低功耗自供电终端模块的设计与测试

李丽雅，林 涛,2，韩凤琴，蔡海城

（1.广州城市理工学院 电气工程学院，广东 广州 510800；2.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510000）

0 引 言

随着5G与北斗星链技术的应用，物联网建设成为“新基建”的重要目标。无线传感器终端为物联网感知层，通常面临无人值守、无可靠电源应用场景等局面，其电源的稳定性与持续性是关键技术问题。传感器终端采用一次电池或二次电池进行供电，虽能解决电源问题，但面对物联网庞大的传感器终端，频繁更换电池将造成资源浪费并增加人工成本，影响传感器工作的稳定性。采用自供电技术，从环境中捕获能量并转化成电能为传感器终端供电已成为研究热点，其能量来源主要有光、振动、电磁场、温度等。自供电能量采集技术的发展促进了无线传感器终端及物联网的快速发展。随着智慧城市的建设，智能交通是关键，而大型城市的停车与车位管理难题均可采用物联网技术加以解决，因此保障物联网感知层传感器终端的用能稳定性是研究的重点。Chandra Kiran B开发的SFpark项目因传感器电池老化影响停车位信息；苏世雄等通过设计基于物联网的智能停车管理系统，减少用户停车时间，提高车位利用率，但系统功耗较大。本文设计并开发了低功耗自供电终端模块，可通过热电转换能量采集器采集环境能量，保障传感器终端用能的稳定性。搭建实验测试平台，对自供电终端模块的功耗以及稳定性进行了测试。

1 方案设计

1.1 硬件结构

自供电智能停车终端结构如图1所示。能量采集模块利用与环境的温差发电，经过电源转换电路后为终端提供电能的同时将多余的电能通过蓄电元件储存。数据检测模块收集车位使用状态信息，通过STM32单片机处理数据，控制通信模块进行信息传输。数据检测模块采用QMC5883L芯片，信息传递模块选择ESP-12S，借助WiFi对无线数据进行发送与接收。单片机的串口1和串口6分别与QMC5883L和ESP-12S通信。

图1 自供电智能停车终端结构

1.2 电源转换电路

能量采集模块基于热电转换组件开发，但由于环境温度存在季节性和昼夜性变化，夏天和白天时地表环境温度较大气环境温度低，冬天和夜晚时地表环境温度较大气环境温度高。热电转换组件在季节和昼夜变换时由于冷热端的变化而引起输出电压方向的变化且输出电压较低，为保障终端用能的稳定性，设计如图2所示的转换电路框图，转换电路如图3所示。

图2 转换电路结构

图3 转换电路

能量采集器的输出电压高于3.4 V时，通过SX1302升压电路将经过整流器的电压提升到5.1～5.2 V，通过二极管避免二次电池反向输出，经过二极管降压后，TP4056锂离子电池充电电路将电压稳定于3.7～4.2 V，二次电池充电，此充电电压可根据电池充电电压调整，最后AMS1117CD电路将电压稳于3.3 V给终端供电。当电压较低时，通过ME2108A33PG升压电路将低电压直接抬升到3.3 V给终端供电。理论上，当半导体两端温差较大时，通过整流器后的电压高于1.7 V时，可以同时启动方案一与方案二给终端供电；通过整流器后的电压无法达到1.7 V时，启动方案二给终端供电；当发电量满足终端供电需求时，可通过方案一给电池充电；发电电压为0时，电池单独供电。

2 自供电模块的测试

在终端正常工作状况下，使用电能监测仪进行测试，终端待机功耗为10 mW，当车辆驶入驶出，终端发送接收信号过程功耗在21～42 mW范围内波动。选择TEG1-12706型号的热电转换单体作为研究对象，热电转换单体TEG1-12706主要参数见表1所列。

表1 热电转换单体TEG1-12706主要参数

2.1 热电转换组件性能测试

热电转换组件基于塞贝克效应，当热电转换组件两端存在温差时就能产生电势差，其表达式如（1）所示。实验中，分别将热电转换组件冷端温度设置为5 ℃、16 ℃和30 ℃，通过改变热端温度形成有效温度差。由图4可知，能量采集模块的输出功率主要影响因素为有效温差，冷端的温度值对输出开路电压影响较小。

图4 热电转换组件输出电压与温差的关系

式中：赛贝克电压的单位符号为；接口温度和的单位符号为K；与两种材料的相对赛贝克系数α=|α-α|的单位符号为V/K，当、材料接触面的温差∆=较小时，赛贝克系数α可近似为常数，当、材料接触面的温差∆=-较大时，可用表达式（2）表示。

由此可见，赛贝克系数α可表征赛贝克效应的大小，α越大，在同等温差下其赛贝克电压越大。

2.2 终端模块的功耗测试

终端模块的功耗测试平台如图5所示，包括P100F恒温加热台，HX-1050恒温循环器。将单片TEG1-12706热电转换组件固定于恒温加热台与恒温循环器水冷片之间并进行测试。

图5 终端模块的功耗测试平台

不同温差下终端的工作状态见表2所列。当有效温差为0 ℃时，能量采集器输出电压为0 V，由电池单独给终端供电；当有效温差达到52 ℃时，供应电能为8.9 mW，通过方案二和电池放电给终端供电；当有效温差为54 ℃时，供应电能为10.8 mW，能够满足终端的待机耗电量且此时电池可以处于不工作状态；当有效温差为60～68 ℃时，供应电能在21.1～43 mW，能够满足终端在工作时的耗电量且此时电池为放电或者处于不工作状态；当有效温差超过110 ℃时，整流器输出电压为1.761 V，可以启动方案一给终端供电并给二次电池充电。以上情况的供电功率都大于终端功耗，可以满足终端供电要求。

表2 不同温差下终端的工作状态

3 结 语

基于STM32芯片开发的检测终端功能齐全；高精度磁场传感器QMC5883L可对停车位的使用情况进行3轴方向检测；ESP-12S模块完成数据传输，终端待机功耗为10 mW，终端工作功耗为21～42 mW。同时，利用环境温度，选择TEG1-12706半导体作为能量采集模块，经过供电实验，结果表明：当有效温差为0 ℃时，电池单独给终端供电；当有效温差为52 ℃时，供给电能达不到终端待机功耗时，可以结合电池放电给终端供电；有效温度为54 ℃时，供应电能为10.8 mW，满足终端待机功耗；有效温度为60～68 ℃时，供应电能为21.1～43 mW，满足终端工作功耗需求，两种电路方案均可满足不同环境下的供电需求，保证终端稳定工作。