基于环境微能量的农田无线传感器自供电技术研究

韩瑞瑞，张燠诗，赵 洲，田雨欣

（西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

0 引 言

随着无线通信、微电子以及低功耗传感器的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）得到了极大的发展并引起了众多研究人员的关注[1]。WSN作为物联网的核心技术[2]，利用大量广泛分布的无线传感器节点进行信息采集、数据处理以及无线通信等，被广泛应用于农田检测[3]、精准灌溉[4]等方面。然而传统节点存在有线能源和一次性电池能源问题，极大地限制了无线传感器网络在农田环境领域的广泛应用与深度拓展。环境能量收集技术是一种绿色、可持续的供电技术，可为传感器节点供电提供有效方案[5]，达到低功耗、低成本、长寿命的目的，进而对智能农业的发展起到积极的推动作用。基于此，本文总结近年来新型能量采集技术的一些研究现状，并对环境微能量收集技术在农田环境应用面临的挑战及发展趋势进行展望。

1 环境微能量收集系统

环境微能量采集管理系统主要由微能量采集模块、能量管理模块和无线传感器系统3部分组成，如图1所示。微能量采集模块是各种能量的收集器，如太阳能电池板、温差能发电片、压电悬臂梁等。能量管理模块是系统的核心，其通过低功耗微控制器实现电量的监测、采集和智能管理。系统获取的微能量经整流单元处理后存储于由超级电容器或蓄电池构成的电能存储单元，在能量管理模块的调控下经DC-DC电路升压、稳压后供农田无线传感器系统使用[6]。

图1 能量收集管理系统结构图

2 田间环境微能量收集技术

2.1 微型光伏发电技术

太阳能是目前应用最广泛的环境能量。目前，对太阳能的利用有两种形式：太阳能光热发电和太阳能光伏发电。由于太阳能光热发电设备成本高、转换效率低，在微型供电系统中较少采用。目前对太阳能光伏发电，领域主要集中在户外，如大型光伏电站、城市照明、智能建筑等且需要大面积铺设。面向农田环境中太阳能微能量收集，必须适应田间弱光环境、机械化耕作、水肥管理，有害生物防治等问题，适于小型化、能量转换效率高、环境适应能力强的供电系统。目前的研究主要从弱光型光伏电池研发、微型最大功率跟踪技术以及高效能量收集电路三方面开展。

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池和新型高分子材料太阳能电池。硅太阳能电池又包括单晶硅（Crystalline Silicon, c-Si）、多晶硅（Polycrystalline Silicon, poly-Si）、非晶硅（Amorphous Silicon, a-Si）三种。商用单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高可达23%，在太阳能电池中其光电转换效率最高。但李达等通过实验表明，随着光照强度的降低，c-Si、poly-Si、CdTe（碲化镉）太阳能电池的光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）均出现了不同程度的下降，而可印刷介观钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cell,PSC）的PCE几乎呈线性增加[7]。当光照强度低于0.3个标准太阳光（30 mW·cm-2）时，可印刷介观PSC已经开始展现出一定的光电转换效率优势； 当光照强度进一步降低至标准室内弱光条件（1 000 Lux，约0.3 mW·cm-2）时，其PCE可达19.83%，高于其他商用太阳能电池。钙钛矿太阳能电池在弱光环境下展现出了优异的弱光吸收转换功能。

为进一步提高对田间弱光环境下太阳能采集装置的工作效率，曹正江等研究了太阳光照的变时间间隔的跟踪方法来跟踪最大光照强度[8]。依据太阳光照强度、不同季节的角度、同一季节不同经纬度规律性变化的近似正弦特点，计算出不同时刻太阳光线与太阳能电池板垂直方向的角度。该角度决定了能量吸收效率，确定调整一次太阳能电池板角度的时间间隔，提高了太阳光吸收效率。在收集弱光的电子电路设计上，胡志恒等设计了一种弱光环境下高效能量收集电路，主要针对光伏电池的输出特性与充电电路的输入特性之间的匹配度差异，提出一种高效能量收集电路，避免光伏电池输出电压被持续锁定在低电压状态，显著提高能量收集的效率，具有一定的应用价值[9]。

2.2 微型风能收集研究

在对于风能的利用及转换方面，主要有两类风能收集器：第一类是涡轮旋转式风能收集器，常适用于大规模风能发电厂；第二类是风致振动式风能收集器，原理为由自然风引起收集器的机械结构发生振动，继而通过压电、电磁或静电等转换方式把振动能转化为电能[10]。

针对农田环境中微型风能采集，传统涡轮旋转式风机体型较大、田间布设不利于机械化耕作和田间管理。其次，涡轮旋转式风机启动风速高、对于农田低风速情形下微能量收集适应性差。同时传统涡轮旋转式风机最大功率跟踪系统设计较为复杂、能耗高，能源转换率低。因此在农田低风速的环境下，国内外研究者针对以上难点进行了攻关。

为克服传统的水平轴风力发电在低风速下发电效率低这一弱点，Yang等人对在低速风中的压电风车进行了优化。优化之后的压电风车是由一个悬臂式压电装置和一个转子组成，压电装置的末端还连接有永磁体[11]。转子在风的作用下旋转，与压电装置的磁体相互作用发生变形，产生电流。实验测得在风速为1.94 m/s时，发电机的最大输出功率为3.14 mW。基于该发电装置的无线传感微系统有效克服了压电风车在低风速条件下难以启动的问题。在小型化方面，吴寅等人指出将小型化风力发电机应用在森林火灾监测中，给无线传感器监测节点供电是合适的，且从节点级别的能量管理角度设计了基于DC-DC变换器的最优化能量管理算法，确保自供电节点工作在最大风能采集并且最低功耗状态[12]。为解决传统的MPPT技术复杂电路设计所导致的耗能过高，任微逍等提出一种特殊的最大功率点跟踪方法（Maximum Power Point Tracking, MPPT），即为基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法。通过负载阻抗来模拟风机的源阻抗，以使得电源和负载之间能够达到良好的阻抗匹配，保证在任何运行风速下采集到的功率都是最大值，从而达到延长无线传感器风能采集器的采集效率，达到延长其工作寿命的目的[13]。

2.3 土壤温差能收集技术研究

2.3.1 温差发电原理—塞贝克效应

在太阳辐射和地热作用下，土壤本身就是一个巨大的热能储备体，且在农田环境中土壤热能资源丰富。由德国科学家Seebeck发现的“塞贝克效应”指出，在两种金属A和B组成的环路中，若是不同金属连接处的温度有差异，则环路中会导致电流产生，并引发相应的电动势，即热电势[14]。

2.3.2 温差能收集技术研究现状

陈明阔等设计实现了一种基于温差能量收集的土壤温度监测系统[15]。该温差能收集装置包括热电转换模块和电能收集模块。通过TEG（温差发电片）对集热管及土壤的温度差进行热电转换，并将得到的电能通过收集模块存储起来，从而在需要时为传感器供电。为了更有效地从浅层土壤中收集微能量以及尽可能的提高热电转换效率，需要增大重力热管吸热端与土壤之间的接触面积。故黄永胜研究了森林土壤温差发电中的土壤-翅片界面热传递规律及其对温差发电系统输出的影响，分析翅片管对温差发电装置热量吸收和传递效率的提升作用[16]。通过理论计算表明，与单纯铜管相比，铜质翅片管可提高热传递效率76.77%，显著提高了热传递效率。

2.4 其他的微能量采集技术

农田灌溉水是水力发电的一种潜在能源。许多农村地区的农业灌溉仍然地面灌溉与普通喷灌方式。为了使水资源得到充分利用，可以在灌渠内安装水轮机，以便在灌溉季节或供水季节内发电。此外农田土壤中富含微生物，可以从中挖掘新的生物能量。吴元钧通过研究一类叫希瓦氏菌属的产电菌，设计了一套植物和微生物共生发电的实验模型，用于采集生物能产生的电能[17]。

3 混合环境能量管理

在农田应用环境中，太阳能、风能、温差能以及其他环境微能量均可通过相应的能量收集技术实现电能的转换。但目前常见的能量收集均为单一能源。太阳能丰富且清洁，但容易受到夜间影响；温差能虽然可靠性高，但不可预测；风能具有普遍存在、丰富等优点，但具有不可控的劣势[18]。这样单调的无线传感器供电系统极容易受到自身能源的局限性而变得非常不稳定。

随着能量存储和管理技术的不断发展和进步，风光水互补发电等逐渐成为未来发展趋势。故可以结合多种微能量收集技术，扬长避短，设计一种新型的低功耗混合能量收集管理系统为无线传感器稳定供电。其中需要考虑以下混合环境能量管理问题[19]：

（1）不同能量的等效电源不同，需要独立的低功耗DC-DC转换电路与存储电路，以避免阻抗不匹配。

（2）需设计主副电源系统互补式配合供电。可以设计高输出电压与功率的能量收集系统（例如光伏太阳能）作为主电源为线路供电，设计低输出电压与功率的能量收集系统（如土壤温差能、热电能）作为副电源为锂电池充电。

（3）使用电子多路开关控制主/副电源线路的接通/断开。通过使能端判断开关连通方向，主电源连接常闭开关，副电源连接常开开关。单次连接仅有一路输出，提高能源的输出与存储效率

4 结 语

随着现代智慧农业的发展，适用于田间的低功耗自主供电无线传感器节点设计已成为广为关注的重要问题。近年来基于微型光伏、风致振动、温差能量等新型环境微能量收集技术在航空航天、智能工控、汽车电子等领域得到一定的应用，但在应用于田间的微能量收集系统少有报道。文章结合各种环境能量的收集原理对适用于田间能量收集技术的现状和发展趋势进行了总结概括和分析，以期为促进我国智慧农业的快速发展提供参考。

随着低功耗技术和新型材料的研发，环境微能量收集技术正朝着小型化、集成化、智能化等方向发展。具有更高能量转换效率的新型材料及结构不断涌现，对具有更高能量密度的电能存储单元研究不断深入。微功耗传感器及通信网络能量优化管理技术不断优化，使得传统基于无线传感器网络的田间信息获取系统测控节点的寿命不断延长，系统工作的稳定性及可靠性会极大提升。