基于能量自搜集的智慧城市無線感知節點供電系統研究*

張揚銘寧景苑朱潤浩易曉梅郜園園惠國華*吳 鵬

(1.浙江農林大學數學與計算機科學學院，林業感知技術與智能裝備國家林業局重點實驗室，浙江 杭州 311300；2.浙江農林大學數學與計算機科學學院，浙江省林業智能監測重點實驗室，浙江 杭州 311300)

近年來，電子信息技術領域的研究不斷取得進展，有關環境數據采集、監測、傳輸的無線傳感器網絡技術也在持續進步，并廣泛應用于林業[1-3]、農業[4-6]、醫學[7-8]等方面。而隨著智慧城市建設進程的推進，更多基于無線傳感網絡技術的研究也被應用到城市管理中，文獻[9]使用ZigBee技術研究并設計了一套基于無線傳感器網絡的空氣質量監測系統，設計出傳感器節點、網關匯聚節點，并使用壓縮感知技術優化網絡傳輸，顯著降低了數據傳輸量；文獻[10]將物聯網與無線傳感網絡結合，提出并設計了對城市路燈進行智能化管理的方案，讓路燈能夠對行車、行人的運動狀態進行監測并做出反饋；文獻[11]針對城市水質問題設計了一種自主式水質檢測系統，利用LoRa技術對無線傳感網絡進行布局，使用者可以通過瀏覽系統網頁或使用Android手機接收短信來實現對城市水質的高質量檢測；但同時，大部分無線傳感器的供電方式仍為電池，其使用壽命和儲存的能量有限，維護和更換耗時耗力，同時還有可能因為電池液泄漏等原因對環境造成污染。因此，環境能量搜集技術作為解決這些問題的一種重要方案，受到了人們的廣泛關注，通過將自然界的太陽能、風能、熱能、潮汐能等進行收集并轉變為電能，即為環境能量搜集技術。

太陽能在自然環境中能量密度較大，可達到100 mW/cm2[12]，目前國內外對于太陽能收集技術的應用已經較為成熟，文獻[13]基于光的波動性，提出了一種可以收集太陽能的螺旋結構納米天線，在400 nm～1 600 nm的波長范圍內有超過70%的總輻射效率。為了使太陽全天能被高效收集，文獻[14]提出了一種針對太陽能電池板的角度調節系統，利用陽光方位傳感器，在固定的時間間隔調整太陽能板角度，使其正對陽光，并設計了升壓電路，在光照強度較低的情況下使系統可以正常工作。文獻[15]制作了一種溫差發電裝置，通過使裝置內部溫度變化始終滯后于環境溫度變化，從而實現溫差發電，同時利用諧振效應設計了一種超低壓升壓變換器，將溫差發電片產生的低壓極性電能升壓，為鋰電池充電。文獻[16]針對壓電流體發電機存在的弊端，如壓電振子對于環境變化適應性差、可靠性低等，設計并搭建了一種風力壓電機，該裝置利用圓柱殼體實現壓電振子的單向彎曲，減輕流體對于壓電振子的直接沖擊。

夜間及陰雨天等環境會對太陽能收集產生影響；而熱能雖然在自然環境中能量密度較低，但是通過溫差發電及振動發電可以穩定地將熱能轉化為電能輸出，以此彌補缺少光照條件下所能搜集的總能量，使系統更加穩定可靠。綜上所述，本文提出了一種基于能量自搜集的智慧城市無線感知節點供電系統。該系統共分為能量采集模塊、能量管理模塊、無線通信模塊，其中能量采集模塊將系統所處環境中的太陽能與熱能通過太陽能電池板、溫差發電片、壓電陶瓷等低壓輸出采集器進行能量采集；能量管理模塊將采集到的能量轉換為電能并儲存，同時為無線通信模塊供電；無線通信模塊將傳感器接收到的環境數據通過藍牙無線傳輸給終端，并針對異常情況發送警報信息。

本文根據能量自搜集的理論基礎，分別針對不同種類的能量進行分析，設計基于能量自搜集的智慧城市無線感知節點供電系統，最后對設計的系統進行相關測試，驗證系統的有效性。

1 能量自搜集無線感知節點供電系統設計

1.1 光能搜集原理

太陽能發電主要包括光熱發電和光伏發電兩種形式，本文介紹的系統采用的是光伏發電，利用光生伏特效應，將照射到半導體材料上的光能轉化為直流電。光伏電池包括單晶硅、多晶硅與非晶硅光伏電池以及砷化鎵光伏電池等。

表1列出了四種光伏電池在室內及室外光照條件下的光電轉化率[17]，由表1可知，在室內及室外光照條件下多晶硅光伏電池光電轉化率都較高，同時考慮到太陽能電池板板工作電壓須與后續相關芯片匹配，所以本文提出的系統選用多晶硅光伏電池實現光電轉換。

表1 不同光照條件下各種光伏電池的光電轉化率

1.2 熱能搜集原理

溫差發電主要利用塞貝克效應實現將熱能轉換成電能。將一對P型和N型半導體元件結合組成一個閉合回路，如果兩個結點處于不同的溫度，則回路中將產生電流，稱為熱電流，而產生熱電流的電動勢稱為熱電勢，這種由于溫差而導致的熱電現象稱為塞貝克效應。由塞貝克效應可知，在不考慮溫差發電片內阻時，若其熱端和冷端溫度分別為T1，T2，產生的電壓大小約為:

式中:α表示這對半導體材料的塞貝克系數，其大小與半導體元件的熱電特性有關，一般在數百μV/K左右[18]。

1.2 振動能搜集原理

振動發電的基本原理依托了壓電效應，即對壓電材料施加了一定方向的機械力后，使其發生形變，材料內部會產生極化現象，材料外部的受力面和另一相對表面會產生符號相反的電荷，當機械力消除，材料重新變為初始的不帶電狀態，這種現象屬于正壓電效應；反之當材料置于外電場中受影響產生形變的現象，則屬于逆壓電效應。本文中采用了規格為60 mm×20 mm×0.2 mm的長方形壓電陶瓷傳感器發電片PZT-5來制作壓電懸臂梁。

1.3 整體系統設計

本文提出的系統主要由能量采集模塊、能量管理模塊及無線通信模塊組成，能量采集模塊能對熱能及光能進行收集，再通過能量管理模塊將這些能量轉化為可供無線通信模塊使用的直流電。

1.3.1 系統硬件設計

太陽能電池板、溫差發電片、壓電懸臂梁將收集到的能量轉化為電能傳遞給BQ25570能量管理芯片，為超級電容或鋰電池充電，超級電容經由升壓模塊為無線通信模塊供電，鋰電池通過連接鋰電池管理模塊為無線通信模塊供電。STC89C52單片機將傳感器收集到的數據整理打包，再通過TXD端口將這些整理好的數據發送給HC-05藍牙通信模塊，由該模塊與智能手機等具有藍牙功能的設備進行無線通信。系統工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

1.3.1.1 能量采集模塊設計

能量采集模塊包括一塊太陽能電池板、一塊溫差發電片及一個壓電懸臂梁。其中太陽能電池板選用了兩塊完全相同的、大小為60 mm×60 mm、工作電壓為2 V、工作電流為150 mA的多晶太陽能電池板，使用1N4007整流二極管串聯而成。

溫差發電使用的是TEP1-126T200溫差發電片，該溫差發電片在使用時兩面均須安裝在平坦的表面上，冷面和熱面要均勻涂抹一層導熱硅脂，確保正常散熱以維持溫差及發電效率，熱面溫度最高不能超過兩百攝氏度。

振動能收集選用PZT-5壓電陶瓷，由于該材料本身較為脆弱，沖擊稍大就將斷裂，為了對振動能收集進行可行性測試，制作了一個壓電懸臂梁裝置。裝置選用了尺寸為80 mm×60 mm×0.5 mm的銅質基以及60 mm×20 mm×0.2 mm的PZT-5壓電陶瓷。首先，使用2 000目砂紙將銅質基板的兩面打磨平滑，作為懸臂梁基板，然后將壓電陶瓷和銅質基板保持水平放置在桌面上，將適量的環氧樹脂強力膠水均勻涂抹到二者朝上的一面，隨后將二者緊密貼合，粘貼好后使用平板壓緊，將其置于通風處晾干并至少等待24 h，之后使用兩根公母頭杜邦線將裝置的電極引出，壓電陶瓷為正極，銅質基板為負極，在邊緣快速完成焊接，避免溫度過高導致壓電陶瓷退極化，最后將銅質基板背面固定于亞克力支架頂端，懸臂梁制作完成。太陽能電池板、溫差發電片以及懸臂梁實物如圖2所示。

圖2 能量采集模塊實物圖

1.3.1.2 能量管理模塊設計

能量管理芯片

本系統中的能量管理模塊使用了BQ25570芯片及BQ25504芯片對能量采集模塊的能量進行搜集管理，將能量儲存到超級電容及鋰電池中為負載供電。BQ255xx系列芯片是由TI公司設計的能量采集系統專用芯片，該系列的芯片可采集本系統所使用的太陽能電池板、溫差發電片及振動能采集裝置所生成的微瓦(μW)級功率。本文提出的系統使用的BQ25570電路原理如圖3所示。

圖3 系統BQ25570電路原理圖

該芯片具有可編程動態最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能，可編程欠壓、過壓閾值設置以保護電路，并以此實現能量的高效轉換；MPPT通過對輸入電壓進行調節，使其與開路參考電壓(VOC＿SAMP)一致，從而改變輸入阻抗，提高能量吸收效率，通過將VOC＿SAMP引腳與VSTOR引腳相連，將MPPT閾值設置為80%。芯片充電過程中電壓上升至欠壓閾值(VBAT＿UV)時，芯片開始為連接的外部儲能元件供電，其典型值為1.95 V，當電壓值繼續升高至過壓閾值(VBAT＿OV)時，芯片會停止充電以保護儲能元件，避免過壓導致的電路損壞，其具體值可以由相關電阻大小來設定，通過以下公式給出:

由圖可知，VBAT＿OV＝VBAT＝4.07 V，所以本系統使用的儲能元件均可與VBAT引腳直接相連。

當芯片退出冷啟動并且系統負載已被激活，可以使用VBAT＿OK引腳標志位來傳達芯片工作的狀態信息，外部儲能元件必須為主增壓充電器提供足夠的電力，以滿足平均系統負載的需求，其上限VBAT＿OK＿PROG和下限VBAT＿OK＿HYST分別可以由式(3)和式(4)給出:

芯片輸出電壓VOUT由式(5)給出:

由圖可知，VOUT＝2.57 V。

上述公式中的偏置電壓(VBIAS)均取1.21 V。

1.3.1.3 鋰電池管理芯片

為了配合能量管理芯片和鋰電池工作，系統還使用了鋰電池管理芯片IP5306，如圖4所示。

圖4 鋰電池管理芯片IP5306

該芯片放電效率最高可達96%，可以提供穩定的DC 5 V為負載供電，芯片內部通過電源路徑管理實現邊充邊放，具有過流保護、過壓保護、短路保護和過溫保護，可以自動檢測負載連接情況，同時支持充放電電量4級區間指示，鋰電池充滿電時，4顆LED均會被點亮，電量即將耗盡時，1顆LED會閃爍，并且待機功耗較低，符合本文系統需求。將芯片的OUT-5V接口與負載相連，BAT接口與鋰電池放電口相連，按下KEY即可運行。

本文提出的系統所使用的儲能元件，需要在輸入功率較低和頻繁充放電的情況下保持長期工作。鋰電池壽命一般在500個充電周期，需要專門的充電電路來保證效率和安全性；超級電容儲存電能的過程不涉及化學反應且可逆，因此其充放電次數可達數十萬次以上，無需復雜的充電電路，自放電消耗電能極少。本文分別選擇了額定電壓5.5 V、標稱容量1.5 F的超級電容，以及1 800 mAH的鋰電池進行能量儲存及供電的測試。

1.3.1.4 電源切換電路

由于本研究中的三種能量采集裝置之間的阻抗不匹配，難以直接將三者的輸出匯集到一起，又因環境能源的不穩定性無法使用單一能量采集裝置穩定供電。為了減少系統的能量損失，實現對三種環境能源的同時收集使用，本研究使用了電源切換電路，其核心是電子多路復用器TS5A3154芯片。TS5A3154芯片是單通道2:1多路復用器，即單刀雙擲模擬開關，該芯片可以提供高效的低導通電阻與通道間導通電阻匹配，并且具有出色的總諧波失真性能，同時自身功耗極低，不會對整體供電效率造成影響。該電源切換電路原理如圖5所示，電源切換電路實物如圖6所示，其中P2端子連接光能采集裝置輸出端口，P3端子連接熱能和振動能采集裝置輸出端口，P1為該電源切換電路總輸出端口，連接儲能元件。通過改變P2和P3的輸入電壓對其進行性能測試，測試結果如表2所示。

圖5 電源切換電路原理圖

圖6 電源切換電路實物圖

表2 電源切換電路性能測試表

1.3.1.5 無線通信模塊設計

該模塊由STC89C52單片機、溫度傳感器、光照度傳感器、火焰傳感器以及藍牙通信模塊組成，實現本系統與智能手機等具有藍牙功能的設備的無線通信。首先在確認各模塊可以正常運行后對每個模塊進行功耗測試，各模塊的功耗數據如表3所示。

表3 各模塊功耗數據

1.3.1.6 藍牙通信模塊

系統采用了HC-05藍牙通信模塊，該模塊可以通過按住模塊KEY鍵上電開機進入AT模式，此時LED指示燈慢閃，將模塊通過串口與上位機相連，可以對模塊進行設置，在該模式下使用AT指令集更改模塊的工作參數，如設備名稱、配對密碼、切換主機從機等；常規模式上電開機LED指示燈快閃，將藍牙模塊調試完成后，使用藍牙調試軟件將模塊與智能手機等具有藍牙功能的設備進行連接，當模塊的指示燈慢閃時表示連接成功，此時可通過藍牙調試軟件的對話模式進行數據收發，或在按鈕控制中對多個按鈕按下和松開時發送的數據進行設置，從而實現對設備的快捷控制。

1.3.1.7 溫度傳感器

系統使用了3引腳TO-92封裝的DS18B20芯片來接收溫度數據，其僅需一個通信端口即可與MCU進行數據傳輸，測量范圍在-55℃～＋125℃。

1.3.1.8 光照度傳感器

系統使用GY-302光照強度模塊，該模塊采用的是ROHM原裝BH1750FVI芯片，可測量的光照度范圍為0～65 535 lux，其內置的16位AD轉換器可以直接進行數字量輸出，從而省略校準及復雜的計算過程。

1.3.1.9 火焰傳感器

系統使用的是YL-38火焰傳感器，用于探測火焰光譜，測量范圍為760 nm到1 100 nm波長的光源，有效探測距離在一米左右，通過調節電位器可以設定觸發閾值，有數字量輸出和模擬量輸出兩種接口。本文提出的系統采用了數字量輸出，在檢測到火焰時DO引腳會輸出低電平，單片機接收到數據后會通過藍牙向連接的設備發送警告信息。

1.3.2 系統軟件設計

系統開機后首先完成各個元件初始化，進入工作模式，在進行傳感器數據采集的同時，在LCD上實時顯示采集到的數據，同時不斷檢測是否有設備連接至本系統，連接成功后，每間隔一段時間向該設備發送相關數據，具體流程如圖7所示。

圖7 系統軟件流程圖

2 系統測試

記錄了不同光照強度下的光能采集情況及一定溫差下的熱能采集情況，并對能量管理模塊為無線通信模塊供電以及系統工作過程進行了測試，具體測試方法及測試結果如下。

2.1 光能采集測試

在2021年4月28日晴天進行了光能采集測試，測試分別記錄了47 000 Lx、63 000 Lx及大于65 535 Lx范圍內的光照強度下將超級電容從0.2 V充電至4.0 V所需的時間，測試結果由圖8(a)所示。

圖8 光能采集測試圖

雖然自然光的光照強度存在波動，但仍能看出充電效率與光照強度呈正相關，在光照強度大于光照強度測試模塊上限65 535 Lx時達到了最短充電時間，約為2 min 57 s，隨后又進行了三次對充電時電路電流的測試，測試顯示超級電容充至4 V左右時電流大小在13 mA上下浮動，測試結果如圖8(b)所示。

2.2 熱能采集測試

在實驗室內進行了熱能采集測試，測試時室溫為25℃，將硅膠加熱板溫度設定為120℃對溫差發電片進行加熱，發電片兩面均勻涂抹導熱硅脂，熱面緊貼硅膠加熱板，冷面緊貼散熱片，用泰克MDO3104示波器記錄充電波形，測試環境如圖9(a)所示。

由于溫差發電片的特性，在加熱時熱面和冷面的溫差會逐漸縮小，充電效率也會隨之降低，充電波形如圖9(b)所示，由圖可看出，超級電容的電壓從0.44 V升高到0.82 V，充電時間為180 s左右。

圖9 熱能采集測試圖

2.3 振動能采集測試

在實驗室中對懸臂梁的振動能采集情況進行了測試，測試結果如圖10所示，具體測試數據如表4所示。可以看到，在一定范圍內，振動頻率越高、振幅越大，該裝置的輸出電壓越高。

表4 振動能采集測試結果 單位:mV

圖10 振動能采集測試圖

2.4 無線通信功能測試

對系統的無線通信功能進行測試，將STC89C52的引腳Pin35與溫度傳感器的DO引腳相連，將引腳Pin10和Pin11分別與溫度傳感器的SCL和SDA引腳相連，將引腳Pin17與火焰傳感器的DO引腳相連，編寫相關程序，編譯完成后進行燒錄及相關功能測試，使用藍牙調試軟件與藍牙通信模塊連接，將字符編碼格式改為GBK，查看接收到的相關數據，系統會自動發送溫度及光照度數據，檢測到火焰會發送警告信息。

2.5 能量管理與輸出測試

將超級電容充電后為無線傳輸模塊進行供電，使用泰克MDO3104示波器觀察記錄超級電容的電壓波形，如圖11所示。

圖11 超級電容放電測試圖

由于本系統使用的超級電容容量較小，且使用了LCD1602來觀察模塊運行情況，系統通信頻率設置為1次/s時，充電至4.1 V左右的超級電容可供系統運行的時間約為34 s。

同時以鋰電池作為系統儲能元件進行放電測試，在未連接能量采集模塊的情況下從開始運行到系統停止工作平均運行時間可達10 h 22 min。

3 結論

該無線感知節點供電系統可以將環境中的光能、熱能和振動能收集、轉化為穩定的直流電源，并為系統中的無線通信模塊供電，向連接了無線通信模塊的設備傳輸溫度、光照度數據，并在探測到火焰的時候發送警告信息。測試結果顯示，系統收集光能的效率較高，晴天最短可在177 s內將超級電容充電至4 V，收集熱能和振動能的方式可行，但收集效率相對較低，后續研究會通過更換溫差發電片及壓電陶瓷型號，以及設計合理高效的裝置結構等方式提高熱能和振動能的收集效率，并設計防雨的外殼來適應室外環境的長期工作。該系統收集的能量基本可以保證低功耗設備正常運行，在鋰電池充滿的條件下可持續運行10 h 22 min以上，可以在能量自搜集和無線感知節點等領域進行應用。