植物微电量采集系统设计

邰清清，王文艺，李思威

(1.合肥经济学院 机械工程系，安徽 合肥 230036;2.合肥经济学院 信息与计算机系，安徽 合肥 230036)

0 前 言

森林，广泛分布在地球各处，容纳极其多样的生物种群，也具有复杂的组成结构，是陆生生物生存的一个基本载体[1-5]。但是，中国的森林资源相对缺乏，所以对其的保护更不可忽视[6-9]。突如其来的森林火灾，又会给本来匮乏的林业资源造成难以挽回的破坏，并带来人类的生命安全问题以及林场的严重经济损失。自然或人为的因素，均可能导致火灾的发生，并且具有突发性和蔓延速度快的特性，很难进行防控。近年来，全世界火灾规模和数量均居高不下，中国每年的森林火灾次数也多达一万起[10-12]。所以，对森林火灾高效、精准地监测以及预防成为十分必要的研究课题。

对于森林火灾的监控，如何实现及时且高效监测、预警十分必要。得益于无线传输系统科技的日益进展，可以使用各类传感器对森林环境的各项参数进行监控，例如森林的环境温度、森林空气湿度、或者出现的异常烟雾浓度等，再通过无线传输系统将数据发送至相关部门，从而可以做到实时高效的监控[13-16]。无线传感器网络技术投入成本较低、覆盖范围广、较易实现大规模组网，可以做到长时间对森林环境的实时监控。且与传统方式相比，使用无线监控，加以历史数据进行参考对照，可以更加准确高效地达到火灾预警的目的[17-19]。然而，无线设备的供电问题，又受到电池电量的制约，电池的充电或更换又成了新的难题，需要进一步研究。

为解决无线设备电池的充电问题，将自然界中的能量转换成可以直接使用的电能是理想的解决方案。考虑到森林环境的实际情况，本研究就地取材，利用森林树木产生的微电量，设计研究了植物微电量采集系统。通过微电量收集、升压、锂离子电池充电电路设计等，最终实现为无线监控系统全天候持续供电的目的。该研究为解决森林火灾监测的无线设备供电问题提供了新的思路，可以有效提高森林监测的经济性及实用性。

1 实验与讨论

1.1 植物电能采集机理

为了利用植物中普遍存在的化学能，本文选取了最常见的树木作为研究对象。植物体内时刻进行的新陈代谢和对外进行的光合作用，其中各种带电粒子发生跨膜扩散运动，这种无规则运动的进行，导致细胞膜两侧的粒子浓度不同从而使膜内外形成微弱的电势差。除了离子的影响外，植物在一般的生理活动中，也会产生μV级的电势差，而在受到刺激时，则可能产生mV等级的电脉冲信号(如含羞草的应激行为)。如图1所示，本研究利用植物体与地面形成的电势差，通过毫伏级电能采集、无源DC-DC升压模块、充电管理模块等，为传感器件、无线设备等供电，达到森林监测的目的。

图1 植物电能采集示意

1.2 植物电的影响因素

本研究以梧桐树和银杏树作为测量对象，测量环境温度为21 ℃，研究对比了两种不同树种树干电极打入深度、树干电极距离地面高度的影响。如图2a所示，首先把插入树干的电极与万用表的负极相连，埋入土壤的探针(土壤电极)与万用表的正极相连。其中，对于枝干电极，分别对比了不同打入深度的影响(控制深度为1 cm、2 cm和3 cm)，其高度控制为50 cm。土壤电极始终埋在距树木外轮廓20 cm，深度为4 cm的位置。

图2b和图2c为梧桐和银杏树干电极打入深度、树干电极距离地面高度对电压的影响。梧桐树和银杏树所得到的电压较为接近，证明不同树种均可提供相似的电压。图2b为树干电极打入深度对电压的影响，其中控制土壤电极始终埋在距树干20 cm，深度为4 cm的位置。树干电极的深度对检测到的电压的影响并不大，并且随着深度增加，电压略有降低。当树干电极的插入1 cm时，即可以得到较大的电压，同时也避免了对植物本身造成更大的伤害。

进一步，控制树干电极插入为1 cm，然后改变其高度(分别设置50 cm、100 cm、130 cm)，以观察离地面高度对电压的影响，实验结果如图2c所示。从数据见，两种树种，获得的电压较为接近，但电极距离地面高度的最佳值略有不同。梧桐树电极距地面100 cm的位置获得最佳电压，而银杏树的最佳电压为电极距地面50 cm处。当离地高度130 cm时，两个树种的电压均呈降低趋势。因此，在生物电采集时，电极的高度应控制在50～100 cm，最佳高度则需针对具体树种进行测试。

a,电极安装示意图；b,电极深度的影响；c,电极距离地面高度的影响

1.3 微电量收集系统的设计

微电量的收集需要采用升压电路，以达到为电池充电的目的，升压电路的原理见图3。而从植物中采集得到的生物电，其电流只有μA级。由于这样的输入电流太小，不能够应用于一般升压电路的要求，如果直接将采集到的电流接到DC-DC升压电路，很可能无法启动电路。超级电容，又被称为法拉电容或双电层电容器，其循环性能非常稳定，除此以外它还具有功率密度高、充电速度快、使用寿命长、对充电电流无要求、功耗低、温度范围广等优点。得益于双电荷层的设计，它通过在距离极小的极板上积蓄电荷来积累能量，而且这种储能过程是可逆的。在微电量的采集时，超级电容可以储存一定的电能提供给下次升压使用。所以收集的微电量，在接入到升压电路之前，需要通过超级电容蓄积起来。

图3 升压电路原理

另外，传统的DC-DC升压元件只能支持0.6 V以上的输入电压，而从植物中采集到的电压往往在mV级，故不能选用。本研究采用LTC3108芯片，其最低输入电压可达20 mV，输出最高达到了5 V，可以做到给电池或者其他设备供电。图4为LTC3108电路示意图。LTC3108可以实现谐振升压，这使得它可以通过外接的可选紧凑型变压器将输入电压升压到足够高来满足内部升压电路的需要，它还能实现多种输出电压的调节。此外LTC3108还可以通过VS1和VS2引脚选择DC-DC升压电路的输出电压。本设计将VS2连接到VAUX引脚，VS1连接到GND，使得输出电压为4.1 V。具体输出电压与VS1、VS2引脚的关系见表1。

图4 LTC3108的内部电路

表1 输出电压与VS1、VS2引脚的关系

储能元件方面，本研究使用高能量密度、循环性能稳定的锂离子电池进行能量储能。得益于高新电子科技的飞速发展，锂离子电池因其高能量密度、高安全性以及长寿命逐渐受到了人们的青睐，被广泛用于各类电子产品中。故在本研究中，也使用锂离子电池作为循环储能/供能设备。本研究采用的是型号LIR1220的扣式电池，额定电压3.7 V。为了避免过充过放对锂离子电池寿命的影响，我们利用了LTC4071充电管理电路对其做了充放电的保护。充电电压设置为4.1 V，低电压保护设置为2.7 V，在一定程度上保证锂离子电池长期的安全运行。

另外，利用了充电管理电路对其做了充放电的保护(图5)。其中，使用LTC4071芯片进行电池充放电管理,其内部电路如图6所示。电路能在550 nA～50 mA的输入电流时工作，极低的工作电流使得它能利用植物电能对锂离子电池进行充电。在对电池充放电时，为了防止过充和过放的问题，必须要注意对电池进行保护。芯片可以通过ADJ引脚，来设置低电量断接电压，避免电池过度放电可能造成的损坏。LTC4071芯片仅需要一个外围电阻就能构成充电管理电路，这也增加了电路的稳定性。

图5 充电管理电路

图6 LTC4071的内部电路

1.4 能量收集系统

本研究采用超级电容，直接对植物电能进行收集。为了观察其充电的过程，设计了如下实验。树种选择为银杏树，将容值为20法拉的超级电容器的两端分别连接到插入树干1 cm左右的铁钉电极和埋入土壤4 cm，距树干20 cm的铜电极。每隔12 h测量一次超级电容的电压并记录。在经过84 h的测量后，得到的数据如图7所示。通过分析可知，在树木与土壤间电压700～800 mV时，大约需要84 h的时间能够将超级电容冲至270 mV。

图7 超级电容充电电压

将储存好能量的超级电容直接接到LTC3108芯片的输入端，当其连接到电源管理芯片后，使用万用表对芯片的输出电压进行采集，其结果如图8a所示。当芯片的输出端不接负载时，升压电路初始可以得到4.12 V的电压，随着时间延长电压略有降低，150～300 s可以保持稳定的4.1 V电压输出。

进一步，使用一个20法拉超级电容收集电荷，后将升压系统连接到电源管理系统上，对锂电池进行充电。每隔30 s记录一次当前的电池电压，充电过程的电压采集数码照片如图8b，电压随充电时间变化如图8c所示。由图8c可见，电池的初始电压为3.98 V，随着充电时间增加，电压也逐渐升高，经过180 s的充电，电池电压达到4.04 V。说明一个20法拉超级电容收集电荷可以给电池有效充电约3分钟。

注：a,升压电路的输出电压及电流；b,充电过程的电压采集数码照片；c,电压随充电时间变化图

2 结 论

本研究成功设计并实现了一种植物微电量采集系统。通过设计微电量收集，研究了两种不同植物类型、不同采集方式对微电量采集的影响。然后，采用LTC3108芯片进行升压，使得输出电压可达到4.1 V，可为锂离子电池供电。进一步利用LTC4071充电管理电路对锂离子电池充放电进行控制、锂离子电池充电电路设计。实现使用一个20法拉超级电容收集电荷为电池充电约3分钟。本研究设计的植物微电量采集系统，使用植物微电量为无线设备供电，做到无需外部供电设备即可利用现有的无线传输网络发送环境信息。该研究为火灾无线监控系统的全天候持续供电提供了可能，可以有效提高森林监测的经济性及实用性。