一种能源等级监测系统、能源等级监测方法

摘要

本申请实施例提供一种能源等级监测系统、能源等级监测方法，该系统包括依次相连的摩擦纳米发电机、控制模块和等级判断模块，其中，摩擦纳米发电机，用于在给定能源的作用下产生电流信号并输出；控制模块，用于将电流信号转换为电压信号，将电压信号与给定能源对应的设定电压信号进行比较，根据比较结果接通或切断等级判断模块的电源，该电源用于为等级判断模块提供进行能源等级判断所需的各基准电压信号；等级判断模块，用于在接通电源时，基于电压信号和各基准电压信号进行能源等级判断，得到能源等级指示信号并输出。这样，使能源等级监测系统间歇地处于工作状态，所以能够降低能源等级监测系统的功耗、延长能源等级监测系统的电源使用时间。

说明书

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种能源等级监测系统、能源等级监测方法。

背景技术

目前，风级监测是一项重要的气象预报技术，并且，风级监测在指导农业生产，预防自然灾害等方面有着广泛的应用。例如，在海洋风暴预警中，风级是预测台风的重要参数之一。然而，传统的风级监测系统的电源都是电池，一方面，电池的使用时间较短、维护成本较高，另一方面，风级监测系统需持续进行会消耗较多电量，这些都限制了风级监测系统的应用。因此，如何降低风级监测系统的功耗，延长风级监测系统的电源使用时间是一亟需解决的问题。

而其他形式的能源等级监测系统如水滴能等级监测、由设备工作而产生的振动能等级监测也存在着类似的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种能源等级监测系统、能源等级监测方法，用以解决现有技术中能源等级监测系统的功耗比较大而导致能源等级监测系统的电源使用时间较短的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种能源等级监测系统，包括依次相连的摩擦纳米发电机、控制模块和等级判断模块，其中：

所述摩擦纳米发电机，用于在给定能源的作用下产生电流信号，输出所述电流信号；

所述控制模块，用于将所述电流信号转换为电压信号，将所述电压信号与所述给定能源对应的设定电压信号进行比较，根据比较结果接通或切断所述等级判断模块的电源，所述电源用于为所述等级判断模块提供进行能源等级判断所需的各基准电压信号；

所述等级判断模块，用于在接通所述电源时，基于所述电压信号和所述各基准电压信号进行能源等级判断，得到能源等级指示信号，输出所述能源等级指示信号。

在一些可能的实施方式中，所述控制模块包括依次相连的转换电路、比较电路和开关电路，其中：

所述转换电路，用于将所述电流信号转换为电压信号，输出所述电压信号；

所述比较电路，用于比较所述电压信号和所述设定电压信号的大小，根据比较结果输出控制信号；

所述开关电路，用于根据所述控制信号接通或切断所述电源。

在一些可能的实施方式中，所述控制模块还包括与所述转换电路相连的整流电路，

所述整流电路，用于在所述转换电路将所述电流信号转换为电压信号之前，对所述电流信号进行整流处理。

在一些可能的实施方式中，所述控制模块还包括与所述转换电路相连的保护电阻，

所述保护电阻，用于承载所述比较电路输出的电压信号，以防止误接通所述等级判断模块的电源。

在一些可能的实施方式中，所述控制模块还包括与所述比较电路相连的稳压电路，

所述稳压电路，用于稳定所述比较电路输出的电压信号。

在一些可能的实施方式中，所述控制模块还包括连接在所述比较电路和所述开关电路之间的限流电阻，

所述限流电阻，用于限制输入所述开关电路的电流大小。

在一些可能的实施方式中，所述等级判断模块包括n个比较器，每个比较器的第一输入端对应一个基准电压信号，每个比较器的第二输入端与所述电压信号相连，n为正整数，其中：

每个比较器，用于将所述电压信号与对应的基准电压信号进行比较，根据比较结果输出能源等级指示信号。

在一些可能的实施方式中，还包括：

无线发射模块，与所述等级判断模块相连，用于向外发送所述能源等级指示信号。

在一些可能的实施方式中，所述给定能源为风能、水能或由设备工作而产生的振动能。

第二方面，本申请实施例提供一种能源等级监测方法，包括：

获取摩擦纳米发电机在给定能源作用下产生的电流信号；

将所述电流信号转换为电压信号；

将所述电压信号与所述给定能源对应的设定电压信号进行比较；

根据比较结果接通或切断进行能源等级判断所需的电源；

若接通所述电源，则基于所述电压信号和所述电源提供的进行能源等级判断所需的各基准电压信号进行能源等级判断，得到能源等级指示信号并输出。

在一些可能的实施方式中，所述能源等级指示信号是通过无线发射方式输出给外界的。

本申请实施例中的能源等级监测系统包括依次相连的摩擦纳米发电机、控制模块和等级判断模块，其中，摩擦纳米发电机，用于在给定能源的作用下产生电流信号并输出；控制模块，用于将电流信号转换为电压信号，将电压信号与给定能源对应的设定电压信号进行比较，根据比较结果接通或切断等级判断模块的电源，该电源用于为等级判断模块提供进行能源等级判断所需的各基准电压信号；等级判断模块，用于在接通电源时，基于电压信号和各基准电压信号进行能源等级判断，得到能源等级指示信号并输出。这样，在切断等级判断模块的电源时，能源等级监测系统处于待机状态，无需进行能源等级判断，在接通等级判断模块的电源时，能源等级监测系统处于工作状态，进行能源等级判断，从而使能源等级监测系统间歇地处于工作状态，所以能够降低能源等级监测系统的功耗、延长能源等级监测系统的电源使用时间。

本申请的这些方面或其它方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本申请实施例提供的能源等级监测系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的能源等级监测系统的原理示意图；

图3为本申请实施例采用的旋转式摩擦纳米发电机的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的能源等级监测系统的电路图；

图5为本申请实施例提供的能源等级监测系统监测到各级风力时，电容C1中的电压情况；

图6为本申请实施例提供的能源等级监测系统在待机与唤醒状态下的功耗示意图；

图7为本申请实施例提供的能源等级监测方法的流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术中能源等级监测系统的功耗比较大而导致能源等级监测系统的电源使用时间较短的问题，本申请实施例提供了一种能源等级监测系统、能源等级监测方法。

图1为本申请实施例提供的能源等级监测系统的示意图，包括依次相连的摩擦纳米发电机、控制模块和等级判断模块，其中：

摩擦纳米发电机，用于在给定能源的作用下产生电流信号，输出电流信号。

这里，给定能源可以为风能、水能或由设备工作而产生的振动能。

实际应用中，不同结构的摩擦纳米发电机可以用于监测不同形式的能源。比如，旋转结构或滚轴结构的摩擦纳米发电机可以用于监测风能；拱形结构或弹簧支撑结构的摩擦纳米发电机可以用于监测由设备工作而产生的振动能；矩阵排列结构的摩擦纳米发电机可以用于监测雨滴能；球状全封闭结构的摩擦纳米发电机可以用于监测水波能。

控制模块，用于将摩擦纳米发电机输出的电流信号转换为电压信号，将电压信号与给定能源对应的设定电压信号进行比较，根据比较结果接通或切断等级判断模块的电源，该电源用于为等级判断模块提供进行能源等级判断所需的各基准电压信号。

需要说明的是，不同的给定能源所对应的设定电压信号会有所不同，并且，每种给定能源所对应的设定电压信号可由技术人员根据经验或实验数据预先确定。

等级判断模块，用于在接通电源时，基于摩擦纳米发电机输出的电压信号和各基准电压信号进行能源等级判断，得到能源等级指示信号并输出能源等级指示信号。

也就是说，在接通电源时，等级判断模块进行能源等级判断，而在没有接通电源时，等级判断模块无需进行能源等级判断，此时，能源等级监测系统相当于处于待机状态，功耗消耗极低，所以可延长电源的使用时间。

在一些可能的实施方式中，控制模块包括依次相连的转换电路、比较电路和开关电路，其中：

转换电路，用于将电流信号转换为电压信号并输出；

比较电路，用于比较转换电路输出的电压信号和给定能源对应的设定电压信号的大小，根据比较结果输出控制信号；

开关电路，用于根据比较电路输出的控制信号接通或切断等级判断模块的电源。

具体实施时，转换电路可以包括电容，比较电路可以包括场效应管，开关电路可以包括继电器。

在一些可能的实施方式中，控制模块还包括与转换电路相连的整流电路，整流电路，用于在转换电路将电流信号转换为电压信号之前，对电流信号进行整流处理。

这里，整流电路可以包括半波整流桥或全波整流桥。

在一些可能的实施方式中，控制模块还包括与转换电路相连的保护电阻，该保护电阻可用于承载比较电路输出的电压信号，以防止误接通等级判断模块的电源。

在一些可能的实施方式中，控制模块还包括与比较电路相连的稳压电路，该稳压电路可用于稳定比较电路输出的电压信号。

具体实施时，稳压电路可以包括稳压二级管或瞬变电压抑制二极管(TransientVoltage Suppressor，TVS)。

在一些可能的实施方式中，控制模块还包括连接在比较电路和开关电路之间的限流电阻，该限流电阻可用于限制输入开关电路的电流大小，以防止开关电路被烧毁。

在一些可能的实施方式中，等级判断模块包括n个比较器，每个比较器的第一输入端对应一个基准电压信号，每个比较器的第二输入端与控制模块得到的电压信号相连，n为正整数，其中：

每个比较器，用于将电压信号与对应的基准电压信号进行比较，根据比较结果输出能源等级指示信号。

比如，当电压信号大于对应的基准电压信号时，该比较器输出高电平信号；当电压信号不大于对应的基准电压信号时，该比较器输出低电平信号。

这样，通过高低电平信号即可得知当前的能源等级是否是该比较器对应的预设能源等级。

在一些可能的实施方式中，还包括：

无线发射模块，与等级判断模块相连，用于向外发送能源等级指示信号。

具体实施时，无线发射模块可以选用远程(Long Rang，LoRa)模块、蓝牙模块、射频(Radio Frequency，RF)模块、窄带(Narrow Band，NB)模块或紫蜂(ZIGBEE)模块。

需要说明的是，在不冲突的情况下，以上各实施方式中的情况可以相互结合。

下面以对风级进行监测为例对本申请实施例中的能源等级监测系统进行介绍。

图2为本申请实施例提供的能源等级监测系统的原理示意图，包括依次相连的摩擦纳米发电机、控制模块、等级判断模块和无线发射模块，其中，摩擦纳米发电机在风力的作用下发生转动，将风能转化为电能，控制模块存储摩擦纳米发电机产生的电能，并基于存储的电能和进行风级判断的设定电压信号判断是否要接通等级判断模块的电源，等级判断模块在接通电源后对风级进行判断，得到风级信息，无线发射模块配置可向外发送风级信息。

图3为本申请实施例采用的旋转式摩擦纳米发电机的结构示意图，包括扇叶、转子和定子，当受到风力作用时，扇叶带动转子转动，转子与定子之间的静电感应产生电能。

图4为本申请实施例提供的能源等级监测系统的电路图，包括依次相连的摩擦纳米发电机、控制模块、等级判断模块和无线发射模块。

下面结合图4对各部分分别进行介绍。

摩擦纳米发电机，如旋转式摩擦纳米发电机，可在风力作用下转动从而产生电流信号并输出。

控制模块，包括二极管D1、D2、电容C1、电阻R1、R2、稳压管D3，N沟道场效应管MOSFET-N和继电器KA。

控制模块的工作原理如下：

摩擦纳米发电机输出的电流信号经过二极管D1、D2组成的半波整流桥整流后存储到电容C1中，当电容C1中的电压积累到N沟道场效应管MOSFET-N的阈值电压(即风力对应的设定电压信号)时，MOSFET-N导通，使继电器KA吸合将电源VCC接入等级判断模块，从而使能源等级监测系统被唤醒。

当风力不足时，C1中积累的电压不足以导通MOSFET-N，电源VCC就无法接入能源等级监测系统，能源等级监测系统保持待机状态，保持极低功耗，而C1中积累的电能可通过R1释放掉，以免下次在风的作用下导致能源等级监测系统被误触发。所以电阻R1可以防止能源等级监测系统被误唤醒。

电阻R2的作用是限流，以免电流过大损坏继电器。

稳压管D3的作用是稳压，避免MOSFET-N两端过压。

二极管D1、D2组成的半波整流桥可以替换为全波整流桥。

电容C1的容值可选取220nF～3.3μF，比如为1μF；电阻R1的阻值可选取0.5MΩ～10MΩ，比如为6MΩ；在保证不过压的情况下，稳压管D3可以移除，稳压值可以为18V，并且，稳压管D3也可以替换为TVS管；场效应管MOSFET-N可选用漏电流较小的型号，比如型号为FDP8870；电阻R2可以放在MOSFET-N的漏极，也可以放在MOSFET-N的源极，阻值可选取50Ω～200Ω，比如为100Ω；继电器KA为电流型常开继电器，可选取动作电流0.1mA～40mA的型号，比如选用的型号SRD-12DC-SL-A；电源VCC的电源值可选取5～36V的直流电源，比如为10V的直流电源。

另外，也可以在直流电源后端加入约10μF的去耦电容。

等级判断模块包括比较器1、比较器2…比较器n，电阻Rx1、Rx2…Rxn+1，其中，比较器1的输入端1通过Rx2、Rx3…Rxn+1和继电器KA的触点与电源VCC相连，比较器2的输入端1通过Rx3、Rx4…Rxn+1和继电器KA的触点与电源VCC相连，以此类推，比较器n的输入端1通过Rxn+1和继电器KA的触点与电源VCC相连，各比较器的输入端2与电容C1相连，各比较器的输出端3与无线发射模块相连，各比较器的连接端4接地、各比较器的连接端5通过继电器KA的触点与电源VCC相连，其中，n为正整数。

等级判断模块的工作原理如下：

电源VCC接入等级判断模块后，比较器1、2…n开始工作，电阻Rx1、Rx2…Rxn+1均为分压电阻，用于对电源VCC进行分压，并且，Rx1～Rxn的电压分别作为比较器1、2…n的基准电压，每个比较器将储能电容C1中的电压作与自身对应的基准电压进行比较，根据比较结果输出风力等级指示信号，通过风力等级指示信号即可判断出当前风级是否是该比较器对应的预设风级。

比如，当电容C1中的电压大于该比较器对应的基准电压时，输出高电平信号，当电容C1中的电压不大于该比较器对应的基准电压时，输出低电平信号。当该比较器对应的预设风级是二级时，若该比较器输出的风力等级指示信号出现高电平则说明当前风级为二级。

具体实施时，比较器1、2…n的型号可以相同也可以不同，并且，可以选用多路比较器，比如四路比较器LM339。电容C1的电压可以接入比较器的正向输入端，也可以接入比较器的反向输入端；电阻Rx1、Rx2…Rxn+1可选取相同阻值或者不同阻值，阻值总和可小于5000Ω，比如选用5个电阻，那么，这5个电阻的阻值可均为100Ω。

无线发射模块，如LoRa模块，可将比较器的输出结果发送给外界。

图5为本申请实施例提供的能源等级监测系统监测到各级风力时，电容C1中的电压情况，其中，当风力为1-4级风时，电容C1中的电压分别为2.2V、4.4V、6.8V和9.6V。

图6为本申请实施例提供的能源等级监测系统在待机状态与唤醒状态下的功耗示意图，其中，左侧方框为能源等级监测系统在待机状态下的功耗消耗的局部放大图，据该局部放大图可知能源等级监测系统在待机状态下的功耗约为14nW，右侧方框为能源等级监测系统在唤醒状态下的功耗消耗的局部放大图，据该局部放大图可知能源等级监测系统在唤醒状态下的功耗约为0.88W。

图7为本申请实施例提供的能源等级监测方法的流程图，包括以下步骤：

S701：获取摩擦纳米发电机在给定能源作用下产生的电流信号。

其中，给定能源可以为风能、水能或由设备工作而产生的振动能。

S702：将电流信号转换为电压信号。

将电流信号转换为电压信号可以通过转换电路实现，具体的转换电路可以包括电容。

S703：将电压信号与给定能源对应的设定电压信号进行比较。

比较电压信号和给定能源对应的设定电压信号，可以通过比较电路实现。具体的比较电路可以包括场效应管。

S704：根据比较结果接通或切断进行能源等级判断所需的电源。

接通或切断进行能源等级判断所需的电源的步骤中，可以通过开关电路实现，具体的开关电路可以包括继电器。

S705：若接通电源，则基于电压信号和电源提供的进行能源等级判断所需的各基准电压信号进行能源等级判断，得到能源等级指示信号并输出。

本申请实施例提供的能源等级监测方法中，能源等级指示信号可以通过无线发射方式输出给外界，即可通过无线发射方式向外发送能源等级指示信号。比如通过LoRa模块向外发送能源等级指示信号。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。