傳感器節點自主供電的環境混合能量收集系統設計

徐雷鈞，白 雪，潘祎雯，毛罕平

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傳感器節點自主供電的環境混合能量收集系統設計

徐雷鈞1,2，白 雪1，潘祎雯1，毛罕平3※

（1. 江蘇大學電氣信息工程學院，鎮江 212013；2. 東南大學毫米波國家重點實驗室，南京 210096；3. 江蘇大學現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室，鎮江 212013）

農田復雜環境及大面積監測需求對農業物聯網傳感器節點的供電提出了極大挑戰，而環境能量收集技術則使低功耗農業物聯網傳感器節點的自供電及免維護成為可能。針對傳統能量收集裝置中收集的環境能量單一有限、裝置體積大、可靠性差的問題，該文提出了一種新型混合環境能量一體化收集系統。該系統定位于環境中普遍而豐富的射頻電磁波能量和振動能量，通過射頻收集天線和壓電陶瓷的有效結合，同時收集2種環境能量，并經整流轉換成直流電能。能量收集天線使用普通FR4印刷電路板實現，工作在手機通信頻段1.9 GHz（3G頻段），測試的回波損耗為-20.5 dB，對電磁波能量收集的最高輸出功率可達到38 mW，測得收集到的振動能量最大輸出功率可達到25 mW，滿足低功耗傳感器節點的功率需求。該裝置不僅可以有效提高系統供電的可靠性和對環境的適應能力，還大大降低了傳統混合系統的尺寸，可為農業物聯網快速發展中的傳感器節點可靠供電問題提供參考。

傳感器；整流電路；設計；農業物聯網；能量收集；射頻能量；振動能量；匹配網絡

0 引 言

隨著電子技術的高速發展，各種無線電子產品充斥在人們的生產生活中。在一些特殊環境中，如高輻射、高溫、高空、高寒地區，不方便人類直接進行監測，可以通過安裝無線傳感器完成監測和實時傳輸[1]；尤其在農業應用領域，近年來，在種植、畜牧、水產養殖、農產品加工與運輸等領域[2-3]，物聯網技術得到了快速發展。但是農業領域中，田間環境具有其獨特性，直接影響農作物的生長情況，而農作物的生長又會反作用于田間環境[4-5]。有些農田不適用于電池的鋪設，電池的安裝容易污染田間環境。此外，農業物聯網節點還具有單個節點耗能低，規模大、持續時間長的特點[6-7]。例如獲取信息與智能灌溉的傳感器節點所需功耗為15 mW[8]，農田溫濕度信息采樣時的功耗為53 mW[9]。當前研究的重點集中于物聯網節點的低功耗傳輸，例如加入節點休眠時間，使得節點平均功耗低至10 mW以下[10-11]。隨著電子技術不斷發展，傳感器節點的功耗還會進一步降低，一些低功耗傳感器如氣壓傳感器MS5607-B功耗僅為1.8W，溫度傳感器DS18B20功耗低于5 mW，數字溫濕度傳感器SHT1x的功耗為3 mW。鑒于上述常用傳感器的功耗均不超過10 mW，本文提出從環境中收集能量供電于農業物聯網節點，將“開源”與“節流”相結合[12]，以此實現低功耗傳感器節點的自主供電。

在當前各種無線設備普及的社會，射頻（radio frequency, RF）能量存在于周圍環境中的普遍性以及收集的便利性與可行性[13]，使其在低功耗自供電系統中的應用具有廣闊前景。近些年，基于無線能量傳輸理論的射頻能量收集技術越來越多地應用于低功耗的電子設備，如無線傳感器網絡、電子醫療設備、RFID等低功耗的電子設備[14]。2012年，意大利卡塔尼亞大學研發出了一個射頻收發器芯片，由射頻電磁波供能，最低的輸入功率為30W[15]；2013年，美國華盛頓大學和弗吉尼亞大學研發出了一個身體傳感器節點的芯片，由射頻電磁波供能，整個芯片耗能僅為19W，能夠獲取、處理和傳輸心電圖、肌電圖和腦電圖數據[16]；美國俄勒岡州立大學在2014年發明了一款用于無線傳感器供電的射頻能量收集器，該射頻能量收集器的最低輸入功率能達到–20 dBm[17]。其中，高性能天線的研究與設計對射頻能量收集系統具有重要意義[18]。

機械振動能是環境中普遍存在的一種能量形式，廣泛存在于普通家庭設備（如冰箱、洗衣機、微波爐）、工業設備、交通工具、建筑物環境[19-22]以及人體活動[23]等場合。振動能可由壓電材料轉換為電能，具有易收集，轉換效率高的特點。所以利用壓電陶瓷收集振動能已成為國內外研究的重點。早期荷蘭學者Elfrink等[24]測試的單個MEMS 器件在1（為重力加速度）振動加速度下，輸出功率為60W。2016年，Chen等[25]對風能振動進行研究，輸出最低電壓所需的風速為4 m/s，當風速達到14 m/s時壓電片的開路電壓達到19.8 V。

傳統能量收集裝置大多采集單一類型的環境能量，而單一能量收集時其輸出功率通常較低，還容易造成輸出功率斷續[26-28]。本文針對這一問題，將研究環境中普遍存在的射頻電磁波能量和振動能量的聯合收集技術，提出一種一體化混合能量收集系統，將射頻能量收集器與振動能量收集器有效的整合為一體，共享同一整流電路，減少電路尺寸，以期為低功耗傳感器提供較穩定的直流電能。

1 系統結構和原理

傳統的能量收集系統僅能采集單一類型的環境能量或將多個單一能量收集器簡單組合而構成，系統結構示意如圖1a所示，這種結構不僅降低了系統的可靠性，而且收集裝置因采用獨立的電路結構使得系統的尺寸較大。本系統通過同一個整流電路實現射頻能量與振動能量的轉換，從而節省了電路尺寸，同時可提高系統的穩定性，降低系統損耗。本文提出一種將振動能量收集器嵌入在射頻能量收集器中的一體化結構，如圖1b所示。該系統中的能量接收模塊對傳統射頻天線進行了改進，在不影響原有射頻能量收集器收集能量的條件下，實現了振動能與射頻能一體化收集。

混合環境能量收集系統原理如圖2所示，混合能量收集模塊包括2部分：射頻與振動能轉換模塊和輸出模塊。系統各模塊功能如圖2所示。

圖2中接收天線用于接收環境中相應頻段的射頻電磁波能量；壓電片用于將振動能量轉變為電能。利用壓電陶瓷的正壓電效應，對壓電片施加機械力，引起內部的正負電荷發生相對位移而產生電的極化，從而使介質上下表面出現正負電荷，將機械能轉變成電能。

圖2 一體化混合能量收集系統原理圖

阻抗匹配電路實現天線與后級電路輸入的阻抗匹配，獲得最大功率傳輸，此時天線收集到的射頻能量會以最高效率傳輸至后級電路。

整流電路將交流電轉變成直流電。采用2倍壓整流電路，振動能量與射頻電磁波能量收集共用同一個整流電路。儲能電容C0將收集到的能量一部分直接輸出，為負載提供電能，一部分儲存在電容中。

2 一體化混合能量收集系統設計

2.1 天線設計

混合能量收集系統的一體化前端結構參數如圖3所示，天線的中心頻率為1.9 GHz，介質材料為FR4，介電常數ε為4.6，介質厚度為1.6 mm。

注：W0為貼片天線寬度，mm；L0為貼片天線長度，mm；W1、W2、W3為饋線不同部分的寬度，mm；D為天線陣元間距，mm。

基于天線理論，矩形貼片天線陣元長度0與寬度0的估算公式為[29]

式中0為穿過天線基板介質的電磁波波長，m；為真空中的光速，m/s；ε為基板介質材料的相對介電常數；為天線工作頻率，Hz。

天線陣元間距估算公式為[30]

其中為天線陣元數。

根據以上公式估算出輻射貼片天線陣元的長度、寬度與間距后，確定了天線的主體尺寸，再通過HFSS軟件進一步優化饋線寬度與修正貼片尺寸，使天線在工作頻段達到最佳回波損耗，此時獲得最佳輸入阻抗匹配。最終得到貼片天線的寬度0為36 mm，貼片天線的長度0為37 mm，饋線寬度123分別為1.5、2、2.98 mm，天線陣元的距離為21 mm。

2.2 壓電片設計

從圖3混合環境能量收集裝置前端結構可以看出，微型壓電振動能模塊放置在微帶天線的右下側，微型振動能量收集器由壓電陶瓷和基板共同組成，從壓電片和基板分別引出正負極。當裝置振動后輸出交流電壓，然后進入整流電路。

壓電陶瓷的振動模式有33和312種模式，如圖4所示。31模式中，電壓為3方向，應力為1方向，當在1方向施加外力時，垂直極化方向的電極表面會產生電荷；33模式中，電壓和應力都在3方向，當在3方向施加外力時，垂直極化方向的電極表面就會產生電荷。根據壓電理論可知33模式的耦合系數比31模式高[31]，因此33模式能夠獲得更好的能量轉換，本設計中，壓電片選擇效率更高的33振動模式。

1. 水平方向 3. 垂直方向

2.3 整流電路

射頻電磁波能量與振動能量共用同一個整流電路，其中，整流二極管的特性決定了整流電路的效率。首先需要對整流二極管進行選型，而后才能設計后級電路。肖特基二極管具有導通壓降低、開關頻率高的優點，常常被用作微波整流，該類型二極管也適用于低頻整流電路。為了提高電壓，在本設計中選擇2倍壓整流電路，如圖5所示，它由2個二極管（D1、D2）和2個電容（C1、C2）組成。與傳統單個二極管構成的半波整流電路相比，在不增大版圖尺寸的情況下，根據2倍壓整流原理，輸出電壓增大了一倍，提高了轉換效率。其中貼片電容C1=10 pF，C2=470F。

圖5 整流電路原理圖

2.4 阻抗匹配網絡

由于二極管是非線性元件，從接收天線輸出的高頻交變電流流過二極管時，會產生高次諧波，如果對這些高次諧波不加抑制，其反射會嚴重干擾接收天線的性能。因此，可以在整流電路和接收天線間加入阻抗匹配網絡，用于抑制高次諧波的反射。

通過對天線阻抗和整流電路輸入阻抗進行共軛匹配，可以實現最大功率傳輸[30]，使反射系數最小。在射頻波段，由于分立元件內部的寄生參數對電路會產生很大影響，因此需要使用分布參數元件進行電路設計，實際測量的天線端口阻抗為（47.8+j9.0）Ω，經過匹配之后的整流電路輸入阻抗應為（47.8–j9.0）Ω，此時，可以達到最高功率傳輸。由于整流電路實測的輸入阻抗為（11–j21.16）Ω，采用L型阻抗匹配將其輸入阻抗匹配至接近（47.8–j9.0）Ω。使用Agilent公司Advanced Design System（ADS）軟件設計L型阻抗匹配網絡，如圖6所示。將整流電路的輸入阻抗實測數據導入ADS中與匹配網絡進行聯合仿真優化，最終達到了較好的匹配效果。

圖6 阻抗匹配網絡

3 測試分析

3.1 天線測試分析

使用Agilent ADS和矢量網絡分析儀分別對天線進行仿真與測試，矢量網絡分析儀為中電41所生產，型號為AV3656B，測試的動態范圍達125 dB，回波損耗測試結果如圖7所示。

圖7 天線的回波損耗

從圖7中可以看出，矩形微帶天線仿真的諧振頻率為1.9 GHz，回波損耗為–17.6 dB，測試的諧振頻率偏離到1.912 GHz，回波損耗為–20.5 dB，仿真和實測結果誤差較小，頻率偏移在1%范圍內[33]，中心頻率偏移至1.912 GHz并不影響天線對該頻段信號的接收，因此該誤差是可接受的。天線的輻射增益方向仿真結果如圖8所示，、、表示3個方向的坐標軸，最大增益出現在軸兩側為3.12 dB。

圖8 天線輻射增益仿真結果

3.2 系統測試分析

以蘋果iphone5S手機基于移動3 G網絡為射頻發射源，測試手機在撥號狀態下，整流天線距離手機不同位置時的輸出電壓和LED亮暗程度。通過對輸出電壓的測量和LED亮度觀測，獲得整流天線陣列接收到的能量大小。當手機貼近天線測試時，LED高亮。當手機距離天線2 cm時，LED微亮。對不同距離時的輸出電壓進行測試，具體測試數據如表1所示。

表1 能量收集測試結果

表1的結果表明，整流天線到手機的距離越小，整流天線收集到的輻射能量越大。當天線與手機的距離超過5 cm時，LED不亮，LED兩端電壓降到大約0.1 V左右。測得貼片LED在高亮狀態下的工作電流為20 mA，可以算出貼片LED最大輸出功率約為38 mW，可知3G手機撥號情況下輻射功率是比較大的。

使用固緯示波器GDS3502對壓電片振動能量輸出電能進行實測，電壓測量精度為1mV，設置示波器輸入內阻為50 Ω，對能量收集系統輸出功率進行試驗。輸出波形如圖9所示，橫軸為時間軸，縱軸為電壓值。考慮到田間振動頻率較低，在10 Hz的時候，測得電壓幅值為1.11 V，輸出功率為25 mW。

注：示波器輸入內阻為50 Ω

4 結 論

振動能量收集裝置和射頻能量收集裝置的研究逐漸成熟，本文在對其分別進行研究和設計的基礎上，提出了一種新型一體化混合能量收集裝置，此裝置通過矩形貼片天線與壓電片的一體化設計，共享一個整流電路，有效縮減了尺寸，提升了系統可靠性，實現了同時收集射頻能和壓電式振動能的緊湊系統結構，測試表明該能量收集系統在手機1.9 GHz頻段發射狀態下獲得的最大輸出功率為38 mW；在10 Hz振動條件下，獲得的輸出功率達到25 mW。

該裝置適用于電磁波能量集中的地方，或有水流、風力集中的地方，如手機基站附近的農田或灌溉種植農業等場合，電磁波能量與振動能互為補充。試驗證明，該裝置可用于農業物聯網傳感器節點自主供電。

該能量收集技術不但保障系統可靠持續供電，還能免除廢棄電池對環境的污染，對推動環境保護，節能低碳具有積極作用和深遠的意義。可進一步推廣應用于生物醫療電子、智能家居、汽車電子等領域。

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Design of ambient hybrid energy harvesting system for self-powered sensor node

Xu Leijun1,2, Bai Xue1, Pan Yiwen1, Mao Hanping3※

(1.212013,; 3.210096,;3.212013)

The agricultural internet of things (Ag-IoT), which promotes deep integration of modern information and agricultural technology, has become the focus in precision agriculture research. However, it is inconvenient to replace the battery for sensor nodes in real applications due to the facts of complicated farmland environment, large monitoring area, numerous sensor nodes and long crop growth cycle, which brings a big challenge to the power supply of Ag-IoT sensor node. Fortunately, with the rapid development of the electronic technology, the power consumption for the wireless sensor node decreases quickly, which has reached theW level, and the ambient energy harvesting technology makes it possible for Ag-IoT sensor nodes to have self-power supply and free maintenance. The traditional energy harvesting devices are always limited to only one sort of ambient energy and have big size with poor reliability. This paper proposed a novel hybrid ambient energy harvesting integration system, focusing on the RF (radio frequency) energy and vibration energy which are rich in the environment. A new type of integrated hybrid ambient energy harvesting device was designed, and the RF energy and vibration energy could be harvested at the same time by the combination of the RF antenna and the piezoelectric ceramic effectively. The system consisted of antenna, matching network, piezoelectric module and rectifier. The antenna received the RF(radio frequency) electromagnetic wave and the matching network improved the power transmission from the antenna to the rectifier, and 2 Schottky diodes and 2 capacitances were used to form the double-voltage rectifier. To reduce the size and improve the conversion efficiency, the rectifier was designed to rectify both the RF electromagnetic wave and the low frequency vibration signal. The converted DC (direct current) power was saved in a super capacitance which had high quality factor with very low leakage current. The energy harvesting antenna was designed in an array with 4 antenna elements in order to collect more RF energy. It was simulated and optimized at the frequency of 1.9 GHz (3G band) by using 3D (three-dimensional) electromagnetic simulation tool HFSS (high frequency structure simulator), and the matching network was designed and optimized by using the ADS (advanced design system). The antenna was implemented by the common FR4 printed circuit board which had low cost. The energy harvesting system was measured by the VNA(vector network analyzer) and oscilloscope, and the measured return loss of the antenna was-20.5 dB, which agreed well with the simulation results. The maximum output power of the harvested RF energy could reach 38 mW, and meanwhile, considering the typical low vibration frequency in farmland enviroment, we used 10 Hz as the vibration frequency for the vibration energy converting measurement. The measured maximum output power of the harvested vibration energy could reach 25 mW, which met the power requirement of the low power consumption sensor node. This device not only improves the reliability for the system power supply and the adaptive capacity to the environment, but also reduces the size of the device obviously, providing a new way for solving the problem of sensor node power supply during the rapid development of Ag-IoT.

sensors; rectifying circuits; design; agricultural internet of things; energy harvesting; RF energy; vibration energy; matching network

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.020

S24

A

1002-6819(2017)-08-0147-06

2016-10-26

2017-04-15

中國博士后科學基金（2015M570414）；江蘇省自然科學基金項目（BK20161352）；東南大學毫米波國家重點實驗室開放課題資助項目（K201620）；江蘇省六大人才高峰資助項目（DZXX-018）；江蘇大學高級人才啟動基金（11JDG123）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（PAPD）

徐雷鈞，男，江蘇海門人，副教授，博士，研究方向為農業物聯網技術。鎮江江蘇大學電氣信息工程學院，212013。Email：xlking@ujs.edu.cn

毛罕平，男，浙江寧波人，教授，博士，主要從事現代農業裝備和設施農業環境控制技術的研究。鎮江江蘇大學現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室，212013。Email：maohp@ujs.edu.cn

徐雷鈞，白 雪，潘祎雯，毛罕平. 傳感器節點自主供電的環境混合能量收集系統設計[J]. 農業工程學報，2017，33(8)：147－152. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.020 http://www.tcsae.org

Xu Leijun, Bai Xue, Pan Yiwen, Mao Hanping. Design of ambient hybrid energy harvesting system for self-powered sensor node[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 147－152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.020 http://www.tcsae.org