李麗雅，林 濤,2，韓鳳琴，蔡海城

（1.廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著5G與北斗星鏈技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成為“新基建”的重要目標(biāo)。無(wú)線傳感器終端為物聯(lián)網(wǎng)感知層，通常面臨無(wú)人值守、無(wú)可靠電源應(yīng)用場(chǎng)景等局面，其電源的穩(wěn)定性與持續(xù)性是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。傳感器終端采用一次電池或二次電池進(jìn)行供電，雖能解決電源問(wèn)題，但面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)龐大的傳感器終端，頻繁更換電池將造成資源浪費(fèi)并增加人工成本，影響傳感器工作的穩(wěn)定性。采用自供電技術(shù)，從環(huán)境中捕獲能量并轉(zhuǎn)化成電能為傳感器終端供電已成為研究熱點(diǎn)，其能量來(lái)源主要有光、振動(dòng)、電磁場(chǎng)、溫度等。自供電能量采集技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了無(wú)線傳感器終端及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。隨著智慧城市的建設(shè)，智能交通是關(guān)鍵，而大型城市的停車與車位管理難題均可采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加以解決，因此保障物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器終端的用能穩(wěn)定性是研究的重點(diǎn)。Chandra Kiran B開(kāi)發(fā)的SFpark項(xiàng)目因傳感器電池老化影響停車位信息；蘇世雄等通過(guò)設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能停車管理系統(tǒng)，減少用戶停車時(shí)間，提高車位利用率，但系統(tǒng)功耗較大。本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了低功耗自供電終端模塊，可通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換能量采集器采集環(huán)境能量，保障傳感器終端用能的穩(wěn)定性。搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)自供電終端模塊的功耗以及穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

自供電智能停車終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量采集模塊利用與環(huán)境的溫差發(fā)電，經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路后為終端提供電能的同時(shí)將多余的電能通過(guò)蓄電元件儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊收集車位使用狀態(tài)信息，通過(guò)STM32單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，控制通信模塊進(jìn)行信息傳輸。數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊采用QMC5883L芯片，信息傳遞模塊選擇ESP-12S，借助WiFi對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與接收。單片機(jī)的串口1和串口6分別與QMC5883L和ESP-12S通信。

圖1 自供電智能停車終端結(jié)構(gòu)

1.2 電源轉(zhuǎn)換電路

能量采集模塊基于熱電轉(zhuǎn)換組件開(kāi)發(fā)，但由于環(huán)境溫度存在季節(jié)性和晝夜性變化，夏天和白天時(shí)地表環(huán)境溫度較大氣環(huán)境溫度低，冬天和夜晚時(shí)地表環(huán)境溫度較大氣環(huán)境溫度高。熱電轉(zhuǎn)換組件在季節(jié)和晝夜變換時(shí)由于冷熱端的變化而引起輸出電壓方向的變化且輸出電壓較低，為保障終端用能的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)如圖2所示的轉(zhuǎn)換電路框圖，轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)

圖3 轉(zhuǎn)換電路

能量采集器的輸出電壓高于3.4 V時(shí)，通過(guò)SX1302升壓電路將經(jīng)過(guò)整流器的電壓提升到5.1～5.2 V，通過(guò)二極管避免二次電池反向輸出，經(jīng)過(guò)二極管降壓后，TP4056鋰離子電池充電電路將電壓穩(wěn)定于3.7～4.2 V，二次電池充電，此充電電壓可根據(jù)電池充電電壓調(diào)整，最后AMS1117CD電路將電壓穩(wěn)于3.3 V給終端供電。當(dāng)電壓較低時(shí)，通過(guò)ME2108A33PG升壓電路將低電壓直接抬升到3.3 V給終端供電。理論上，當(dāng)半導(dǎo)體兩端溫差較大時(shí)，通過(guò)整流器后的電壓高于1.7 V時(shí)，可以同時(shí)啟動(dòng)方案一與方案二給終端供電；通過(guò)整流器后的電壓無(wú)法達(dá)到1.7 V時(shí)，啟動(dòng)方案二給終端供電；當(dāng)發(fā)電量滿足終端供電需求時(shí)，可通過(guò)方案一給電池充電；發(fā)電電壓為0時(shí)，電池單獨(dú)供電。

2 自供電模塊的測(cè)試

在終端正常工作狀況下，使用電能監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，終端待機(jī)功耗為10 mW，當(dāng)車輛駛?cè)腭偝?，終端發(fā)送接收信號(hào)過(guò)程功耗在21～42 mW范圍內(nèi)波動(dòng)。選擇TEG1-12706型號(hào)的熱電轉(zhuǎn)換單體作為研究對(duì)象，熱電轉(zhuǎn)換單體TEG1-12706主要參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 熱電轉(zhuǎn)換單體TEG1-12706主要參數(shù)

2.1 熱電轉(zhuǎn)換組件性能測(cè)試

熱電轉(zhuǎn)換組件基于塞貝克效應(yīng)，當(dāng)熱電轉(zhuǎn)換組件兩端存在溫差時(shí)就能產(chǎn)生電勢(shì)差，其表達(dá)式如（1）所示。實(shí)驗(yàn)中，分別將熱電轉(zhuǎn)換組件冷端溫度設(shè)置為5 ℃、16 ℃和30 ℃，通過(guò)改變熱端溫度形成有效溫度差。由圖4可知，能量采集模塊的輸出功率主要影響因素為有效溫差，冷端的溫度值對(duì)輸出開(kāi)路電壓影響較小。

圖4 熱電轉(zhuǎn)換組件輸出電壓與溫差的關(guān)系

式中：賽貝克電壓的單位符號(hào)為；接口溫度和的單位符號(hào)為K；與兩種材料的相對(duì)賽貝克系數(shù)α=|α-α|的單位符號(hào)為V/K，當(dāng)、材料接觸面的溫差?=較小時(shí)，賽貝克系數(shù)α可近似為常數(shù)，當(dāng)、材料接觸面的溫差?=-較大時(shí)，可用表達(dá)式（2）表示。

由此可見(jiàn)，賽貝克系數(shù)α可表征賽貝克效應(yīng)的大小，α越大，在同等溫差下其賽貝克電壓越大。

2.2 終端模塊的功耗測(cè)試

終端模塊的功耗測(cè)試平臺(tái)如圖5所示，包括P100F恒溫加熱臺(tái)，HX-1050恒溫循環(huán)器。將單片TEG1-12706熱電轉(zhuǎn)換組件固定于恒溫加熱臺(tái)與恒溫循環(huán)器水冷片之間并進(jìn)行測(cè)試。

圖5 終端模塊的功耗測(cè)試平臺(tái)

不同溫差下終端的工作狀態(tài)見(jiàn)表2所列。當(dāng)有效溫差為0 ℃時(shí)，能量采集器輸出電壓為0 V，由電池單獨(dú)給終端供電；當(dāng)有效溫差達(dá)到52 ℃時(shí)，供應(yīng)電能為8.9 mW，通過(guò)方案二和電池放電給終端供電；當(dāng)有效溫差為54 ℃時(shí)，供應(yīng)電能為10.8 mW，能夠滿足終端的待機(jī)耗電量且此時(shí)電池可以處于不工作狀態(tài)；當(dāng)有效溫差為60～68 ℃時(shí)，供應(yīng)電能在21.1～43 mW，能夠滿足終端在工作時(shí)的耗電量且此時(shí)電池為放電或者處于不工作狀態(tài)；當(dāng)有效溫差超過(guò)110 ℃時(shí)，整流器輸出電壓為1.761 V，可以啟動(dòng)方案一給終端供電并給二次電池充電。以上情況的供電功率都大于終端功耗，可以滿足終端供電要求。

表2 不同溫差下終端的工作狀態(tài)

3 結(jié) 語(yǔ)

基于STM32芯片開(kāi)發(fā)的檢測(cè)終端功能齊全；高精度磁場(chǎng)傳感器QMC5883L可對(duì)停車位的使用情況進(jìn)行3軸方向檢測(cè)；ESP-12S模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，終端待機(jī)功耗為10 mW，終端工作功耗為21～42 mW。同時(shí)，利用環(huán)境溫度，選擇TEG1-12706半導(dǎo)體作為能量采集模塊，經(jīng)過(guò)供電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)有效溫差為0 ℃時(shí)，電池單獨(dú)給終端供電；當(dāng)有效溫差為52 ℃時(shí)，供給電能達(dá)不到終端待機(jī)功耗時(shí)，可以結(jié)合電池放電給終端供電；有效溫度為54 ℃時(shí)，供應(yīng)電能為10.8 mW，滿足終端待機(jī)功耗；有效溫度為60～68 ℃時(shí)，供應(yīng)電能為21.1～43 mW，滿足終端工作功耗需求，兩種電路方案均可滿足不同環(huán)境下的供電需求，保證終端穩(wěn)定工作。