物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量獲取的研究與實(shí)現(xiàn)

丁仁偉，邢冰冰

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量獲取的研究與實(shí)現(xiàn)

丁仁偉，邢冰冰

（中央民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100081）

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的能量是限制節(jié)點(diǎn)性能和決定網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵因素。環(huán)境能量獲取技術(shù)的使用可以為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量補(bǔ)給提供完美的解決方案。研究并實(shí)現(xiàn)了基于太陽(yáng)能獲取技術(shù)的3種節(jié)點(diǎn)電路方案，并搭建簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作特性，對(duì)特定區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了參考能量獲取方案。

物聯(lián)網(wǎng)；太陽(yáng)能；能量獲取

1 太陽(yáng)能電池的特性

隨著國(guó)際電信聯(lián)盟于2005年指出物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代即將來(lái)臨，經(jīng)歷近十年的發(fā)展，目前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已觸及到人們生活環(huán)境的方方面面。從小的方面來(lái)看，智能家居和健康物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)抑械娜藛T和設(shè)備利用傳感器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)連接到一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人的遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)，以及對(duì)設(shè)備的安全及功能控制；從大的方面來(lái)看，智慧地球通過(guò)把傳感器嵌入和裝備到全球每個(gè)角落，搜集生產(chǎn)生活環(huán)節(jié)和環(huán)境的大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的互連，使人類能以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活的狀態(tài)。在這些物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)數(shù)量龐大，同時(shí)節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)不斷地采集及傳輸數(shù)據(jù)，而且大多數(shù)節(jié)點(diǎn)需要布置在環(huán)境惡劣或者是無(wú)人值守區(qū)域，一次性電池供電嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量供給就成為制約網(wǎng)絡(luò)性能和壽命的關(guān)鍵因素。

解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能源問(wèn)題成為延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用壽命和降低成本的關(guān)鍵，其中涉及到兩個(gè)問(wèn)題：供能和耗能。當(dāng)前針對(duì)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)耗能的研究比較多，主要是從優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、改善通信協(xié)議和準(zhǔn)確控制工作模式等方面來(lái)達(dá)到降低功耗的目標(biāo)。但要想從根本上改變能量耗盡的局面，還需考慮能源延續(xù)的問(wèn)題，而當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一就是環(huán)境能量獲取和存儲(chǔ)技術(shù)，這將有效補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗[1-6]。

環(huán)境能量采集技術(shù)是指將自然界廣泛存在的各種環(huán)境能量，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、振動(dòng)能、海洋（河流）能，以及其他能量，如人體能、雨滴能量、生化能等，利用各種新型換能材料、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，將其轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)和利用的一種技術(shù)。如圖1是典型的能量獲取系統(tǒng)框圖[7-8]。

圖1 典型能量收集系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了3種應(yīng)用于收集太陽(yáng)能給節(jié)點(diǎn)供電的電路系統(tǒng)，解決節(jié)點(diǎn)的能量收集問(wèn)題[9-10]，這3種電路均以太陽(yáng)能收集為例，電路本身在參數(shù)適當(dāng)調(diào)整后也可用于其他形式的能量收集。

太陽(yáng)能電池根據(jù)生產(chǎn)材料和工藝等依據(jù)具有多種分類方法。單就材料方面來(lái)說(shuō)，有硅太陽(yáng)能電池和其他材料太陽(yáng)能電池，硅材料太陽(yáng)電池的應(yīng)用范圍最廣泛。硅太陽(yáng)能電池又可以分為單晶硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池和非晶硅太陽(yáng)電池。效率最高的是單晶硅太陽(yáng)能電池，但價(jià)格也最貴，所以性價(jià)比較低；相比而言，多晶硅太陽(yáng)能電池價(jià)格低、效率比單晶硅太陽(yáng)電池低，具有較高的性價(jià)比；非晶硅太陽(yáng)能電池因?yàn)槠湓诃h(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，是發(fā)展前途最好的太陽(yáng)能電池。這里選用多晶硅太陽(yáng)電池作為光能轉(zhuǎn)化為電能的元件[11-13]。

圖2給出了硅太陽(yáng)電池的特性曲線，圖中靠下的曲線為光線較暗時(shí)，靠上的曲線為光線較明亮?xí)r。由實(shí)驗(yàn)曲線可知，太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓在不同的光照條件下是不同的，強(qiáng)光下電壓更高，與之對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)也隨著不同光照而改變。在設(shè)定最大的功率點(diǎn)控制電壓時(shí)通常遵循的一個(gè)原則——將開(kāi)路電壓的75%～80%設(shè)定為最大功率點(diǎn)控制電壓，在跟蹤該電壓的能量輸出情況下，電池的輸出功率也可以保持較高的水平。

圖2 某種硅太陽(yáng)電池在不同陽(yáng)光下的輸出特性曲線和功率特性曲線

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 基于LTC3105芯片的電路設(shè)計(jì)

LTC3105是一款高性能、同步升壓型直流/直流轉(zhuǎn)換器，具有最大功率點(diǎn)控制（MPPC）功能，其輸入啟動(dòng)工作電壓最低可到250 mV，此特性在光伏電池、熱電發(fā)生器（TEG）和燃料電池等高阻抗可替代電源中收集能量時(shí)具有重要意義。基于此LTC3105非常適合應(yīng)用于無(wú)線傳感器和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的能量收集裝置，將環(huán)境能量收集起來(lái)用于電子系統(tǒng)的電能供給，取代有線電源和一次性電池電源，優(yōu)勢(shì)和意義顯而易見(jiàn)。

LTC3105采用DFN封裝，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以采用其他貼片封裝器件配合該芯片，從而實(shí)現(xiàn)能量收集應(yīng)用的緊湊設(shè)計(jì)方案，不增加節(jié)點(diǎn)尺寸實(shí)際應(yīng)用的負(fù)擔(dān)。其電路原理圖和實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 LTC3105電路原理圖和實(shí)物圖

2.2 基于BQ25504芯片的電路設(shè)計(jì)

BQ25504是一款面向毫微（超低）功率能量收集和管理應(yīng)用的高效升壓型充電器集成電路，該器件可管理諸如太陽(yáng)能、熱電能、電磁能和振動(dòng)能等多種能源所產(chǎn)生的微瓦（μW）至毫瓦（mW）級(jí)功率，是一款真正意義上用于能量采集器應(yīng)用的含電池管理功能的超低功率升壓轉(zhuǎn)換器。

在BQ25504啟動(dòng)工作后，升壓轉(zhuǎn)換器可以有效地從低壓輸出采集器，例如熱電生成器（TEG）或者太陽(yáng)能電池板中抽取能量。升壓轉(zhuǎn)換器能夠在輸入電壓低至330 mV時(shí)啟動(dòng)，并且一旦啟動(dòng)，它能夠在VIN=80 mV持續(xù)采集能量。BQ25504采用一個(gè)可編程最大功率點(diǎn)跟蹤采樣網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化至器件的功率傳輸。

BQ25504具有靈活性的設(shè)計(jì)使其可以支持多種能量存儲(chǔ)元件。采集器抽取能量的來(lái)源可以是零星的或者隨時(shí)間變化的。系統(tǒng)通常需要一些類型的能量存儲(chǔ)元件，例如可充電電池、超級(jí)電容器，或者傳統(tǒng)電容器。BQ25504具備完善的電池管理功能，可以設(shè)定欠壓、過(guò)壓、正常等多種管理閾值，并可以根據(jù)需要設(shè)定不同的方案。圖4是電路原理圖和實(shí)物圖。

圖4 BQ25504電路原理圖和實(shí)物圖

2.3 直充自控電路的設(shè)計(jì)

以上兩種電路方案均是基于專用芯片而設(shè)計(jì)的，在使用中工作模式較為復(fù)雜，且成本較高，一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合需要一些既能保證高效率收集能量，又能降低成本的方案。直充自控電路的設(shè)計(jì)方案就是基于這個(gè)目的，根據(jù)在電路應(yīng)用過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)設(shè)計(jì)的。

本設(shè)計(jì)之所以稱為直充自控電路，是因?yàn)殡娐分兄皇褂瞄_(kāi)關(guān)設(shè)備，并讓節(jié)點(diǎn)核心模塊CC2530直接控制電路的開(kāi)關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)了電路的自動(dòng)控制功能。另外依據(jù)太陽(yáng)能電池板的等效電源模型和電池充電特征等特點(diǎn)，可以使用太陽(yáng)能電池直接給儲(chǔ)能設(shè)備橫流充電，實(shí)現(xiàn)能量采集后直接充電的效果。由于電路中僅使用了場(chǎng)效應(yīng)管、肖特基二極管、大阻值電阻，所以電路的效率非常高，而且由于這些器件都是普通器件，其電路成本也大大降低。直充自控電路原理圖和實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 直充自控電路原理圖及實(shí)物圖

2.4 測(cè)試

針對(duì)本文中設(shè)計(jì)的3種太陽(yáng)能獲取電路，設(shè)計(jì)了如下兩種測(cè)試方式。一種是基于太陽(yáng)能獲取本身的電路效率測(cè)試，另一種是組裝節(jié)點(diǎn)后的工作性能測(cè)試。測(cè)試中使用到毫安電流表、電壓表等。

1）獨(dú)立充電效率測(cè)試。

該測(cè)試的原理如圖6所示，在固定光線下測(cè)量能量采集端和電池充電端的電流和電壓，估算充電的效率。

圖6 電路測(cè)試原理示意圖

如表1所示，為太陽(yáng)光強(qiáng)光（北京，12月，上午10點(diǎn)至下午2點(diǎn)）條件下電路工作情況測(cè)試。

表1 強(qiáng)光下電路效率測(cè)試

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以看出，這3種太陽(yáng)能收集電路均達(dá)到90%以上的能量收集效率。另外在自然光（無(wú)太陽(yáng)光直射）的條件下，根據(jù)太陽(yáng)能電池板的效率不同也會(huì)持續(xù)收集能量，只是能量的獲得量大大減少。總之，在上述測(cè)試條件下，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功耗計(jì)算，如節(jié)點(diǎn)每分鐘休眠一次，且每次節(jié)點(diǎn)醒來(lái)后的電流大小約為20 mA，完成一次任務(wù)后繼續(xù)休眠來(lái)講，則這種能量收集電路基本上可以滿足戶外持續(xù)工作的需求。

2）組裝節(jié)點(diǎn)后工作測(cè)試。

上一個(gè)充電效率測(cè)試是脫離工作環(huán)境的單獨(dú)測(cè)試，雖然測(cè)試結(jié)果比較理想，但是缺乏有效性驗(yàn)證。在隨后的實(shí)驗(yàn)中，將上述電路構(gòu)成能量獲取節(jié)點(diǎn)布置在空曠的地方，組建了獨(dú)立運(yùn)行的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在間歇式的工作情形下，監(jiān)測(cè)溫度和濕度數(shù)據(jù)，發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)。如圖7所示是布置的節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。

圖7 太陽(yáng)能獲取節(jié)點(diǎn)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試正常運(yùn)行一個(gè)后電能的儲(chǔ)備情況，得到如圖8所示的電池充電能量圖。

圖8 電池充電能量圖

從上圖的數(shù)據(jù)可以看出，在室外環(huán)境中供給一個(gè)功能相對(duì)固定的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)這一種電能方案是完全可以滿足要求的。

3 總結(jié)

本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問(wèn)題，提出了3種不同的解決方案，從實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的結(jié)果看這3種太陽(yáng)能獲取電路能夠滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)，同時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)用性較好。

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Research and Im plementation of Energy Harvesting Nodes in Internet of Things

DING Renwei，XING Bingbing
（School of Information Engineering，Minzu University of China，Beijing 100081，China）

In applications of internet of things，node's energy supply is a key factor restricting the performance and lifetime of internet.Ambient energy harvesting technology is a good solution for the node power supply of internet of things.Three energy harvesting circuits based on solar energy are designed and implemented in this article，the experiments and the analysis indicate that they would be significant in the applications of internet of things in specific area and environment.

internet of things；solar energy；energy harvesting

TN212.309

A

丁仁偉（1982—），實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

?? 雯

2014-06-06

【本文獻(xiàn)信息】丁仁偉，邢冰冰.物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量獲取的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2014，38（20）.

邢冰冰（1969—），講師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。