一種陸基微生物燃料電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

張大興1，郭永獻(xiàn)2，程培濤1，高宏偉1

（1.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710071；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

一種陸基微生物燃料電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

張大興1，郭永獻(xiàn)2，程培濤1，高宏偉1

（1.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710071；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

針對陸基微生物燃料電池能夠克服水基微生物燃料電池工作地理環(huán)境受限的缺點，為推動陸基微生物燃料電池的工程實用化，自主設(shè)計搭建了一種陸基微生物燃料電池供電的單跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗裝置，進(jìn)行了陸基微生物燃料電池性能測試實驗，并采用陸基微生物燃料電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理實驗.實驗結(jié)果表明，陸基微生物燃料電池能夠周期性地驅(qū)動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作，驗證了采用陸基微生物燃料電池為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電工作的可行性.

陸基微生物燃料電池；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量采集

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物分解廢棄物（如生活污水等）而產(chǎn)生電能的生物電化學(xué)系統(tǒng)（BioElectrochemical Systems，BESs）.MFC可在處理廢棄物的同時聯(lián)產(chǎn)電能，且其產(chǎn)物只有水和二氧化碳，不需要進(jìn)行二次處理［1-4］.因此，MFC已被認(rèn)可為最具前景的可替代、可再生的清潔能源之一.雖然對采用細(xì)菌產(chǎn)電方面的研究已經(jīng)有超過100年的歷史［5］，但是對MFC的研究目前仍處于初期階段，系統(tǒng)性的MFC研究僅開始于10年前［6-7］.目前，對基于水環(huán)境的微生物燃料電池（Aquatic Microbial Fuel Cell，AMFC）已有較深入的研究，在AMFC實際應(yīng)用方面已有不少文獻(xiàn)報道［8-17］.但是，由于水生工作地理環(huán)境的限制，嚴(yán)重約束了AMFC的應(yīng)用范圍.基于陸地環(huán)境的微生物燃料電池（Terrestrial Microbial Fuel Cell，TMFC），能夠彌補(bǔ)AMFC工作地理環(huán)境受限的缺陷，進(jìn)一步拓展MFC的應(yīng)用領(lǐng)域［18-20］.雖然TMFC與AMFC的工作原理相似，但兩者的工作環(huán)境完全不同，影響兩者產(chǎn)能高低的因素也有很大差異. 與AMFC類似，TMFC單位面積的產(chǎn)電能力也非常低，需要深入研究提高TMFC產(chǎn)電性能的方法以及使用TMFC驅(qū)動小功率負(fù)載的工程實用技術(shù).

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）作為對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)之首，具有巨大的應(yīng)用價值.但是如何為WSN節(jié)點持續(xù)供電的問題一直是制約WSN快速發(fā)展的瓶頸，降低功耗以及研究新的供電方式是國內(nèi)外研究人員解決這個問題的主要方法［11-12，17-18，21-23］.

針對以上問題，筆者對采用TMFC為WSN節(jié)點供電的問題進(jìn)行了研究.自主設(shè)計搭建了一種TMFC實驗系統(tǒng)，完成了TMFC性能測試實驗；設(shè)計搭建了一種單跳WSN實驗平臺，基于自主開發(fā)的MFC電源管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS），進(jìn)行了WSN數(shù)據(jù)傳輸實驗.實驗結(jié)果驗證了采用TMFC為WSN節(jié)點供電工作的可行性.

1 TMFC簡介

TMFC的產(chǎn)電原理與AMFC類似，只是細(xì)菌所用的基底介質(zhì)不同. 在TMFC中，土壤可同時作為營養(yǎng)媒介、接種體和質(zhì)子交換膜，陽極埋在一定深度的土壤中，以保持營養(yǎng)豐富、缺氧的環(huán)境，陰極安放在土壤頂部并暴露在空氣中，保持富氧的環(huán)境條件，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

由于沉積多年，土壤中通常飽含MFC產(chǎn)電所需的微生物，其中的嗜氧微生物就像氧氣過濾器，作用如同AMFC中昂貴的質(zhì)子交換膜，土壤的氧化還原電勢隨著深度變深而降低［18］.土壤中含有的多種糖分及其他營養(yǎng)物質(zhì)，可維持細(xì)菌正常的生長.在自然環(huán)境中，微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)可隨動植物的分解源源不斷地供給，因此，TMFC理論上可以無限產(chǎn)電.

圖1　TMFC結(jié)構(gòu)原理圖

圖2　TMFC實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗平臺及測試方法

2.1TMFC實驗裝置及特點

自主設(shè)計制作的TMFC結(jié)構(gòu)如圖2所示.用一個口大底小的聚氯乙烯桶作為TMFC的反應(yīng)室，底部直徑約為150 mm，開口直徑約為190 mm，高度約為260 mm.TMFC陽極采用圓形的碳布（HCP330，河森電氣有限公司，上海），放置在距離反應(yīng)室底部高約45 mm的位置，陰極采用圓形的碳紙（HCP030，河森電氣有限公司，上海），碳紙和碳布的直徑都約為160 mm，碳紙表面均勻地涂有一層鉑催化劑（XC-72，F(xiàn)uel Cell Store，Boulder，CO，USA），碳紙和碳布的距離約為110 mm.在陰極碳紙上面鋪有一層石塊，以防止碳紙變形.陰極和陽極均通過鈦絲引出反應(yīng)室，鈦絲與外電路連接.土壤從沉積多年的森林中采集，以保證其中富含有微生物和足夠的養(yǎng)分.

TMFC實驗裝置搭建完成后，采用文獻(xiàn)［8-9］的方法對設(shè)計的TMFC進(jìn)行了菌群培養(yǎng)實驗.培養(yǎng)過程中TMFC電極兩端（兩極間接有1 kΩ電阻）的電壓變化曲線如圖3所示.

圖3　TMFC菌群培養(yǎng)過程兩極間的電壓變化曲線

圖4　TMFC極化曲線

由圖3可見，菌群培養(yǎng)開始后大約30 h出現(xiàn)電壓快速上升的現(xiàn)象，這在前期進(jìn)行的AMFC實驗中也同樣發(fā)現(xiàn)過［9］，在其他文獻(xiàn)中也得到過證實［3］.大約80 h后，電極兩端電壓達(dá)到0.3 V左右，并趨向穩(wěn)定，菌群培養(yǎng)過程結(jié)束.

菌群培養(yǎng)結(jié)束后，將電極兩端的電阻斷開，進(jìn)行了TMFC開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）的測量，穩(wěn)定后的OCV約為0.75 V，在正常范圍內(nèi)［3，9］.開路電壓測試結(jié)束后，采用文獻(xiàn)［8-9］的方法進(jìn)行了極化曲線的測試實驗，測得的TMFC最大輸出功率密度約為3 m W/m2，極化曲線如圖4所示.

2.2WSN實驗平臺

WSN實驗平臺主要由兩部分組成:傳感器節(jié)點和接入節(jié)點.傳感器節(jié)點部分包含傳感器（實驗選用Pt100溫度傳感器和MPS30H0500AT大氣壓力檢測傳感器）、信號處理板、主控和無線收發(fā)板，以及為以上部分供電的TMFC和PMS板.接入節(jié)點部分包括主控和無線收發(fā)板、接口和調(diào)試板，以及上位機(jī)，其組成框圖如圖5所示.

信號處理板主要進(jìn)行傳感器檢測信號的放大處理，處理板選用的精密放大器為OPA2340，其可在3.3 V單電源供電情況下正常工作，實際工作功耗約為15 m W［24］.主控和無線收發(fā)板主要實現(xiàn)對所測數(shù)據(jù)的處理及無線傳輸，實驗板選用的核心器件是CC2530，其集成了低功耗的8051微控器內(nèi)核、適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器以及Zigbee協(xié)議棧，是組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)真正的低功耗片上系統(tǒng)解決方案，其在1 d Bm發(fā)送數(shù)據(jù)時的功耗約為90 m W［25］.PMS板采用課題組研發(fā)的針對MFC應(yīng)用的能量采集管理板，其允許的最小輸入電壓為0.18 V，輸出電壓為3.3 V［8］.接口和調(diào)試板主要包括與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的RS232串行接口和對CC2530進(jìn)行在線編程調(diào)試的JTAG接口.實驗時，傳感器節(jié)點在TMFC供電的狀態(tài)下周期性地發(fā)送檢測的傳感器數(shù)據(jù)；接入節(jié)點由PC機(jī)供電，始終工作在接收數(shù)據(jù)狀態(tài)下，接收的數(shù)據(jù)通過接口和調(diào)試板上傳PC機(jī)進(jìn)行顯示和處理.

圖5　WSN實驗平臺組成示意圖

3 實驗結(jié)果及分析

基于上述自主設(shè)計搭建的實驗平臺，進(jìn)行了TMFC供電的單跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實驗，傳感器節(jié)點部分的實物照片如圖6所示.與課題組前期MFC+PMS實驗結(jié)果一致，TMFC在連接負(fù)載以后，其輸出電壓（PMS板輸入端電容上的電壓）在0.18～0.41 V之間周期變化，PMS板輸出電壓（PMS板輸出端電容上的電壓）在2.5～3.3 V之間周期變化.

圖6　傳感器節(jié)點實驗裝置實物照片圖

圖7　接收的傳感器測試數(shù)據(jù)

在PMS輸出電壓達(dá)到3.3 V后，可以驅(qū)動傳感器、信號處理板以及主控和無線收發(fā)板正常工作，通過接入節(jié)點接收的傳感器測試數(shù)據(jù)如圖7所示.由圖7可見，傳感器節(jié)點可在TMFC驅(qū)動下周期性工作，工作時間間隔約為12.5 h，即PMS板輸出端電容的充放電周期約為12.5 h.周期性工作能夠滿足一些特殊領(lǐng)域的使用要求，如自然環(huán)境長期監(jiān)測等［1-4］.課題組前期AMFC實驗測試的結(jié)果約為1 h，充放電時間的差異主要由AMFC和TMFC輸出能量密度的不同引起的，設(shè)計搭建的AMFC實驗裝置輸出能量密度約為50 m W/m2，TMFC實驗裝置輸出能量密度約為3 m W/m2.在PMS板和負(fù)載功率不變的情況下，要想提高系統(tǒng)的采樣頻率，必須提高M(jìn)FC的輸出能量密度.因此，如何進(jìn)一步提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能是加快MFC工程實用化進(jìn)程需要解決的關(guān)鍵問題.

4 結(jié)束語

MFC具有處理污水和聯(lián)產(chǎn)電能的雙重功效，其產(chǎn)物無污染，不需要進(jìn)行二次處理，已被認(rèn)可為最具前景的可替代、可再生的清潔能源之一.TMFC能夠克服AMFC工作地理環(huán)境受限的缺點，進(jìn)而拓展MFC的應(yīng)用領(lǐng)域.筆者自主設(shè)計搭建了一種采用TMFC供電的單跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗裝置，進(jìn)行了TMFC產(chǎn)電性能測試實驗以及采用TMFC驅(qū)動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測和無線傳輸實驗.實驗結(jié)果表明，采用

TMFC能夠周期性地驅(qū)動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作，可滿足自然環(huán)境長期監(jiān)測等領(lǐng)域的使用要求.但是目前的TMFC裝置輸出能量密度較低，如何進(jìn)一步提高TMFC的產(chǎn)電性能是后期研究的重點.

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（編輯:齊淑娟）

Wireless sensor network powered by a terrestrial microbial fuel cell

ZHANG Daxing1，GUO Yongxian2，CHENG Peitao1，GAO Hongwei1
（1.School of Mechano-electronic Engineering，Xidian Univ.，Xi’an 710071，China；
2.Inst.of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Aquatic Microbial Fuel Cell（AMFC）must be inoculated and work in water environment.Terrestrial Microbial Fuel Cell（TMFC）can overcome the shortcoming.In order to realize the practical application of TMFC，a single-hop Wireless Sensor Network（WSN）powered by a TMFC experimental setup is designed and established. Power generation performance of the TMFC and sensor data acquisition，wireless transmission and processing of the WSN are tested by experiments.Experimental results show that the proposed TMFC can drive the single-hop WSN periodically，which validates the feasibility of TMFC powered WSN.

terrestrial microbial fuel cell；wireless sensor network；energy harvesting

TK6

A

1001-2400（2016）01-0105-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.01.019

2014-08-18 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-04-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（61201021，51306134）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（JB140411）

張大興（1978-），男，副教授，博士，E-mail:zhangdx@xidian.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150414.2046.016.html