生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)光混合能量變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 軍，張 靜，蔣小川

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)光混合能量變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 軍，張 靜，蔣小川

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

為使物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)光混合微能量變換系統(tǒng)提供節(jié)點(diǎn)持續(xù)電能。設(shè)計(jì)了光源自動(dòng)跟蹤和最大功率跟蹤兩種控制電路，最大程度地進(jìn)行光伏能量轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)低輸入電壓的能力的升壓電路以提高在低風(fēng)速情況的能量采集。分析了風(fēng)光混合系統(tǒng)電源管理的工作方式，理論推導(dǎo)傳感節(jié)點(diǎn)和雙軸電機(jī)工作所需能量管理的理論條件。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:研究的混合微能量變換系統(tǒng)能夠精確檢測(cè)光照強(qiáng)度，能采集光能和風(fēng)能并實(shí)時(shí)充電存儲(chǔ)，節(jié)點(diǎn)可以持續(xù)工作，采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，能夠滿足林業(yè)生態(tài)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能要求。

混合能源；傳感節(jié)點(diǎn)；物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；能量管理

0 引 言

森林不僅提供人類社會(huì)所需的木材和林副產(chǎn)品，同時(shí)能改善自然環(huán)境、提高環(huán)境質(zhì)量。由微傳感節(jié)點(diǎn)組成的物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療保健、設(shè)備檢測(cè)等領(lǐng)域中[1～4]。對(duì)林業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可為森林生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境間相互作用關(guān)系的研究提供長(zhǎng)期可靠的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)[5]。林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常分布在地理位置偏遠(yuǎn)、分散的地區(qū)，當(dāng)?shù)仉娏δ茉垂┙o緊張，因此，用于林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)通常采用普通鋅錳干電池供電。由于干電池容量有限，使用時(shí)間較短，在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需每月人工定期更換。隨著使用的傳感節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)增多，人力成本也越高。戶外監(jiān)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的電能供給是制約物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，要使節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)可靠地工作，必須最大限度地開(kāi)發(fā)和利用環(huán)境可再生能源[6]。風(fēng)力、光伏能量等無(wú)污染的可再生自然能源是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作的有效途徑[7～9]。

本文主要研究在林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)中采用風(fēng)光混合自然能源給節(jié)點(diǎn)使用。光伏能量轉(zhuǎn)換采用最大功率和光源跟蹤技術(shù)[10，11]，提高電池板吸收太陽(yáng)能的利用率；風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的直流電經(jīng)功率變換電路對(duì)鋰電池充電。通過(guò)有效的電源能量管理，合理地分配使用電能，完成了傳感節(jié)點(diǎn)獲得有效的能源補(bǔ)充，無(wú)間斷的工作，具有較好的理論與應(yīng)用價(jià)值。

1 節(jié)點(diǎn)風(fēng)光混合能量微轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文研究用于林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)微節(jié)點(diǎn)整體模塊將Zig Bee技術(shù)、智能傳感器技術(shù)和微功率能源變換技術(shù)相結(jié)合，是一種智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。微功率傳感節(jié)點(diǎn)的風(fēng)光混合能量變換系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，箭頭為功率和信號(hào)流的方向，總體結(jié)構(gòu)包含：光伏能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、電源控制管理子系統(tǒng)和傳感節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)。

圖1 微功率傳感節(jié)點(diǎn)的風(fēng)光混合能量變換系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig 1 System overall structure of wind-solar hybrid energy conversion system for micro power sensing node

1.2 光伏能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)通過(guò)光伏電池板半導(dǎo)體傳感器件將外界來(lái)源的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，為提高太陽(yáng)光的利用率，采用了光源自動(dòng)跟蹤和最大功率跟蹤兩種控制電路。

1.2.1 光源自動(dòng)跟蹤

在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中光源的強(qiáng)度檢測(cè)通常使用S1087硅光電池作為微傳感器進(jìn)行檢測(cè)，硅光電池輸出電流信號(hào)，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再由差分放大電路濾除共模信號(hào)后將放大的電壓提供單片機(jī)處理。硅光電池輸出信號(hào)線性度較差，易受外接負(fù)載電阻器和紅外線等非可見(jiàn)光的影響較大。本文采用數(shù)字型光照度傳感器BH1710，高分辨率，測(cè)量精度高，受紅外線影響很小，功耗小。BH1710的測(cè)量范圍有限，輸入光強(qiáng)度最高為65 535lx，故采用衰減光強(qiáng)技術(shù)以提高該傳感器采集光強(qiáng)范圍。

分別在電池板的上、下、左、右4個(gè)位置安置2對(duì)數(shù)字型光照度傳感器BH1710，上下2只傳感器主要控制電池板在垂直方向?qū)?zhǔn)光強(qiáng)中心，左右2只傳感器主要控制電池板在水平方向?qū)?zhǔn)光強(qiáng)中心。光源自動(dòng)跟蹤算法采用滯環(huán)控制，當(dāng)每對(duì)光照度傳感器誤差值在滯環(huán)限定值±Δq范圍內(nèi)，雙軸云臺(tái)不運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)陽(yáng)光偏移角度時(shí)，每對(duì)光照度傳感器誤差值超過(guò)滯環(huán)限定值±Δq，雙軸電機(jī)朝光照度傳感器輸出值較大的方向運(yùn)行，直至重新進(jìn)入滯環(huán)限定范圍內(nèi)停止。通過(guò)滯環(huán)控制方法可以讓太陽(yáng)能電池板達(dá)到最佳的采集光強(qiáng)位置，使轉(zhuǎn)換的電能輸出功率最大。光源自動(dòng)跟蹤控制方法框圖如圖2所示。

圖2 光源自動(dòng)跟蹤控制方法框圖Fig 2 Block diagram of automatic tracking control method of light source

1.2.2 最大功率跟蹤控制電路

僅通過(guò)光源自動(dòng)跟蹤，讓入射光與太陽(yáng)能電池板成最佳的垂直位置還不足夠達(dá)到恒定輸出最大功率。因?yàn)樘?yáng)能電池功率不穩(wěn)定，在其伏安特性曲線中，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，不同的光照強(qiáng)度輸出最大功率的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓基本相同。本文采用恒電壓法以跟蹤太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)變化，保證在不同光照強(qiáng)度時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出的功率都能達(dá)到最大值。

采樣太陽(yáng)能電池輸出電壓，通過(guò)2個(gè)普通金屬膜電阻器R1，R2分壓后提供到MPPT管腳，MPPT管腳電壓被固定調(diào)制在電壓1.04 V，故最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板的輸出電壓為

UMPPT=1.04×(1+R1/R2).

(1)

1.3 風(fēng)能轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)

利用太陽(yáng)能資源的方式相對(duì)單一，在陰雨天氣等條件下光源強(qiáng)度明顯不足，可以采用風(fēng)能作為互補(bǔ)的能源，提供傳感節(jié)點(diǎn)電量。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩種類型。風(fēng)力交流發(fā)電機(jī)通常用于中大功率的電能變換和并網(wǎng)輸電中，體積大，功率變換電路和電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文使用的森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感節(jié)點(diǎn)功率微小，其最大功耗約為100 mW，交流發(fā)電機(jī)不適用于微功耗檢測(cè)場(chǎng)合，故采用微功率永磁直流發(fā)電機(jī)。直流發(fā)電機(jī)端電壓與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系

U端=Ceφn.

(2)

可知，輸出電壓是變化的，而且與轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系，風(fēng)葉轉(zhuǎn)速越快，輸出電壓也就越高。但是在微風(fēng)低速情況下，發(fā)電機(jī)端電壓較低，為充分利用低風(fēng)速下低輸入電壓時(shí)的電能，采用TPS61200同步升壓變換器作為第一級(jí)穩(wěn)壓電路，輸入電壓范圍可以從0.3～5.5 V，具有處理低輸入電壓的能力，輸出穩(wěn)定的5 V電壓。第二級(jí)穩(wěn)壓電路使用MC34063升壓電路，將5 V電壓轉(zhuǎn)換至15 V，以提供CN3722電路對(duì)鋰電池充電。

1.4 傳感節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)

傳感節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)主要包含感知模塊、處理模塊和射頻模塊等3個(gè)部分。處理模塊由嵌入式應(yīng)用的片上系統(tǒng)芯片CC2430、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、DeBug調(diào)試電路和運(yùn)行狀態(tài)指示電路組成。CC2430模塊實(shí)現(xiàn)傳感量數(shù)據(jù)采集和Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。感知模塊包含土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器等3種傳感器。土壤溫濕度傳感器采用Decagon公司的5TM傳感器，空氣溫濕度傳感器采用的是SENSIRION公司的SHT11傳感器，各傳感器均設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，將檢測(cè)信號(hào)接到控制器的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與處理。

1.5 電源控制管理子系統(tǒng)

電源控制管理子系統(tǒng)包括兩部分功能：1)太陽(yáng)能電池的電源能量管理。由單片機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字型光照度傳感器的數(shù)據(jù)采樣，管理傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，由檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差控制雙軸云臺(tái)的水平、垂直方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光源自動(dòng)跟蹤控制。2)系統(tǒng)工作電壓管理。鋰電池三節(jié)串聯(lián)電壓為12.6 V，提供云臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，通過(guò)降壓電路變換成5 V電壓，提供單片控制器電源，再次由TC55RP33降壓電路輸出3.3 V電壓提供傳感節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)工作電源。

2 節(jié)點(diǎn)風(fēng)光混合能量微轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電源管理

2.1 傳感節(jié)點(diǎn)混合能量電源管理工作原理

方式一，當(dāng)外界光照指數(shù)高時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)從太陽(yáng)能電池板獲取主要工作能源，此時(shí)肖特基二極管D1導(dǎo)通，D2截止，鋰電池組E1接入系統(tǒng)。

方式二，當(dāng)外界光照指數(shù)低，但有風(fēng)速時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)從風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲取主要工作能源，肖特基二極管D2導(dǎo)通，D1截止，鋰電池組E2接入系統(tǒng)。

方式三，連續(xù)陰雨，無(wú)風(fēng)的條件下，主要由鋰電池組E1和E2同時(shí)提供傳感節(jié)點(diǎn)電壓，當(dāng)鋰離子電池組電壓小于11 V時(shí)，表明鋰離子電池組能量不足，則由傳感節(jié)點(diǎn)3.3 V電壓端子處并聯(lián)的1F超級(jí)電容器提供最后的不間斷電能，提供節(jié)點(diǎn)0.5 h左右的時(shí)間保存監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并向上位機(jī)發(fā)送系統(tǒng)低電壓警告信號(hào)。

2.2 混合能量電源管理?xiàng)l件

本文中采用鋰電池組作為混合能量存儲(chǔ)的裝置，因鋰電池在充放電過(guò)程中自身也存在能量泄露損耗的問(wèn)題，一般充電效率理論上小于1，是非理想的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)際項(xiàng)目中電池充電效率η為0.9。

從能量采集到節(jié)點(diǎn)消耗的過(guò)程中能量守恒關(guān)系出發(fā)，假設(shè)W10是鋰離子電池組E1在充電前的初始能量，W20是鋰離子電池組E2在充電前的初始能量，W11是鋰離子電池組E1在下一個(gè)充放電周期前的能量，W12是鋰離子電池組E2在下一個(gè)充放電周期前的能量，T是一個(gè)充放電循環(huán)周期，讓節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)能不間斷工作，系統(tǒng)的能量管理?xiàng)l件滿足下式

(W11-W10)+(W21-W20),

(3)

式中P太(t)為T(mén)時(shí)間內(nèi)從自然環(huán)境中采集到的太陽(yáng)能功率，P風(fēng)(t)為T(mén)時(shí)間內(nèi)從自然環(huán)境中采集到的風(fēng)能功率，P節(jié)(t)為T(mén)時(shí)間內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)作為負(fù)載消耗的功率，P機(jī)(t)為T(mén)時(shí)間內(nèi)雙軸電機(jī)損耗的功率。

對(duì)式(3)兩邊同除以時(shí)間T，得

(P節(jié)+P機(jī)).

(4)

由式(4)可計(jì)算得到滿足傳感節(jié)點(diǎn)充放電循環(huán)所需采集的外界能源功率大小。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

鋰離子電池組擔(dān)負(fù)著在環(huán)境光強(qiáng)輻射不足和無(wú)風(fēng)條件下向電源控制管理和傳感節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電，鋰電池的容量由負(fù)載平均電流，平均連續(xù)陰雨天數(shù)和最大放電深度等因素決定。雙軸電機(jī)為間斷時(shí)間工作，平均功率為1 W，工作電壓為12 V，平均工作電流為83 mA。傳感節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)工作的最大電流28 mA，最大功率為93 mW。為延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，一般單次最大放電深度選擇為90 %的放電深度。按農(nóng)林業(yè)氣候的連陰雨天氣的標(biāo)準(zhǔn)，平均連續(xù)陰雨天數(shù)至少持續(xù)5天。鋰電池組由3塊相同容量的單節(jié)鋰電池串聯(lián)使用，每塊鋰電池容量為

Q=111×24×5/(0.9×3)=4 933 mA·h.

(5)

根據(jù)計(jì)算的容量，選擇額度電壓4.2 V，容量為5 000 mA·h的聚合物鋰電池。故由式(4)計(jì)算得到的需采集的外界能源功率為

P太+P風(fēng)≥6.93 W.

(6)

考慮預(yù)留一定裕量，取太陽(yáng)能電池板功率為10 W，風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率1 W，總功率滿足系統(tǒng)要求。

實(shí)驗(yàn)在某楊樹(shù)林場(chǎng)區(qū)測(cè)試，當(dāng)天大氣溫度在21～27 ℃，取其中5#節(jié)點(diǎn)的傳感器進(jìn)行性能測(cè)量。數(shù)據(jù)包括了空氣溫濕度，不同深度的土壤溫濕度。數(shù)據(jù)每0.5 h打包，報(bào)文由3G網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)椒?wù)器上后，通過(guò)編寫(xiě)的上位機(jī)程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，分析，顯示等。顯示的典型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 上位機(jī)顯示的典型數(shù)據(jù)Tab 1 Typical datas displayed on upper computer

在一整天里光照度傳感器檢測(cè)的光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化的實(shí)際數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。光照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值使用專用光照度儀測(cè)得,并與實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果表明：測(cè)量值與實(shí)際值基本一致，最大測(cè)量誤差為270 lx，最大相對(duì)誤差為1 %，達(dá)到了測(cè)量精度的要求。

圖3 光照強(qiáng)度實(shí)際數(shù)據(jù)曲線Fig 3 Actual data curve of light intensity

圖4是混合能量微轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分別在采集的光能和風(fēng)能源下切換的充電電流數(shù)據(jù)曲線?？梢钥闯觯涸诎滋烊照粘渥銜r(shí)，太陽(yáng)能電池作為主要的獲取電能方式，對(duì)鋰電池組E1充電，最大充電電流是467 mA；傍晚后光照不足，太陽(yáng)能電池輸出電壓低而不工作，此時(shí)靠樹(shù)林自然風(fēng)能主要工作方式提供微功率，充電微電流最大為54 mA。

圖4 混合能量微轉(zhuǎn)換系統(tǒng)充電電流曲線Fig 4 Charging current curve of hybrid energy micro conversion system

4 結(jié) 論

本文首次對(duì)楊樹(shù)林生態(tài)環(huán)境檢測(cè)的傳感節(jié)點(diǎn)提供風(fēng)光混合自然能源，對(duì)光伏能量轉(zhuǎn)換和風(fēng)能量轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，通過(guò)理論分析選擇合適的鋰電池，太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作的電源管理。在實(shí)際項(xiàng)目中結(jié)果表明：風(fēng)光混合能源可以實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)在戶外的長(zhǎng)期運(yùn)行，系統(tǒng)具有較好的可靠性和可行性，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)研究方面提供了較好的基礎(chǔ)，同時(shí)該技術(shù)可以推廣到農(nóng)業(yè)智能種植灌溉、林木數(shù)控機(jī)械智能監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合。

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Design of wind-solar hybrid energy conversion system for ecological environment IoT node*

WANG Jun，ZHANG Jing，JIANG Xiao-chuan

(College of Information Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)

To make Internet of things(IoT) sensor nodes for long term ecological environment monitoring, a kind of wind-solar hybrid micro energy conversion system is designed for providing sensor nodes with continuous powers. Two control circuits of automatic light tracking and maximum power tracking are designed for maximum solar energy conversion.The low input voltage boosting circuit is designed to increase energy collection in the case of low wind speed. Working mode of power management of wind-solar hybrid system are analyzed,energy management theories of sensor nodes and two-axis motor continuous work are deduced. Experimental results show that light intensity can be detected accurately by the hybrid micro energy conversion systems, solar and wind energy are real time collected and stored at the same time,sensor nodes can continuously operate, collect datas and realizes real-time long distance wireless transmission,which meets the requirement of remote monitoring for forestry ecological environment.

hybrid energy；sensor node；Internet of things(IoT)；environment monitoring；energy management

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0054—04

2014—07—22

江蘇省博士集聚計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012165)

TK 51；TK 82

A

1000—9787(2014)10—0054—04

王 軍(1980-)，男，安徽安慶人，博士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感檢測(cè)、新能源控制技術(shù)。