船舶摇摆能量回收型温度无线传感器设计

李振扬 赵立宏

摘要：目前的無线传感器节点主要是以传统的化学电池作为供电电源，体积大，污染大，且电池的寿命限制了整个系统的使用寿命。现对能量回收型温度无线传感器进行研究，拟建立一种基于电磁感应的能量回收装置模型，回收船载环境中的摇摆能量，使其更加适应船载环境，大大延长其使用寿命。

关键词：无线传感器;船载环境;能量回收;电磁感应

0    引言

无线传感器结合了微型传感器技术、通信技术和集成电路技术等，能对环境或对象进行实时监测、感知和信息采集，并具有远程无线传输功能，无需器件的连接，能降低整个监测系统搭建的复杂程度和维护成本[1]。无线传感器节点通常采用便携式电源供电，电能耗尽后，无线传感器也将失效，电池的寿命往往限制着无线传感器的寿命。因此，无线传感器的设计通常要求降低其功耗[2]。这种设计可以在一定程度上延长无线传感器的使用时间，可是无法补充电池能量这一根本问题仍然没有解决，这仍是限制无线传感器发展和应用的重要因素。

在很多无线传感器的应用场合，存在着许多可转化、可利用的能量，回收这些能量并给无线传感器供能是一种切实有效的方法，例如利用压电效应回收环境中的振动能量[3]等等。当无线传感器应用在舰船上时，在海上航行的舰船必然会因受到海浪的冲击或推动而发生一系列复杂的船体摇摆运动[4]，这种摇摆能量在舰载环境中几乎无处不在，并且具有较高的能量密度。因此，研究一种装置将船载环境中的摇摆能量回收并转化为电能供应给无线传感器节点是一种切实有效可行的方法。

本文将对采集摇摆能量的器件进行设计，并将设计的器件和无线传感器结合起来，同时对无线传感器进行低功耗设计，以进一步延长其使用寿命。

1    总体设计

无线传感器节点中的器件和微机电系统在工作时必须有稳定的电流，但由于船体的摇摆运动是无规律、不规则的，所以收集到的电能也是不稳定的，无法直接供给设备使用，必须将其转换为稳定的电能之后才能正常使用。本设计的总体构思如下：将船舶的摇摆动能进行回收，稳压处理后向蓄电池充电，再由蓄电池向设备供电，同时对无线传感器做低功耗设计，进一步延长其使用寿命。本文提出的无线传感器系统框架如图1所示。

2    能量收集装置设计

环境中能量回收技术按照原理划分主要有三种类型：电磁式[5]、静电式[6]和压电式[7]。它们通过特定的机械结构将环境中的机械动能收集转化为电能，能有效改善传统无线传感器不能长期供能的缺点。船载环境中摇摆动能普遍存在，频率低且幅度较大，因此本设计拟采用基于电磁感应的电磁式能量回收技术来回收摇摆能量。

电磁式摇摆能量收集装置的结构模型如图2所示，该结构包括顶盖、外壳、磁珠、弧面支架和线圈。线圈固定在弧面支架下，磁珠能在弧面支架上自由滚动，当船舶摇摆时，磁珠在弧面支架上滚动，线圈感应到磁场变化产生感应电流。

目前，凌力尔特公司的芯片LTC3588集成了一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，能实现对电能的整流、稳压和控制，并且可以对蓄电池进行充电。电路结构如图3所示。

3    传感器模块（传感+处理）设计

传感器模块负责检测舰船船舱中的温度数据，采用定制的低功耗温度变送器。拟选用热电偶探头温度传感器WZPT-01，Pt100进行冷端温度补偿。温度变送器电路如图4所示。

AD7124-8是低功耗、低噪声、24位模数转换器（ADC），系统的典型无噪码声分辨率约为15位，片内集成了系统需要的大部分构建模块，因而能够简化热电偶系统设计。

4    无线传输模块设计

无线传感器网络组网常用的技术有Zigbee、LoRa、NB-IOT等。其中NB-IOT基于现有蜂窝组网，在舰船环境无法使用。而LoRa是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，在同样的覆盖距离下，其相比Zigbee更加节能，而且信号经过扩频调制后频谱特征接近噪声，在信号安全和抗干扰方面有优势。LoRa模块低功耗通信距离远，通信距离可达十几千米，解决了低功耗和远距离不能兼得的难题。所以，无线传输模块选用国内某公司的RHF76-052 LoRaWAN模块，其采用SX1276系列LoRa专用基带芯片，MCU采用ST公司超低功耗STM32L052 ARM芯片。其中SX1276负责LoRa的物理层基带部分（信号接收发送、调制解调），STM32L052负责LoRa通信协议的MAC层部分（数据成帧、帧检查、介质访问、差错控制）、传感器模块控制与数据采集以及电源管理，框图如图5所示。

变送器输出电压通过RHF76-052模块的MCU转换为数字信号，再根据传输协议数据打包后送SX1276发送。

无线传感器节点中，无线通信模块的功耗占整个节点功耗的大部分，降低无线通信模块的功耗是实现无线传感器低功耗的一个重要环节。在保证数据正常传输的情况下，应尽可能降低或简化不必要的控制信息，通过减少传输数据量来降低能耗;同时，通过节点“侦听—休眠”状态的改变来降低空闲侦听所带来的能量消耗。具体流程如图6所示。

5    结语

本文首先分析了船载环境的特点，确定摇摆动能是船舶在航行中分布广泛的一种能量;然后设计了能量回收装置，将装置通过LTC3588芯片与无线传感器结合起来，并且对传感器模块和无线传输模块进行了设计分析;最后通过对无线通信模块进行低功耗设计，进一步延长无线传感器的使用寿命。

[参考文献]

[1] 张超，徐姣.振动能量回收功能的无线传感器[C]//第十届全国振动理论及应用学术会议论文集，2011：995-1002.

[2] 张永梅，杨冲，马礼，等.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法[J].计算机工程，2012，38（3）：71-73.

[3] 汪泽浩.一种基于压电陶瓷晶体的振动能量回收装置的研究[D].杭州：浙江大学，2015.

[4] 程家军，李春枝，陈颖.舰载环境振动摇摆特性测试分析[J].装备环境工程，2015，12（1）：114-119.

[5] 王满州.电磁式振动能量收集装置研究[D].杭州：浙江工业大学，2017.

[6] CHIU Y，KUO C T，CHU Y S.MEMS design and fabrication of an electrostatic vibration-to-electricity energy converter[J].Microsystem Technologies，2007，13（11）：1663-1669.

[7] 任朝阳，曹自平，朱洪波.振动能量采集供电的无线传感器设计和制作[J].功能材料与器件学报，2015，21（4）：51-55.

收稿日期：2020-02-19

作者简介：李振扬（1995—），男，湖南湘乡人，在读硕士研究生，研究方向：机械电子。

通信作者：赵立宏（1967—），男，湖南衡阳人，硕士，教授，主要从事机械电子、测控技术的教学与研究工作。