基于能量收集的海洋浮標無線傳感節點設計

胡凱 陳志棟

摘 要：對于海洋信息的監測大多通過海面上漂浮的浮標完成，而電池是海洋無線浮標傳感節點的主要供電來源，但是傳統電池仍具有一些無法改變的缺點， 如供能壽命有限、需要定期更換等。振動能是環境中廣泛存在的一種能量形式，特別是在海洋浮標上。收集環境中的振動能并向電池充電可大幅度延長電池使用壽命，使得海洋浮標信息傳感節點得以更長時間地工作，大幅度增加節點使用壽命，降低電池更換成本。經實驗測試可知，振動能量的收集功率為0.61 mW，測試中無線傳感節點的靜態電流為34 μA，工作電流為27.2 mA，平均功耗為0.99 mW，通過能量收集，電池的使用時間提升了1.6倍。

關鍵詞：能量收集;電池;振動能;無線傳感;海洋浮標;產能

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

對海洋信息進行實時檢測，不僅可以預防海洋的環境污染、預測天氣，對水產養殖也具有極其重要的作用。我國每年需要消耗大量的水產養殖品，其中一半來自于近海的水產養殖，實時監測海水變化，可有效預防事故發生，優化并提高產能[1]。目前，對于海洋信息的監測大多通過海面上的浮標完成，而電池是海洋無線浮標傳感節點[2-3]的主要供電來源。但是傳統電池仍具有一些無法改變的缺點，如供能壽命有限、需要定期更換等，而且我國海岸線較長，需要監控的無線節點數以千萬計，如果一一定時去更換電池，需要浪費較多的人力與物力，得不償失。

因此，為了使電池能夠更長久地工作，人們致力于低功耗技術的研發，以大大降低芯片工作的功耗。但是單獨的低功耗技術還遠遠不夠，本文收集海洋浮標的振動能量并向電池充電，以此大幅度延長電池使用壽命，使得海洋信息傳感節點得以更長時間的工作，不僅可以節省大量電池成本，更節省了更換電池產生的人力成本。

1 系統整體設計

本文系統主要包括兩部分。

（1）工作在海洋浮標上的無線傳感節點能夠實時采集海水溫度等信息，并且能夠進行無線數據的收發。為了降低功耗，無線傳感節點處于間歇式工作狀態。

（2）海面上的浮標一直處于振動狀態，能夠收集浮標的振動能量并向電池充電，以此大幅度延長電池使用壽命。能量收集包括懸梁臂及無源能量收集電路兩部分。

系統整體架構如圖1所示。

2 能量收集

2.1 能量收集裝置

振動是環境中廣泛存在的一種能量形式，如大自然中水和空氣的流動、工業機器運作時的振動等。本文采用壓電式振動能量俘獲裝置，利用壓電材料的正壓電效應將環境中的振動能轉換為電能[4-5]。

壓電元件的等效電路可用一個機械彈簧系統耦合到電域表示。等效電路如圖2所示，Fm表示外界受到的力激勵，M表示模態質量，D表示阻尼系數，KSC表示整體等效剛度，α表示壓電電壓系數，Cp表示壓電受夾電容。當激發正弦振動時，壓電元件可建模成由一個正弦電流源ieq、電容CP和電阻Rp組成的電路[6-7]。

2.2 能量收集電路

本文提出一種無源的能量收集電路。如圖3所示，當壓電片開始振動時，Cp兩端電壓開始升高，當壓電片運動到最大位移時，電壓達到最大值VMax，然后壓電片向反方向運動，電壓慢慢下降，當達到VMax-2VBE時，開關導通，電容Cp與電感L組成LC振蕩回路，Cp上的電荷向電感轉移，當經過1/4振蕩周期后，電感向電池充電。

3 無線傳感節點

3.1 系統電源LDO

一般鋰電池的電壓為3.7 V，而系統電壓為3.3 V，因此需要一個3.3 V LDO作為電源模塊。本文采用HT7133作為穩壓器，輸出電壓為3.3 V，最大輸出電流為30 mA，靜態電流為2.5 μA。系統電源LDO如圖4所示。

3.2 微處理器（MCU）設計

主機處理器選用Microchip公司的PIC16LF1825芯片。Microchip公司的單片機具有功耗低、抗干擾能力強、內部資源豐富、種類齊全等特點，其電路原理如圖5所示。MCU的RA1，RA2，RC0，RC1用來控制CC1101無線發射芯片發射數據，RX，TX，Data用來讀取傳感器信息，RC2引腳用來控制P1開關，控制傳感器及無線發射模塊是否通電。為了降低功耗，在大多數情況下，傳感器及無線發射模塊均不上電。

3.3 無線收發模塊設計

本文采用CC1101無線收發模塊進行數據的收發。CC1101是一款高性能極低功耗的RF應用通信芯片，通過配置，可工作在315 MHz，433 MHz，868 MHz和915 MHz工作頻段上。

CC1101中有SI，SO，SCLK和CSn四個控制引腳，可通過這些引腳和GDO2對CC1101進行配置。SI，SO，SCLK是同步串行SPI通信接口，CSn 是芯片的選擇引腳，當CSn為低電平0時，單片機可通過SPI與CC1101通信。SO和SI用于傳輸數據，SO為輸出數據，SI為輸入數據，SCLK為SPI接口的同步時鐘;若CC1101接收到數據，則GDO2電平就會發生跳變，此時可通過單片機檢測判定是否有數據到來。CC1101原理如圖6所示。

3.4 濁度傳感器模塊

本文采用濁度傳感器模塊TSW-20M，如圖7所示。濁度傳感器可直接與單片機經串口通信，但耗電較大，約為11 mA，因此只能將開關P1處于間斷式工作狀態，以降低功耗。

3.5 水溫傳感器模塊

本文選用數字化溫度傳感器DS18B20，采用熱導性高的密封膠灌封，使其可在水下工作。溫度測量范圍為-55～125 ℃，精度為0.5 ℃，完全滿足要求。耗電約為1 mA，故將開關P1處于間斷式工作狀態，以降低功耗。溫度傳感器原理如圖8所示。

4 實驗測試

基于能量收集的海洋浮標傳感節點的測試主要分為兩部分：

（1）能量收集功率測試，模擬海洋浮標振動環境，測試其收集功率;

（2）系統消耗功率測試，并比較電池使用壽命提升比。

能量收集功率測試裝置如圖9所示，利用功放驅動振動臺進行振動，以此模擬海洋浮標的振動。能量收集裝置隨著振動臺、帶著壓電片一起振動。所需壓電片振動時會產生電量，利用電路收集。測量負載端收集到的能量，可得到如圖10所示的收集功率曲線。由圖10可知，能量收集功率與負載有關，在負載較小時，收集功率較低，當負載大于0.5 MΩ時，能量收集功率趨于平穩，最大可達0.61 mW。

系統采用間斷式工作模式，傳感器及無線收發模塊大多處于關閉狀態，以此降低功耗。工作模式如圖11所示。

工作狀態下，單片機、傳感器及無線模塊都處于工作狀態，實測單片機電流為1.2 mA，濁度傳感器電流為12.5 mA，溫度傳感器電流為1.5 mA，無線發射模塊電流為12 mA，總電流為27.2 mA。

休眠狀態下，傳感器及無線模塊都處于斷電狀態，單片機處于RC低頻模式，功耗為34 μA。

全周期為100 s，其中工作狀態為1 s，休眠狀態為99 s，因此系統的平均電流約為0.3 mA，平均功耗為0.99 mW。

若有能量收集，則平均功耗為0.99 mW-0.61 mW=0.38 mW，1 000 mA·h電池使用時間為1 010 h。若無能量收集，平均功耗為0.99 mW，1 000 mA·h電池使用時間為2 631 h。因此，通過能量收集，電池的使用時間延長了1.6倍。

5 結 語

本文通過收集環境中的振動能，并向電池充電，以此大幅度延長電池使用壽命，使得海洋浮標信息傳感節點得以更長時間地工作，降低電池更換成本。經實驗測試可知，通過能量收集，電池的使用時間提升了1.6倍。

參 考 文 獻

[1]曾容，許艷，楊翼.海洋環境監測數據統計研究[J].海洋開發與管理，2017，34（4）：32-37.

[2]張明陽，沈明玉.基于 WSN 的數據融合在水質監測中的研究[J].計算機工程與應用，2014，50（23）：234-238.

[3]余艷偉，徐鵬飛.近距離無線通信技術研究[J].河南機電專科學校學報，2012，20（3）：18-20.

[4]屈鳳霞，夏銀水，施閣，等.自供電的同步電荷提取電路的優化設計[J].傳感技術學報，2016，29（3）： 349-355.

[5]陳紹煒，王子，魏剛.基于壓電能量收集技術的無線傳感器節點設計[J].計算機測量，2014，22（3）：952-955.

[6]劉成龍，孟愛華，陳文藝，等.振動能量收集技術的研究現狀與發展趨勢[J].裝備制造技術，2013（12）：43-47.

[7]劉創，王珺，吳涵.無線可充電傳感器網絡的移動充電問題研究[J].計算機技術與發展，2016，26（3）：162-167.

[8]代萬寶，張傳杰，喻言.應用于海洋平臺振動檢測的無線傳感器系統技術研究[J].物聯網技術，2013，3（1）：25-29.

[9]周金金.海洋浮標圖像采集系統的電子穩像技術研究[D].北京：中國礦業大學，2015.

[10]毛垚飛，朱克強，夏峰，等.海洋浮標發電裝置優先工況選擇的動力學分析[J].中國航海，2017，40（3）：54-57.