張燠詩，韓瑞瑞，趙 洲，田雨欣

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

中國作為農(nóng)業(yè)大國，高效的農(nóng)田廣域空間信息采集、高可靠度數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、面向不同應(yīng)用的智慧決策及管理等，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、精細(xì)化及智慧化的重要途徑。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，通過安裝無線傳感器實現(xiàn)信息的監(jiān)測和實時傳輸?shù)姆绞揭褟V泛地運用到了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。但是由于農(nóng)業(yè)環(huán)境下無線傳感器節(jié)點存在單節(jié)點耗能低、規(guī)模大、持續(xù)時間長、電纜敷設(shè)困難等問題，對電池供電系統(tǒng)方案設(shè)計提出更高的要求。合理分配和利用農(nóng)田周圍環(huán)境的各種自然微能量，進(jìn)行高效收集并存儲，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有可持續(xù)的自主供電能力，是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下信息獲取的重要途徑。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本研究所設(shè)計的一體化混合微能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括電能轉(zhuǎn)換單元、混合能量管理電路以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分。其中電能轉(zhuǎn)換單元包括：能量采集裝置和能量轉(zhuǎn)換模塊。能量轉(zhuǎn)換裝置負(fù)責(zé)根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境下太陽能、土壤溫差能和風(fēng)能三種能量特性進(jìn)行相應(yīng)選擇，實現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換；能量轉(zhuǎn)換模塊包含DC/DC升壓模塊和整流電路以及用于實現(xiàn)能量源的最大功率點跟蹤的MPPT電路，該模塊的功能是將收集的環(huán)境微能量轉(zhuǎn)換為電能。混合能量管理電路包括：能量管理模塊和儲能裝置。能量管理模塊由穩(wěn)壓電路、比較電路和開關(guān)切換電路組成，主要作用是控制主/副電源線路的接通/斷開和解決阻抗匹配問題；儲能裝置是超級電容和鋰電池混合儲能系統(tǒng)?；谔镩g環(huán)境的微能量特征，整個供電裝置將太陽能光伏發(fā)電作為主能源向傳感器節(jié)點供電并向鋰電池充電，溫差發(fā)電與風(fēng)能發(fā)電為輔助電源向超級電容充電。保證整個系統(tǒng)在傳感器節(jié)點正常工作的同時，高效地將能量進(jìn)行存儲利用，以提高供電可靠性并延長節(jié)點壽命。

圖1 一體化混合微能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 能量采集裝置設(shè)計

2.1 太陽能電池組設(shè)計

在農(nóng)田環(huán)境中，光伏太陽能在三種微能量中能級最大，輸出電壓與功率較大，可作為主供電線路為無線傳感器節(jié)點供電。太陽能電池組基本單元選定型號為KMS-03的太陽能板，大小為230 mm×170 mm×23 mm，其峰值電流為0.28 A，峰值電壓為7.5 V，標(biāo)準(zhǔn)功率為3 W。若充電時間按平均每天日照時間為4 h計算，單塊太陽能板的功率為3 W，則超級電容器的充電效率可達(dá)90%。其中負(fù)載工作電壓為5 V，工作電流為0.03 A，日工作時間為24 h，則單個太陽能電池板的功率約為2.33 W，將三塊這樣的太陽能電池板并聯(lián)便能組成一個功率約為7 W的太陽能電池組。

2.2 土壤溫差發(fā)電裝置設(shè)計

在太陽能和地?zé)岬墓餐饔孟?，土壤就是一個巨大的天然熱能儲備體。為了將熱量從土壤中高效率傳輸?shù)降乇硪陨?，本文選用重力熱管進(jìn)行導(dǎo)熱。最終土壤溫差能量采集裝置主要包括：8個熱電溫差發(fā)電片（TEG）和1個恒溫型重力熱管（2 000 mm×40 mm）。溫差發(fā)電片的型號選擇商用TG 12-8，其物理尺寸為5 mm×40 mm，恒溫型重力熱管的埋設(shè)深度為2.2 m。測得當(dāng)溫差的取值范圍為0～25 ℃時，輸出電壓約為0～365 mV，輸出電功率約為0～1.17 mW。

2.3 風(fēng)能采集裝置設(shè)計

基于對農(nóng)田環(huán)境中農(nóng)作物規(guī)律種植、行間風(fēng)速較大等特點的考量，選用微型風(fēng)能收集器中效率更高且體積更小的風(fēng)致振動式裝置。為了提高風(fēng)能采集效率，受口琴結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計了帶諧振腔的壓電式風(fēng)能采集器。諧振腔的內(nèi)部尺寸為62 mm×19.6 mm×10 mm。壓電梁選用Piezo Systems公司的T215-H4-203Y壓電片。壓電復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的上、下層采用壓電PZT-5H材料，兩個壓電層是并聯(lián)電學(xué)結(jié)構(gòu)，中間金屬層（銅）作為上、下兩壓電層的公共電極壓電層，厚度為139 μm。柔性梁采用PET材料，通過AB膠將柔性梁和壓電復(fù)合梁粘接固定。懸臂梁總長為38 mm，略小于諧振腔頂部的開口長度，它的寬度略小于諧振器出風(fēng)口的寬度。

3 混合能量收集系統(tǒng)設(shè)計

光伏太陽能可以等效為理想電流源，由于其具有輸出響應(yīng)較大、受光照影響大而缺乏穩(wěn)定性的特點，本混合能量收集裝置增加了土壤溫差能和風(fēng)能來補充供電，以提高供電的穩(wěn)定性和持久性。土壤溫差熱電能和微型風(fēng)能可以等效為理想電壓源，與光伏太陽能的電源特性不同，在輸出特性上能起到互補的作用。為避免不同電源特性導(dǎo)致的阻抗不匹配，在能量轉(zhuǎn)換模塊中針對太陽能單獨選用一種DC/DC降壓模塊，針對風(fēng)能和土壤溫差能選用同一種DC/DC降壓模塊；同時由于兩者電能轉(zhuǎn)換效應(yīng)存在較大差異，需要選用不同的MPPT電路以保證收集功率和效率最大化；能量管理模塊中設(shè)計開關(guān)切換電路和比較電路，以解決系統(tǒng)內(nèi)部阻抗不匹配問題，并實現(xiàn)與下一級儲能裝置間的高效銜接。整個混合能量收集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 混合能量收集系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1 能量轉(zhuǎn)換模塊

考慮到光伏太陽能的輸出響應(yīng)受環(huán)境的影響很大、土壤溫差熱電能和微型風(fēng)能的輸出功率比較穩(wěn)定但又較為微弱的特點，本文選用了TI公司的BQ25504芯片，如圖3所示。該芯片用于具有電池管理功能的能量收集器的超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行毫微功耗管理。BQ25504芯片以不連續(xù)導(dǎo)通模式運行，它的最大功率點跟蹤功能操作取決于開路電壓的采樣值，升壓轉(zhuǎn)換器通過將VIN引腳檢測到的輸入電壓調(diào)節(jié)到采樣參考電壓值（在VREF_SAMP引腳上存儲），能間接調(diào)節(jié)升壓充電器的輸入阻抗，實現(xiàn)最大功率點跟蹤功能。

圖3 BQ25504芯片原理

3.2 能量管理模塊

能量管理模塊的主要工作過程是：當(dāng)太陽光照充足時，太陽能光伏電池通過穩(wěn)壓電路為無線傳感器節(jié)點直接供電，并將多余的能量存儲到鋰離子電池中。溫差發(fā)電并聯(lián)微型風(fēng)力發(fā)電輸出的電能直接向超級電容器充電，當(dāng)超級電容器中電量增多，其兩端的電壓會不斷升高。電壓達(dá)到高閾值電壓時，開關(guān)切換電路1接通，讓單片機(jī)電路控制開關(guān)切換電路2接通，使超級電容器開始放電，即通過超級電容器放電為傳感器節(jié)點供電，并向鋰離子電池充電。超級電容器兩端電壓降低到低閾值電壓時，開關(guān)切換電路1將斷開，單片機(jī)電路停止工作，進(jìn)而開關(guān)切換電路2斷開，超級電容器停止放電，整個能量管理系統(tǒng)回到最初的工作狀態(tài)。當(dāng)太陽能光伏電池輸出的電壓非常低時（比如晚上或陰天），土壤溫差發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電能持續(xù)穩(wěn)定地向超級電容器充電，同時鋰離子電池中存儲的能量也能為無線傳感器節(jié)點供電。能量管理系統(tǒng)上的單片機(jī)還采用了低功耗的能量管理策略，也就是只有在超級電容器放電的時間里單片機(jī)才開始工作，這能夠極大地降低整個系統(tǒng)的能耗，增加無線傳感器節(jié)點的連續(xù)工作時間。

基于上述原理，選擇了LTC3588-1芯片用于穩(wěn)壓電路并選擇LTC4071芯片用于充電和保護(hù)鋰離子電池以免于過充電或過放電。同時，LTC4071芯片將LTC3588-1芯片的VIN調(diào)節(jié)至3.3 V穩(wěn)壓輸出（ADJ引腳懸空），實現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)定供電，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路原理

開關(guān)切換電路選擇以電子多路復(fù)用器TS5A3154芯片為核心的電路，該芯片是單通道2比1多路復(fù)用器，也就是單刀雙擲模擬開關(guān)。開關(guān)工作狀態(tài)為先斷后合，在開啟新的連接之前會先斷開原有連接，提高輸出穩(wěn)定性，同時可以提供高效的低導(dǎo)通電阻（0.9 Ω）與通道間導(dǎo)通電阻匹配，具有出色的總諧波失真性能且功耗極低，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。比較電路采用電壓比較器。

圖5 開關(guān)切換電路原理

4 結(jié) 語

為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的可靠供電，本文設(shè)計了一種一體化混合能量收集裝置。該裝置以太陽能為主電源、土壤溫差熱能和風(fēng)能為輔助電源向傳感器節(jié)點供電?；诟髂芰刻匦栽O(shè)計了相應(yīng)的能量采集裝置，各能量源收集裝置分別使用獨立的BQ25504芯片實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和最大功率點跟蹤，使得各自能量輸出功率最優(yōu)化，再將各輸出并聯(lián)外接一個電能管理電路進(jìn)行能量管理；設(shè)計了開關(guān)切換電路和比較電路解決了由于不同能源特性存在差異而引起的阻抗不匹配問題；同時通過結(jié)合鋰離子電池和超級電容器的混合儲能系統(tǒng)，達(dá)到利用不穩(wěn)定、非連續(xù)的混合環(huán)境能量持續(xù)穩(wěn)定地為傳感器節(jié)點供電的目的。

整個混合能量收集系統(tǒng)基本實現(xiàn)高效收集和管理三種環(huán)境微能量，不僅可以有效提高系統(tǒng)供電的可靠性和對環(huán)境的適應(yīng)能力，還能大大縮小傳統(tǒng)系統(tǒng)的尺寸，降低人工成本。