具有温差发电功能的工业互联网数据采集器及其发电方法

1.本发明属于工业互联网数据采集领域，具体涉及一种具有温差发电功能的工业互联网数据采集器和一种具有温差发电功能的工业互联网数据采集器的发电方法。


背景技术：

2.随之工业4.0、工业互联网、智能制造等相关概念的提出，大量的部署工业数据采集器进行工业数据的采集变得越来越重要。工业数据采集器在工程安装过程中需要考虑接线的问题，线缆包括供电线缆，通信线缆和信号采集线缆。在特殊情况下，这些线缆将影响设备的工作，例如采集器需要安装在运动部件上。
3.通信线缆可以通过采用无线通信的方式省略，例如wifi、nbiot、lora、zigbee、蓝牙，信号采集线缆通常相对运动部件静止，往往不影响设备工作。供电线缆可以采用电池供电或者无线供电的方式解决。但是电池供电存在需要定期更换电池或对电池进行充电的问题，极大的增加了工作量。无线供电应用条件苛刻，且有电磁污染，实际条件下往往无法应用。
4.因此，针对上述问题，予以进一步改进。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供具有温差发电功能的工业互联网数据采集器及其发电方法，解决了现有技术中存在的问题，只要在具有温差的环境中就可以进行供电，简化了供电方式，适合在特殊场景下使用。
6.为达到以上目的，本发明提供一种具有温差发电功能的工业互联网数据采集器的发电方法，用于温差发电，包括以下步骤：
7.步骤s1：半导体温差发电片处于温差环境中时(根据塞贝克效应)产生电压并且将产生的电压传输到最大功率点跟踪电路，以使得最大功率点跟踪电路将半导体温差发电片的输出功率持续保持(匹配当前温差)最大功率；
8.步骤s2：最大功率点跟踪电路将半导体温差发电片的输出功率进行判断，以使得当前的输出功率是否直接满足工业互联网数据采集电路的供电需求，如果满足则执行步骤s3，否则执行步骤s4：
9.步骤s3：切换开关的第一支路导通，最大功率点跟踪电路将半导体温差发电片的输出功率传输到第二稳压电路，以使得第二稳压电路将输入的电压稳压后通过切换开关传输到工业互联网数据采集电路，从而直接满足工业互联网数据采集电路的供电需求并且进行采集工作；
10.步骤s4：切换开关的第二支路导通，电池将自身的电源传输到第一稳压电路，以使得第一稳压电路将输入的电压稳压后通过切换开关传输到工业互联网数据采集电路，从而间接满足工业互联网数据采集电路的供电需求并且进行采集工作。
11.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s3具体实施为以下步骤：
12.步骤s3.1：如果电池的电量状态为未充满状态，并且充电电路对半导体温差发电片的输出功率在满足工业互联网数据采集电路的供电需求下的剩余功率进行判断，如果剩余功率达到电池充电的阈值，则对电池进行充电，直至电池为充满状态；
13.步骤s3.2：如果电池的电量状态为充满状态，则半导体温差发电片的输出功率在满足工业互联网数据采集电路的供电需求下的剩余功率无论是否达到电池充电的阈值，均不对电池继续充电。
14.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s4具体实施为以下步骤：
15.步骤s4.1：充电电路对半导体温差发电片的输出功率进行判断，如果输出功率达到电池充电的阈值，则对电池进行充电；
16.步骤s4.2：充电电路对半导体温差发电片的输出功率进行判断，如果输出功率没有达到电池充电的阈值，则对电池不进行充电。
17.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，将半导体温差发电片放置的具有温差环境的区域分为若干子区域，每个子区域设有一个半导体温差发电片(例如在锅炉的表面或者其他发热设备的表面放置若干个半导体温差发电片，从而使得两端产生温差，但是有些发热设备由于导热性能等其他因素，其局部高温点会发生变化，从而使得每个子区域的温差会发生变化)，其中：
18.每个子区域设有一个温度传感器并且每个温度传感器均连接处理器，从而实时将检测获得的各个子区域的温度值(假设每个半导体温差发电片远离发热设备的一端的温度值不变，均为室温，所以靠近发热设备的一端的温度值越高，则产生的温差越大，则发电功率越大)传输到控制器，进而获得各个子区域的温度差；
19.控制器周期性获得当前整个采集器的供电需求，从而根据各个子区域的温度差控制发电片切换开关，以使得导通满足当前供电需求的半导体温差发电片进行发电。
20.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，对于控制器获得当前整个采集器的供电需求，具体实施为：
21.如果电池的电量状态为充满状态，则当前的(主要)供电需求为工业互联网数据采集电路，从而控制器通过发电片切换开关导通一个子区域或者多个子区域的半导体温差发电片，以满足当前的供电需求(如果一个子区域的产生的功率足以满足，则一个即可，如果一个不够则多个)；
22.如果电池的电量状态为未充满状态，则当前的(主要)供电需求为工业互联网数据采集电路和电池，从而控制器通过发电片切换开关导通一个子区域或者多个子区域的半导体温差发电片，以满足当前的供电需求(如果一个子区域的产生的功率足以满足，则一个即可，如果一个不够则多个)。
23.值得一提的是，如果所有导通所有子区域的半导体温差发电片无法直接满足工业互联网数据采集电路的供电需求，则像步骤s4那样，通过电池进行补充供电，并且判断是否达到电池充电阈值而进行充电。
24.为达到以上目的，本发明还提供一种具有温差发电功能的工业互联网数据采集器，包括半导体温差发电片、最大功率点跟踪电路、充电电路、第一稳压电路、第二稳压电路和工业互联网数据采集电路，其中：
25.所述半导体温差发电片的输出端与所述最大功率点跟踪电路的输入端电性连接，
所述最大功率点跟踪电路的第一输出端与所述第二稳压电路的输入端电性连接并且所述第二稳压电路的输出端与切换开关的第一输入端电性连接，所述切换开关的输出端与所述工业互联网数据采集电路的输入端电性连接；
26.所述最大功率点跟踪电路的第二输出端与所述充电电路的输入端电性连接并且所述充电电路的输出端与电池的输入端电性连接，所述电池的输出端与所述第一稳压电路的输入端电性连接并且所述第一稳压电路的输出端与所述切换开关的第二输入端电性连接。
27.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述最大功率点跟踪电路与所述切换开关电性连接。
28.本发明的有益效果在于：
29.在工业数据采集中，存在高温差环境，同时无法进行有线供电的情况下，如采用常规的电池供电方式，需要定期更换电池或对电池进行充电。本发明根据塞贝克效应，利用半导体温差发电片处在温差环境中时能够产生电压，将该电压用于采集器内部电池的充电和对采集器的供电，解决了现有技术中存在的问题，可以应用在具有高温差环境中的工业数据的采集。
附图说明
30.图1是本发明的具有温差发电功能的工业互联网数据采集器及其发电方法的结构示意图。
31.图2是本发明的具有温差发电功能的工业互联网数据采集器及其发电方法的电气连接图。
32.附图标记包括：1、半导体温差发电片；2、最大功率点跟踪电路；3、充电电路；4、电池；5、第一稳压电路；6、第二稳压电路；7、切换开关；8、工业互联网数据采集电路。
具体实施方式
33.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
34.在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的工业互联网数据采集电路和半导体温差发电片等可被视为现有技术。
35.优选实施例。
36.本发明公开了一种具有温差发电功能的工业互联网数据采集器的发电方法，用于温差发电，包括以下步骤：
37.步骤s1：半导体温差发电片1处于温差环境中时(根据塞贝克效应)产生电压并且将产生的电压传输到最大功率点跟踪电路2，以使得最大功率点跟踪电路2将半导体温差发电片1的输出功率持续保持(匹配当前温差)最大功率；
38.步骤s2：最大功率点跟踪电路2将半导体温差发电片1的输出功率进行判断，以使得当前的输出功率是否直接满足工业互联网数据采集电路8的供电需求，如果满足则执行
步骤s3，否则执行步骤s4：
39.步骤s3：切换开关7的第一支路导通，最大功率点跟踪电路2将半导体温差发电片1的输出功率传输到第二稳压电路6，以使得第二稳压电路6将输入的电压稳压后通过切换开关7传输到工业互联网数据采集电路8，从而直接满足工业互联网数据采集电路8的供电需求并且进行采集工作；
40.步骤s4：切换开关7的第二支路导通，电池4将自身的电源传输到第一稳压电路5，以使得第一稳压电路5将输入的电压稳压后通过切换开关7传输到工业互联网数据采集电路8，从而间接满足工业互联网数据采集电路8的供电需求并且进行采集工作。
41.具体的是，步骤s3具体实施为以下步骤：
42.步骤s3.1：如果电池4的电量状态为未充满状态，并且充电电路3对半导体温差发电片1的输出功率在满足工业互联网数据采集电路8的供电需求下的剩余功率进行判断，如果剩余功率达到电池4充电的阈值，则对电池4进行充电，直至电池4为充满状态；
43.步骤s3.2：如果电池4的电量状态为充满状态，则半导体温差发电片1的输出功率在满足工业互联网数据采集电路8的供电需求下的剩余功率无论是否达到电池充电的阈值，均不对电池继续充电。
44.更具体的是，步骤s4具体实施为以下步骤：
45.步骤s4.1：充电电路3对半导体温差发电片1的输出功率进行判断，如果输出功率达到电池4充电的阈值，则对电池进行充电；
46.步骤s4.2：充电电路3对半导体温差发电片1的输出功率进行判断，如果输出功率没有达到电池4充电的阈值，则对电池不进行充电。
47.优选地，将半导体温差发电片放置的具有温差环境的区域分为若干子区域，每个子区域设有一个半导体温差发电片(例如在锅炉的表面或者其他发热设备的表面放置若干个半导体温差发电片，从而使得两端产生温差，但是有些发热设备由于导热性能等其他因素，其局部高温点会发生变化，从而使得每个子区域的温差会发生变化)，其中：
48.每个子区域设有一个温度传感器并且每个温度传感器均连接处理器，从而实时将检测获得的各个子区域的温度值(假设每个半导体温差发电片远离发热设备的一端的温度值不变，均为室温，所以靠近发热设备的一端的温度值越高，则产生的温差越大，则发电功率越大)传输到控制器，进而获得各个子区域的温度差；
49.控制器周期性获得当前整个采集器的供电需求，从而根据各个子区域的温度差控制发电片切换开关，以使得导通满足当前供电需求的半导体温差发电片进行发电。
50.优选地，对于控制器获得当前整个采集器的供电需求，具体实施为：
51.如果电池的电量状态为充满状态，则当前的(主要)供电需求为工业互联网数据采集电路，从而控制器通过发电片切换开关导通一个子区域或者多个子区域的半导体温差发电片，以满足当前的供电需求(如果一个子区域的产生的功率足以满足，则一个即可，如果一个不够则多个)；
52.如果电池的电量状态为未充满状态，则当前的(主要)供电需求为工业互联网数据采集电路和电池，从而控制器通过发电片切换开关导通一个子区域或者多个子区域的半导体温差发电片，以满足当前的供电需求(如果一个子区域的产生的功率足以满足，则一个即可，如果一个不够则多个)。
53.值得一提的是，如果所有导通所有子区域的半导体温差发电片无法直接满足工业互联网数据采集电路的供电需求，则像步骤s4那样，通过电池进行补充供电，并且判断是否达到电池充电阈值而进行充电。
54.本发明还公开了一种具有温差发电功能的工业互联网数据采集器，包括半导体温差发电片1、最大功率点跟踪电路2、充电电路3、第一稳压电路5、第二稳压电路6和工业互联网数据采集电路8，其中：
55.所述半导体温差发电片1的输出端与所述最大功率点跟踪电路2的输入端电性连接，所述最大功率点跟踪电路2的第一输出端与所述第二稳压电路6的输入端电性连接并且所述第二稳压电路6的输出端与切换开关7的第一输入端电性连接，所述切换开关7的输出端与所述工业互联网数据采集电路8的输入端电性连接；
56.所述最大功率点跟踪电路2的第二输出端与所述充电电路3的输入端电性连接并且所述充电电路3的输出端与电池4的输入端电性连接，所述电池4的输出端与所述第一稳压电路5的输入端电性连接并且所述第一稳压电路5的输出端与所述切换开关7的第二输入端电性连接。
57.具体的是，所述最大功率点跟踪电路2与所述切换开关7电性连接。
58.优选地，本发明的原理为：
59.所述半导体温差发电片1处在温差环境中时能够根据塞贝克效应产生电压，将该电压用于采集器内部电池的充电和对采集器的供电。
60.所述最大功率点跟踪电路2可以动态调节半导体温差发电片1的输出功率使之时刻保持最大功率输出，最大功率点跟踪算法包括但不限于电压扰动观测法、电导增量法、恒定电压法(最大功率点跟踪电路对输出功率进行判断，如果当前的输出功率直接满足工业互联网数据采集电路的供电需求，则控制切换开关导通第一支路，从而使得半导体温差发电片的输出电压直接通过第二稳压电路传输到采集电路(并且充电电路判断输出功率在提供采集电路的电压后剩余的功率是否满足充电阈值，如果满足并且电池在未充电状态，则给电池充电，如果电池为充满状态则不进行继续充电)；如果当前的输出功率不满足工业互联网数据采集电路的供电需求，则通过电池和第一稳压电路对采集电路进行供电)。
61.所述充电电路3具有电池4的充电管理功能，能够根据电池4电量动态调节输出模式，并且具有过充保护功能。
62.所述电池4具有充电功能，包含但不限于镍镉电池、镍氢电池、锂电池。
63.所述第一稳压电路5、第二稳压电路6可以稳定输出电压，用于给工业互联网数据采集电路8供电。
64.所述切换开关7能够根据当前半导体温差发电片1的输出功率切换电池4供电或者半导体温差发电片1供电，半导体温差发电片1供电时可以同时给电池4充电。
65.所述工业互联网数据采集电路8能够采集工业互联网数据并上传至云平台，采集方式包括但不限于电压、电流、温度、湿度、速度，通信接口包含但不限于rj45、uart、232、422、485、can、wifi、nbiot、lora、zigbee、蓝牙。
66.值得一提的是，本发明专利申请涉及的工业互联网数据采集电路和半导体温差发电片等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点
所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
67.对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，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。