基于復(fù)合能量自供電的河流監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)?

邢 俊李 敏?石常龍王 超李 玲冒曉莉張加宏

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210044；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044)

近些年，伴隨著全球氣候的惡化，各種自然災(zāi)害不斷加劇，而洪水災(zāi)害是目前人們所面對(duì)的重大的突發(fā)性自然災(zāi)害之一[1]。由于洪澇災(zāi)害具有的突發(fā)性的特點(diǎn)，要進(jìn)行災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)需要對(duì)河流的相關(guān)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的采集。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于功耗低與成本低等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中[2－4]，但驅(qū)動(dòng)其工作的化學(xué)電池能量有限、在河流監(jiān)測(cè)這樣的需要大量部署傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用場景下[5－6]，雖然可以通過改進(jìn)算法不斷降低節(jié)點(diǎn)功耗[7]，但仍會(huì)消耗較多的能量，這使得無線傳感節(jié)點(diǎn)壽命很大程度上依賴電池的壽命。同時(shí)大量電池的采用，將在其制造、使用和廢棄中產(chǎn)生污染，對(duì)環(huán)境形成嚴(yán)峻壓力，最終影響無線傳感網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展。因此，尋找新的高效能量供給方式顯得十分必要且迫切。

目前采集機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能為智能終端供電已經(jīng)是一種常見方案。在機(jī)械能收集的研究中，已報(bào)道的多種能量收集器采用了壓電[8－9]、電磁[10]、摩擦[11]等多種換能原理。2015年斯坦福大學(xué)牛思淼[12]利用摩擦起電以及靜電感應(yīng)的耦合作用，發(fā)明了一種多層復(fù)合的摩擦納米發(fā)電機(jī)。朱杰[13]則提出了一種摩擦－壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，整流后的輸出能夠點(diǎn)亮50盞LED燈；中北大學(xué)溫濤[14]設(shè)計(jì)了磁懸浮式電磁－摩擦復(fù)合生物機(jī)械能量采集器，對(duì)可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)自供電。但這些能量采集器在實(shí)際應(yīng)用中有如下缺點(diǎn):①較低的輸出功率，機(jī)械能通過摩擦發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換后的電流極低，無法維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；②單一的采集方式，無法充分地利用環(huán)境中的各種能量；③性能較差的機(jī)械結(jié)構(gòu)，普遍使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)為彈簧和懸梁結(jié)構(gòu)，而這類結(jié)構(gòu)在經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后容易產(chǎn)生機(jī)械疲勞。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種壓電－光電復(fù)合式能量采集器用以收集自然環(huán)境中的微弱能量，并著重研究了其為河流監(jiān)測(cè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)自供能的可行性。在白天日照好、水流緩的條件下，系統(tǒng)主要由光電能量采集裝置供能，在夜晚或天氣條件差的情況下，比如陰雨天水流急時(shí)，系統(tǒng)主要由壓電能量采集裝置維持運(yùn)行。具體地，壓電采集器使用了新穎的球形嵌套結(jié)構(gòu)，材料選擇鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)，由河水的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓電采集器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，光電采集器采用圓形太陽能光伏板，置于壓電球內(nèi)。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了相匹配的能量管理與存儲(chǔ)電路[15]，并將收集到的能量存入超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)無線傳感節(jié)點(diǎn)自供能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與理論分析

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1 是復(fù)合能量自供能的河流無線監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的示意圖，傳感器節(jié)點(diǎn)放置在河流水勢(shì)較大的關(guān)鍵位置，由三個(gè)部分組成:微能量采集裝置，包含壓電能量收集模塊(若干個(gè)嵌套結(jié)構(gòu)的壓電球)及光電能量收集模塊(壓電球內(nèi)的太陽能光伏板)；能量采集電路，由能量管理電路與存儲(chǔ)電路構(gòu)成，為傳感器供電；傳感器模塊，用于采集河流監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的水位、水流量及溫濕度數(shù)據(jù)，從單元在采集到數(shù)據(jù)后通過CAN總線發(fā)送到主單元，主單元處理后通過無線藍(lán)牙傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)端。

圖1 自供電河流監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖

1.2 微能量采集裝置

用于河流監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的復(fù)合能量采集器如圖2所示，一方面通過太陽能光伏板采集環(huán)境光能。本文采用基于PN結(jié)的光伏效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的太陽能光伏板。當(dāng)太陽光照射到電池表面，導(dǎo)帶產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，載流子在內(nèi)電場的作用下漂移形成電動(dòng)勢(shì)。如圖2(a)和2(b)所示，選用兩個(gè)直徑為45 mm的圓形太陽能光伏板，安裝在每個(gè)復(fù)合能量球的兩端。

圖2 復(fù)合能量收集裝置

另一方面利用設(shè)計(jì)的球形嵌套結(jié)構(gòu)壓電球收集水流的振動(dòng)能，具體結(jié)構(gòu)組成如圖2(c)、2(d)、2(e)、2(f)所示。整個(gè)裝置以圓形壓電陶瓷片作為壓電敏感單元，壓電球的外殼由聚甲基丙烯酸甲酯(簡稱PMMA)制備。在每一個(gè)半球空腔上以周邊固定支撐結(jié)構(gòu)均勻安裝若干個(gè)直徑為3 cm的圓形PZT－5壓電陶瓷晶片，其機(jī)電耦合系數(shù)K為0.60，相對(duì)介電常數(shù)為1 700，壓電應(yīng)變場數(shù)為450 pc/N，壓電片之間間隔90°。

如圖2(e)所示，壓電球內(nèi)部放置若干個(gè)聚四氟乙烯(簡稱PTFE)小球，當(dāng)壓電球隨水流發(fā)生振動(dòng)時(shí)，內(nèi)嵌的小球在球體內(nèi)做無規(guī)則受迫運(yùn)動(dòng)，當(dāng)PTFE小球撞擊到球體內(nèi)壁上的壓電陶瓷片時(shí)，壓電陶瓷片會(huì)發(fā)生厚度伸縮模式的振動(dòng)，即與電軸方向相平行的伸縮變形，從而輸出電荷。壓電陶瓷的發(fā)電是基于正壓電效應(yīng)原理，當(dāng)壓電陶瓷受外力作用發(fā)生形變時(shí)，壓電單元被喚醒，壓電材料內(nèi)部極性相反且與外部受力有一定比例關(guān)系的電荷出現(xiàn)在壓電材料表面，導(dǎo)致壓電片上下表面形成電勢(shì)差。根據(jù)壓電陶瓷基礎(chǔ)理論，壓電陶瓷片在Z方向上的位移D31是可表示為壓電陶瓷片X方向的應(yīng)變?chǔ)藕碗妶鯡3共同作用的結(jié)果，即:

將式(3)對(duì)面積進(jìn)行積分，可得發(fā)電量Q為:

通過上述公式可發(fā)現(xiàn)，壓電振子輸出電荷量與表面積呈正相關(guān)。然而，當(dāng)壓電振子的表面直徑過大時(shí)，正負(fù)電荷就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在同一表面上，從而會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷的發(fā)電能力大幅度下降，因而壓電片的直徑選擇上需綜合考慮這兩方面的因素。

1.3 能量管理與存儲(chǔ)電路

能量管理與存儲(chǔ)電路是微能量收集系統(tǒng)的核心部分[15]，本文采用有源能量收集模式，因而電路采集的能量既要主體上存入超級(jí)電容，又要維持有源器件的正常工作。

由于壓電效應(yīng)可知，壓電換能器產(chǎn)生的是不穩(wěn)定的交流電，因此需要整流電路將交流輸出轉(zhuǎn)化為直流，設(shè)計(jì)中選用二極管1N4148搭造橋式整流電路。設(shè)計(jì)的能量管理與存儲(chǔ)電路如圖3所示，電路中的接口J1為能量的輸入端，接口J2為輸出端，整個(gè)電路采用逐級(jí)充電的思想，工作可分為3個(gè)階段:

圖3 能量管理與存儲(chǔ)電路原理圖

①首先，電流從接口J1流入到C1中，C1兩端的電壓逐漸升高但電壓值較低，MOS管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，由于電阻R1的阻值很大，使a點(diǎn)的電壓值接近于0 V，從而使MOS管Q2處于截止?fàn)顟B(tài)；

②其次，當(dāng)C1兩端電壓逐漸上升到Q1的開啟電壓時(shí)，Q1導(dǎo)通，a點(diǎn)電壓升高，Q2導(dǎo)通，部分電流流入C2中，逐漸使C1中流出的電流大于流入電流，C1兩端電壓開始降低直至低于Q1的截止電壓，Q1，Q2進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，電流全部流入到C1中。整個(gè)過程中C1為施密特觸發(fā)器U1提供工作電壓；

③最后，當(dāng)C2兩端電壓達(dá)到2/3 VCC的時(shí)候，施密特觸發(fā)器使能轉(zhuǎn)換器TPS61220，C2中的電荷流入轉(zhuǎn)換器中，在C2中電壓降至1/3 VCC時(shí)關(guān)閉轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的輸出端接二極管1N4148防止超級(jí)電容充電時(shí)電流倒流。

1.4 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，決定了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和精確度，主要由STM32F407處理器、藍(lán)牙通信模塊、CAN總線收發(fā)模塊、溫濕度傳感器、液位傳感器和流速傳感器組成。

圖4 為傳感器節(jié)點(diǎn)具體工作流程，在超級(jí)電容供電的情況下，初始狀態(tài)為睡眠模式，通過RTC時(shí)鐘喚醒睡眠下的CPU，初始化首先開啟定時(shí)器3和定時(shí)器4，通過定時(shí)器的輸入捕獲得到流速傳感器工作20s的脈沖數(shù)據(jù)，接著關(guān)閉定時(shí)器并利用MOS管依次開啟溫濕度傳感器和液位傳感器，并通過串口通信接收數(shù)據(jù)，最后通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給主單元，之后再度進(jìn)入睡眠模式等待下一次喚醒，通過這種工作方式有效降低了傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)所需能量消耗，提升了傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作能力。另外，當(dāng)遇到連續(xù)的陰天且沒有大風(fēng)浪時(shí)，采取藍(lán)牙發(fā)送指令的方式，控制節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間間隔，降低功耗。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 輸出特性

圖5 給出了自供能無線傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖，使用水箱模擬河流場景，使用水泵模擬自然情況下河水的流動(dòng)。為研究復(fù)合能量采集裝置的輸出特性以及傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際功耗，構(gòu)建平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中使用泰克MSO2024示波器測(cè)量能量采集電路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓變化特性，使用DM3068萬用表具體測(cè)量超級(jí)電容中電壓值的變化，再通過電壓值的變化計(jì)算出能量的變化。

圖5 自供能無線傳感器節(jié)點(diǎn)及其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

圖6 給出了壓電和光電兩種能量輸入在能量采集電路中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓變化對(duì)比。圖6(a)展示了兩種能量采集裝置的輸出特性，直接測(cè)量開路電壓，可以看出光電能量的輸出電壓低但輸出穩(wěn)定，壓電能量的輸出峰值電壓高，最高可達(dá)到25 V，但不穩(wěn)定。圖6(b)顯示了C1上兩種能量的電壓值變化，C1上的電壓需要維持施密特觸發(fā)器工作，當(dāng)輸入為不穩(wěn)定的壓電能量時(shí)，電壓在有輸入時(shí)上升，無輸入時(shí)降低，呈現(xiàn)在0.8 V~2.5 V間振蕩；當(dāng)輸入為穩(wěn)定的光電能量時(shí)，電壓值在1.8 V左右輕微振蕩。圖6(c)顯示了C2上兩種能量的電壓值變化，C2上的電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)會(huì)輸出能量并存儲(chǔ)到超級(jí)電容中，根據(jù)施密特觸發(fā)器工作原理可知電壓值與電容Cv1端電壓相關(guān)，壓電輸出的電壓在0.6 V~1.0 V之間呈周期性振蕩，光電輸出的電壓在1.4 V左右輕微振蕩。圖6(d)為采集電路輸出端電壓變化，壓電能量輸出呈周期性，同時(shí)可以看出當(dāng)輸入的功率較高時(shí)，壓電能量可以維持一段時(shí)間的輸出，因而呈現(xiàn)間斷性的持續(xù)輸出，光電輸出因?yàn)殡娏鬏^高緣故而保持持續(xù)輸出。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

為了得到壓電球的最優(yōu)尺寸以及內(nèi)置壓電片的最佳數(shù)量，如圖7所示，設(shè)計(jì)了5種壓電球的類型以及不同的壓電片數(shù)量，具體參數(shù)如表1所示。本文在水箱中利用水泵產(chǎn)生相似的水流振動(dòng)(大約4 Hz)，進(jìn)而測(cè)量了不同的壓電球在內(nèi)嵌不同數(shù)量小球時(shí)的輸出功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，根據(jù)圖中結(jié)果可知，壓電球的直徑為120 mm，內(nèi)壁共計(jì)放置16個(gè)壓電陶瓷片，內(nèi)嵌8個(gè)PTFE小球時(shí)的輸出功率最高，達(dá)到57.7 μW，實(shí)際使用時(shí)可以外接5個(gè)壓電球，總功率可以達(dá)到287.5 μW，在這個(gè)情況下，一天可向超級(jí)電容充能24.84 J的能量。

圖7 不同的壓電球?qū)嵨飯D

表1 壓電球的參數(shù)

圖8 不同條件下壓電能量球的輸出功率

如圖9所示，構(gòu)造不同的實(shí)驗(yàn)情景對(duì)能量球中光電單元的輸出特性進(jìn)行測(cè)試，首先在3月份的晴天與陰天情況下測(cè)試得到輸出功率，接著模擬不同的場景，對(duì)球體表面附著水以及球體處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的輸出功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試從早上7點(diǎn)到晚上7點(diǎn)每0.5 h進(jìn)行一次，測(cè)試結(jié)果劃分為5個(gè)時(shí)間段:a段、b段、c段、d段和e段。在由于a段和e段光照弱，超級(jí)電容上電荷量沒有顯著增加；b段和d段光照逐漸增強(qiáng)，輸出功率有所提升，平均輸出功率為200 μW左右；c段輸出功率最高，在實(shí)驗(yàn)開始的大概330 min時(shí)，輸出功率達(dá)到峰值，3月份晴天下的輸出功率可以達(dá)到740 μW，陰天時(shí)的輸出功率峰值為250 μW，球體表面附著水對(duì)輸出的影響較小，當(dāng)球體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸出功率峰值降低至372 μW。可以看出在陰天情況下的輸出功率最低，計(jì)算得到一天的平均輸出功率為61.1μW，5個(gè)復(fù)合能量球光電部分的平均輸出功率至少為305.5 μW，一天獲得能量26.40 J。

圖9 不同時(shí)間的光能的輸出功率

最后測(cè)試光電和壓電復(fù)合輸出時(shí)的輸出功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。對(duì)比光電輸入、壓電輸入以及復(fù)合輸入三種情況下的輸出功率，光電輸出功率約為100 μW，壓電輸出功率約為50 μW。當(dāng)兩種能量復(fù)合輸出時(shí)輸出功率達(dá)到180 μW左右，明顯高于兩種能量輸出功率的直接累加，這主要?dú)w因于兩種能量同時(shí)輸入降低了輸入能量在管理電路電容C1處的能量消耗，因此，當(dāng)并聯(lián)輸入的能量越多時(shí)，電路的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率越高。

圖10 復(fù)合能量的輸出功率

2.2 功耗分析

為研究傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的性能以及復(fù)合能量采集裝置的輸出能量能否滿足無線傳感器節(jié)點(diǎn)工作需求，在河流中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集方法如圖11所示，首先選定河流水情信息采集點(diǎn)并固定傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，將溫濕度傳感器放置在河流岸邊，采集河流環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)；將水流量傳感器放置在水速較高的水域，并把傳感器進(jìn)水口放置在上游位置，出水口放置在下游位置，記錄一段時(shí)間的水流量。水位是重要的判斷指標(biāo)，實(shí)際測(cè)量時(shí)設(shè)定基準(zhǔn)水位和警戒水位，將水位傳感器導(dǎo)管的一端置于基礎(chǔ)準(zhǔn)線位置，從單元接收得到當(dāng)前的水位信息，警戒水位用于預(yù)警[16－17]。

圖11 傳感器節(jié)點(diǎn)采集河流水情數(shù)據(jù)

河流監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖12所示，從9點(diǎn)至10點(diǎn)55，每隔5 min進(jìn)行一次水情數(shù)據(jù)采集。圖中可以看出水流量約2 L/min，在一段時(shí)間內(nèi)無較大變化，測(cè)試點(diǎn)水位維持在35 cm，濕度有微小變化。

圖12 傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

功耗測(cè)試結(jié)果如圖13所示，工作30 s后，溫濕度傳感器DHT11模塊的功耗為2.875 J，磁敏感傳感器YF－S201的功耗為1.984 J，諧振式液位傳感器kps－49c2的功耗為2.475 J，低功耗藍(lán)牙模塊JDY－19的功耗為1.738 J，當(dāng)3個(gè)傳感器同時(shí)工作時(shí)的功耗達(dá)到7.675 J，當(dāng)采取優(yōu)化后的低功耗工作模式時(shí)，工作30 s的能量消耗降到1.502 J。當(dāng)設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)的工作間隔為1 h，則1 d工作24 h的功耗為36.04 J。另外，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)在睡眠模式下的電流大小為10 μA，一天中維持睡眠模式的能量消耗是2.80 J，系統(tǒng)的平均功耗為449.5 μW。而壓電球模塊的能量增量為24.84 J，光電模塊在陰天下的能量增量為26.40 J，從能量收支平衡角度看，基本能夠滿足無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗需要。

圖13 不同傳感器工作時(shí)的功耗

3 結(jié)論

本文提出了一個(gè)基于復(fù)合能量采集的河流監(jiān)測(cè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，壓電陶瓷PZT－5被用作制備壓電球的基本壓電單元，當(dāng)球體以4 Hz的頻率振動(dòng)時(shí)，單個(gè)壓電球的輸出功率達(dá)到57.7 μW。太陽能光伏板作為光電采集模塊，在陰天下平均輸出功率最低為61.1 μW，河流監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)連接5個(gè)復(fù)合能量球時(shí)，平均功率最低可達(dá)到594.0 μW，同時(shí)系統(tǒng)工作一天整體功耗為38.84 J，平均功耗為449.5 μW，實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以實(shí)現(xiàn)無線河流監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作的自供能。