基于復合能量自供電的河流監測傳感器節點設計?

邢 俊李 敏?石常龍王 超李 玲冒曉莉張加宏

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京210044；2.南京信息工程大學，江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京210044)

近些年，伴隨著全球氣候的惡化，各種自然災害不斷加劇，而洪水災害是目前人們所面對的重大的突發性自然災害之一[1]。由于洪澇災害具有的突發性的特點，要進行災害的預警預報需要對河流的相關信息進行準確的采集。

無線傳感器網絡由于功耗低與成本低等特點，被廣泛地應用于數據采集與監控系統中[2－4]，但驅動其工作的化學電池能量有限、在河流監測這樣的需要大量部署傳感器節點的應用場景下[5－6]，雖然可以通過改進算法不斷降低節點功耗[7]，但仍會消耗較多的能量，這使得無線傳感節點壽命很大程度上依賴電池的壽命。同時大量電池的采用，將在其制造、使用和廢棄中產生污染，對環境形成嚴峻壓力，最終影響無線傳感網的持續發展。因此，尋找新的高效能量供給方式顯得十分必要且迫切。

目前采集機械振動能量轉換成電能為智能終端供電已經是一種常見方案。在機械能收集的研究中，已報道的多種能量收集器采用了壓電[8－9]、電磁[10]、摩擦[11]等多種換能原理。2015年斯坦福大學牛思淼[12]利用摩擦起電以及靜電感應的耦合作用，發明了一種多層復合的摩擦納米發電機。朱杰[13]則提出了一種摩擦－壓電復合納米發電機，整流后的輸出能夠點亮50盞LED燈；中北大學溫濤[14]設計了磁懸浮式電磁－摩擦復合生物機械能量采集器，對可穿戴設備實現自供電。但這些能量采集器在實際應用中有如下缺點:①較低的輸出功率，機械能通過摩擦發電機轉換后的電流極低，無法維持系統的穩定工作；②單一的采集方式，無法充分地利用環境中的各種能量；③性能較差的機械結構，普遍使用的機械結構為彈簧和懸梁結構，而這類結構在經過長時間的運行后容易產生機械疲勞。

針對以上問題，本文設計了一種壓電－光電復合式能量采集器用以收集自然環境中的微弱能量，并著重研究了其為河流監測無線傳感器節點自供能的可行性。在白天日照好、水流緩的條件下，系統主要由光電能量采集裝置供能，在夜晚或天氣條件差的情況下，比如陰雨天水流急時，系統主要由壓電能量采集裝置維持運行。具體地，壓電采集器使用了新穎的球形嵌套結構，材料選擇鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)，由河水的流動驅動壓電采集器實現能量轉換，光電采集器采用圓形太陽能光伏板，置于壓電球內。同時，本文設計了相匹配的能量管理與存儲電路[15]，并將收集到的能量存入超級電容實現無線傳感節點自供能。

1 系統設計與理論分析

1.1 系統整體設計

圖1 是復合能量自供能的河流無線監測傳感器節點的示意圖，傳感器節點放置在河流水勢較大的關鍵位置，由三個部分組成:微能量采集裝置，包含壓電能量收集模塊(若干個嵌套結構的壓電球)及光電能量收集模塊(壓電球內的太陽能光伏板)；能量采集電路，由能量管理電路與存儲電路構成，為傳感器供電；傳感器模塊，用于采集河流監測節點的水位、水流量及溫濕度數據，從單元在采集到數據后通過CAN總線發送到主單元，主單元處理后通過無線藍牙傳輸方式將數據發送到上位機端。

圖1 自供電河流監測傳感器節點示意圖

1.2 微能量采集裝置

用于河流監測傳感器節點的復合能量采集器如圖2所示，一方面通過太陽能光伏板采集環境光能。本文采用基于PN結的光伏效應進行發電的太陽能光伏板。當太陽光照射到電池表面，導帶產生電子－空穴對，載流子在內電場的作用下漂移形成電動勢。如圖2(a)和2(b)所示，選用兩個直徑為45 mm的圓形太陽能光伏板，安裝在每個復合能量球的兩端。

圖2 復合能量收集裝置

另一方面利用設計的球形嵌套結構壓電球收集水流的振動能，具體結構組成如圖2(c)、2(d)、2(e)、2(f)所示。整個裝置以圓形壓電陶瓷片作為壓電敏感單元，壓電球的外殼由聚甲基丙烯酸甲酯(簡稱PMMA)制備。在每一個半球空腔上以周邊固定支撐結構均勻安裝若干個直徑為3 cm的圓形PZT－5壓電陶瓷晶片，其機電耦合系數K為0.60，相對介電常數為1 700，壓電應變場數為450 pc/N，壓電片之間間隔90°。

如圖2(e)所示，壓電球內部放置若干個聚四氟乙烯(簡稱PTFE)小球，當壓電球隨水流發生振動時，內嵌的小球在球體內做無規則受迫運動，當PTFE小球撞擊到球體內壁上的壓電陶瓷片時，壓電陶瓷片會發生厚度伸縮模式的振動，即與電軸方向相平行的伸縮變形，從而輸出電荷。壓電陶瓷的發電是基于正壓電效應原理，當壓電陶瓷受外力作用發生形變時，壓電單元被喚醒，壓電材料內部極性相反且與外部受力有一定比例關系的電荷出現在壓電材料表面，導致壓電片上下表面形成電勢差。根據壓電陶瓷基礎理論，壓電陶瓷片在Z方向上的位移D31是可表示為壓電陶瓷片X方向的應變ε和電場E3共同作用的結果，即:

將式(3)對面積進行積分，可得發電量Q為:

通過上述公式可發現，壓電振子輸出電荷量與表面積呈正相關。然而，當壓電振子的表面直徑過大時，正負電荷就會同時出現在同一表面上，從而會導致壓電陶瓷的發電能力大幅度下降，因而壓電片的直徑選擇上需綜合考慮這兩方面的因素。

1.3 能量管理與存儲電路

能量管理與存儲電路是微能量收集系統的核心部分[15]，本文采用有源能量收集模式，因而電路采集的能量既要主體上存入超級電容，又要維持有源器件的正常工作。

由于壓電效應可知，壓電換能器產生的是不穩定的交流電，因此需要整流電路將交流輸出轉化為直流，設計中選用二極管1N4148搭造橋式整流電路。設計的能量管理與存儲電路如圖3所示，電路中的接口J1為能量的輸入端，接口J2為輸出端，整個電路采用逐級充電的思想，工作可分為3個階段:

圖3 能量管理與存儲電路原理圖

①首先，電流從接口J1流入到C1中，C1兩端的電壓逐漸升高但電壓值較低，MOS管Q1處于截止狀態，由于電阻R1的阻值很大，使a點的電壓值接近于0 V，從而使MOS管Q2處于截止狀態；

②其次，當C1兩端電壓逐漸上升到Q1的開啟電壓時，Q1導通，a點電壓升高，Q2導通，部分電流流入C2中，逐漸使C1中流出的電流大于流入電流，C1兩端電壓開始降低直至低于Q1的截止電壓，Q1，Q2進入截止狀態，電流全部流入到C1中。整個過程中C1為施密特觸發器U1提供工作電壓；

③最后，當C2兩端電壓達到2/3 VCC的時候，施密特觸發器使能轉換器TPS61220，C2中的電荷流入轉換器中，在C2中電壓降至1/3 VCC時關閉轉換器，轉換器的輸出端接二極管1N4148防止超級電容充電時電流倒流。

1.4 傳感器節點模塊

傳感器節點是整個監測系統的核心部分，決定了監測的實時性和精確度，主要由STM32F407處理器、藍牙通信模塊、CAN總線收發模塊、溫濕度傳感器、液位傳感器和流速傳感器組成。

圖4 為傳感器節點具體工作流程，在超級電容供電的情況下，初始狀態為睡眠模式，通過RTC時鐘喚醒睡眠下的CPU，初始化首先開啟定時器3和定時器4，通過定時器的輸入捕獲得到流速傳感器工作20s的脈沖數據，接著關閉定時器并利用MOS管依次開啟溫濕度傳感器和液位傳感器，并通過串口通信接收數據，最后通過CAN總線將數據發送給主單元，之后再度進入睡眠模式等待下一次喚醒，通過這種工作方式有效降低了傳感器節點監測所需能量消耗，提升了傳感器節點持續工作能力。另外，當遇到連續的陰天且沒有大風浪時，采取藍牙發送指令的方式，控制節點的工作時間間隔，降低功耗。

圖4 傳感器節點工作流程圖

2 實驗測試結果及分析

2.1 輸出特性

圖5 給出了自供能無線傳感器節點的實物圖，使用水箱模擬河流場景，使用水泵模擬自然情況下河水的流動。為研究復合能量采集裝置的輸出特性以及傳感器節點的實際功耗，構建平臺進行數據測試，在實驗測試過程中使用泰克MSO2024示波器測量能量采集電路各個節點的電壓變化特性，使用DM3068萬用表具體測量超級電容中電壓值的變化，再通過電壓值的變化計算出能量的變化。

圖5 自供能無線傳感器節點及其實驗平臺實物圖

圖6 給出了壓電和光電兩種能量輸入在能量采集電路中關鍵節點的電壓變化對比。圖6(a)展示了兩種能量采集裝置的輸出特性，直接測量開路電壓，可以看出光電能量的輸出電壓低但輸出穩定，壓電能量的輸出峰值電壓高，最高可達到25 V，但不穩定。圖6(b)顯示了C1上兩種能量的電壓值變化，C1上的電壓需要維持施密特觸發器工作，當輸入為不穩定的壓電能量時，電壓在有輸入時上升，無輸入時降低，呈現在0.8 V~2.5 V間振蕩；當輸入為穩定的光電能量時，電壓值在1.8 V左右輕微振蕩。圖6(c)顯示了C2上兩種能量的電壓值變化，C2上的電壓達到閾值電壓時會輸出能量并存儲到超級電容中，根據施密特觸發器工作原理可知電壓值與電容Cv1端電壓相關，壓電輸出的電壓在0.6 V~1.0 V之間呈周期性振蕩，光電輸出的電壓在1.4 V左右輕微振蕩。圖6(d)為采集電路輸出端電壓變化，壓電能量輸出呈周期性，同時可以看出當輸入的功率較高時，壓電能量可以維持一段時間的輸出，因而呈現間斷性的持續輸出，光電輸出因為電流較高緣故而保持持續輸出。

圖6 實驗測試結果

為了得到壓電球的最優尺寸以及內置壓電片的最佳數量，如圖7所示，設計了5種壓電球的類型以及不同的壓電片數量，具體參數如表1所示。本文在水箱中利用水泵產生相似的水流振動(大約4 Hz)，進而測量了不同的壓電球在內嵌不同數量小球時的輸出功率，實驗結果如圖8所示，根據圖中結果可知，壓電球的直徑為120 mm，內壁共計放置16個壓電陶瓷片，內嵌8個PTFE小球時的輸出功率最高，達到57.7 μW，實際使用時可以外接5個壓電球，總功率可以達到287.5 μW，在這個情況下，一天可向超級電容充能24.84 J的能量。

圖7 不同的壓電球實物圖

表1 壓電球的參數

圖8 不同條件下壓電能量球的輸出功率

如圖9所示，構造不同的實驗情景對能量球中光電單元的輸出特性進行測試，首先在3月份的晴天與陰天情況下測試得到輸出功率，接著模擬不同的場景，對球體表面附著水以及球體處于轉動狀態的輸出功率進行實驗測試。實驗測試從早上7點到晚上7點每0.5 h進行一次，測試結果劃分為5個時間段:a段、b段、c段、d段和e段。在由于a段和e段光照弱，超級電容上電荷量沒有顯著增加；b段和d段光照逐漸增強，輸出功率有所提升，平均輸出功率為200 μW左右；c段輸出功率最高，在實驗開始的大概330 min時，輸出功率達到峰值，3月份晴天下的輸出功率可以達到740 μW，陰天時的輸出功率峰值為250 μW，球體表面附著水對輸出的影響較小，當球體處于運動狀態時，輸出功率峰值降低至372 μW。可以看出在陰天情況下的輸出功率最低，計算得到一天的平均輸出功率為61.1μW，5個復合能量球光電部分的平均輸出功率至少為305.5 μW，一天獲得能量26.40 J。

圖9 不同時間的光能的輸出功率

最后測試光電和壓電復合輸出時的輸出功率，實驗結果如圖10所示。對比光電輸入、壓電輸入以及復合輸入三種情況下的輸出功率，光電輸出功率約為100 μW，壓電輸出功率約為50 μW。當兩種能量復合輸出時輸出功率達到180 μW左右，明顯高于兩種能量輸出功率的直接累加，這主要歸因于兩種能量同時輸入降低了輸入能量在管理電路電容C1處的能量消耗，因此，當并聯輸入的能量越多時，電路的實際轉換效率越高。

圖10 復合能量的輸出功率

2.2 功耗分析

為研究傳感器監測節點的性能以及復合能量采集裝置的輸出能量能否滿足無線傳感器節點工作需求，在河流中進行實驗，采集方法如圖11所示，首先選定河流水情信息采集點并固定傳感器數據采集裝置，將溫濕度傳感器放置在河流岸邊，采集河流環境的濕度數據；將水流量傳感器放置在水速較高的水域，并把傳感器進水口放置在上游位置，出水口放置在下游位置，記錄一段時間的水流量。水位是重要的判斷指標，實際測量時設定基準水位和警戒水位，將水位傳感器導管的一端置于基礎準線位置，從單元接收得到當前的水位信息，警戒水位用于預警[16－17]。

圖11 傳感器節點采集河流水情數據

河流監測傳感器節點測試結果如圖12所示，從9點至10點55，每隔5 min進行一次水情數據采集。圖中可以看出水流量約2 L/min，在一段時間內無較大變化，測試點水位維持在35 cm，濕度有微小變化。

圖12 傳感器節點測試結果

功耗測試結果如圖13所示，工作30 s后，溫濕度傳感器DHT11模塊的功耗為2.875 J，磁敏感傳感器YF－S201的功耗為1.984 J，諧振式液位傳感器kps－49c2的功耗為2.475 J，低功耗藍牙模塊JDY－19的功耗為1.738 J，當3個傳感器同時工作時的功耗達到7.675 J，當采取優化后的低功耗工作模式時，工作30 s的能量消耗降到1.502 J。當設定傳感器節點的工作間隔為1 h，則1 d工作24 h的功耗為36.04 J。另外，通常情況下傳感器節點在睡眠模式下的電流大小為10 μA，一天中維持睡眠模式的能量消耗是2.80 J，系統的平均功耗為449.5 μW。而壓電球模塊的能量增量為24.84 J，光電模塊在陰天下的能量增量為26.40 J，從能量收支平衡角度看，基本能夠滿足無線傳感器節點的功耗需要。

圖13 不同傳感器工作時的功耗

3 結論

本文提出了一個基于復合能量采集的河流監測無線傳感器節點，壓電陶瓷PZT－5被用作制備壓電球的基本壓電單元，當球體以4 Hz的頻率振動時，單個壓電球的輸出功率達到57.7 μW。太陽能光伏板作為光電采集模塊，在陰天下平均輸出功率最低為61.1 μW，河流監測傳感器節點連接5個復合能量球時，平均功率最低可達到594.0 μW，同時系統工作一天整體功耗為38.84 J，平均功耗為449.5 μW，實驗證實可以實現無線河流監測傳感器節點正常工作的自供能。