的能量供应；同时采用超级电容作为储能单元130，可频繁充放电，延长电子传感单元140的使用寿命。
40.图5为本发明一实施例的升压电路202的电路示意图，如图5所示，升压电路202包括升压芯片、电感、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第六电容。另外，升压芯片上至少具有vin引脚、en引脚、gnd引脚、sw引脚以及fb引脚；升压芯片的vin引脚与第二ldo稳压芯片的vout引脚连接，升压芯片的en引脚也与第二ldo稳压芯片的vout引脚连接，电感位于升压芯片的vin引脚与sw引脚之间或en引脚与sw引脚之间，在该电路图中，升压芯片的en引脚与升压芯片的vin引脚汇为一点，而电感则位于en引脚和vin引脚的交点与sw引脚之间，即升压芯片的vin引脚和sw引脚分别与所述电感的两端连接。
41.另外，升压芯片的sw引脚还与二极管的正极连接，二极管的负极与第一电阻的正极、第五电容的一端均连接，第一电阻和第二电阻串联连接，第二电阻的负极与升压芯片的fb引脚连接，fb引脚还与第三电阻的正极连接，第三电阻的负极、所述第六电容的另一端均与接地端连接。二极管的负极、第一电阻的正极以及第六电容的一端均与第二ldo稳压芯片的vout引脚连接，以使微控制器203控制升压电路202的通断，并且第三电阻的负极、第六电容的另一端均与接地端gnd连接。
42.在该升压电路202示意图中，电感可为22μh电感，第一电阻的阻值为100千欧，第二电阻的阻值为91千欧，第三电阻的阻值为10千欧，而第六电容的容量可为100μf或22μf。类似的，各部件的具体参数限定仅是一种示例，在其他实施例中，各部件还可根据实际应用场合进行设定。该能量管理系统中的升压电路202主要用于为电子传感单元140中的传感器提供12v稳定电压，以满足传感器额定工作电压，使传感器具备正常工作条件。
43.图6为本发明一实施例的能量管理单元120的电路结构示意图，如图6所示，能量管理单元120包括adp5091或adp5092电源管理芯片。此时该能量管理单元120能对采集的有限能量(16 uw到600 mw范围)实现高效转换，工作损耗为亚μw级别；其利用内部冷启动电路，调节器可在低至380 mv的输入电压下启动；通过检测输入电压，控制环路可将输入电压纹波限定在固定范围内，从而保持稳定的dc-dc升压转换。在ocv动态检测模式和非检测模式下，输入电压的编程调节点允许最大限度地提取采集器的能量；通过设置电阻可编程充电截止电压和放电关断电压监控电池电压，实现储能单元130的保护。在本实施例中，充电截止电压设置为5v，放电关断电压设置为2.5v，输出端电压与储能单元130电压保持一致。
44.进一步的，本发明中的传感器为微瓦级功耗传感器或毫瓦量级功耗传感器，具体地，该能量管理系统中的电子传感单元140包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器、风速传感器中的一种或多种。
45.在本发明一实施例中，传能光纤所传输的信号光的中心波长为1450nm至1560nm，此时光电转化单元110用于将其接收到的中心波长为1450nm至1550nm的光信号转换为电信号输出。其中，光电转化单元110中包括至少一个pn结。在实际工作过程中，光电转化单元110与传能光纤所连接，使得传能光纤所传输的激光直射在光电转化单元110中的pn结上进行光电转换，因此实现了光能到电能的转换。当光电转化单元110的入射光功率处于0.5mw至3.5mw时，光电转化单元110所能输出的最高开路电路典型值为0.5v。
46.在另一实施例中，光电转化单元110包括ingaas光电探测器二极管，该光电探测器二极管在波长为800-1700nm范围内有效，其可接收最大光功率为3.5mw，并可实现对0.5mw
至3.5mw光功率能量的有效转换并通过能量管理单元120将能量存储在储能单元130中。从而该用于电子传感器的光纤传能能量管理系统实现了对微小能量的有效管理和存储。
47.图7为本发明一实施例的用于电子传感器的光纤传能能量管理系统的能量转换流程图，如图7所示，该光纤传能能量管理系统在能量转换过程中，首先由光电转化单元110将传能光纤中的光能量转换成电能量输出给能量管理单元120，能量管理单元120将能量进行收集并存储在超级电容。超级电容处在充电状态时，电子传感单元140各个组件处于低功耗模式，此时由光电转化单元110转换成的电能量被传输并存储至超级电容中，节点传感器通过微控制器203在低功耗模式下每隔预定时间唤醒能量管理单元120以监测储能电容两端引脚的电压大小，当监测到储能电容引脚两端电压达到放电阈值后，超级电容处于放电状态，此时传感器节点处于运行模式，节点传感器超级电容和所述光电转化单元110中同时获取能量，当电子传感器204完成运行模式后，所述传感器节点处于低功耗模式，超级电容开始充电。
48.通过上述实施例可以发现，本发明的用于电子传感器的光纤传能能量管理系统，通过能量管理单元追踪光电转化单元的最大功率输出点电压，保证光电转化单元能持续进行最大功率输出，从而进行高效率的升压和存储。电源管理系统既可直接对光电转化单元、电子传感单元供电外，还可将多余的电能为储能单元供电。从而在光功率微弱无法满足电子传感节点运行时瞬间爆发的能耗需求时，此时输入能量小于支出的能量，可利用长时间累积储备的微能量来满足一次瞬间爆发的能耗使用，从而可使低功耗的电子传感器得到有效的能量供应。即本发明的用于电子传感器的光纤传能能量管理系统可对光纤传能系统中微小光能量进行有效收集且存储，无需人工更换电池、充电等维护，从而延长了电子传感单元使用寿命，解决了电子传感单元的供能问题。
49.还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
50.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
51.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。