基于接口電路特性的動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點優(yōu)化設計*

湯 鴻，李 鑫，梁俊睿

(1.上海科技大學信息科學與技術學院，上海 201210；2.中國科學院大學上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050；3.中國科學院大學，北京 100049)

目前，大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備都是由電池進行供電的。但是由于電池的容量有限，隨著物聯(lián)網(wǎng)設備的增加，電池的維護將會成為一個亟待解決的問題。除此之外，電池還會造成環(huán)保安全問題。基于電池的這些缺點，利用能量收集技術設計能夠?qū)崿F(xiàn)自供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點是一項非常重要和有前景的解決方案。通過俘獲環(huán)境中的能量來代替電池，很有希望實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點的永續(xù)能。在眾多能量收集技術中，振動能量的分布廣泛，并且不受到時間的限制，因此本文使用振動能量作為環(huán)境能源。在這幾種常用的動能收集器中，壓電的研究最為成熟，已經(jīng)有許多的學者為其提出了相關的接口電路[1-7]。因此本研究中使用壓電來實現(xiàn)動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。

想要利用振動能量，除了使用壓電將振動能量轉(zhuǎn)化成電能，還需要使用接口電路。由于振動能量收集器中產(chǎn)生的電能是交流電，而傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要使用直流電來進行供電，所以需要使用接口電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。接口電路除了以上的功能以外，還可以提供能量收集的效率和擴展能量收集系統(tǒng)的帶寬。在壓電能量收集系統(tǒng)中，最簡單的標準接口電路(Standard Energy Harvesting，SEH)是橋式整流電路，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。由于壓電材料具有電容的特性，因此其輸出的電壓和電流具有相位差，引入了無功功率，如圖2(a)。為了解決這個問題，文獻[8]中首次引入非線性的方法。基于這種同步開關的思想，涌現(xiàn)了大量的接口電路。例如，同步電荷提取接口電路(Synchronous Electric Charge Extraction，SECE)[1]，預偏置電路[2-3，9]、能量注入與回收接口電路[4-5]、同步電壓多次翻轉(zhuǎn)電路[6-7]等等。其中，SECE電路的特點是除了能夠大大地提高能量俘獲效率外，還可以將源和負載解耦。使得理論上，能量俘獲的效率與負載無關[1]。雖然有大量的關于接口電路的文章，但這些工作中大多是使用阻性負載來衡量電路的性能，鮮有使用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點作為負載的工作。

目前也涌現(xiàn)出了許多關于動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的研究[10-12]。這種動能供能的節(jié)點的典型工作流程如圖1所示，主要包括冷啟動階段和任務執(zhí)行階段，圖中為儲能電容的電壓波形。在動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中，一個非常重要的性能衡量標準是其冷啟動時間。這種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點不是由電池供電的，儲能單元通常為電容。當電容中的電壓達到某個值時，標志著其能量足夠讓節(jié)點啟動，這時候會使用電容中的電為節(jié)點供能。這個電壓稱為冷啟動電壓，電容電壓從零開始到達冷啟動電壓的時間稱為冷啟動時間。其中本文主要想要優(yōu)化冷啟動時間。如果接口電路能夠在零到冷啟動電壓這個區(qū)間內(nèi)更加高效地工作，就能縮短啟動時間。因為環(huán)境中的振動能量的起始時間是非常不確定的，時有時無，因此一個節(jié)點如果可以更快的啟動，有利于提高其工作效率。

圖1 動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點工作階段及對應的儲能電容電壓波形

目前的研究中，鮮有關于接口電路的選用對于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的影響。文獻[13-14]在動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中使用到了同步開關電感(SSHI)電路。文獻[15]研究了使用SSHI電路對于SEH的優(yōu)勢，但是沒有考慮到SECE的優(yōu)勢。另外，該文獻中關注的是相同時間內(nèi)輸入相同的振動，使用哪種接口電路可以在電容中存儲更多的能量。但是這個指標無法反映哪個接口電路更快的到達冷啟動電壓。本文章關注的是輸入相同的振動，哪種接口電路可以更快地讓電容存儲到某個能量值。也就是關注使用哪種接口電路可以使得物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點更快地冷啟動。本文根據(jù)不同的接口電路的特點以及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的工作特性及需求，提出了不同冷啟動電壓的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點應該選擇不同的接口電路的思路。通過實驗證明在冷啟動電壓低于某個值的時候，選用SECE電路更加具有優(yōu)勢，高于該值時，SSHI電路的表現(xiàn)更好。此研究還實現(xiàn)了一個可以由動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，其可以采集模擬電壓信號，并且以300 ms為周期發(fā)送無線信號到接收端。此研究提出了一種 新的思路，除了要注重接口電路在一段時間能收集 到的能量，還要考慮動能供能節(jié)點的冷啟動電壓。

1 接口電路

在壓電能量收集技術中，常用的接口電路包括SSHI和SECE，它們的核心目的都是改善接口電路的功率因數(shù)，以減輕使用SEH時無功功率帶來的影響。

1.1 同步開關電感電路(SSHI)

SSHI電路的電路拓撲及電壓與電流的波形圖如圖2(b)所示。SSHI電路可以分為串聯(lián)型SSHI(S-SSHI)電路和并聯(lián)型SSHI(P-SSHI)，圖2(b)中的為P-SSHI。由于P-SSHI的功率相比于S-SSHI更高，因此本文中討論的是P-SSHI。對于P-SSHI來說，通常情況下開關S都是斷開的。這時候ieq為Cp充電。當ieq上的電壓達到最大值的時候，ieq正好經(jīng)過零點，這時候開關閉合。Cp和Li組成一個LC震蕩電路。在1/2震蕩周期以后，開關S斷開。Cp上的電壓實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。由于LC的震蕩頻率遠遠大于機械振動的頻率，ieq的波形幾乎不會變化。接著，ieq繼續(xù)往Cp充電，重復上面的過程。SSHI實現(xiàn)的電壓翻轉(zhuǎn)使得ieq和vp的正負值保持相同。理論上，使用SSHI可以避免無功功率的產(chǎn)生。

圖2 接口電路的拓撲及其對應的電壓電流波形

1.2 同步開關電荷提取電路(SECE)

SECE電路的電路拓撲及電壓與電流的波形如圖2(c)所示。其電路由整流橋及Buck-boost電路組成。同SSHI電路一樣，SECE電路也需要用到同步開關。在通常情況下開關S處于斷開的狀態(tài)，這時候的電路與SEH電路無異，ieq對電容Cp進行充電，在這個過程中Cp也就是壓電片兩端的電壓處于不斷地上升的狀態(tài)。當ieq為0的時候，Cp兩端的電壓此時也正好為最高值。這時候開關S會閉合，Cp和Li會組成一個震蕩電路。經(jīng)歷1/4震蕩周期以后，Cp中的電荷全部轉(zhuǎn)移到Li中，在這時候斷開開關，Li就開始為電容Crect充電。

從電流電壓的波形如圖2(c)可以看出SECE電路可以使得電壓vp和電流ieq總是保持在正負值相同的狀態(tài)。另外，若ieq的值不發(fā)生變化的話，在每次閉合開關，從Cp流入到Li的能量都是相同的。此時，使用SECE可以使得輸出的功率電壓與負載無關。

1.3 自供能的實現(xiàn)

想要實現(xiàn)圖2的SSHI和SECE電路，需要檢測壓電片的輸出電壓是否為峰值，于是需要用到需要額外電池供電的外部控制器。為了實現(xiàn)自供能，可以將電壓檢測和開關控制的功能替換成由包絡檢波器、比較器以及半導體開關組成的自檢測開關，如圖3所示。利用這種開關，可以自動在壓電片輸出為峰值電壓的時閉合開關，以實現(xiàn)同步電荷翻轉(zhuǎn)和同步電荷提取的效果。

以圖3(b)為例子分析同步開關的原理。大部分的時間里，三極管T2都處于斷開的狀態(tài)，壓電換能器給Cp和電容C1充電，它們的電壓值v1和vp上升。比較器可以比較C1和Cp的電壓。因此，當vp開始下降的時候，如果忽略二極管產(chǎn)生的壓降的話，v1電壓會高于vp。如果二極管的壓降不可忽略的話，v1會在vp下降一小段時間后大于它。這時候，三極管T2作為開關導通，使得vp產(chǎn)生電壓翻轉(zhuǎn)。

圖3 自供能SECE電路和SSHI電路

利用此開關電路，可以實現(xiàn)自供能的SSHI電路(SP-SSHI)如圖3(b)和SECE電路(SP-SECE)如圖3(a)。其中SP-SSHI電路參考文獻[16]實現(xiàn)。SP-SECE電路在參考SP-SSHI的基礎上加入了一個電阻R3。該電阻作為一個冷啟動電阻，為電路中的寄生電容提供放電通路。電路中的寄生電容Cpara中的電能如果無法得到釋放，就會使得vp電壓開始下降時，作為比較器的T1基極的電壓不下降，無法正常工作。為了減少這個過程中的損耗，R3會選一個非常大的電阻，以減少其帶來的損耗。

2 動能供能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點

2.1 概述

如圖4所示，一個振動能量功能的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點有六個部分組成:振動源，能量收集器，接口電路，能量存儲單元，DC-DC轉(zhuǎn)換器和能量使用單元。能量收集器負責將環(huán)境中的的振動能轉(zhuǎn)換成電能。其后的接口電路的基礎功能是將能量收集器產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，將其存儲在能量存儲單元中。電容中的電壓是不斷變化的，因此還需要一個DCDC變換器來將起轉(zhuǎn)換成一個穩(wěn)定的電壓，才能為能量使用單元供電。能量使用單元在物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點的任務執(zhí)行感知和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿铡?/p>

圖4 動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)框圖

之所以需要能量存儲單元，是因為環(huán)境中的能量比較微弱，因此能量收集器產(chǎn)生功率通常是不夠給能量使用單元進行供電的，這時候就需要一個能量存儲單元來存儲能量，等到其中的能量足夠能量使用單元使用的時候就從能量存儲單元中釋放能量來滿足能量使用單元執(zhí)行操作的需求。

在動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中，DC-DC變換器的設計中很重要的設計考慮是其冷啟動電壓Vstart和關閉電壓Vstop。其中關閉電壓指的是，如果儲能電容的電壓小于某個值，DC-DC變換器就會被關閉，使得電容中的電不會漏完，在下次啟動需要的能量更少。根據(jù)電容的能量公式，DC-DC變換器在開始工作的時候能夠提供的最大能量是

2.2 接口電路的選擇

接口電路對于動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的設計也具有影響。理論上來說，SSHI相比于SEH，其收集功率可以提高到原來的900%[8]，SECE的收集功率相比 于SEH，在 弱 耦 合 的 情 況 下，可 以 為 其400%[1]。因此，SSHI對于SECE具有更大的最高功率。但是對于SSHI電路來說，它需要在負載的電壓達到一定值時，其收集功率才會比較高[16]。在電壓比較低的時候SSHI的收集功率很低。因此，理想情況下，在電壓較低的情況下SECE有更高的收集功率，當電壓升高到一定程度以后SSHI有更高的收集功率。這表明了，隨著電壓的升高，SECE的功率和SSHI的功率會有一個交點。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的Vstart，如果在到達Vstart的時候SECE收獲的能量更多，選擇SECE更好，否則選用SSHI更好。

目前市面上和研究中有很多的能量管理芯片，這些電壓閾值通常比較低，比如在振動能量收集研究中常用的凌力爾特推出的LTC3588-1。使用這些芯片的時候使用SECE能夠提高系統(tǒng)的效能。相反地，如果使用冷啟動電壓比較高的芯片，使用SSHI電路更合適。

2.3 動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點實現(xiàn)

動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的系統(tǒng)框圖如圖4所示。其中振動源是由激振器(KDJ50)來產(chǎn)生的。動能收集器的核心是壓電片。壓電片被固定在一個銅片上，構(gòu)成懸臂梁的結(jié)構(gòu)。固定激振器時帶動懸臂梁壓電片振動，產(chǎn)生電能。接口電路選用為SEH，SSHI或者SECE，其中SSHI(如圖3(b))和SECE(如圖3(c))采用的是自供能的方式，他們的器件型號列于表1。能量存儲單元為一個普通的電解電容。DC-DC變換器使用的是LTC3588-1內(nèi)建的變換器。通過配置外圍電路設置LTC3588-1中的DC-DC變換器的冷啟動電壓為5 V。另外，需要注意的是雖然LTC3588-1內(nèi)部帶有整流橋，但是當接口電路為SECE時，該整流橋無法被利用。因此，為了使每個接口電路所使用的的元器件一致，此系統(tǒng)中不使用LTC3588-1中的整流橋，而使用外部的整流橋，其型號為M6Bs。

表1 接口電路使用的元器件型號

能量使用單元使用nRF52832片上系統(tǒng)搭建。其由Nordic公司開發(fā)，是一款應用廣泛的片上系統(tǒng)，并且以低功耗著稱。同時，它集成了藍牙，非常適合用來制作物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的實現(xiàn)采用了模塊化的思想，將各種接口電路，DCDC變換器，能量使用單元等做成相同大小的模塊，如圖5(b)。每個模塊的大小為5 cm×5 cm。

圖5 實驗設置

4 實驗和討論

實驗部分由兩個實驗構(gòu)成:電容充電實驗以及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點工作情況的實驗。兩個實驗中采用了相同的振動條件，振動源有激振器產(chǎn)生。它產(chǎn)生加速度為9.02 m/s2頻率為12.5 Hz的正弦振動。實驗設置如圖5。

4.1 電容充電實驗

在電容充電實驗中，使用SEH、SSHI以及SECE分別為一個電容充電，由于同一個電容中存儲的電量與電壓的平方呈正比，因此使用電容的電壓可以反映電容的能量。采用激振器產(chǎn)生的振動為三種電路供電。因為LTC3588-1中的DC-DC變換器的冷啟動電壓是5 V，所以在實驗中，選取電容電壓到達5 V的時間作為衡量電路的性能指標，實驗中選用了兩種電容，一個為10μF的電容，另一個為100 μF的電容。選用不同大小的電容是因為在實際的節(jié)點中，一個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的傳感器功耗等級是多種多樣的，因此也需要不同大小的儲能電容來滿足不同傳感器的要求。實驗結(jié)果如圖6所示，圖6(a)表示的是10μF電容的充電曲線，6(b)表示的是100μF電容的充電曲線。兩個結(jié)果都表明使用SECE作為接口電路，電容的電壓可以更快地達到5 V，也就是說使用LTC3588-1的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的啟動速度更加快。從實驗結(jié)果中也可以看到，隨著時間地上升SECE所對應的曲線的電壓和SSHI的與SEH的會分別有交叉點。這是因為SSHI和SEH的充電功率隨著電壓會先上升后下降，而理論上SECE的功率隨著電壓的變化不會有什么變化。再加上SSHI的最大充電功率是大于SECE的，因此這兩個電路的充電曲線會存在交叉點。由于器件的非理想性，使用SECE的功率可以能會小于使用SEH的功率，因此這兩個電路的充電曲線也存在交叉點。如圖所示，當儲能電容為10μF時，SECE與SSHI所對應的電容中的電壓同時達到6.605 V，與SEH所對應的電容中的電壓同時達到9.995 V。當儲能電容為100μF時，SECE與SEH所對應的電容中的電壓同時達到6.077 V，與SEH所對應的電容中的電壓同時達到8.561 V。在經(jīng)過這個交叉點以后，使用SSHI或者SEH時電容中存儲的能量已經(jīng)大于使用SECE的情況了。因此，如果DC-DC變換器的電壓啟動比較高的時候使用SSHI或者SEH，啟動時間會更加的短。在這個實驗中，由于LTC3588-1的啟動電壓為5 V。因此對于使用兩種電容的節(jié)點來說，都是使用SECE最佳。

圖6 儲能電容為10μF及100μF時分別使用SECE，SSHI和SEH的充電波形

4.2 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點工作實驗

為了驗證系統(tǒng)在實際工作情況下的差別，我們實現(xiàn)了一個具有感知和無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能的動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。傳感的功能是通過nRF52832內(nèi)部的ADC實現(xiàn)的。需要注意的是，這里沒有具體的傳感器，但是因為許多的傳感器提供的是模擬的電壓信號，因此使用ADC可以實現(xiàn)傳感的功能。無線通信方面使用的是由Nordic開發(fā)的增強型ESB通信協(xié)議。在這個節(jié)點中，儲能單元為33μF的電容。實驗結(jié)果如圖7所示。

大多數(shù)情況下，片上系統(tǒng)處于睡眠模式功耗非常低，收集到的能量被存儲在電容中。初次啟動的時候，節(jié)點會進行初始化。然后，每隔一個300 ms的周期時間，片上系統(tǒng)會進入工作狀態(tài)的時候，這時消耗的功率大于收集的功率，造成電容中能量的消耗，也就是電容電壓的下降，如圖7所示。圖中波形的藍色部分表示節(jié)點的初始化帶來的電壓下降，紅色部分代表節(jié)點感知和無線數(shù)據(jù)傳輸帶來的電壓下降。從結(jié)果可以看出，使用SECE的時候啟動時間最快，為2.552 s。使用SSHI時和使用SEH時的啟動時間分別為2.938 s和3.106 s。對比他們，SECE的啟動時間可以分別縮短13.1%以及17.8%。其中，從SEH的結(jié)果看來，節(jié)點在運行的過程中出現(xiàn)了一次重啟的情況。這是因為在周期性執(zhí)行任務的過程中，300 ms內(nèi)存儲的能量小于一次感知與無線傳輸所消耗的能量。因此，在每個周期中電容的電壓不斷的下降，最后使得電壓小于LTC3588-1的關閉電壓，nRF52832停止工作。使用SSHI和SCE時沒有出現(xiàn)這種情況，它們具有更好的魯棒性。從這個實驗可以看出使用SECE可以有效地減少動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的啟動時間以及執(zhí)行工作的魯棒性。

圖7 動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點在SECE，SSHI和SEH下的儲能電容波形

5 結(jié)論

本研究提出了一種通過合理的接口電路選擇來優(yōu)化動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的方法。不同于傳統(tǒng)的方法中只關注接口電路的最大功率的原則，本文章還關注了接口電路在不同負載電壓值下的功率。結(jié)合動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的冷啟動電壓，提出了接口電路選擇的原則。最終的實驗驗證了我們提出的設計原則的可行性與有效性。結(jié)果表明，利用這個設計原則，可以縮短節(jié)點的啟動時間和提高其魯棒性。