張揚(yáng)銘寧景苑朱潤(rùn)浩易曉梅郜園園惠國(guó)華*吳 鵬

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，林業(yè)感知技術(shù)與智能裝備國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300)

近年來(lái)，電子信息技術(shù)領(lǐng)域的研究不斷取得進(jìn)展，有關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、傳輸?shù)臒o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步，并廣泛應(yīng)用于林業(yè)[1-3]、農(nóng)業(yè)[4-6]、醫(yī)學(xué)[7-8]等方面。而隨著智慧城市建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，更多基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究也被應(yīng)用到城市管理中，文獻(xiàn)[9]使用ZigBee技術(shù)研究并設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)，并使用壓縮感知技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸，顯著降低了數(shù)據(jù)傳輸量；文獻(xiàn)[10]將物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，提出并設(shè)計(jì)了對(duì)城市路燈進(jìn)行智能化管理的方案，讓路燈能夠?qū)π熊?chē)、行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并做出反饋；文獻(xiàn)[11]針對(duì)城市水質(zhì)問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種自主式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，利用LoRa技術(shù)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行布局，使用者可以通過(guò)瀏覽系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)或使用Android手機(jī)接收短信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市水質(zhì)的高質(zhì)量檢測(cè)；但同時(shí)，大部分無(wú)線傳感器的供電方式仍為電池，其使用壽命和儲(chǔ)存的能量有限，維護(hù)和更換耗時(shí)耗力，同時(shí)還有可能因?yàn)殡姵匾盒孤┑仍驅(qū)Νh(huán)境造成污染。因此，環(huán)境能量搜集技術(shù)作為解決這些問(wèn)題的一種重要方案，受到了人們的廣泛關(guān)注，通過(guò)將自然界的太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、潮汐能等進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即為環(huán)境能量搜集技術(shù)。

太陽(yáng)能在自然環(huán)境中能量密度較大，可達(dá)到100 mW/cm2[12]，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于太陽(yáng)能收集技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，文獻(xiàn)[13]基于光的波動(dòng)性，提出了一種可以收集太陽(yáng)能的螺旋結(jié)構(gòu)納米天線，在400 nm～1 600 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有超過(guò)70%的總輻射效率。為了使太陽(yáng)全天能被高效收集，文獻(xiàn)[14]提出了一種針對(duì)太陽(yáng)能電池板的角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用陽(yáng)光方位傳感器，在固定的時(shí)間間隔調(diào)整太陽(yáng)能板角度，使其正對(duì)陽(yáng)光，并設(shè)計(jì)了升壓電路，在光照強(qiáng)度較低的情況下使系統(tǒng)可以正常工作。文獻(xiàn)[15]制作了一種溫差發(fā)電裝置，通過(guò)使裝置內(nèi)部溫度變化始終滯后于環(huán)境溫度變化，從而實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，同時(shí)利用諧振效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種超低壓升壓變換器，將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的低壓極性電能升壓，為鋰電池充電。文獻(xiàn)[16]針對(duì)壓電流體發(fā)電機(jī)存在的弊端，如壓電振子對(duì)于環(huán)境變化適應(yīng)性差、可靠性低等，設(shè)計(jì)并搭建了一種風(fēng)力壓電機(jī)，該裝置利用圓柱殼體實(shí)現(xiàn)壓電振子的單向彎曲，減輕流體對(duì)于壓電振子的直接沖擊。

夜間及陰雨天等環(huán)境會(huì)對(duì)太陽(yáng)能收集產(chǎn)生影響；而熱能雖然在自然環(huán)境中能量密度較低，但是通過(guò)溫差發(fā)電及振動(dòng)發(fā)電可以穩(wěn)定地將熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出，以此彌補(bǔ)缺少光照條件下所能搜集的總能量，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。綜上所述，本文提出了一種基于能量自搜集的智慧城市無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)共分為能量采集模塊、能量管理模塊、無(wú)線通信模塊，其中能量采集模塊將系統(tǒng)所處環(huán)境中的太陽(yáng)能與熱能通過(guò)太陽(yáng)能電池板、溫差發(fā)電片、壓電陶瓷等低壓輸出采集器進(jìn)行能量采集；能量管理模塊將采集到的能量轉(zhuǎn)換為電能并儲(chǔ)存，同時(shí)為無(wú)線通信模塊供電；無(wú)線通信模塊將傳感器接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸給終端，并針對(duì)異常情況發(fā)送警報(bào)信息。

本文根據(jù)能量自搜集的理論基礎(chǔ)，分別針對(duì)不同種類(lèi)的能量進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)基于能量自搜集的智慧城市無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)，最后對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

1 能量自搜集無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光能搜集原理

太陽(yáng)能發(fā)電主要包括光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種形式，本文介紹的系統(tǒng)采用的是光伏發(fā)電，利用光生伏特效應(yīng)，將照射到半導(dǎo)體材料上的光能轉(zhuǎn)化為直流電。光伏電池包括單晶硅、多晶硅與非晶硅光伏電池以及砷化鎵光伏電池等。

表1列出了四種光伏電池在室內(nèi)及室外光照條件下的光電轉(zhuǎn)化率[17]，由表1可知，在室內(nèi)及室外光照條件下多晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)化率都較高，同時(shí)考慮到太陽(yáng)能電池板板工作電壓須與后續(xù)相關(guān)芯片匹配，所以本文提出的系統(tǒng)選用多晶硅光伏電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

表1 不同光照條件下各種光伏電池的光電轉(zhuǎn)化率

1.2 熱能搜集原理

溫差發(fā)電主要利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換成電能。將一對(duì)P型和N型半導(dǎo)體元件結(jié)合組成一個(gè)閉合回路，如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同的溫度，則回路中將產(chǎn)生電流，稱(chēng)為熱電流，而產(chǎn)生熱電流的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)，這種由于溫差而導(dǎo)致的熱電現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。由塞貝克效應(yīng)可知，在不考慮溫差發(fā)電片內(nèi)阻時(shí)，若其熱端和冷端溫度分別為T(mén)1，T2，產(chǎn)生的電壓大小約為:

式中:α表示這對(duì)半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)，其大小與半導(dǎo)體元件的熱電特性有關(guān)，一般在數(shù)百μV/K左右[18]。

1.2 振動(dòng)能搜集原理

振動(dòng)發(fā)電的基本原理依托了壓電效應(yīng)，即對(duì)壓電材料施加了一定方向的機(jī)械力后，使其發(fā)生形變，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，材料外部的受力面和另一相對(duì)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)機(jī)械力消除，材料重新變?yōu)槌跏嫉牟粠щ姞顟B(tài)，這種現(xiàn)象屬于正壓電效應(yīng)；反之當(dāng)材料置于外電場(chǎng)中受影響產(chǎn)生形變的現(xiàn)象，則屬于逆壓電效應(yīng)。本文中采用了規(guī)格為60 mm×20 mm×0.2 mm的長(zhǎng)方形壓電陶瓷傳感器發(fā)電片PZT-5來(lái)制作壓電懸臂梁。

1.3 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的系統(tǒng)主要由能量采集模塊、能量管理模塊及無(wú)線通信模塊組成，能量采集模塊能對(duì)熱能及光能進(jìn)行收集，再通過(guò)能量管理模塊將這些能量轉(zhuǎn)化為可供無(wú)線通信模塊使用的直流電。

1.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板、溫差發(fā)電片、壓電懸臂梁將收集到的能量轉(zhuǎn)化為電能傳遞給BQ25570能量管理芯片，為超級(jí)電容或鋰電池充電，超級(jí)電容經(jīng)由升壓模塊為無(wú)線通信模塊供電，鋰電池通過(guò)連接鋰電池管理模塊為無(wú)線通信模塊供電。STC89C52單片機(jī)將傳感器收集到的數(shù)據(jù)整理打包，再通過(guò)TXD端口將這些整理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給HC-05藍(lán)牙通信模塊，由該模塊與智能手機(jī)等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信。系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

1.3.1.1 能量采集模塊設(shè)計(jì)

能量采集模塊包括一塊太陽(yáng)能電池板、一塊溫差發(fā)電片及一個(gè)壓電懸臂梁。其中太陽(yáng)能電池板選用了兩塊完全相同的、大小為60 mm×60 mm、工作電壓為2 V、工作電流為150 mA的多晶太陽(yáng)能電池板，使用1N4007整流二極管串聯(lián)而成。

溫差發(fā)電使用的是TEP1-126T200溫差發(fā)電片，該溫差發(fā)電片在使用時(shí)兩面均須安裝在平坦的表面上，冷面和熱面要均勻涂抹一層導(dǎo)熱硅脂，確保正常散熱以維持溫差及發(fā)電效率，熱面溫度最高不能超過(guò)兩百攝氏度。

振動(dòng)能收集選用PZT-5壓電陶瓷，由于該材料本身較為脆弱，沖擊稍大就將斷裂，為了對(duì)振動(dòng)能收集進(jìn)行可行性測(cè)試，制作了一個(gè)壓電懸臂梁裝置。裝置選用了尺寸為80 mm×60 mm×0.5 mm的銅質(zhì)基以及60 mm×20 mm×0.2 mm的PZT-5壓電陶瓷。首先，使用2 000目砂紙將銅質(zhì)基板的兩面打磨平滑，作為懸臂梁基板，然后將壓電陶瓷和銅質(zhì)基板保持水平放置在桌面上，將適量的環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)力膠水均勻涂抹到二者朝上的一面，隨后將二者緊密貼合，粘貼好后使用平板壓緊，將其置于通風(fēng)處晾干并至少等待24 h，之后使用兩根公母頭杜邦線將裝置的電極引出，壓電陶瓷為正極，銅質(zhì)基板為負(fù)極，在邊緣快速完成焊接，避免溫度過(guò)高導(dǎo)致壓電陶瓷退極化，最后將銅質(zhì)基板背面固定于亞克力支架頂端，懸臂梁制作完成。太陽(yáng)能電池板、溫差發(fā)電片以及懸臂梁實(shí)物如圖2所示。

圖2 能量采集模塊實(shí)物圖

1.3.1.2 能量管理模塊設(shè)計(jì)

能量管理芯片

本系統(tǒng)中的能量管理模塊使用了BQ25570芯片及BQ25504芯片對(duì)能量采集模塊的能量進(jìn)行搜集管理，將能量?jī)?chǔ)存到超級(jí)電容及鋰電池中為負(fù)載供電。BQ255xx系列芯片是由TI公司設(shè)計(jì)的能量采集系統(tǒng)專(zhuān)用芯片，該系列的芯片可采集本系統(tǒng)所使用的太陽(yáng)能電池板、溫差發(fā)電片及振動(dòng)能采集裝置所生成的微瓦(μW)級(jí)功率。本文提出的系統(tǒng)使用的BQ25570電路原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)BQ25570電路原理圖

該芯片具有可編程動(dòng)態(tài)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能，可編程欠壓、過(guò)壓閾值設(shè)置以保護(hù)電路，并以此實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換；MPPT通過(guò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與開(kāi)路參考電壓(VOC＿SAMP)一致，從而改變輸入阻抗，提高能量吸收效率，通過(guò)將VOC＿SAMP引腳與VSTOR引腳相連，將MPPT閾值設(shè)置為80%。芯片充電過(guò)程中電壓上升至欠壓閾值(VBAT＿UV)時(shí)，芯片開(kāi)始為連接的外部?jī)?chǔ)能元件供電，其典型值為1.95 V，當(dāng)電壓值繼續(xù)升高至過(guò)壓閾值(VBAT＿OV)時(shí)，芯片會(huì)停止充電以保護(hù)儲(chǔ)能元件，避免過(guò)壓導(dǎo)致的電路損壞，其具體值可以由相關(guān)電阻大小來(lái)設(shè)定，通過(guò)以下公式給出:

由圖可知，VBAT＿OV＝VBAT＝4.07 V，所以本系統(tǒng)使用的儲(chǔ)能元件均可與VBAT引腳直接相連。

當(dāng)芯片退出冷啟動(dòng)并且系統(tǒng)負(fù)載已被激活，可以使用VBAT＿OK引腳標(biāo)志位來(lái)傳達(dá)芯片工作的狀態(tài)信息，外部?jī)?chǔ)能元件必須為主增壓充電器提供足夠的電力，以滿(mǎn)足平均系統(tǒng)負(fù)載的需求，其上限VBAT＿OK＿PROG和下限VBAT＿OK＿HYST分別可以由式(3)和式(4)給出:

芯片輸出電壓VOUT由式(5)給出:

由圖可知，VOUT＝2.57 V。

上述公式中的偏置電壓(VBIAS)均取1.21 V。

1.3.1.3 鋰電池管理芯片

為了配合能量管理芯片和鋰電池工作，系統(tǒng)還使用了鋰電池管理芯片IP5306，如圖4所示。

圖4 鋰電池管理芯片IP5306

該芯片放電效率最高可達(dá)96%，可以提供穩(wěn)定的DC 5 V為負(fù)載供電，芯片內(nèi)部通過(guò)電源路徑管理實(shí)現(xiàn)邊充邊放，具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)，可以自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載連接情況，同時(shí)支持充放電電量4級(jí)區(qū)間指示，鋰電池充滿(mǎn)電時(shí)，4顆LED均會(huì)被點(diǎn)亮，電量即將耗盡時(shí)，1顆LED會(huì)閃爍，并且待機(jī)功耗較低，符合本文系統(tǒng)需求。將芯片的OUT-5V接口與負(fù)載相連，BAT接口與鋰電池放電口相連，按下KEY即可運(yùn)行。

本文提出的系統(tǒng)所使用的儲(chǔ)能元件，需要在輸入功率較低和頻繁充放電的情況下保持長(zhǎng)期工作。鋰電池壽命一般在500個(gè)充電周期，需要專(zhuān)門(mén)的充電電路來(lái)保證效率和安全性；超級(jí)電容儲(chǔ)存電能的過(guò)程不涉及化學(xué)反應(yīng)且可逆，因此其充放電次數(shù)可達(dá)數(shù)十萬(wàn)次以上，無(wú)需復(fù)雜的充電電路，自放電消耗電能極少。本文分別選擇了額定電壓5.5 V、標(biāo)稱(chēng)容量1.5 F的超級(jí)電容，以及1 800 mAH的鋰電池進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存及供電的測(cè)試。

1.3.1.4 電源切換電路

由于本研究中的三種能量采集裝置之間的阻抗不匹配，難以直接將三者的輸出匯集到一起，又因環(huán)境能源的不穩(wěn)定性無(wú)法使用單一能量采集裝置穩(wěn)定供電。為了減少系統(tǒng)的能量損失，實(shí)現(xiàn)對(duì)三種環(huán)境能源的同時(shí)收集使用，本研究使用了電源切換電路，其核心是電子多路復(fù)用器TS5A3154芯片。TS5A3154芯片是單通道2:1多路復(fù)用器，即單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)，該芯片可以提供高效的低導(dǎo)通電阻與通道間導(dǎo)通電阻匹配，并且具有出色的總諧波失真性能，同時(shí)自身功耗極低，不會(huì)對(duì)整體供電效率造成影響。該電源切換電路原理如圖5所示，電源切換電路實(shí)物如圖6所示，其中P2端子連接光能采集裝置輸出端口，P3端子連接熱能和振動(dòng)能采集裝置輸出端口，P1為該電源切換電路總輸出端口，連接儲(chǔ)能元件。通過(guò)改變P2和P3的輸入電壓對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖5 電源切換電路原理圖

圖6 電源切換電路實(shí)物圖

表2 電源切換電路性能測(cè)試表

1.3.1.5 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

該模塊由STC89C52單片機(jī)、溫度傳感器、光照度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅饕约八{(lán)牙通信模塊組成，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與智能手機(jī)等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備的無(wú)線通信。首先在確認(rèn)各模塊可以正常運(yùn)行后對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行功耗測(cè)試，各模塊的功耗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各模塊功耗數(shù)據(jù)

1.3.1.6 藍(lán)牙通信模塊

系統(tǒng)采用了HC-05藍(lán)牙通信模塊，該模塊可以通過(guò)按住模塊KEY鍵上電開(kāi)機(jī)進(jìn)入AT模式，此時(shí)LED指示燈慢閃，將模塊通過(guò)串口與上位機(jī)相連，可以對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置，在該模式下使用AT指令集更改模塊的工作參數(shù)，如設(shè)備名稱(chēng)、配對(duì)密碼、切換主機(jī)從機(jī)等；常規(guī)模式上電開(kāi)機(jī)LED指示燈快閃，將藍(lán)牙模塊調(diào)試完成后，使用藍(lán)牙調(diào)試軟件將模塊與智能手機(jī)等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備進(jìn)行連接，當(dāng)模塊的指示燈慢閃時(shí)表示連接成功，此時(shí)可通過(guò)藍(lán)牙調(diào)試軟件的對(duì)話模式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，或在按鈕控制中對(duì)多個(gè)按鈕按下和松開(kāi)時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的快捷控制。

1.3.1.7 溫度傳感器

系統(tǒng)使用了3引腳TO-92封裝的DS18B20芯片來(lái)接收溫度數(shù)據(jù)，其僅需一個(gè)通信端口即可與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)量范圍在-55℃～＋125℃。

1.3.1.8 光照度傳感器

系統(tǒng)使用GY-302光照強(qiáng)度模塊，該模塊采用的是ROHM原裝BH1750FVI芯片，可測(cè)量的光照度范圍為0～65 535 lux，其內(nèi)置的16位AD轉(zhuǎn)換器可以直接進(jìn)行數(shù)字量輸出，從而省略校準(zhǔn)及復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程。

1.3.1.9 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

系統(tǒng)使用的是YL-38火焰?zhèn)鞲衅鳎糜谔綔y(cè)火焰光譜，測(cè)量范圍為760 nm到1 100 nm波長(zhǎng)的光源，有效探測(cè)距離在一米左右，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可以設(shè)定觸發(fā)閾值，有數(shù)字量輸出和模擬量輸出兩種接口。本文提出的系統(tǒng)采用了數(shù)字量輸出，在檢測(cè)到火焰時(shí)DO引腳會(huì)輸出低電平，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)通過(guò)藍(lán)牙向連接的設(shè)備發(fā)送警告信息。

1.3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先完成各個(gè)元件初始化，進(jìn)入工作模式，在進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，在LCD上實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)不斷檢測(cè)是否有設(shè)備連接至本系統(tǒng)，連接成功后，每間隔一段時(shí)間向該設(shè)備發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，具體流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

記錄了不同光照強(qiáng)度下的光能采集情況及一定溫差下的熱能采集情況，并對(duì)能量管理模塊為無(wú)線通信模塊供電以及系統(tǒng)工作過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試，具體測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果如下。

2.1 光能采集測(cè)試

在2021年4月28日晴天進(jìn)行了光能采集測(cè)試，測(cè)試分別記錄了47 000 Lx、63 000 Lx及大于65 535 Lx范圍內(nèi)的光照強(qiáng)度下將超級(jí)電容從0.2 V充電至4.0 V所需的時(shí)間，測(cè)試結(jié)果由圖8(a)所示。

圖8 光能采集測(cè)試圖

雖然自然光的光照強(qiáng)度存在波動(dòng)，但仍能看出充電效率與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，在光照強(qiáng)度大于光照強(qiáng)度測(cè)試模塊上限65 535 Lx時(shí)達(dá)到了最短充電時(shí)間，約為2 min 57 s，隨后又進(jìn)行了三次對(duì)充電時(shí)電路電流的測(cè)試，測(cè)試顯示超級(jí)電容充至4 V左右時(shí)電流大小在13 mA上下浮動(dòng)，測(cè)試結(jié)果如圖8(b)所示。

2.2 熱能采集測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了熱能采集測(cè)試，測(cè)試時(shí)室溫為25℃，將硅膠加熱板溫度設(shè)定為120℃對(duì)溫差發(fā)電片進(jìn)行加熱，發(fā)電片兩面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，熱面緊貼硅膠加熱板，冷面緊貼散熱片，用泰克MDO3104示波器記錄充電波形，測(cè)試環(huán)境如圖9(a)所示。

由于溫差發(fā)電片的特性，在加熱時(shí)熱面和冷面的溫差會(huì)逐漸縮小，充電效率也會(huì)隨之降低，充電波形如圖9(b)所示，由圖可看出，超級(jí)電容的電壓從0.44 V升高到0.82 V，充電時(shí)間為180 s左右。

圖9 熱能采集測(cè)試圖

2.3 振動(dòng)能采集測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)懸臂梁的振動(dòng)能采集情況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。可以看到，在一定范圍內(nèi)，振動(dòng)頻率越高、振幅越大，該裝置的輸出電壓越高。

表4 振動(dòng)能采集測(cè)試結(jié)果 單位:mV

圖10 振動(dòng)能采集測(cè)試圖

2.4 無(wú)線通信功能測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)的無(wú)線通信功能進(jìn)行測(cè)試，將STC89C52的引腳Pin35與溫度傳感器的DO引腳相連，將引腳Pin10和Pin11分別與溫度傳感器的SCL和SDA引腳相連，將引腳Pin17與火焰?zhèn)鞲衅鞯腄O引腳相連，編寫(xiě)相關(guān)程序，編譯完成后進(jìn)行燒錄及相關(guān)功能測(cè)試，使用藍(lán)牙調(diào)試軟件與藍(lán)牙通信模塊連接，將字符編碼格式改為GBK，查看接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送溫度及光照度數(shù)據(jù)，檢測(cè)到火焰會(huì)發(fā)送警告信息。

2.5 能量管理與輸出測(cè)試

將超級(jí)電容充電后為無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行供電，使用泰克MDO3104示波器觀察記錄超級(jí)電容的電壓波形，如圖11所示。

圖11 超級(jí)電容放電測(cè)試圖

由于本系統(tǒng)使用的超級(jí)電容容量較小，且使用了LCD1602來(lái)觀察模塊運(yùn)行情況，系統(tǒng)通信頻率設(shè)置為1次/s時(shí)，充電至4.1 V左右的超級(jí)電容可供系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間約為34 s。

同時(shí)以鋰電池作為系統(tǒng)儲(chǔ)能元件進(jìn)行放電測(cè)試，在未連接能量采集模塊的情況下從開(kāi)始運(yùn)行到系統(tǒng)停止工作平均運(yùn)行時(shí)間可達(dá)10 h 22 min。

3 結(jié)論

該無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)可以將環(huán)境中的光能、熱能和振動(dòng)能收集、轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電源，并為系統(tǒng)中的無(wú)線通信模塊供電，向連接了無(wú)線通信模塊的設(shè)備傳輸溫度、光照度數(shù)據(jù)，并在探測(cè)到火焰的時(shí)候發(fā)送警告信息。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)收集光能的效率較高，晴天最短可在177 s內(nèi)將超級(jí)電容充電至4 V，收集熱能和振動(dòng)能的方式可行，但收集效率相對(duì)較低，后續(xù)研究會(huì)通過(guò)更換溫差發(fā)電片及壓電陶瓷型號(hào)，以及設(shè)計(jì)合理高效的裝置結(jié)構(gòu)等方式提高熱能和振動(dòng)能的收集效率，并設(shè)計(jì)防雨的外殼來(lái)適應(yīng)室外環(huán)境的長(zhǎng)期工作。該系統(tǒng)收集的能量基本可以保證低功耗設(shè)備正常運(yùn)行，在鋰電池充滿(mǎn)的條件下可持續(xù)運(yùn)行10 h 22 min以上，可以在能量自搜集和無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。