基于复合能量自供电的河流监测传感器节点设计∗

邢 俊李 敏∗石常龙王 超李 玲冒晓莉张加宏

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044；2.南京信息工程大学，江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210044)

近些年，伴随着全球气候的恶化，各种自然灾害不断加剧，而洪水灾害是目前人们所面对的重大的突发性自然灾害之一[1]。由于洪涝灾害具有的突发性的特点，要进行灾害的预警预报需要对河流的相关信息进行准确的采集。

无线传感器网络由于功耗低与成本低等特点，被广泛地应用于数据采集与监控系统中[2－4]，但驱动其工作的化学电池能量有限、在河流监测这样的需要大量部署传感器节点的应用场景下[5－6]，虽然可以通过改进算法不断降低节点功耗[7]，但仍会消耗较多的能量，这使得无线传感节点寿命很大程度上依赖电池的寿命。同时大量电池的采用，将在其制造、使用和废弃中产生污染，对环境形成严峻压力，最终影响无线传感网的持续发展。因此，寻找新的高效能量供给方式显得十分必要且迫切。

目前采集机械振动能量转换成电能为智能终端供电已经是一种常见方案。在机械能收集的研究中，已报道的多种能量收集器采用了压电[8－9]、电磁[10]、摩擦[11]等多种换能原理。2015年斯坦福大学牛思淼[12]利用摩擦起电以及静电感应的耦合作用，发明了一种多层复合的摩擦纳米发电机。朱杰[13]则提出了一种摩擦－压电复合纳米发电机，整流后的输出能够点亮50盏LED灯；中北大学温涛[14]设计了磁悬浮式电磁－摩擦复合生物机械能量采集器，对可穿戴设备实现自供电。但这些能量采集器在实际应用中有如下缺点:①较低的输出功率，机械能通过摩擦发电机转换后的电流极低，无法维持系统的稳定工作；②单一的采集方式，无法充分地利用环境中的各种能量；③性能较差的机械结构，普遍使用的机械结构为弹簧和悬梁结构，而这类结构在经过长时间的运行后容易产生机械疲劳。

针对以上问题，本文设计了一种压电－光电复合式能量采集器用以收集自然环境中的微弱能量，并着重研究了其为河流监测无线传感器节点自供能的可行性。在白天日照好、水流缓的条件下，系统主要由光电能量采集装置供能，在夜晚或天气条件差的情况下，比如阴雨天水流急时，系统主要由压电能量采集装置维持运行。具体地，压电采集器使用了新颖的球形嵌套结构，材料选择锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)，由河水的流动驱动压电采集器实现能量转换，光电采集器采用圆形太阳能光伏板，置于压电球内。同时，本文设计了相匹配的能量管理与存储电路[15]，并将收集到的能量存入超级电容实现无线传感节点自供能。

1 系统设计与理论分析

1.1 系统整体设计

图1 是复合能量自供能的河流无线监测传感器节点的示意图，传感器节点放置在河流水势较大的关键位置，由三个部分组成:微能量采集装置，包含压电能量收集模块(若干个嵌套结构的压电球)及光电能量收集模块(压电球内的太阳能光伏板)；能量采集电路，由能量管理电路与存储电路构成，为传感器供电；传感器模块，用于采集河流监测节点的水位、水流量及温湿度数据，从单元在采集到数据后通过CAN总线发送到主单元，主单元处理后通过无线蓝牙传输方式将数据发送到上位机端。

图1 自供电河流监测传感器节点示意图

1.2 微能量采集装置

用于河流监测传感器节点的复合能量采集器如图2所示，一方面通过太阳能光伏板采集环境光能。本文采用基于PN结的光伏效应进行发电的太阳能光伏板。当太阳光照射到电池表面，导带产生电子－空穴对，载流子在内电场的作用下漂移形成电动势。如图2(a)和2(b)所示，选用两个直径为45 mm的圆形太阳能光伏板，安装在每个复合能量球的两端。

图2 复合能量收集装置

另一方面利用设计的球形嵌套结构压电球收集水流的振动能，具体结构组成如图2(c)、2(d)、2(e)、2(f)所示。整个装置以圆形压电陶瓷片作为压电敏感单元，压电球的外壳由聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA)制备。在每一个半球空腔上以周边固定支撑结构均匀安装若干个直径为3 cm的圆形PZT－5压电陶瓷晶片，其机电耦合系数K为0.60，相对介电常数为1 700，压电应变场数为450 pc/N，压电片之间间隔90°。

如图2(e)所示，压电球内部放置若干个聚四氟乙烯(简称PTFE)小球，当压电球随水流发生振动时，内嵌的小球在球体内做无规则受迫运动，当PTFE小球撞击到球体内壁上的压电陶瓷片时，压电陶瓷片会发生厚度伸缩模式的振动，即与电轴方向相平行的伸缩变形，从而输出电荷。压电陶瓷的发电是基于正压电效应原理，当压电陶瓷受外力作用发生形变时，压电单元被唤醒，压电材料内部极性相反且与外部受力有一定比例关系的电荷出现在压电材料表面，导致压电片上下表面形成电势差。根据压电陶瓷基础理论，压电陶瓷片在Z方向上的位移D31是可表示为压电陶瓷片X方向的应变ε和电场E3共同作用的结果，即:

将式(3)对面积进行积分，可得发电量Q为:

通过上述公式可发现，压电振子输出电荷量与表面积呈正相关。然而，当压电振子的表面直径过大时，正负电荷就会同时出现在同一表面上，从而会导致压电陶瓷的发电能力大幅度下降，因而压电片的直径选择上需综合考虑这两方面的因素。

1.3 能量管理与存储电路

能量管理与存储电路是微能量收集系统的核心部分[15]，本文采用有源能量收集模式，因而电路采集的能量既要主体上存入超级电容，又要维持有源器件的正常工作。

由于压电效应可知，压电换能器产生的是不稳定的交流电，因此需要整流电路将交流输出转化为直流，设计中选用二极管1N4148搭造桥式整流电路。设计的能量管理与存储电路如图3所示，电路中的接口J1为能量的输入端，接口J2为输出端，整个电路采用逐级充电的思想，工作可分为3个阶段:

图3 能量管理与存储电路原理图

①首先，电流从接口J1流入到C1中，C1两端的电压逐渐升高但电压值较低，MOS管Q1处于截止状态，由于电阻R1的阻值很大，使a点的电压值接近于0 V，从而使MOS管Q2处于截止状态；

②其次，当C1两端电压逐渐上升到Q1的开启电压时，Q1导通，a点电压升高，Q2导通，部分电流流入C2中，逐渐使C1中流出的电流大于流入电流，C1两端电压开始降低直至低于Q1的截止电压，Q1，Q2进入截止状态，电流全部流入到C1中。整个过程中C1为施密特触发器U1提供工作电压；

③最后，当C2两端电压达到2/3 VCC的时候，施密特触发器使能转换器TPS61220，C2中的电荷流入转换器中，在C2中电压降至1/3 VCC时关闭转换器，转换器的输出端接二极管1N4148防止超级电容充电时电流倒流。

1.4 传感器节点模块

传感器节点是整个监测系统的核心部分，决定了监测的实时性和精确度，主要由STM32F407处理器、蓝牙通信模块、CAN总线收发模块、温湿度传感器、液位传感器和流速传感器组成。

图4 为传感器节点具体工作流程，在超级电容供电的情况下，初始状态为睡眠模式，通过RTC时钟唤醒睡眠下的CPU，初始化首先开启定时器3和定时器4，通过定时器的输入捕获得到流速传感器工作20s的脉冲数据，接着关闭定时器并利用MOS管依次开启温湿度传感器和液位传感器，并通过串口通信接收数据，最后通过CAN总线将数据发送给主单元，之后再度进入睡眠模式等待下一次唤醒，通过这种工作方式有效降低了传感器节点监测所需能量消耗，提升了传感器节点持续工作能力。另外，当遇到连续的阴天且没有大风浪时，采取蓝牙发送指令的方式，控制节点的工作时间间隔，降低功耗。

图4 传感器节点工作流程图

2 实验测试结果及分析

2.1 输出特性

图5 给出了自供能无线传感器节点的实物图，使用水箱模拟河流场景，使用水泵模拟自然情况下河水的流动。为研究复合能量采集装置的输出特性以及传感器节点的实际功耗，构建平台进行数据测试，在实验测试过程中使用泰克MSO2024示波器测量能量采集电路各个节点的电压变化特性，使用DM3068万用表具体测量超级电容中电压值的变化，再通过电压值的变化计算出能量的变化。

图5 自供能无线传感器节点及其实验平台实物图

图6 给出了压电和光电两种能量输入在能量采集电路中关键节点的电压变化对比。图6(a)展示了两种能量采集装置的输出特性，直接测量开路电压，可以看出光电能量的输出电压低但输出稳定，压电能量的输出峰值电压高，最高可达到25 V，但不稳定。图6(b)显示了C1上两种能量的电压值变化，C1上的电压需要维持施密特触发器工作，当输入为不稳定的压电能量时，电压在有输入时上升，无输入时降低，呈现在0.8 V~2.5 V间振荡；当输入为稳定的光电能量时，电压值在1.8 V左右轻微振荡。图6(c)显示了C2上两种能量的电压值变化，C2上的电压达到阈值电压时会输出能量并存储到超级电容中，根据施密特触发器工作原理可知电压值与电容Cv1端电压相关，压电输出的电压在0.6 V~1.0 V之间呈周期性振荡，光电输出的电压在1.4 V左右轻微振荡。图6(d)为采集电路输出端电压变化，压电能量输出呈周期性，同时可以看出当输入的功率较高时，压电能量可以维持一段时间的输出，因而呈现间断性的持续输出，光电输出因为电流较高缘故而保持持续输出。

图6 实验测试结果

为了得到压电球的最优尺寸以及内置压电片的最佳数量，如图7所示，设计了5种压电球的类型以及不同的压电片数量，具体参数如表1所示。本文在水箱中利用水泵产生相似的水流振动(大约4 Hz)，进而测量了不同的压电球在内嵌不同数量小球时的输出功率，实验结果如图8所示，根据图中结果可知，压电球的直径为120 mm，内壁共计放置16个压电陶瓷片，内嵌8个PTFE小球时的输出功率最高，达到57.7 μW，实际使用时可以外接5个压电球，总功率可以达到287.5 μW，在这个情况下，一天可向超级电容充能24.84 J的能量。

图7 不同的压电球实物图

表1 压电球的参数

图8 不同条件下压电能量球的输出功率

如图9所示，构造不同的实验情景对能量球中光电单元的输出特性进行测试，首先在3月份的晴天与阴天情况下测试得到输出功率，接着模拟不同的场景，对球体表面附着水以及球体处于转动状态的输出功率进行实验测试。实验测试从早上7点到晚上7点每0.5 h进行一次，测试结果划分为5个时间段:a段、b段、c段、d段和e段。在由于a段和e段光照弱，超级电容上电荷量没有显著增加；b段和d段光照逐渐增强，输出功率有所提升，平均输出功率为200 μW左右；c段输出功率最高，在实验开始的大概330 min时，输出功率达到峰值，3月份晴天下的输出功率可以达到740 μW，阴天时的输出功率峰值为250 μW，球体表面附着水对输出的影响较小，当球体处于运动状态时，输出功率峰值降低至372 μW。可以看出在阴天情况下的输出功率最低，计算得到一天的平均输出功率为61.1μW，5个复合能量球光电部分的平均输出功率至少为305.5 μW，一天获得能量26.40 J。

图9 不同时间的光能的输出功率

最后测试光电和压电复合输出时的输出功率，实验结果如图10所示。对比光电输入、压电输入以及复合输入三种情况下的输出功率，光电输出功率约为100 μW，压电输出功率约为50 μW。当两种能量复合输出时输出功率达到180 μW左右，明显高于两种能量输出功率的直接累加，这主要归因于两种能量同时输入降低了输入能量在管理电路电容C1处的能量消耗，因此，当并联输入的能量越多时，电路的实际转换效率越高。

图10 复合能量的输出功率

2.2 功耗分析

为研究传感器监测节点的性能以及复合能量采集装置的输出能量能否满足无线传感器节点工作需求，在河流中进行实验，采集方法如图11所示，首先选定河流水情信息采集点并固定传感器数据采集装置，将温湿度传感器放置在河流岸边，采集河流环境的湿度数据；将水流量传感器放置在水速较高的水域，并把传感器进水口放置在上游位置，出水口放置在下游位置，记录一段时间的水流量。水位是重要的判断指标，实际测量时设定基准水位和警戒水位，将水位传感器导管的一端置于基础准线位置，从单元接收得到当前的水位信息，警戒水位用于预警[16－17]。

图11 传感器节点采集河流水情数据

河流监测传感器节点测试结果如图12所示，从9点至10点55，每隔5 min进行一次水情数据采集。图中可以看出水流量约2 L/min，在一段时间内无较大变化，测试点水位维持在35 cm，湿度有微小变化。

图12 传感器节点测试结果

功耗测试结果如图13所示，工作30 s后，温湿度传感器DHT11模块的功耗为2.875 J，磁敏感传感器YF－S201的功耗为1.984 J，谐振式液位传感器kps－49c2的功耗为2.475 J，低功耗蓝牙模块JDY－19的功耗为1.738 J，当3个传感器同时工作时的功耗达到7.675 J，当采取优化后的低功耗工作模式时，工作30 s的能量消耗降到1.502 J。当设定传感器节点的工作间隔为1 h，则1 d工作24 h的功耗为36.04 J。另外，通常情况下传感器节点在睡眠模式下的电流大小为10 μA，一天中维持睡眠模式的能量消耗是2.80 J，系统的平均功耗为449.5 μW。而压电球模块的能量增量为24.84 J，光电模块在阴天下的能量增量为26.40 J，从能量收支平衡角度看，基本能够满足无线传感器节点的功耗需要。

图13 不同传感器工作时的功耗

3 结论

本文提出了一个基于复合能量采集的河流监测无线传感器节点，压电陶瓷PZT－5被用作制备压电球的基本压电单元，当球体以4 Hz的频率振动时，单个压电球的输出功率达到57.7 μW。太阳能光伏板作为光电采集模块，在阴天下平均输出功率最低为61.1 μW，河流监测传感器节点连接5个复合能量球时，平均功率最低可达到594.0 μW，同时系统工作一天整体功耗为38.84 J，平均功耗为449.5 μW，实验证实可以实现无线河流监测传感器节点正常工作的自供能。