閆磊磊，趙建光

（河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

滑雪場(chǎng)WSN節(jié)點(diǎn)風(fēng)光互補(bǔ)供電設(shè)計(jì)

閆磊磊，趙建光

（河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

設(shè)計(jì)了一種基于滑雪場(chǎng)安全的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能組成的生能器件以及兩節(jié)1.5V干電池組成的直流電源互補(bǔ)供電的方式對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，將風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置組合成風(fēng)光互補(bǔ)的復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)鋰離子電池和超級(jí)電容組成的雙儲(chǔ)能器件進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以暫時(shí)使用干電池供電。該復(fù)合能源供電系統(tǒng)即節(jié)約了能源，又符合無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗的要求。

滑雪場(chǎng)安全；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)；低功耗；風(fēng)光電互補(bǔ)系統(tǒng)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要組成部分的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，由于受到功耗和電池供電的影響，其壽命非常有限。無(wú)線傳感網(wǎng)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多，分布區(qū)域廣，往往布設(shè)在環(huán)境惡劣的無(wú)人值守的野外，更換十分困難。要延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命，除了減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗外，采取必要的節(jié)能和供能措施，也是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。使節(jié)點(diǎn)從環(huán)境中獲取能量（如風(fēng)能、太陽(yáng)能、電磁波）就是一種有效的途徑[1]。

本文設(shè)計(jì)了一款為滑雪場(chǎng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的風(fēng)光互補(bǔ)復(fù)合能源供電系統(tǒng)。由于大部分的滑雪場(chǎng)地處高寒環(huán)境，節(jié)點(diǎn)更換電池比較困難，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，采用風(fēng)能發(fā)電裝置和太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置從環(huán)境中換取能量，太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，風(fēng)能發(fā)電裝置對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，電容充滿電后，將能量轉(zhuǎn)移到鋰離子電池中去，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)壽命工作。

1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的生能器件和儲(chǔ)能器件的選取

1.1 節(jié)點(diǎn)的生能器件選取

風(fēng)力發(fā)電裝置和太陽(yáng)能光伏電池作為生能器件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。風(fēng)速在時(shí)速30公里供2～5個(gè)LED，時(shí)速50公里供5～10個(gè)LED。變直流DC電壓加二極管即可。選取5V，160 MA的太陽(yáng)能充電發(fā)電板，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。選取太陽(yáng)能發(fā)電裝置的同時(shí)，還要加裝防反沖二極管，防止電池里的電流倒流到太陽(yáng)電池板內(nèi)損壞板子，如果直接給節(jié)點(diǎn)供電，則不需要加裝二極管[2]。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能器件的選取

本設(shè)計(jì)選取超級(jí)電容和鋰離子電池作為儲(chǔ)能器件。選取了韓國(guó)的LS MTRON LTD超級(jí)電容，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。超級(jí)電容功率密度較大，可以用較大的電流進(jìn)行成千上萬(wàn)次的充放電，它的壽命比較長(zhǎng)，但是很容易自放電。選用3.7V，1400 MA的鋰離子電池。

表3 超級(jí)電容的主要技術(shù)參數(shù)

2 風(fēng)光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的功能系統(tǒng)是風(fēng)、光、電互補(bǔ)的復(fù)合能源供電系統(tǒng)。它是由太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置、風(fēng)能發(fā)電裝置組成的生能器件和超級(jí)電容、鋰離子電池組成的雙儲(chǔ)能器件組成的供電系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境能量供能出現(xiàn)故障時(shí)，起到替補(bǔ)作用的兩節(jié)1.5V干電池會(huì)為節(jié)點(diǎn)供電，以此來(lái)保證節(jié)點(diǎn)正常工作。

除了太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置、風(fēng)能發(fā)電裝置、鋰離子電池、超級(jí)電容、干電池外，風(fēng)光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)還要有風(fēng)光電互補(bǔ)控制器、卸荷電路等，其系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光電互補(bǔ)復(fù)合能源供電系統(tǒng)

2.1 風(fēng)力發(fā)電回路

風(fēng)力發(fā)電回路中需要有風(fēng)力發(fā)電機(jī)和卸荷電路，風(fēng)力發(fā)電裝置從環(huán)境中獲取電能后，將電能充進(jìn)超級(jí)電容中去，當(dāng)超級(jí)電容接近滿充狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的負(fù)載趨近于0，此時(shí)發(fā)電機(jī)進(jìn)入空載運(yùn)行狀態(tài)，而空載運(yùn)行對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的，此時(shí)就需要用到卸荷電路來(lái)進(jìn)行卸荷負(fù)載。卸荷電路一般是由大功率的電熱類(lèi)負(fù)載構(gòu)成的，在工作過(guò)程中將電能轉(zhuǎn)化成熱能，起到了卸荷的作用，避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載。

2.2 太陽(yáng)能發(fā)電裝置

太陽(yáng)能發(fā)電裝置主要包括太陽(yáng)電池、穩(wěn)壓電路、鋰離子電池、肖特基二極管[3]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置通過(guò)穩(wěn)壓電路為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，同時(shí)將多余的電能存儲(chǔ)到鋰離子電池中，但是由于鋰離子電池容易放電，所以需要連接一個(gè)肖特基二極管，確保電路中的電流從電池板流向充電電池，而不會(huì)發(fā)生電流倒流的情況。WSN太陽(yáng)能供電系統(tǒng)模型如圖2所示。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)電池組件通過(guò)太陽(yáng)電池板直接為單級(jí)可充電電池充電，盡管電池一般具有幾百次的充電循環(huán)次數(shù)，但頻繁的充放電會(huì)大大減少其使用壽命，而采用兩級(jí)能量存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)則可以有效地解決這一問(wèn)題。兩級(jí)能量存儲(chǔ)器的前級(jí)必須具有較長(zhǎng)的充放電循環(huán)次數(shù)以便存儲(chǔ)頻繁的、不穩(wěn)定的能量輸入，后級(jí)則應(yīng)具有較高的能量密度以提供充足的后備能量輸出。光照充足時(shí)使用前級(jí)供電，光照不足且前級(jí)耗盡時(shí)使用后級(jí)供電，并在后級(jí)消耗以后使用前級(jí)為其充電補(bǔ)充。通過(guò)供電電源選擇，盡可能多地使用前級(jí)供電，減少后級(jí)的充放電次數(shù)，有效地延長(zhǎng)其使用壽命。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，采用超級(jí)電容和聚合物鋰電池分別作為前級(jí)和后級(jí)能量存儲(chǔ)器。

圖2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)模型

3 風(fēng)光電互補(bǔ)復(fù)合供電系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)有太陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電裝置可以通過(guò)穩(wěn)壓電路直接為節(jié)點(diǎn)供電，同時(shí)，如果有多余的電能，則可以在供電的同時(shí)為鋰離子電池充電。風(fēng)力發(fā)電裝置對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，當(dāng)超級(jí)電容趨近于滿充狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)切換電路導(dǎo)通，單片機(jī)卸荷電路開(kāi)始工作，開(kāi)關(guān)切換電路2也導(dǎo)通，超級(jí)電容放電，通過(guò)超級(jí)電容放電開(kāi)壓電路對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。當(dāng)超級(jí)電容兩端的電壓值低于規(guī)定的低閾值電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)切換電路斷開(kāi)，單片機(jī)卸荷電路停止工作，超級(jí)電容停止對(duì)節(jié)點(diǎn)供電。此時(shí)，如果太陽(yáng)電池輸出的電壓非常低，而風(fēng)力發(fā)電裝置不能對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，則利用鋰離子電池中存儲(chǔ)的電能為節(jié)點(diǎn)供電。如果鋰離子電池中的電能不足，則使用兩節(jié)1.5V干電池為節(jié)點(diǎn)供電。

太陽(yáng)能發(fā)電裝置只有在有陽(yáng)光的時(shí)候才能發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電裝置在有風(fēng)的時(shí)候均可發(fā)電，彌補(bǔ)了太陽(yáng)能在陰雨天和夜間不能發(fā)電的劣勢(shì)，真正實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電發(fā)生故障的時(shí)候，供電系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)干電池供電，保證節(jié)點(diǎn)正常工作。風(fēng)光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)既綠色環(huán)保，又節(jié)約了能源，為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)壽命工作提供了保障。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)測(cè)兩級(jí)能量存儲(chǔ)器的電壓，經(jīng)邏輯判斷，完成供電電源的選擇和充電控制的功能。將能量狀態(tài)監(jiān)測(cè)納入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，不僅可以實(shí)現(xiàn)合理地選擇供電電源，有效地延長(zhǎng)使用壽命，還可以根據(jù)能量狀態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)通訊的參數(shù)，如根據(jù)各節(jié)點(diǎn)因光照不同引起的能量差異，調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率及數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的分配，實(shí)現(xiàn)具有能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳輸。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，聚合物鋰電池的充電電路由鋰電池專用充電管理芯片完成，供電電源的選擇則由節(jié)點(diǎn)控制器控制低功耗的雙路模擬開(kāi)關(guān)器件完成。在控制程序中，首先設(shè)定電容切換門(mén)限電壓和電池切換門(mén)限電壓，然后將檢測(cè)到的實(shí)際電壓與門(mén)限電壓進(jìn)行比較判斷，在保證節(jié)點(diǎn)正常工作的條件下，盡可能多地選擇電容供電，減少電池充放電次數(shù)，并在電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，使用電容通過(guò)充電電路對(duì)其充電。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了滑雪場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)壽命風(fēng)能供電系統(tǒng)及太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，在基于能量收集技術(shù)的風(fēng)能供電與太陽(yáng)能供電系統(tǒng)模型的指導(dǎo)下，采用超級(jí)電容和聚合物鋰電池組成兩級(jí)能量存儲(chǔ)器，并通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)控制器對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)選擇，實(shí)現(xiàn)了能量的智能化自治管理。該能量自治系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下，每天2～3h的光照時(shí)間即可保證節(jié)點(diǎn)以20%的工作占空比持續(xù)運(yùn)行3～4年，極大地延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)需求、功能及成本要求，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以期達(dá)到更高的實(shí)用性能。通過(guò)模擬驗(yàn)證，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，有效保障了滑雪人員的人身安全，提高了滑雪場(chǎng)的管理水平。

[1]高永豐,張高飛,王曉峰,等.應(yīng)用于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的微小型復(fù)合能源收集系統(tǒng)[J].納米技術(shù)與精密工程,2012,10(4)：327-331.

[2]白雪峰,李沛,厲紅.風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電力教育,2011,3(3)：56-61.

[3]王小強(qiáng),歐陽(yáng)駿,紀(jì)愛(ài)國(guó).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012,3：154-156.

Wind and solar power system design of Ski WSN node

YAN Lei-lei,ZHAO Jian-guang

A power supply system based Ski safety wireless sensor nodes was presented.The electric energy was provided to the Wireless sensor node through wind and solar energy or two 1.5 volt battery.Wind power installations and PV installations were combined into a composite wind and solar power generation system.The dual energy storage device which composition by lithium-ion battery and super capacitor were recharged.When the power generation system was out-of-order,battery-powered temporary could be used.Energy saving was the advantage of this system,and the require of low power wireless sensor nodes wasmet.

Ski safety;wireless sensor node;low power consumption;wind-solar-electricityhybrid system

TM 91

A

1002-087 X(2014)10-1898-02

2014-05-12

河北省科技廳軟科學(xué)自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(13455719)

閆磊磊(1975—)，女，河北省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)轶w育設(shè)施及體育管理。