低功耗自供電終端模塊的設(shè)計與測試

李麗雅，林 濤,2，韓鳳琴，蔡海城

（1.廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著5G與北斗星鏈技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成為“新基建”的重要目標(biāo)。無線傳感器終端為物聯(lián)網(wǎng)感知層，通常面臨無人值守、無可靠電源應(yīng)用場景等局面，其電源的穩(wěn)定性與持續(xù)性是關(guān)鍵技術(shù)問題。傳感器終端采用一次電池或二次電池進(jìn)行供電，雖能解決電源問題，但面對物聯(lián)網(wǎng)龐大的傳感器終端，頻繁更換電池將造成資源浪費(fèi)并增加人工成本，影響傳感器工作的穩(wěn)定性。采用自供電技術(shù)，從環(huán)境中捕獲能量并轉(zhuǎn)化成電能為傳感器終端供電已成為研究熱點，其能量來源主要有光、振動、電磁場、溫度等。自供電能量采集技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了無線傳感器終端及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。隨著智慧城市的建設(shè)，智能交通是關(guān)鍵，而大型城市的停車與車位管理難題均可采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加以解決，因此保障物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器終端的用能穩(wěn)定性是研究的重點。Chandra Kiran B開發(fā)的SFpark項目因傳感器電池老化影響停車位信息；蘇世雄等通過設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的智能停車管理系統(tǒng)，減少用戶停車時間，提高車位利用率，但系統(tǒng)功耗較大。本文設(shè)計并開發(fā)了低功耗自供電終端模塊，可通過熱電轉(zhuǎn)換能量采集器采集環(huán)境能量，保障傳感器終端用能的穩(wěn)定性。搭建實驗測試平臺，對自供電終端模塊的功耗以及穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。

1 方案設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

自供電智能停車終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量采集模塊利用與環(huán)境的溫差發(fā)電，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換電路后為終端提供電能的同時將多余的電能通過蓄電元件儲存。數(shù)據(jù)檢測模塊收集車位使用狀態(tài)信息，通過STM32單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，控制通信模塊進(jìn)行信息傳輸。數(shù)據(jù)檢測模塊采用QMC5883L芯片，信息傳遞模塊選擇ESP-12S，借助WiFi對無線數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與接收。單片機(jī)的串口1和串口6分別與QMC5883L和ESP-12S通信。

圖1 自供電智能停車終端結(jié)構(gòu)

1.2 電源轉(zhuǎn)換電路

能量采集模塊基于熱電轉(zhuǎn)換組件開發(fā)，但由于環(huán)境溫度存在季節(jié)性和晝夜性變化，夏天和白天時地表環(huán)境溫度較大氣環(huán)境溫度低，冬天和夜晚時地表環(huán)境溫度較大氣環(huán)境溫度高。熱電轉(zhuǎn)換組件在季節(jié)和晝夜變換時由于冷熱端的變化而引起輸出電壓方向的變化且輸出電壓較低，為保障終端用能的穩(wěn)定性，設(shè)計如圖2所示的轉(zhuǎn)換電路框圖，轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)

圖3 轉(zhuǎn)換電路

能量采集器的輸出電壓高于3.4 V時，通過SX1302升壓電路將經(jīng)過整流器的電壓提升到5.1～5.2 V，通過二極管避免二次電池反向輸出，經(jīng)過二極管降壓后，TP4056鋰離子電池充電電路將電壓穩(wěn)定于3.7～4.2 V，二次電池充電，此充電電壓可根據(jù)電池充電電壓調(diào)整，最后AMS1117CD電路將電壓穩(wěn)于3.3 V給終端供電。當(dāng)電壓較低時，通過ME2108A33PG升壓電路將低電壓直接抬升到3.3 V給終端供電。理論上，當(dāng)半導(dǎo)體兩端溫差較大時，通過整流器后的電壓高于1.7 V時，可以同時啟動方案一與方案二給終端供電；通過整流器后的電壓無法達(dá)到1.7 V時，啟動方案二給終端供電；當(dāng)發(fā)電量滿足終端供電需求時，可通過方案一給電池充電；發(fā)電電壓為0時，電池單獨(dú)供電。

2 自供電模塊的測試

在終端正常工作狀況下，使用電能監(jiān)測儀進(jìn)行測試，終端待機(jī)功耗為10 mW，當(dāng)車輛駛?cè)腭偝?，終端發(fā)送接收信號過程功耗在21～42 mW范圍內(nèi)波動。選擇TEG1-12706型號的熱電轉(zhuǎn)換單體作為研究對象，熱電轉(zhuǎn)換單體TEG1-12706主要參數(shù)見表1所列。

表1 熱電轉(zhuǎn)換單體TEG1-12706主要參數(shù)

2.1 熱電轉(zhuǎn)換組件性能測試

熱電轉(zhuǎn)換組件基于塞貝克效應(yīng)，當(dāng)熱電轉(zhuǎn)換組件兩端存在溫差時就能產(chǎn)生電勢差，其表達(dá)式如（1）所示。實驗中，分別將熱電轉(zhuǎn)換組件冷端溫度設(shè)置為5 ℃、16 ℃和30 ℃，通過改變熱端溫度形成有效溫度差。由圖4可知，能量采集模塊的輸出功率主要影響因素為有效溫差，冷端的溫度值對輸出開路電壓影響較小。

圖4 熱電轉(zhuǎn)換組件輸出電壓與溫差的關(guān)系

式中：賽貝克電壓的單位符號為；接口溫度和的單位符號為K；與兩種材料的相對賽貝克系數(shù)α=|α-α|的單位符號為V/K，當(dāng)、材料接觸面的溫差?=較小時，賽貝克系數(shù)α可近似為常數(shù)，當(dāng)、材料接觸面的溫差?=-較大時，可用表達(dá)式（2）表示。

由此可見，賽貝克系數(shù)α可表征賽貝克效應(yīng)的大小，α越大，在同等溫差下其賽貝克電壓越大。

2.2 終端模塊的功耗測試

終端模塊的功耗測試平臺如圖5所示，包括P100F恒溫加熱臺，HX-1050恒溫循環(huán)器。將單片TEG1-12706熱電轉(zhuǎn)換組件固定于恒溫加熱臺與恒溫循環(huán)器水冷片之間并進(jìn)行測試。

圖5 終端模塊的功耗測試平臺

不同溫差下終端的工作狀態(tài)見表2所列。當(dāng)有效溫差為0 ℃時，能量采集器輸出電壓為0 V，由電池單獨(dú)給終端供電；當(dāng)有效溫差達(dá)到52 ℃時，供應(yīng)電能為8.9 mW，通過方案二和電池放電給終端供電；當(dāng)有效溫差為54 ℃時，供應(yīng)電能為10.8 mW，能夠滿足終端的待機(jī)耗電量且此時電池可以處于不工作狀態(tài)；當(dāng)有效溫差為60～68 ℃時，供應(yīng)電能在21.1～43 mW，能夠滿足終端在工作時的耗電量且此時電池為放電或者處于不工作狀態(tài)；當(dāng)有效溫差超過110 ℃時，整流器輸出電壓為1.761 V，可以啟動方案一給終端供電并給二次電池充電。以上情況的供電功率都大于終端功耗，可以滿足終端供電要求。

表2 不同溫差下終端的工作狀態(tài)

3 結(jié) 語

基于STM32芯片開發(fā)的檢測終端功能齊全；高精度磁場傳感器QMC5883L可對停車位的使用情況進(jìn)行3軸方向檢測；ESP-12S模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，終端待機(jī)功耗為10 mW，終端工作功耗為21～42 mW。同時，利用環(huán)境溫度，選擇TEG1-12706半導(dǎo)體作為能量采集模塊，經(jīng)過供電實驗，結(jié)果表明：當(dāng)有效溫差為0 ℃時，電池單獨(dú)給終端供電；當(dāng)有效溫差為52 ℃時，供給電能達(dá)不到終端待機(jī)功耗時，可以結(jié)合電池放電給終端供電；有效溫度為54 ℃時，供應(yīng)電能為10.8 mW，滿足終端待機(jī)功耗；有效溫度為60～68 ℃時，供應(yīng)電能為21.1～43 mW，滿足終端工作功耗需求，兩種電路方案均可滿足不同環(huán)境下的供電需求，保證終端穩(wěn)定工作。