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        基于風能收集的自供電無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計

        2020-12-28 04:16:48黎水平程家豪
        數(shù)字制造科學 2020年4期

        黎水平,程家豪

        (武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070)

        無線傳感器網(wǎng)絡由于具備低功耗、自組織和可分布式特點逐漸被廣泛用于軍事、工業(yè)以及民用領域[1-3]。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般使用電池進行供電,但由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點往往布置在環(huán)境比較惡劣、人員難以到達的地區(qū),因此使用電池供電存在更換困難的問題,并且廢棄的電池容易造成環(huán)境污染。一般通過收集如機械能(振動能、風能等)、太陽能、熱能等環(huán)境能源作為電池的替代方案來解決電池供電帶來的一系列問題[4]。

        筆者提出了一種基于風能收集的自供電無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計方案。設計了一種微型風能收集器,采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)作為換能裝置。由于微型風能收集器無法直接給無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電,設計了一種基于并聯(lián)同步開關電感電路和MAX1672穩(wěn)壓芯片的能量管理電路。采用CC2530為控制芯片、SHT20為溫濕度傳感器,設計了一種具備溫濕度監(jiān)測功能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,并以所設計的風能收集器和能量管理電路作為供電電源進行了測試,驗證了所提出的自供電無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計方案的可行性。

        1 風能收集器結(jié)構(gòu)設計

        根據(jù)現(xiàn)有的Savonius型風力發(fā)電機研究成果[5],設計了一種微型風能收集器,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當有風吹向風能收集器時,Savonius型風輪會開始轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的Savonius型風輪通過旋轉(zhuǎn)軸將風的作用力傳遞到撥片上,從而使得撥片和Savonius型風輪同步轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的撥片會擊打固定在圓形底座周圍的壓電懸臂梁,迫使壓電懸臂梁產(chǎn)生彎曲振動,從而使得壓電片產(chǎn)生形變。由于壓電片的正壓電效應,在壓電片的兩邊表面會產(chǎn)生電壓。

        圖1 風能收集器結(jié)構(gòu)圖

        風能收集器的壓電換能裝置采用的是壓電并聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu),壓電陶瓷片分布在磷青銅基板上下兩個表面,兩個表面上的壓電陶瓷片采用并聯(lián)方式進行連接,如圖2所示。相比于壓電單晶懸臂梁結(jié)構(gòu),壓電雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)輸出功率更大。而相比于壓電串聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu),雖然它們輸出功率相同,但是壓電并聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)的輸出電流是壓電串聯(lián)雙晶結(jié)構(gòu)的兩倍[6]。由于壓電片內(nèi)阻比較大,達到兆歐級別[7],輸出電流非常小,因此需要通過采用并聯(lián)連接方式提高輸出電流,從而加快儲能單元的充電速度。

        圖2 壓電并聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)

        2 能量管理電路設計

        由于所設計的風能收集器輸出的是交流電,不能直接給無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電,因此需要設計能量收集接口電路進行整流。另外,由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要3.3 V的供電電壓,因此還需要設計穩(wěn)壓電路使得輸出電壓為3.3 V。此外,由于風能收集器的實時輸出功率非常小,不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的功耗要求,需要將風能收集器的輸出能量進行存儲[8]。

        能量收集接口電路采用的是并聯(lián)同步開關電感電路,主要由最大位移開關電路、最小位移開關電路和二極管整流橋組成,具體電路如圖3所示。最大位移開關電路由包含R1、D1、C1的檢波器、比較器Q1和開關Q2組成,最小位移開關電路由包含R2、D2、C2的檢波器、比較器Q4和開關Q3組成。最大位移開關電路工作原理是通過檢波器中的C1跟隨壓電元件的輸出電壓,由于檢波器中的R1和D1存在壓降使得C1兩端的電壓小于壓電元件的輸出電壓,因此Q1的發(fā)射極電壓小于基極電壓,Q1處于截止狀態(tài),進一步導致Q2也處于截止狀態(tài)。當壓電元件振動位移到達最大值并開始減小時,壓電元件的輸出電壓也會開始減小,由于電容放電速度慢,因此此時C1上的電壓保持不變,Q1的發(fā)射極電壓會比基極電壓高,從而使得Q1處于飽和狀態(tài),既而使得Q2也處于飽和狀態(tài),最終實現(xiàn)了在壓電元件振動位移達到最大值時并聯(lián)一個電感至壓電元件和二極管整流橋之間。最小位移開關電路工作原理與之類似,只是最小位移開關電路是在壓電元件振動位移達到最小值時并聯(lián)一個電感至壓電元件和二極管整流橋之間,具體實現(xiàn)原理這里不再詳述。當最大位移開關電路或最小位移開關電路的開關器件處于飽和狀態(tài)即導通時,L1會和壓電元件的自身耦合電容形成LC振蕩電路,從而實現(xiàn)壓電元件輸出電壓的翻轉(zhuǎn)。通過在壓電元件振動位移到達極值時翻轉(zhuǎn)輸出電壓,并聯(lián)同步開關電感電路實現(xiàn)了比標準能量收集電路更高的能量收集效率。

        圖3 能量收集接口電路

        穩(wěn)壓電路采用的是Maxim公司推出的MAX1672穩(wěn)壓芯片,具體電路如圖4所示。MAX1672可以提供升壓和降壓轉(zhuǎn)換,內(nèi)部集成了一個升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和一個線性穩(wěn)壓器。支持1.8~11 V的輸入電壓,具備3.3 V和5 V的預置輸出電壓。輸出電壓也可以通過外接兩個電阻進行設置,可以設置的范圍為1.25~5.5 V,圖4中設置的輸出電壓為3.3 V。輸出電流在輸入電壓大于1.8 V時為150 mA,在輸入電壓大于2.5 V時為300 mA。靜態(tài)電流低至85 uA,在邏輯控制關斷模式下可進一步降低至0.1 uA。MAX1672芯片內(nèi)部有一個用于低電壓檢測的比較器,可以通過調(diào)節(jié)圖4中的R3和R4設置低電壓檢測閾值,圖4中設置的低電壓檢測閾值為2.1 V。

        圖4 穩(wěn)壓電路

        目前,用于能量存儲的元件主要有普通電容、鋰電池和超級電容[9]。普通電容容量較低且能量衰減比較快,鋰電池需要過充保護且安全性較差,而超級電容充電速度快、使用壽命長且安全性高。因此選擇超級電容作為所設計的風能收集器的儲能元件,容值為0.022 F。

        3 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計

        所設計的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要由風能收集器、能量管理電路、能量存儲單元、傳感器模塊、微處理器模塊和無線射頻模塊組成,如圖5所示。

        微處理器模塊采用的是TI公司推出的第二代ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2530[10],其內(nèi)嵌了一個高性能低功耗的8051內(nèi)核,工作電壓的典型值為3.3 V。并且,CC2530具有2個USART、1個8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC、4個定時器、1個睡眠定時器以及21個可編程I/O引腳等外設,能

        圖5 自供電無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成

        夠滿足大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡設計需求。為了降低節(jié)點的功耗和體積,無線射頻模塊采用的是CC2530內(nèi)部集成的無線射頻收發(fā)器。該射頻收發(fā)器支持IEEE 802.15.4標準,工作頻率為2.4 GHz,傳輸距離可達1 000 m,具備良好的無線接收靈敏度和較強的抗干擾性。圖6為基于CC2530的控制與射頻電路。

        圖6 基于CC2530的控制與射頻電路

        傳感器模塊選用的是瑞士Sensirion公司推出的低功耗數(shù)字溫濕度傳感器SHT20。SHT20支持2.1~3.6 V的工作電壓,休眠狀態(tài)下功耗低至0.5 uW,測量狀態(tài)下功耗為0.9 mW。將分辨率設置為8~14 bit,相比于前代的溫濕度傳感器如SHT11,在測量準確性和可靠性方面都得到了提升。它采用IIC進行數(shù)據(jù)通信,抗干擾性強。圖7為以SHT20為核心的溫濕度測量電路。

        圖7 SHT20溫濕度傳感器電路

        4 實驗結(jié)果分析

        通過3D打印技術制作了風能收集器實物,如圖8所示。其中,風能收集器的壓電換能裝置參數(shù)如表1所示。實驗測得風能收集器的輸出電壓、輸出功率和風速的關系曲線如圖9所示,風能收集器的輸出功率和負載電阻之間的關系曲線如圖10所示。從圖9和圖10可知,風能收集器的啟動風速為3 m/s,最佳負載為30 kΩ,在匹配電阻下的最大輸出功率為220 uW。

        圖8 風能收集器實物

        表1 壓電懸臂梁參數(shù)

        圖9 風能收集器的輸出與風速關系

        圖10 風能收集器輸出與負載關系

        圖11 能量管理電路實物

        圖12 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實物

        圖11為制作的能量管理電路實物,圖12為設計的溫濕度無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實物。使用該節(jié)點搭建了一套無線傳感器網(wǎng)絡溫濕度監(jiān)測系統(tǒng),該節(jié)點在監(jiān)測系統(tǒng)中負責將節(jié)點拓撲數(shù)據(jù)和監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)分別按照表2和表3的通信格式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。對節(jié)點的功耗進行測試,結(jié)果表明:節(jié)點在正常工作時消耗的電流為8.72 mA,在發(fā)送數(shù)據(jù)時消耗的電流為32.73 mA,在進入休眠狀態(tài)時消耗的電流為1 uA。設置無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送周期為90 s,使用所設計的風能收集器進行供電,實驗結(jié)果表明:無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能夠達到能量平衡狀態(tài),可以正常工作。

        表2 節(jié)點拓撲數(shù)據(jù)通信格式 字節(jié)

        表3 節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)通信格式 字節(jié)

        5 結(jié)論

        筆者提出了一種基于風能收集的自供電無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計方案,設計了微型壓電式風能收集器和能量管理電路,取代了傳統(tǒng)的電池給無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電,有效解決了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點面臨的供電難題。實驗結(jié)果表明,所設計的自供電無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在以90 s間隔發(fā)送數(shù)據(jù)時,能夠長時間正常工作。

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