農(nóng)用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)基于混合能量收集和利用的自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張燠詩(shī)，韓瑞瑞，趙 洲，田雨欣

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，高效的農(nóng)田廣域空間信息采集、高可靠度數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、面向不同應(yīng)用的智慧決策及管理等，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、精細(xì)化及智慧化的重要途徑。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)安裝無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)信息的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆绞揭褟V泛地運(yùn)用到了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。但是由于農(nóng)業(yè)環(huán)境下無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)存在單節(jié)點(diǎn)耗能低、規(guī)模大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、電纜敷設(shè)困難等問(wèn)題，對(duì)電池供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提出更高的要求。合理分配和利用農(nóng)田周?chē)h(huán)境的各種自然微能量，進(jìn)行高效收集并存儲(chǔ)，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有可持續(xù)的自主供電能力，是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下信息獲取的重要途徑。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本研究所設(shè)計(jì)的一體化混合微能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括電能轉(zhuǎn)換單元、混合能量管理電路以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分。其中電能轉(zhuǎn)換單元包括：能量采集裝置和能量轉(zhuǎn)換模塊。能量轉(zhuǎn)換裝置負(fù)責(zé)根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境下太陽(yáng)能、土壤溫差能和風(fēng)能三種能量特性進(jìn)行相應(yīng)選擇，實(shí)現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換；能量轉(zhuǎn)換模塊包含DC/DC升壓模塊和整流電路以及用于實(shí)現(xiàn)能量源的最大功率點(diǎn)跟蹤的MPPT電路，該模塊的功能是將收集的環(huán)境微能量轉(zhuǎn)換為電能。混合能量管理電路包括：能量管理模塊和儲(chǔ)能裝置。能量管理模塊由穩(wěn)壓電路、比較電路和開(kāi)關(guān)切換電路組成，主要作用是控制主/副電源線路的接通/斷開(kāi)和解決阻抗匹配問(wèn)題；儲(chǔ)能裝置是超級(jí)電容和鋰電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)?；谔镩g環(huán)境的微能量特征，整個(gè)供電裝置將太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為主能源向傳感器節(jié)點(diǎn)供電并向鋰電池充電，溫差發(fā)電與風(fēng)能發(fā)電為輔助電源向超級(jí)電容充電。保證整個(gè)系統(tǒng)在傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作的同時(shí)，高效地將能量進(jìn)行存儲(chǔ)利用，以提高供電可靠性并延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。

圖1 一體化混合微能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 能量采集裝置設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能電池組設(shè)計(jì)

在農(nóng)田環(huán)境中，光伏太陽(yáng)能在三種微能量中能級(jí)最大，輸出電壓與功率較大，可作為主供電線路為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。太陽(yáng)能電池組基本單元選定型號(hào)為KMS-03的太陽(yáng)能板，大小為230 mm×170 mm×23 mm，其峰值電流為0.28 A，峰值電壓為7.5 V，標(biāo)準(zhǔn)功率為3 W。若充電時(shí)間按平均每天日照時(shí)間為4 h計(jì)算，單塊太陽(yáng)能板的功率為3 W，則超級(jí)電容器的充電效率可達(dá)90%。其中負(fù)載工作電壓為5 V，工作電流為0.03 A，日工作時(shí)間為24 h，則單個(gè)太陽(yáng)能電池板的功率約為2.33 W，將三塊這樣的太陽(yáng)能電池板并聯(lián)便能組成一個(gè)功率約為7 W的太陽(yáng)能電池組。

2.2 土壤溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)能和地?zé)岬墓餐饔孟?，土壤就是一個(gè)巨大的天然熱能儲(chǔ)備體。為了將熱量從土壤中高效率傳輸?shù)降乇硪陨?，本文選用重力熱管進(jìn)行導(dǎo)熱。最終土壤溫差能量采集裝置主要包括：8個(gè)熱電溫差發(fā)電片（TEG）和1個(gè)恒溫型重力熱管（2 000 mm×40 mm）。溫差發(fā)電片的型號(hào)選擇商用TG 12-8，其物理尺寸為5 mm×40 mm，恒溫型重力熱管的埋設(shè)深度為2.2 m。測(cè)得當(dāng)溫差的取值范圍為0～25 ℃時(shí)，輸出電壓約為0～365 mV，輸出電功率約為0～1.17 mW。

2.3 風(fēng)能采集裝置設(shè)計(jì)

基于對(duì)農(nóng)田環(huán)境中農(nóng)作物規(guī)律種植、行間風(fēng)速較大等特點(diǎn)的考量，選用微型風(fēng)能收集器中效率更高且體積更小的風(fēng)致振動(dòng)式裝置。為了提高風(fēng)能采集效率，受口琴結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計(jì)了帶諧振腔的壓電式風(fēng)能采集器。諧振腔的內(nèi)部尺寸為62 mm×19.6 mm×10 mm。壓電梁選用Piezo Systems公司的T215-H4-203Y壓電片。壓電復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的上、下層采用壓電PZT-5H材料，兩個(gè)壓電層是并聯(lián)電學(xué)結(jié)構(gòu)，中間金屬層（銅）作為上、下兩壓電層的公共電極壓電層，厚度為139 μm。柔性梁采用PET材料，通過(guò)AB膠將柔性梁和壓電復(fù)合梁粘接固定。懸臂梁總長(zhǎng)為38 mm，略小于諧振腔頂部的開(kāi)口長(zhǎng)度，它的寬度略小于諧振器出風(fēng)口的寬度。

3 混合能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏太陽(yáng)能可以等效為理想電流源，由于其具有輸出響應(yīng)較大、受光照影響大而缺乏穩(wěn)定性的特點(diǎn)，本混合能量收集裝置增加了土壤溫差能和風(fēng)能來(lái)補(bǔ)充供電，以提高供電的穩(wěn)定性和持久性。土壤溫差熱電能和微型風(fēng)能可以等效為理想電壓源，與光伏太陽(yáng)能的電源特性不同，在輸出特性上能起到互補(bǔ)的作用。為避免不同電源特性導(dǎo)致的阻抗不匹配，在能量轉(zhuǎn)換模塊中針對(duì)太陽(yáng)能單獨(dú)選用一種DC/DC降壓模塊，針對(duì)風(fēng)能和土壤溫差能選用同一種DC/DC降壓模塊；同時(shí)由于兩者電能轉(zhuǎn)換效應(yīng)存在較大差異，需要選用不同的MPPT電路以保證收集功率和效率最大化；能量管理模塊中設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)切換電路和比較電路，以解決系統(tǒng)內(nèi)部阻抗不匹配問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)與下一級(jí)儲(chǔ)能裝置間的高效銜接。整個(gè)混合能量收集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 混合能量收集系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1 能量轉(zhuǎn)換模塊

考慮到光伏太陽(yáng)能的輸出響應(yīng)受環(huán)境的影響很大、土壤溫差熱電能和微型風(fēng)能的輸出功率比較穩(wěn)定但又較為微弱的特點(diǎn)，本文選用了TI公司的BQ25504芯片，如圖3所示。該芯片用于具有電池管理功能的能量收集器的超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行毫微功耗管理。BQ25504芯片以不連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)行，它的最大功率點(diǎn)跟蹤功能操作取決于開(kāi)路電壓的采樣值，升壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)將VIN引腳檢測(cè)到的輸入電壓調(diào)節(jié)到采樣參考電壓值（在VREF_SAMP引腳上存儲(chǔ)），能間接調(diào)節(jié)升壓充電器的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能。

圖3 BQ25504芯片原理

3.2 能量管理模塊

能量管理模塊的主要工作過(guò)程是：當(dāng)太陽(yáng)光照充足時(shí)，太陽(yáng)能光伏電池通過(guò)穩(wěn)壓電路為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)直接供電，并將多余的能量存儲(chǔ)到鋰離子電池中。溫差發(fā)電并聯(lián)微型風(fēng)力發(fā)電輸出的電能直接向超級(jí)電容器充電，當(dāng)超級(jí)電容器中電量增多，其兩端的電壓會(huì)不斷升高。電壓達(dá)到高閾值電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)切換電路1接通，讓單片機(jī)電路控制開(kāi)關(guān)切換電路2接通，使超級(jí)電容器開(kāi)始放電，即通過(guò)超級(jí)電容器放電為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，并向鋰離子電池充電。超級(jí)電容器兩端電壓降低到低閾值電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)切換電路1將斷開(kāi)，單片機(jī)電路停止工作，進(jìn)而開(kāi)關(guān)切換電路2斷開(kāi)，超級(jí)電容器停止放電，整個(gè)能量管理系統(tǒng)回到最初的工作狀態(tài)。當(dāng)太陽(yáng)能光伏電池輸出的電壓非常低時(shí)（比如晚上或陰天），土壤溫差發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電能持續(xù)穩(wěn)定地向超級(jí)電容器充電，同時(shí)鋰離子電池中存儲(chǔ)的能量也能為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。能量管理系統(tǒng)上的單片機(jī)還采用了低功耗的能量管理策略，也就是只有在超級(jí)電容器放電的時(shí)間里單片機(jī)才開(kāi)始工作，這能夠極大地降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，增加無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的連續(xù)工作時(shí)間。

基于上述原理，選擇了LTC3588-1芯片用于穩(wěn)壓電路并選擇LTC4071芯片用于充電和保護(hù)鋰離子電池以免于過(guò)充電或過(guò)放電。同時(shí)，LTC4071芯片將LTC3588-1芯片的VIN調(diào)節(jié)至3.3 V穩(wěn)壓輸出（ADJ引腳懸空），實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)定供電，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路原理

開(kāi)關(guān)切換電路選擇以電子多路復(fù)用器TS5A3154芯片為核心的電路，該芯片是單通道2比1多路復(fù)用器，也就是單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)為先斷后合，在開(kāi)啟新的連接之前會(huì)先斷開(kāi)原有連接，提高輸出穩(wěn)定性，同時(shí)可以提供高效的低導(dǎo)通電阻（0.9 Ω）與通道間導(dǎo)通電阻匹配，具有出色的總諧波失真性能且功耗極低，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。比較電路采用電壓比較器。

圖5 開(kāi)關(guān)切換電路原理

4 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠供電，本文設(shè)計(jì)了一種一體化混合能量收集裝置。該裝置以太陽(yáng)能為主電源、土壤溫差熱能和風(fēng)能為輔助電源向傳感器節(jié)點(diǎn)供電?；诟髂芰刻匦栽O(shè)計(jì)了相應(yīng)的能量采集裝置，各能量源收集裝置分別使用獨(dú)立的BQ25504芯片實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和最大功率點(diǎn)跟蹤，使得各自能量輸出功率最優(yōu)化，再將各輸出并聯(lián)外接一個(gè)電能管理電路進(jìn)行能量管理；設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)切換電路和比較電路解決了由于不同能源特性存在差異而引起的阻抗不匹配問(wèn)題；同時(shí)通過(guò)結(jié)合鋰離子電池和超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，達(dá)到利用不穩(wěn)定、非連續(xù)的混合環(huán)境能量持續(xù)穩(wěn)定地為傳感器節(jié)點(diǎn)供電的目的。

整個(gè)混合能量收集系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)高效收集和管理三種環(huán)境微能量，不僅可以有效提高系統(tǒng)供電的可靠性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，還能大大縮小傳統(tǒng)系統(tǒng)的尺寸，降低人工成本。