羅志聰，王 帥，唐家桓，李景虎，葉大鵬

基于微生物燃料電池供能的無線溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計

羅志聰1,2，王 帥1,2，唐家桓3，李景虎4，葉大鵬1,2※

（1. 福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福州 350002；2. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福州 350002；3. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002；4. 福建農(nóng)林大學(xué)計算機與信息學(xué)院，福州 350002）

微生物燃料電池（microbial full cell，MFC）是利用微生物作為生物催化劑將碳水化合物轉(zhuǎn)化為電能的裝置。針對MFC輸出電壓低、功率小、內(nèi)阻大的特點，該文研制了一種具有最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）功能的能量收集電路和兩級升壓電路；基于MSP430和CC2500芯片設(shè)計了環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，MFC的輸出電壓維持在316～390 mV范圍內(nèi)，實現(xiàn)了最大輸出功率的跟蹤，MPPT電路和升壓電路分別輸出1.1和3.5 V電壓；無線溫度傳感器以每13 ms的周期將環(huán)境溫度無線傳輸?shù)竭h程終端，驗證了環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)在最大功率點處對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電工作的可行性，可為實現(xiàn)MFC主動式能量收集提供參考。

傳感器；設(shè)計；農(nóng)業(yè)信息化；微生物燃料電池；最大功率點跟蹤

0 引 言

農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)[1-2]是國民經(jīng)濟信息化的重要基礎(chǔ)，信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用會有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化和智能化水平，進而增加農(nóng)業(yè)效益。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3-5]在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛使用，傳感器節(jié)點對電源的體積、壽命和能量密度要求越來越嚴格。傳統(tǒng)遠程無線傳感器一直由電池或蓄電池來提供電能，該方式工作可靠，但傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時長由電池的可用壽命決定，而且在某些應(yīng)用中難以更換傳感器電池，即使進行更換，更換后的廢舊電池對環(huán)境也會造成污染[6-7]。因此，人們希望能實現(xiàn)傳感器的自供電，來延長傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用壽命[8]。目前，作為電池的可替代能源主要有太陽能、風(fēng)能、潮汐能等。太陽能是一種清潔、無污染的可再生能源，具有巨大的潛在利用價值，但其轉(zhuǎn)換效率低、應(yīng)用成本比較高[9-12]。風(fēng)能是可再生的清潔能源，儲量大、分布廣，但它的能量密度低（只有水能的1/800），并且不穩(wěn)定[13-14]。潮汐能是一種不消耗燃料、沒有污染、不受洪水或枯水影響、用之不竭的再生能源，但開發(fā)存在較大的困難，需著重研究解決水庫的泥沙淤積問題[15-16]。而微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）是一種將微生物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是一種極具開發(fā)前景的綠色可再生能源利用技術(shù)[17-20]。近十年來，MFC產(chǎn)電效能提高了5～6個數(shù)量級，與化學(xué)燃料電池（100 kW/m3以上）的差距也越來越小，MFC已逐漸具備供應(yīng)電能的潛力。文獻[21]以沉積物微生物燃料電池作為動力，設(shè)計了基于超級電容和升壓變換器組成的電源管理電路，實現(xiàn)了給無線溫濕度傳感器提供能源的目標(biāo)。文獻[22]在此前研究的基礎(chǔ)之上，對電源管理系統(tǒng)中的升壓電路拓撲結(jié)構(gòu)進行了改進，將MFC的輸出功率由mW級提升到W級，實現(xiàn)了對功率為2.5 W的遠距離傳感器的供電，但與文獻[21]、[23]相同，三者均未考慮使MFC的能量輸出最優(yōu)化。文獻[24]設(shè)計了在MFC輸出端掛載超級電容的交替充電和放電的操作模式完成了對MFC的能量收集，再利用電荷泵升壓電路對負載端超級電容充電，為外界負載供電。文獻[25]設(shè)計了基于電荷泵（S-882Z22）、升壓變換器（L6920DB）組成的電源管理系統(tǒng)，輸出電壓高達5 V，并且能夠驅(qū)動基于nRF24L01數(shù)據(jù)傳輸模塊的無線溫濕度傳感器對環(huán)境溫濕度參數(shù)進行采集。

盡管MFC最大輸出功率在不斷提高，但MFC輸出開路電壓一直在0.7 V左右，且內(nèi)阻較大，無法實現(xiàn)MFC在最大功率點的持續(xù)輸出。因此，可以實現(xiàn)MFC最大功率點跟蹤（MPPT）功能的能量收集電路是近些年研究的熱點。文獻[26]提出了由2個電容器和1個DC-DC變換器構(gòu)成的電源管理單元（power management unit，PMU），該PMU根據(jù)MFC輸出電壓來改變直流變換器的輸入阻抗，使其等于MFC的內(nèi)阻，實現(xiàn)了MFC最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）功能，以盡可能高的效率從MFC捕獲能量。文獻[27]根據(jù)微生物燃料電池的輸出特性，基于定電壓法（開路電壓法）設(shè)計了一種MPPT電能收集系統(tǒng)。該電能收集系統(tǒng)由一個遲滯比較器和電感型Boost 升壓電路構(gòu)成，并認為當(dāng) MFC的輸出電壓等于開路電壓一半時，輸出功率最大。但此方法會增加整個系統(tǒng)的體積及經(jīng)濟成本，降低升壓變換器的功率密度。文獻[28]在文獻[27]電路基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于擾動觀察法的兩級同步升壓電路，在該電路中將二極管用開關(guān)替換，減少了二極管上的功率損耗，提升了升壓電路的效率和電壓增益。并且通過復(fù)雜的MPPT算法調(diào)整升壓電路的輸出功率，當(dāng)功率測量模塊判定 MFC輸出功率最大時，MPPT 算法停止工作。但是擾動觀察法控制電路過于復(fù)雜，消耗大量的功耗，不適合MFC能量收集系統(tǒng)。

針對微生物燃料電池能量收集電路，本文設(shè)計了具有MPPT功能的2級升壓轉(zhuǎn)換并分級管理的能量收集電路拓撲結(jié)構(gòu)，并驅(qū)動系統(tǒng)中的溫度傳感器采集環(huán)境溫度，將采集的數(shù)據(jù)無線傳送到電腦終端。本文所提出的基于MPPT技術(shù)的微生物燃料電池能量收集電路可廣泛用于生態(tài)農(nóng)田環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)中，并可為進一步發(fā)展MFC技術(shù)提供參考。

1 環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)與工作原理

MFC供電的環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)包括2部分：第一部分為功率管理模塊、第二部分為無線通信模塊（即功率管理模塊的負載部分），其中無線溫度傳感器集成在無線通信模塊中。

圖1 環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)組成

功率管理模塊對現(xiàn)有微生物燃料電池能量收集電路進行了改進，通過MPPT電路中能量獲取轉(zhuǎn)換部分對MFC輸出電壓進行初步的升壓轉(zhuǎn)換，并借助能量獲取控制部分實現(xiàn)對MFC輸出電壓的最大功率點跟蹤，之后升壓電路進一步將MPPT電路升壓轉(zhuǎn)換后的輸出電壓進行升壓轉(zhuǎn)換并對其進行相應(yīng)的功率管理。MFC電壓通過功率管理模塊對無線通信模塊進行供電，驅(qū)動內(nèi)置于無線通信模塊中的溫度傳感器（發(fā)送端）對周圍環(huán)境進行溫度采集，并將實時采集的環(huán)境溫度信息發(fā)送出去，電腦端的無線溫度傳感器（接收端）則對信息進行接收并存儲于電腦。

2 MFC配置與特性參數(shù)

2.1 MFC的配置與操作

本文采用雙室結(jié)構(gòu)的MFC，其中陽極室和陰極室的容量各為300 mL。以碳刷（直徑3 cm，長度3 cm）作為陽極，碳氈（長：3 cm；寬：3 cm；厚：0.5 cm）為陰極，表面涂Pt/C催化劑作為氧氣還原催化劑（0.5 mg/cm2platinum carbon）；陰極室與陽極室由Nafion117質(zhì)子交換膜（直徑3.5 cm；杜邦）隔開[29-30]。連接1 000 Ω的電阻作為負載；數(shù)據(jù)采集器（RHB8451，北京瑞華控）對輸出電壓進行在線記錄。

MFC的啟動參照Tang等[31]的方法。從運行穩(wěn)定的MFC反應(yīng)器接種5.0 mL培養(yǎng)液到新啟動的MFC（源種來自厭氧活性污泥），添加1g/L乙酸作為電子供體。培養(yǎng)基成分包括：Na2HPO4·12H2O（11.40 g/L）、NaH2PO4·2H2O（2.77 g/L）、KCl（0.13 g/L）、NH4Cl（0.31 g/L）、維生素（12.5 mL/L）、微量元素（12.5 mL/L）。在30℃恒溫箱中培養(yǎng)。陰極室為磷酸緩沖液（pH=7.0，50 mmol/L），通過小型氣泵進行曝氣，氣泵流量為0.5 L/min。

2.2 MFC的電氣特性

通常，在啟動MFC后，其開路電壓（open circuit voltage，OCV）由數(shù)字萬用表（keithley instruments inc.，Cleveland，OH，USA）測量，OCV可達0.733 V[25]。本文中，在MFC的陽極和陰極中間連接一個1 000 Ω的電阻，置于恒溫箱中，采用數(shù)據(jù)釆集器對MFC輸出電壓進行實時監(jiān)控，當(dāng)輸出電壓達到最低時更換培養(yǎng)液。電極經(jīng)過一段時間的馴化后，得到輸出電壓隨時間變化曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，電阻器的電壓約為0.6 V，每個穩(wěn)定反應(yīng)平均周期約為17.4 h，穩(wěn)定17.4 h后，電阻器的電壓曲線急劇下降，是由于微生物耗盡有機物導(dǎo)致。

圖2 三個連續(xù)周期的1 000 Ω外部電阻電壓變化

2.3 MFC極化曲線和功率密度曲線

如圖3為MFC反應(yīng)器在穩(wěn)態(tài)條件下的極化曲線和功率密度曲線。由圖3可以看出，隨著電流密度不斷增加，輸出電壓不斷下降，功率密度呈現(xiàn)由低到高再到低的變化趨勢。當(dāng)輸出電壓在316～390 mV之間時功率達到最大值，為2 554 mW/m2，其輸出電壓平均值在344 mV左右。

對MFC極化曲線和功率密度曲線分析可知，MFC反應(yīng)點的差異會導(dǎo)致輸出電壓、電流密度、功率密度之間的連鎖反應(yīng)，并且通過能量控制可以將MFC的工作點控制在一定的范圍之內(nèi)，使得升壓轉(zhuǎn)換電路在MFC最大功率點附近進行工作，從而有效提高能量轉(zhuǎn)換效率。

圖3 MFC極化曲線和功率密度曲線

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計

3.1 功率管理模塊設(shè)計

功率管理模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示，該功率管理模塊采用2級升壓轉(zhuǎn)換并分級管理，MFC產(chǎn)生的直流電壓經(jīng)過MPPT電路升壓轉(zhuǎn)換之后將電能存儲在超級大電容（10 F，Kamcap），其中MPPT電路使用含ADCMP609遲滯比較芯片的遲滯比較器實現(xiàn)對前級升壓轉(zhuǎn)換的管理，同時實現(xiàn)對MFC電壓的最大功率點跟蹤；再由后級升壓電路將超級大電容兩端電壓再次升高至無線溫度傳感器所需工作電壓3.5 V，升壓電路使用能量處理器以及相關(guān)的模塊電路實現(xiàn)對后級的功率管理，最終單個MFC電壓經(jīng)過功率管理模塊之后能夠驅(qū)動無線溫度傳感器，實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點的自主供電。

圖4 功率管理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 MPPT電路設(shè)計

MPPT電路原理如圖5a所示，由升壓變換器、遲滯比較器（含遲滯比較芯片ADCMP609、邏輯芯片74HC32）和超級大電容構(gòu)成，其中基準(zhǔn)電壓REF=350 mV，電阻1=100 Ω，電阻2=200 kΩ，電感=10 mH，二極管為肖特基二極管（型號：1N60P），N型金屬氧化物半導(dǎo)體（negative channel Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS）型號為SI2302。

圖中主體部分是一個基于電感的升壓變換器，遲滯比較器將MFC輸出電壓控制在一定的范圍內(nèi)，使得MFC工作在最大功率點附近，超級大電容用來存儲MFC產(chǎn)生的能量。遲滯比較器通過電阻2在基準(zhǔn)電壓REF的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生一個遲滯范圍，從而設(shè)置上限電壓thH和下限電壓thL，所設(shè)置的2個閾值電壓可以將MFC的輸出電壓MFC控制在thL～thH之間。

MPPT電路實現(xiàn)MFC最大功率點跟蹤的原理如圖5b所示，在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)MFC輸入電壓大于上限電壓thH時，經(jīng)過ADCMP609之后在其輸出端產(chǎn)生一個高電平信號，通過74HC32后輸出一個信號增強的高電平，該高電平可以導(dǎo)通開關(guān)管NMOS，此時DC-DC變換器的電流流經(jīng)由電感和開關(guān)管NMOS構(gòu)成的通路，同時對電感進行充電，將MFC電能存儲在電感上，此過程記為Ⅰ；在Ⅰ中，由于開關(guān)管NMOS導(dǎo)通，MFC與電感、開關(guān)管NMOS組成的通路中電流增大，導(dǎo)致MFC的內(nèi)阻1兩端電壓增大，使MFC輸出電壓不斷下降，其功率密度也隨之降低。當(dāng)MFC的輸出電壓下降至下限電壓thL時，遲滯比較芯片會輸出一個低電平信號使得74HC32關(guān)斷，從而使開關(guān)管NMOS截止，電感開始放電，將能量通過開關(guān)二極管傳送到升壓電路，此過程記為Ⅱ；在Ⅱ中，開關(guān)管NMOS截止，MFC停止對電路放電，在MFC的內(nèi)阻1兩端產(chǎn)生的電壓減小，MFC的輸出電壓再次不斷升高，直到大于上限電壓thH時又開始Ⅰ的過程，如此不斷地進行重復(fù)。

a. MPPT電路原理圖

a. Schematic diagram of MPPT circuit

注：thH為上限電壓，mV；thL為下限電壓，mV；1為NMOS導(dǎo)通時間（記為Ⅰ），s；2為NMOS截止時間（記為Ⅱ），s。

Note:thHis the upper limit voltage, mV;thLis the lower limit voltage, mV；1is the conduction time of NMOS (mark asⅠ)，s;2is the cutoff time of NMOS (mark as Ⅱ), s.

b. MPPT電路工作示意圖

b. Schematic diagram of maximum power point tracking(MPPT) circuit with working

圖5 MPPT電路原理與工作示意圖

Fig.5 Schematic diagram of MPPT circuit with working

MPPT電路除了將MFC的電壓進行初步升壓轉(zhuǎn)換之外，還實現(xiàn)了最大功率點跟蹤，能夠使電路在MFC的最大功率處實現(xiàn)升壓變換，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

3.3 升壓電路設(shè)計

升壓電路設(shè)計原理如圖6a所示，整個電路包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個模塊電路，其中，模塊Ⅰ包括啟動電荷泵電路和負反饋電荷泵電路2部分；模塊Ⅱ由2部分組成：基于電感的BOOST電路、升壓變換輸出電壓反饋電路；模塊Ⅲ是一個具有防止反向電流流通的開關(guān)電路；模塊Ⅳ是一個帶有關(guān)斷點電壓偏置的控制電路，用于能量存儲芯片與BOOST電路的導(dǎo)通關(guān)斷控制；模塊Ⅴ由2部分組成：用于監(jiān)視輸出電容電壓的監(jiān)視電路及開關(guān)電路、輸出電容及用于控制輸出電容與BOOST電路和系統(tǒng)負載導(dǎo)通關(guān)斷的開關(guān)管。

升壓電路的運行流程如圖6b所示，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個步驟：第Ⅰ步為啟動電荷泵開始工作到CBC915被激活之前的過程，當(dāng)C4兩端累積的電壓上升到0.3 V時電荷泵S882Z24啟動并開始工作，電荷泵將直流低壓輸入不斷地進行升壓變換，當(dāng)其輸出端電壓大于2.4 V時S882Z24開始對CBC915進行供電，同時激活能量處理芯片CBC915；第Ⅱ步為CBC915被激活之后到進入最大功率點跟蹤（MPPT）的過程，在CBC915被激活之后，通過VBOOST端口監(jiān)視BOOST電路輸出電壓達到4.06 V時，CBC915開始進入MPPT模式查找最大功率點，CBC915通過端口VGSENSE識別DC IN的輸入信號，并通過調(diào)整輸入源的阻抗與系統(tǒng)負載阻抗相匹配來找到最大功率點；第Ⅲ步是使最大功率點跟蹤到開始對負載進行供電的過程，在進入MPPT模式時，ISOLATE EN端輸出低電壓使BOOST電路與負載電路斷開，當(dāng)MPP被查找到之后，相應(yīng)最大功率點的信息被存儲下來，同時ISOLATE EN端輸出高電壓使BOOST電路與負載電路相連接；第Ⅳ步是對負載進行供電到對相關(guān)功率進行管理的過程，當(dāng)VCOUT大于3.4 V的時候，CBC915的EN VOUT端口輸出低電壓使輸出電容開始對系統(tǒng)負載進行供電，同時CUTOFF RST端口輸出低電壓使BOOST電路與能量存儲芯片CBC51100相連，BOOST電路對CBC51100充電。輸出電容和CBC51100開始對系統(tǒng)負載進行充電之后，電路進入管理模式：CBC915通過VCAP對電容輸出電壓進行檢測，當(dāng)BOOST電路沒有對輸出電容進行充電時CBC915會調(diào)轉(zhuǎn)到第Ⅲ步重新對輸出電容電壓進行檢測；當(dāng)BOOST電路對輸出電容進行充電則CBC915通過端口EN VOUT、EN CAP CHG以及CUTOFF RST使CBC51100和輸出電容對系統(tǒng)負載進行供電。

a. 升壓電路原理圖

a. Schematic diagram of boost circuit

注：in為電荷泵S882Z24的輸入電壓，mV；out為電荷泵S882Z24的輸出電壓，mV。

Note:inis the input voltage of the charge pump S882Z24, mV;outis the output voltage of the charge pump S882Z24, mV.

b. 升壓電路運行流程圖

b. Operation flowchart of boost circuit

圖6 升壓電路原理與運行流程圖

Fig.6 Operation flowchart of boost circuit

4 測試結(jié)果與分析

4.1 環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)測試方法

無線通信模塊使用ADC開發(fā)套件實現(xiàn)，該套件包括PC端軟件、集成有溫度傳感器的無線通信模塊CC2500和微控制器MSP430等。

環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)性能測試平臺如圖7所示，由MFC、硬件電路板、合信號示波器（ADS1062C，ATTEN）、筆記本電腦、直流電源（PAB3003A，冠華）等構(gòu)成。

利用該測試平臺在室內(nèi)環(huán)境下進行周圍環(huán)境溫度的采集，實時溫度數(shù)據(jù)通過ADC開發(fā)套件自帶溫度顯示軟件進行顯示，并與家用溫度檢測計測量溫度進行對比，另外，使用混合信號示波器對MPPT電路板主要節(jié)點電壓進行測量，以驗證前文MPPT電路設(shè)計合理性。

4.2 測試結(jié)果與分析

通過測試，由MFC供電的環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)與家用溫度計所測環(huán)境溫度值吻合（兩者誤差范圍為±0.2 ℃），該系統(tǒng)可以成功檢測到環(huán)境溫度。

圖8是由混合信號示波器顯示的MPPT電路主要電壓節(jié)點的測試結(jié)果，由圖可知，MFC最大電壓為390 mV，最小電壓為316 mV。當(dāng)開關(guān)管NMOS柵級電壓為高電平時NMOS導(dǎo)通，此時MFC、電感、開關(guān)管NMOS三者構(gòu)成通路，MFC對電感進行充電，隨著時間的變化MFC輸出電壓逐漸下降，從圖中可看出柵級電壓為高電平時MFC輸出電壓開始下降；而當(dāng)開關(guān)管NMOS柵級電壓為低電平時，開關(guān)管NMOS關(guān)閉，電感開始放電，從圖中可看出MFC輸出電壓會快速上升。由于遲滯比較器的正輸入端是MFC輸出電壓，所以遲滯比較器產(chǎn)生的2個上下限電壓會根據(jù)MFC輸出電壓情況進行調(diào)整。

圖8 NMOS柵級電壓及MFC輸出電壓

在系統(tǒng)測試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MFC反應(yīng)器中培養(yǎng)液不足時，MFC輸出能量下降，為了滿足MPPT電路的正常能量消耗，開關(guān)管NMOS的開關(guān)頻率增加以便從MFC中捕獲更多的能量，而當(dāng)MFC反應(yīng)器中培養(yǎng)液過剩時，MPPT電路的遲滯比較功能失效，導(dǎo)致該部分電路無法正常工作，給無線通信模塊的發(fā)送端溫度傳感器供電異常，導(dǎo)致電腦接收端溫度傳感器無法正常獲取環(huán)境溫度。

通過帶有USB開發(fā)板的開發(fā)工具對無線通信模塊進行程序調(diào)試，在保證MFC有充足能量供應(yīng)的前提下，使溫度傳感器每13 ms對周邊環(huán)境進行一次溫度采集，然后進入睡眠模式，并一直重復(fù)這個過程。在上述調(diào)試運行穩(wěn)定后可得圖9，從圖9可以看出當(dāng)電壓處在最低值960 mV時，每過13 ms之后MPPT電路輸出電壓會上升到1.18 V，然后突然下降到960 mV，周而復(fù)始，而這也驗證了本文前面的設(shè)計。當(dāng)功率管理模塊將MFC電壓經(jīng)過兩級升壓轉(zhuǎn)換到3.5 V時，功率管理模塊的輸出端開始對負載進行供電，CC2500模擬溫度傳感器開始對周邊溫度信息進行采集和發(fā)送，在此過程中會消耗能量，所以使得電壓突然下降到960 mV，接著進入睡眠模式，然后在之后的13 ms期間內(nèi)電壓會再次慢慢上升到1.18 V，并一直重復(fù)這個過程。

圖9 MPPT電路升壓轉(zhuǎn)換電壓

4.3 主要性能對比

表1為本文所設(shè)計的環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)主要性能參數(shù)與相關(guān)文獻的對比，本文以超級大電容和升壓變換器為主的升壓結(jié)構(gòu)來設(shè)計功率管理模塊，用于對溫度傳感器提供能量；MPPT電路結(jié)構(gòu)在輸出電壓小于2.2 V的情況下可以實現(xiàn)90.3%的電壓轉(zhuǎn)換，比文獻[22]轉(zhuǎn)換效率高12%～29%，是文獻[24]轉(zhuǎn)換效率的5.7倍左右；同時相比于其他由MFC供能的無線傳感器系統(tǒng)，本文所設(shè)計的環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了MPPT功能，從MFC中捕獲功率最大值為2 554 mW/m2，這有助于實現(xiàn)對微生物能源的有效利用。

表1 主要性能對比

5 結(jié) 論

針對目前MFC能量收集系統(tǒng)存在的MFC工作效率低、電壓轉(zhuǎn)換效率不高、功率管理不合理等問題，本文對MFC供電的環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)進行了整體設(shè)計，借助現(xiàn)有芯片模塊，設(shè)計相應(yīng)的能量收集電路來完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，環(huán)境溫度傳感系統(tǒng)的功率管理模塊采用2級升壓轉(zhuǎn)換并分級管理的方法，實現(xiàn)了MPPT功能，提高了MFC的工作效率。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)成功將MFC電壓先后升壓到1.1和3.5 V，將MFC輸出電壓控制在最大功率點處316～390 mV，并對無線通信模塊進行了供電，成功實現(xiàn)每13 ms對環(huán)境溫度信息進行一次采集，并將環(huán)境溫度信息發(fā)送到電端。與已有溫度傳感系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)實現(xiàn)了由MFC可靠持續(xù)地為傳感器節(jié)點自主供電，同時能量收集電路實現(xiàn)了最大功率點跟蹤功能，為研究MFC主動式能量收集提供了參考。

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Design of wireless temperature sensing system powered by mcrobial fuel cell

Luo Zhicong1,2, Wang Shuai1,2, Tang Jiahuan3, Li JingHu4, Ye Dapeng1,2※

(1.,,350002,; 2.,350002; 3.,,350002; 4.,,350002;)

With the modernization of agriculture and social informatization, the internet of things (IoT) and the wireless sensor network (WSN) are widely used in the agricultural application. The sensor nodes play important roles in IoT and WSN system, which have strict requirements on the battery. In the traditional scheme, WSN is powered by the lithium battery or solar panel. It is very hard to recharge the lithium battery in the wild, while the solar panel is greatly limited by the environment. It brings great challenge to the power supply of sensor nodes. The microbial full cell (MFC) is one of the most promising renewable energy, which can be used for the self-power supply of the sensors in real application. MFC uses microbes as biocatalysts, which can transform carbohydrates into electrical energy. In order to improve the efficiency of MFC, lots research has been done. The maximum power output of MFC has been gradually improved. However, the output open-circuit voltage of MFC is low，about 0.7 V, and the internal resistance is large, so it is impossible to ensure the MFC working at the maximum power point. Based on the polarization curve and output power density of the MFC reactor, a power management module is designed to improve the efficiency of MFC in this paper. The output power management module consists of an energy harvesting circuit and a secondary booster circuit. The energy harvesting circuit consists of a DC-DC converter, hysteresis compactors (ADCMP609 and 74HC32) and a large capacitor, which has a function of the maximum power point tracking (MPPT). The circuit can boost the output voltage of MFC at the maximum power point, which improves the system energy conversion efficiency. The secondary booster circuit consists of an Ener Chip energy processor (CBC915), a charge pump (IC S882Z24), an Ener Chip solid state battery module (CBC51100). The secondary booster circuit can improve the voltage on the large capacitor connected with the output of the energy collection circuit and the working voltage of the wireless temperature sensor, and provide a stable power supply for the next stage circuit. The wireless temperature monitor system is powered by the proposed power management module. MSP430 and CC2500 chips are used in the temperature monitor system to collect the environmental temperature and send the real-time temperature data to the remote terminal. The measured results show that the output voltage of MFC in the system is maintained in the range from 316 to 390 mV, and the function of maximum power point tracking is realized. The output voltage of the energy harvesting circuit and the secondary booster circuit are 1.1 and 3.5 V, respectively. By using MFC as the power supply, the wireless temperature sensors deliver the environment temperature data to the remote terminal at a period of 13 ms. The proposed energy harvesting circuit for MFC with MPPT function provides an innovative solution to solve the problem of the power supply for sensor nodes, and has great potential in agricultural environmental monitoring system.

sensors; design; agricultural informatization; microbial full cells; maximum power point tracking

2019-01-18

2019-03-02

福建省自然科學(xué)基金（2018J01533）；福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JAT160156）；福建省高峰高原學(xué)科項目（712018014）；海峽博士后交流資助計劃

羅志聰，博士，副教授，主要從事生物電子集成電路設(shè)計、智能傳感檢測系統(tǒng)等方面的研究。Email：zcl@fafu.edu.cn

葉大鵬，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境檢測與控制、農(nóng)業(yè)技術(shù)與智能機械等方面的研究。Email：ydp@fafu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.025

TM 343

A

1002-6819(2019)-12-0209-08

羅志聰，王 帥，唐家桓，李景虎，葉大鵬. 基于微生物燃料電池供能的無線溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(12)：209－216. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.025 http://www.tcsae.org

Luo Zhicong, Wang Shuai, Tang Jiahuan, Li JingHu, Ye Dapeng. Design of wireless temperature sensing system powered by mcrobial fuel cell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 209－216. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.025 http://www.tcsae.org