具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例提出的自供能系统和智能监测设备。

图1为根据本发明实施例的自供能系统的方框示意图。

在本发明的一个实施例中，该自供能系统100可应用于电力领域高空输电线路以及地下线缆监测设备中。

如图1所示，本发明实施例的自供能系统100，可包括：能量采集单元10、能量转换单元20、储能单元30和控制单元40。

其中，能量采集单元10用于采集环境中的磁场能量，并输出相应的交流电压。能量转换单元20分别与能量采集单元10和储能单元30相连，用于将交流电压转换为充电电压，以对储能单元30进行充电。储能单元30与负载相连，用于对负载供电。控制单元40分别与能量转换单元20和储能单元30相连，用于根据充电电压和交流电压对储能单元30和能量转换单元20进行控制。

具体而言，能量收集是一个新兴领域，具有广泛的低能量应用，可从一种或多种自然发生的能量中捕获能量。基于磁感应的能量收集在电网应用潜力巨大而备受关注，可以通过利用变压器原理的电力线周围的自然环境的磁场来收集能量。当自供能系统100开始工作时，能量采集单元10处于变化的磁场中，可以采集环境中的毫微磁场能量，并将采集的磁场能量输出交流电压。能量转换单元20将交流电压转换为对应的充电电压，以给储能单元30进行充电，其中，当交流电压较大时，认为能量采集单元10搜集的环境中的磁场能量较多，此时，能量转换单元20可以直接将交流电转换为充电电压为储能单元供电；当交流电压较小时，认为能量采集单元10搜集的环境中的磁场能量不足，不能直接转换为充电电压给储能单元30进行充电，此时可控制能量转换20单元进行自启动，然后在对自启动后的电压值进行处理，以转换为充电电压给储能单元30充电，由储能单元30给外接负载进行供电。在储能单元30给外接负载供电时，还需要根据充电电压的大小来对储能单元30进行控制，例如，当充电电压过大时，避免储能单元30出现过充的情况，可直接将充电电压给负载供电；当充电电压过小时，避免储能单元30出现过放的情况，可直接采用备用电池给负载供电。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，能量转换单元20可包括：电压转换模块21、最大功率追踪模块22和升压模块23。其中，电压转换模块21与能量采集单元10相连，用于将交流电压转换为直流电压。最大功率追踪模块22与电压转换模块21相连，用于根据直流电压进行最大功率追踪。升压模块23与最大功率追踪模块22相连，以对输出的直流电压进行升压。控制单元40用于根据最大功率追踪模块22的最大功率追踪结果确定最大功率追踪模块22的输出电压大于或等于第一预设电压阈值时，直接启动升压模块23对最大功率追踪模块22的输出电压进行升压处理，以获得充电电压。其中，第一预设电压阈值可根据实际情况进行标定，例如，第一预设电压阈值可以为升压模块23的最低工作电压，如，第一预设电压阈值为2V。

具体而言，能量采集单元10采集环境中的磁场能量，然后转换为相应的交流电压，然后由电压转换模块21将交流电压转换为直流电压，再由最大功率追踪模块22对直流电压进行最大功率追踪，以判断能量采集单元10采集的磁场能量是否能够直接启动升压模块23。其中，当最大功率追踪模块22确定能量采集单元10采集的磁场能量较多时，即最大功率追踪模块22的输出电压大于或者等于第一预设电压阈值，认为最大功率追踪模块22的输出电压可以启动升压模块23。此时，升压模块23对最大功率追踪模块22的输出电压进行升压处理，以得到充电电压为储能单元30充电。

进一步地，根据本发明的一个实施例，如图2所示，能量转换单元20还包括自启动模块24，自启动模块24分别与最大功率追踪模块22和升压模块23相连。其中，控制单元40用于根据最大功率追踪模块22的最大功率追踪结果确定最大功率追踪模块22的输出电压小于第一预设电压阈值时，通过自启动模块24控制升压模块23进行启动，以便升压模块23对自启动模块24的输出电压进行升压处理，以获得充电电压。

具体而言，当最大功率追踪模块22确定能量采集单元10采集的磁场能量较少时，即最大功率追踪模块22的输出电压小于第一预设电压阈值，认为最大功率追踪模块22的输出电压不能直接启动升压模块23，此时进入超低功率冷启动模式，先唤醒自启动模块24，在自启动模块24唤醒后，自启动模块24的输出电压再输入至升压模块23，升压模块23再对自启动模块24的输出电压进行升压处理，以得到充电电压为储能单元30充电。

由此，不管能量采集单元采集到的磁场能量多还是少，都可以的实现对储能单元进行充电，实现源源不断的为负载提供能量，保证系统的正常运行。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，储能单元30可包括：主充放电模块31和备充放电模块32，其中，控制单元40还用于，在主充放电模块31进行充电时检测主充放电模块31的电压，并在主充放电模块31的电压大于过充电压阈值时，控制能量转换单元20切换给备充放电模块32充电；在主充放电模块31进行放电时检测主充放电模块31的输出电压，并在主充放电模块31的输出电压小于过放电压阈值时，控制备充放电模块32为负载供电。

进一步地，根据本发明的一个实施例，控制单元40还用于，在主充放电模块31的电压和备充放电模块32的电压均大于过充电压阈值时，控制能量转换单元20直接给负载供电。

具体而言，主充放电模块31、备充放电模块32都可以进行充放电，例如，可以为超级电容，或者为可充放电的电池。在能量转换单元20优先为主充放电模块31进行充电，在主充放电模块31充电的过程中，实时检测主充放电模块31的电压，在电压大于过充电压阈值时，为了防止电池过充损坏，保证采集的磁场能量能够得到充分的利用，控制单元40控制能量转换单元20给备充放电模块32充电。在给备充放电模块32充电的过程中，实时检测备充放电模块32的电压，在电压大于过充电压阈值时，控制单元40控制能量转换单元20直接给负载供电。在主充放电模块31和备充放电模块32的电压均大于过充电压阈值时，认为主充放电模块31和备充放电模块32均已充满，在采集的磁场能量充足的情况下，控制单元40还可以控制能量转换单元20直接给负载供电，这样既可以保证储能单元处于能量充足状态，还能保证采集的磁场能量不浪费，负载能够正常运行。

当主充放电模块31进行放电时(即对负载进行供电)，控制单元40实时检测主充放电模块31的输出电压，在判断主充放电模块31的输出电压小于过放电压阈值时，为了防止主充放电模块过放损坏，且不能满足负载需求的能量，此时控制单元4控制备充放电模块32为负载供电。

由此，通过设置主充放电模块和备充放电模块，在其中一个出现过充或过放时，及时采取相应的切换措施，可以防止主充放电模块和备充放电模块因过充或过放而造成的损伤，延长储能单元的使用寿命，并且保证负载系统的正常运行和磁场能量的不浪费。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，自供能系统100还可包括升降压单元50，升降压单元50分别与能量转换单元20和储能单元30相连，用于对能量转换单元20的充电电压或储能单元30的输出电压进行升降压转换；多路输出稳压单元60，多路输出稳压单元60分别与升降压单元50和负载相连，用于将升降压转换后的电压输出给相应的负载。其中，升降压单元50可以为Buck-Boost电路，多路输出稳压单元60可以为多路输出LDO(Low DropoutRegulator，低压差线性稳压器)，可以输出稳定的电压。

具体而言，由于该系统连接的负载为多个时，不同的负载需要的电压值大小不同，根据不同的负载需要对储能单元30的输出电压进行升降压转换。例如，储能单元30的输出电压为5V时，第一负载需要12V时，此时需要对储能单元30的输出电压进行升压处理，以给第一负载供电；又如，当储能单元30的输出电压为5V时，第二负载需要0.7V时，此时需要对储能单元30的输出电压进行降压处理，以给第二负载供电。为了提高输出电压的稳定性，在经过升降压处理后，还通过多路输出稳压单元60输出稳压电压，以给负载供电，其中，每路输出稳压单元可以对应一路负载，或者相同的多路负载，保证系统的可靠稳定运行，防止电压波动而影响负载的正常工作。

下面详细介绍本发明实施例的能量采集单元。

根据本发明的一个实施例，能量采集单元10可包括：电磁感应能量采集器11，电磁感应能量采集器11采用蝴蝶结形设计。

进一步地，根据本发明的一个实施例，如图4所示，电磁感应能量采集器11包括：第一本体111和第二本体112。其中，第一本体111具有相对的第一端和第二端，并且第一本体111的侧壁绕设有线圈113，第一本体111的第一端和/或第二端设置有第二本体112，从第二本体112与第一本体111连接的端部至第二本体112远离第一本体111的端部方向，第二本体112的纵截面面积逐渐增加，并且第二本体112远离第一本体111的端部的纵截面面积大于第一本体111的纵截面面积。其中，电磁感应能量采集器11通过线圈113采集环境中电磁感应产生的变化的磁场能量。

具体而言，如图4所示，线圈113绕设在第一本体111的侧壁，第一本体111的第一端设置有第二本体112，或者，第一本体111的第二端设置有第二本体112，或者，第一本体111的第一端和第二端均设置有第二本体112，从第二本体112远离第一本体111的端部至第二本体112与第一本体111连接的端部，第二本体112的纵截面面积逐渐减小，并且，第一本体111的纵截面面积小于第二本体112远离第一本体111的端部的纵截面面积。

其中，第一本体111具有相对的第一端和第二端，在图4所示的左右方向，第一本体111的左端和右端可以分别为第一本体111的第一端和第一本体111的第二端，当第一本体111的左端和右端均设置有第二本体112时，从图4所示的左侧至右侧，第一本体111左端的第二本体112的纵截面面积(即第二本体112的径向截面面积)逐渐减小，并且，第一本体111右端的第二本体112的纵截面面积逐渐增加。

电磁感应能量采集器11可以设置在变化的磁场中，例如，电磁感应能量采集器11可以设置在利用变压器原理的电力线的周围，第一本体111的侧壁上可以绕设有线圈113，电磁感应能量采集器11周围的磁场发生变化时，依据电磁感应现象，闭合回路内会产生感应电动势，会产生感应电流，从而使得能量采集单元10输出交流电压。

在本申请中，通过在第一本体111的第一端和/或第二端设置第二本体112，可以提高磁感应能量采集器11的输出功率，也即提高能量采集单元1的输出功率，使得自供能系统100可以源源不断地产生电量，从而能够可靠地满足用电设备的用电需求，可以保证用电设备的正常运行，进而可以保证自供能系统100的使用可靠性，可以扩大自供能系统100的适用范围。下面对磁感应能量采集器11的工作原理进行解释。

具体而言，根据法拉第电磁感应定律，放在磁场中的线圈的电压有如下公式：V_coil＝NωB_exAμ_eff，其中，V_coil为输出电压平方根，N为线圈的匝数，ω为翻转频率，B_ex为外部磁通密度，单位是T_rms，A为电磁感应能量采集器11有效横截面积，μ_eff为有效磁导率。由上述公式可知，若线圈的匝数、翻转频率和电磁感应能量采集器11的有效横截面积为定值，那么影响输出电压大小的参数主要为μ_eff，换句话说，μ_eff值的大小会直接影响电磁感应能量采集器的输出电压和输出功率。

然而，电磁感应能量采集器11的退磁现象会使μ_eff值显著减小，具体地，μ_eff有如下述公式：其中，μ_r为常值，由此可知，退磁因子D_M决定了μ_eff值的大小，D_M与μ_eff成反比，即D_M值越小，μ_eff值越大，根据仿真分析，在第二本体112与第一本体111连接的端部至第二本体112远离第一本体111的端部方向，通过将第二本体112构造为纵截面面积逐渐增加，并且，第二本体112远离第一本体111的端部的纵截面面积大于第一本体111的纵截面面积的结构形式，可以使D_M值减小，从而可以有效增大μ_eff值，进而可以有效增大电磁感应能量采集器11的输出电压和输出功率。

本申请的电磁感应能量采集器11在磁通量密度低至几十μT_rms的环境中，功率密度能够达到几百μW/cm3以上，即本申请的电磁感应能量采集器11能够在微弱的磁场中产生较大的输出功率，从而可以可靠的满足用电设备的用电需求，可以避免因电量不足而导致用电设备无法工作的情况发生。

由此，通过在第一本体的第一端和/或第二端设置第二本体，可以提高电磁感应能量采集器的输出功率，也即提高能量采集单元的输出功率，使得自供能系统可以源源不断地产生电量，从而能够可靠地满足用电设备的用电需求，可以保证用电设备的正常运行，进而可以保证自供能系统的使用可靠性，可以扩大自供能系统的适用范围。

根据本发明的一个实施例，第一本体111的中心轴线与第二本体112的中心轴线共线。

具体而言，如图4所示，第一本体111的中心轴线与第二本体112的中心轴线共线，即第一本体111的中心轴线与第二本体112的中心轴线为同一条轴线，这样设置可以使电磁感应能量采集器11的结构形式合理，从而可以便于布置电磁感应能量采集器11，可以满足电磁感应能量采集器11灵活布置的需求，可以扩大电磁感应能量采集器11的适用范围。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，第二本体112与第一本体111连接的端部的纵截面面积为A1,第一本体111的纵截面面积为A2,A1和A2可以满足关系式：A2≤A1。需要说明的是，第二本体112与第一本体111连接的端部的纵截面面积(即径向截面面积)，可以大于或者等于第一本体111的纵截面面积(即径向截面面积)，优选地，第二本体112与第一本体111连接的端部的纵截面面积等于第一本体111的纵截面面积，如此设置可以保证电磁感应能量采集器具有较高的输出功率，从而可以保证电磁感应能量采集器的使用可靠性。

可选地，第二本体112与第一本体111连接的端部的纵截面面积，也可以小于第一本体111的纵截面面积，即A1和A2可以满足关系式：A2＞A1，这样设置也可以使电磁感应能量采集器具有较高的输出功率，并且，可以使电磁感应能量采集器具有多种结构形式，从而可以便于生产电磁感应能量采集器。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，第二本体112靠近第一本体111的端部截面形状与第一本体111的截面形状相同。

具体而言，第二本体112靠近第一本体111的端部截面形状可以与第一本体111的截面形状相同，可选地，第二本体112靠近第一本体111的端部截面形状可以为圆形，第一本体111的截面形状也可以为圆形，在图4所示的左右方向，第二本体112靠近第一本体111的端部与第一本体111的投影可以重合，如此设置有利于提高电磁感应能量采集器11的输出功率，从而能够可靠的满足用电设备的用电需求。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，第一本体111的纵截面半径可以为R1，R1可以满足关系式：1mm≤R1≤2mm，可选地，第一本体111可以构造为圆柱形，第一本体111的纵截面(径向截面)的半径可以为R1，R1可以为1mm至2mm之间的任意数值，这样设置可以使第一本体10的纵截面半径的尺寸合理。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，第二本体112与第一本体111连接的端部的纵截面半径为可以R2，R2可以满足关系式：1mm≤R2≤2mm，需要解释的是，第二本体112靠近第一本体111的端部的纵截面(径向截面)的半径可以为R2，R2可以为1mm至2mm之间的任意数值，可选地，第二本体112靠近第一本体111的端部的纵截面的半径可以与第一本体111的纵截面半径相等，并且，第二本体112靠近第一本体111的端部的纵截面的轴线可以与第一本体111的纵截面的轴线共线，如此设置可以保证电磁感应能量采集器具有较高的输出功率，从而可以保证电磁感应能量采集器的使用可靠性。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，第二本体112远离第一本体111的端部的纵截面半径可以为R3，R3可以满足关系式：10mm≤R3≤15mm。可选地，第二本体112可以构造为圆台形，第二本体112远离第一本体111的端部的纵截面(径向截面)的半径可以为R3，R3可以为10mm至15mm之间的任意数值，并且，第二本体112靠近第一本体111的端部的纵截面(径向截面)的半径可以为1mm至2mm之间的任意数值，这样设置可以提高电磁感应能量采集器的输出功率，从而可以进一步保证电磁感应能量采集器的使用可靠性。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，第一本体111的第一端和第二端均可以设置有第二本体112，在电磁感应能量采集器11的轴向方向，电磁感应能量采集器11的长度可以为H1，H1可以满足关系式：60mm≤H1≤100mm。需要解释的是，在图4所示的左右方向(即电磁感应能量采集器11的轴向方向)，第一本体111的左端和右端可以分别为第一本体111的第一端和第二端，第一本体111的第一端和第二端均可以设置有第二本体112。

电磁感应能量采集器11的长度(即第一本体111的轴线长度与第一本体111两端的第二本体112的轴线长度之和)可以为H1，H1可以为60mm至100mm之间的任意数值，如此设置可以使电磁感应能量采集器11的长度合理，可以使电磁感应能量采集器的体积较小，从而可以便于在狭小空间布置电磁感应能量采集器，可以降低电磁感应能量采集器的布置难度，进而可以提高电磁感应能量采集器的适用范围，并且，可以降低电磁感应能量采集器的制造成本。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，在电磁感应能量采集器11的轴向方向，第二本体112的长度可以为H2，H2可以满足关系式：12mm≤H2≤15mm。需要说明的是，在图4所示的左右方向，第二本体112的轴线长度可以为H2，H2可以为12mm至15mm之间的任意数值，这样设置可以使第二本体112的轴线长度合理，可以使第一本体111的轴线长度和第二本体112的轴线长度相配适，从而可以保证电磁感应能量采集器的使用可靠性。

通过本申请的电磁感应能量采集器，可以改变磁场密度分布，使电磁感应能量采集器在微弱磁场密度下(例如几μT_rms至几十μT_rms)的中心部分的磁通密度变大，以产生大的输出功率。

在本发明的一些实施例中，线圈113匝数可以为1000-2000匝，可以理解的是，线圈113可以绕设在第一本体111的侧壁上，线圈113的匝数可以影响磁感应能量采集器11输出电压的大小，通过将线圈113的匝数设置为1000-2000匝之间的任意匝数，可以使线圈113的匝数合理，从而可以在保证电磁感应能量采集器的输出电压较高的基础上，保证电磁感应能量采集器的使用安全性。

根据本发明的一个实施例，第一本体111和/或第二本体112构造为锰锌铁氧体。

具体而言，第一本体111的材质可以构造为锰锌铁氧体，或者，第二本体112的材质可以构造为锰锌铁氧体，或者，第一本体111和第二本体112的材质均可以构造为锰锌铁氧体。优选地，第一本体111和第二本体112的材质均构造为锰锌铁氧体。

通过将第一本体111和/或第二本体112的材质构造为锰锌铁氧体，可以提高电磁感应能量采集器11的有效磁导率μ_eff，由上述公式可知，μ_eff值的大小会直接影响电磁感应能量采集器11的输出电压和输出功率。由仿真分析得出，通过将第一本体111和第二本体112的材质构造为锰锌铁氧体，可以使有效磁导率μ_eff达到2000以上。由此，通过将第一本体和/或第二本体的材质构造为锰锌铁氧体，可以显著提高电磁感应能量采集器的磁场能转化效率，从而可以显著提高电磁感应能量采集器的输出电压和输出功率。

综上所述，根据本发明实施例的自供能系统，通过能量采集单元采集环境中的磁场能量，并输出相应的交流电压，通过能量转换单元将交流电压转换为充电电压，以对储能单元进行充电，通过储能单元对负载供电，控制单元根据充电电压和交流电压对储能单元和能量转换单元进行控制。由此，该自供能系统，能够采集环境中的磁场能量，并对磁场能量进行转换，以为储能单元充电，由储能单元为负载提供能量，使用寿命长、成本低、体积小，便于设备安装维护。

对应上述实施例，本发明还提出了一种智能监测设备200。

如图5所示，本发明实施例的智能监测设备200，包括上述实施例的自供能系统100。

根据本发明实施例的智能监测设备，通过上述的自供能系统，可以为负载不间断地供电，供电可靠性高，并且使用寿命长、成本低、体积小，便于安装维护。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。