王 軍，張 靜，蔣小川

(南京林業(yè)大學 信息科學技術學院，江蘇 南京 210037)

生態(tài)物聯(lián)網節(jié)點的風光混合能量變換系統(tǒng)設計*

王 軍，張 靜，蔣小川

(南京林業(yè)大學 信息科學技術學院，江蘇 南京 210037)

為使物聯(lián)網傳感器節(jié)點長期用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，設計了一種風光混合微能量變換系統(tǒng)提供節(jié)點持續(xù)電能。設計了光源自動跟蹤和最大功率跟蹤兩種控制電路，最大程度地進行光伏能量轉換；設計低輸入電壓的能力的升壓電路以提高在低風速情況的能量采集。分析了風光混合系統(tǒng)電源管理的工作方式，理論推導傳感節(jié)點和雙軸電機工作所需能量管理的理論條件。實驗測試結果表明:研究的混合微能量變換系統(tǒng)能夠精確檢測光照強度，能采集光能和風能并實時充電存儲，節(jié)點可以持續(xù)工作，采集數(shù)據(jù)并實時遠距離無線傳輸，能夠滿足林業(yè)生態(tài)環(huán)境的遠程監(jiān)測功能要求。

混合能源；傳感節(jié)點；物聯(lián)網；環(huán)境監(jiān)測；能量管理

0 引 言

森林不僅提供人類社會所需的木材和林副產品，同時能改善自然環(huán)境、提高環(huán)境質量。由微傳感節(jié)點組成的物聯(lián)網已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療保健、設備檢測等領域中[1～4]。對林業(yè)生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，可為森林生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境間相互作用關系的研究提供長期可靠的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)[5]。林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測點通常分布在地理位置偏遠、分散的地區(qū)，當?shù)仉娏δ茉垂┙o緊張，因此，用于林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的物聯(lián)網傳感節(jié)點通常采用普通鋅錳干電池供電。由于干電池容量有限，使用時間較短，在物聯(lián)網項目實驗過程中需每月人工定期更換。隨著使用的傳感節(jié)點的個數(shù)增多，人力成本也越高。戶外監(jiān)測傳感節(jié)點的電能供給是制約物聯(lián)網應用的一個瓶頸問題，要使節(jié)點能夠持續(xù)可靠地工作，必須最大限度地開發(fā)和利用環(huán)境可再生能源[6]。風力、光伏能量等無污染的可再生自然能源是實現(xiàn)節(jié)點持續(xù)工作的有效途徑[7～9]。

本文主要研究在林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的物聯(lián)網中采用風光混合自然能源給節(jié)點使用。光伏能量轉換采用最大功率和光源跟蹤技術[10，11]，提高電池板吸收太陽能的利用率；風力發(fā)電機輸出的直流電經功率變換電路對鋰電池充電。通過有效的電源能量管理，合理地分配使用電能，完成了傳感節(jié)點獲得有效的能源補充，無間斷的工作，具有較好的理論與應用價值。

1 節(jié)點風光混合能量微轉換系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結構

本文研究用于林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的物聯(lián)網微節(jié)點整體模塊將Zig Bee技術、智能傳感器技術和微功率能源變換技術相結合，是一種智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。微功率傳感節(jié)點的風光混合能量變換系統(tǒng)總體結構如圖1所示，箭頭為功率和信號流的方向，總體結構包含：光伏能量轉換子系統(tǒng)、風能轉換子系統(tǒng)、電源控制管理子系統(tǒng)和傳感節(jié)點子系統(tǒng)。

圖1 微功率傳感節(jié)點的風光混合能量變換系統(tǒng)總體結構Fig 1 System overall structure of wind-solar hybrid energy conversion system for micro power sensing node

1.2 光伏能量轉換子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)通過光伏電池板半導體傳感器件將外界來源的太陽光能轉換為電能，為提高太陽光的利用率，采用了光源自動跟蹤和最大功率跟蹤兩種控制電路。

1.2.1 光源自動跟蹤

在物聯(lián)網節(jié)點中光源的強度檢測通常使用S1087硅光電池作為微傳感器進行檢測，硅光電池輸出電流信號，經I/V轉換成電壓信號，再由差分放大電路濾除共模信號后將放大的電壓提供單片機處理。硅光電池輸出信號線性度較差，易受外接負載電阻器和紅外線等非可見光的影響較大。本文采用數(shù)字型光照度傳感器BH1710，高分辨率，測量精度高，受紅外線影響很小，功耗小。BH1710的測量范圍有限，輸入光強度最高為65 535lx，故采用衰減光強技術以提高該傳感器采集光強范圍。

分別在電池板的上、下、左、右4個位置安置2對數(shù)字型光照度傳感器BH1710，上下2只傳感器主要控制電池板在垂直方向對準光強中心，左右2只傳感器主要控制電池板在水平方向對準光強中心。光源自動跟蹤算法采用滯環(huán)控制，當每對光照度傳感器誤差值在滯環(huán)限定值±Δq范圍內，雙軸云臺不運轉；當陽光偏移角度時，每對光照度傳感器誤差值超過滯環(huán)限定值±Δq，雙軸電機朝光照度傳感器輸出值較大的方向運行，直至重新進入滯環(huán)限定范圍內停止。通過滯環(huán)控制方法可以讓太陽能電池板達到最佳的采集光強位置，使轉換的電能輸出功率最大。光源自動跟蹤控制方法框圖如圖2所示。

圖2 光源自動跟蹤控制方法框圖Fig 2 Block diagram of automatic tracking control method of light source

1.2.2 最大功率跟蹤控制電路

僅通過光源自動跟蹤，讓入射光與太陽能電池板成最佳的垂直位置還不足夠達到恒定輸出最大功率。因為太陽能電池功率不穩(wěn)定，在其伏安特性曲線中，當環(huán)境溫度一定時，不同的光照強度輸出最大功率的點所對應的輸出電壓基本相同。本文采用恒電壓法以跟蹤太陽能電池的最大功率點變化，保證在不同光照強度時，太陽能電池輸出的功率都能達到最大值。

采樣太陽能電池輸出電壓，通過2個普通金屬膜電阻器R1，R2分壓后提供到MPPT管腳，MPPT管腳電壓被固定調制在電壓1.04 V，故最大功率點跟蹤狀態(tài)時對應的太陽能板的輸出電壓為

UMPPT=1.04×(1+R1/R2).

(1)

1.3 風能轉換子系統(tǒng)

利用太陽能資源的方式相對單一，在陰雨天氣等條件下光源強度明顯不足，可以采用風能作為互補的能源，提供傳感節(jié)點電量。

風力發(fā)電機有直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩種類型。風力交流發(fā)電機通常用于中大功率的電能變換和并網輸電中，體積大，功率變換電路和電機結構復雜。本文使用的森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的傳感節(jié)點功率微小，其最大功耗約為100 mW，交流發(fā)電機不適用于微功耗檢測場合，故采用微功率永磁直流發(fā)電機。直流發(fā)電機端電壓與轉速之間關系

U端=Ceφn.

(2)

可知，輸出電壓是變化的，而且與轉速呈正比例關系，風葉轉速越快，輸出電壓也就越高。但是在微風低速情況下，發(fā)電機端電壓較低，為充分利用低風速下低輸入電壓時的電能，采用TPS61200同步升壓變換器作為第一級穩(wěn)壓電路，輸入電壓范圍可以從0.3～5.5 V，具有處理低輸入電壓的能力，輸出穩(wěn)定的5 V電壓。第二級穩(wěn)壓電路使用MC34063升壓電路，將5 V電壓轉換至15 V，以提供CN3722電路對鋰電池充電。

1.4 傳感節(jié)點子系統(tǒng)

傳感節(jié)點子系統(tǒng)主要包含感知模塊、處理模塊和射頻模塊等3個部分。處理模塊由嵌入式應用的片上系統(tǒng)芯片CC2430、系統(tǒng)時鐘電路、DeBug調試電路和運行狀態(tài)指示電路組成。CC2430模塊實現(xiàn)傳感量數(shù)據(jù)采集和Zig Bee網絡的數(shù)據(jù)傳輸。感知模塊包含土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和光照強度傳感器等3種傳感器。土壤溫濕度傳感器采用Decagon公司的5TM傳感器，空氣溫濕度傳感器采用的是SENSIRION公司的SHT11傳感器，各傳感器均設計對應的信號調理電路，將檢測信號接到控制器的接口進行數(shù)據(jù)通信與處理。

1.5 電源控制管理子系統(tǒng)

電源控制管理子系統(tǒng)包括兩部分功能：1)太陽能電池的電源能量管理。由單片機控制器實現(xiàn)數(shù)字型光照度傳感器的數(shù)據(jù)采樣，管理傳感器數(shù)據(jù)存儲，由檢測數(shù)據(jù)誤差控制雙軸云臺的水平、垂直方向的運動，實現(xiàn)光源自動跟蹤控制。2)系統(tǒng)工作電壓管理。鋰電池三節(jié)串聯(lián)電壓為12.6 V，提供云臺電機的驅動電源，通過降壓電路變換成5 V電壓，提供單片控制器電源，再次由TC55RP33降壓電路輸出3.3 V電壓提供傳感節(jié)點子系統(tǒng)工作電源。

2 節(jié)點風光混合能量微轉換系統(tǒng)電源管理

2.1 傳感節(jié)點混合能量電源管理工作原理

方式一，當外界光照指數(shù)高時，傳感節(jié)點從太陽能電池板獲取主要工作能源，此時肖特基二極管D1導通，D2截止，鋰電池組E1接入系統(tǒng)。

方式二，當外界光照指數(shù)低，但有風速時，傳感節(jié)點從風力發(fā)電機獲取主要工作能源，肖特基二極管D2導通，D1截止，鋰電池組E2接入系統(tǒng)。

方式三，連續(xù)陰雨，無風的條件下，主要由鋰電池組E1和E2同時提供傳感節(jié)點電壓，當鋰離子電池組電壓小于11 V時，表明鋰離子電池組能量不足，則由傳感節(jié)點3.3 V電壓端子處并聯(lián)的1F超級電容器提供最后的不間斷電能，提供節(jié)點0.5 h左右的時間保存監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并向上位機發(fā)送系統(tǒng)低電壓警告信號。

2.2 混合能量電源管理條件

本文中采用鋰電池組作為混合能量存儲的裝置，因鋰電池在充放電過程中自身也存在能量泄露損耗的問題，一般充電效率理論上小于1，是非理想的能量存儲系統(tǒng)，實際項目中電池充電效率η為0.9。

從能量采集到節(jié)點消耗的過程中能量守恒關系出發(fā)，假設W10是鋰離子電池組E1在充電前的初始能量，W20是鋰離子電池組E2在充電前的初始能量，W11是鋰離子電池組E1在下一個充放電周期前的能量，W12是鋰離子電池組E2在下一個充放電周期前的能量，T是一個充放電循環(huán)周期，讓節(jié)點系統(tǒng)能不間斷工作，系統(tǒng)的能量管理條件滿足下式

(W11-W10)+(W21-W20),

(3)

式中P太(t)為T時間內從自然環(huán)境中采集到的太陽能功率，P風(t)為T時間內從自然環(huán)境中采集到的風能功率，P節(jié)(t)為T時間內傳感節(jié)點作為負載消耗的功率，P機(t)為T時間內雙軸電機損耗的功率。

對式(3)兩邊同除以時間T，得

(P節(jié)+P機).

(4)

由式(4)可計算得到滿足傳感節(jié)點充放電循環(huán)所需采集的外界能源功率大小。

3 實驗測試結果

鋰離子電池組擔負著在環(huán)境光強輻射不足和無風條件下向電源控制管理和傳感節(jié)點持續(xù)供電，鋰電池的容量由負載平均電流，平均連續(xù)陰雨天數(shù)和最大放電深度等因素決定。雙軸電機為間斷時間工作，平均功率為1 W，工作電壓為12 V，平均工作電流為83 mA。傳感節(jié)點節(jié)點工作的最大電流28 mA，最大功率為93 mW。為延長鋰電池的使用壽命，一般單次最大放電深度選擇為90 %的放電深度。按農林業(yè)氣候的連陰雨天氣的標準，平均連續(xù)陰雨天數(shù)至少持續(xù)5天。鋰電池組由3塊相同容量的單節(jié)鋰電池串聯(lián)使用，每塊鋰電池容量為

Q=111×24×5/(0.9×3)=4 933 mA·h.

(5)

根據(jù)計算的容量，選擇額度電壓4.2 V，容量為5 000 mA·h的聚合物鋰電池。故由式(4)計算得到的需采集的外界能源功率為

P太+P風≥6.93 W.

(6)

考慮預留一定裕量，取太陽能電池板功率為10 W，風力發(fā)電機功率1 W，總功率滿足系統(tǒng)要求。

實驗在某楊樹林場區(qū)測試，當天大氣溫度在21～27 ℃，取其中5#節(jié)點的傳感器進行性能測量。數(shù)據(jù)包括了空氣溫濕度，不同深度的土壤溫濕度。數(shù)據(jù)每0.5 h打包，報文由3G網關傳輸?shù)椒掌魃虾螅ㄟ^編寫的上位機程序，對數(shù)據(jù)進行保存，分析，顯示等。顯示的典型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 上位機顯示的典型數(shù)據(jù)Tab 1 Typical datas displayed on upper computer

在一整天里光照度傳感器檢測的光照強度隨時間的變化的實際數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。光照標準測量值使用專用光照度儀測得,并與實際傳感器數(shù)據(jù)對比。結果表明：測量值與實際值基本一致，最大測量誤差為270 lx，最大相對誤差為1 %，達到了測量精度的要求。

圖3 光照強度實際數(shù)據(jù)曲線Fig 3 Actual data curve of light intensity

圖4是混合能量微轉換系統(tǒng)分別在采集的光能和風能源下切換的充電電流數(shù)據(jù)曲線。可以看出：在白天日照充足時，太陽能電池作為主要的獲取電能方式，對鋰電池組E1充電，最大充電電流是467 mA；傍晚后光照不足，太陽能電池輸出電壓低而不工作，此時靠樹林自然風能主要工作方式提供微功率，充電微電流最大為54 mA。

圖4 混合能量微轉換系統(tǒng)充電電流曲線Fig 4 Charging current curve of hybrid energy micro conversion system

4 結 論

本文首次對楊樹林生態(tài)環(huán)境檢測的傳感節(jié)點提供風光混合自然能源，對光伏能量轉換和風能量轉換電路進行分析和設計，通過理論分析選擇合適的鋰電池，太陽能電池板和風力發(fā)電機實現(xiàn)傳感節(jié)點持續(xù)工作的電源管理。在實際項目中結果表明：風光混合能源可以實現(xiàn)傳感節(jié)點在戶外的長期運行，系統(tǒng)具有較好的可靠性和可行性，為物聯(lián)網技術在林業(yè)生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)測研究方面提供了較好的基礎，同時該技術可以推廣到農業(yè)智能種植灌溉、林木數(shù)控機械智能監(jiān)測等場合。

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Design of wind-solar hybrid energy conversion system for ecological environment IoT node*

WANG Jun，ZHANG Jing，JIANG Xiao-chuan

(College of Information Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)

To make Internet of things(IoT) sensor nodes for long term ecological environment monitoring, a kind of wind-solar hybrid micro energy conversion system is designed for providing sensor nodes with continuous powers. Two control circuits of automatic light tracking and maximum power tracking are designed for maximum solar energy conversion.The low input voltage boosting circuit is designed to increase energy collection in the case of low wind speed. Working mode of power management of wind-solar hybrid system are analyzed,energy management theories of sensor nodes and two-axis motor continuous work are deduced. Experimental results show that light intensity can be detected accurately by the hybrid micro energy conversion systems, solar and wind energy are real time collected and stored at the same time,sensor nodes can continuously operate, collect datas and realizes real-time long distance wireless transmission,which meets the requirement of remote monitoring for forestry ecological environment.

hybrid energy；sensor node；Internet of things(IoT)；environment monitoring；energy management

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0054—04

2014—07—22

江蘇省博士集聚計劃資助項目(2012165)

TK 51；TK 82

A

1000—9787(2014)10—0054—04

王 軍(1980-)，男，安徽安慶人，博士，講師，研究方向為物聯(lián)網技術、傳感檢測、新能源控制技術。