基于能量自搜集的智慧城市无线感知节点供电系统研究*

张扬铭宁景苑朱润浩易晓梅郜园园惠国华*吴 鹏

(1.浙江农林大学数学与计算机科学学院，林业感知技术与智能装备国家林业局重点实验室，浙江 杭州 311300；2.浙江农林大学数学与计算机科学学院，浙江省林业智能监测重点实验室，浙江 杭州 311300)

近年来，电子信息技术领域的研究不断取得进展，有关环境数据采集、监测、传输的无线传感器网络技术也在持续进步，并广泛应用于林业[1-3]、农业[4-6]、医学[7-8]等方面。而随着智慧城市建设进程的推进，更多基于无线传感网络技术的研究也被应用到城市管理中，文献[9]使用ZigBee技术研究并设计了一套基于无线传感器网络的空气质量监测系统，设计出传感器节点、网关汇聚节点，并使用压缩感知技术优化网络传输，显著降低了数据传输量；文献[10]将物联网与无线传感网络结合，提出并设计了对城市路灯进行智能化管理的方案，让路灯能够对行车、行人的运动状态进行监测并做出反馈；文献[11]针对城市水质问题设计了一种自主式水质检测系统，利用LoRa技术对无线传感网络进行布局，使用者可以通过浏览系统网页或使用Android手机接收短信来实现对城市水质的高质量检测；但同时，大部分无线传感器的供电方式仍为电池，其使用寿命和储存的能量有限，维护和更换耗时耗力，同时还有可能因为电池液泄漏等原因对环境造成污染。因此，环境能量搜集技术作为解决这些问题的一种重要方案，受到了人们的广泛关注，通过将自然界的太阳能、风能、热能、潮汐能等进行收集并转变为电能，即为环境能量搜集技术。

太阳能在自然环境中能量密度较大，可达到100 mW/cm2[12]，目前国内外对于太阳能收集技术的应用已经较为成熟，文献[13]基于光的波动性，提出了一种可以收集太阳能的螺旋结构纳米天线，在400 nm～1 600 nm的波长范围内有超过70%的总辐射效率。为了使太阳全天能被高效收集，文献[14]提出了一种针对太阳能电池板的角度调节系统，利用阳光方位传感器，在固定的时间间隔调整太阳能板角度，使其正对阳光，并设计了升压电路，在光照强度较低的情况下使系统可以正常工作。文献[15]制作了一种温差发电装置，通过使装置内部温度变化始终滞后于环境温度变化，从而实现温差发电，同时利用谐振效应设计了一种超低压升压变换器，将温差发电片产生的低压极性电能升压，为锂电池充电。文献[16]针对压电流体发电机存在的弊端，如压电振子对于环境变化适应性差、可靠性低等，设计并搭建了一种风力压电机，该装置利用圆柱壳体实现压电振子的单向弯曲，减轻流体对于压电振子的直接冲击。

夜间及阴雨天等环境会对太阳能收集产生影响；而热能虽然在自然环境中能量密度较低，但是通过温差发电及振动发电可以稳定地将热能转化为电能输出，以此弥补缺少光照条件下所能搜集的总能量，使系统更加稳定可靠。综上所述，本文提出了一种基于能量自搜集的智慧城市无线感知节点供电系统。该系统共分为能量采集模块、能量管理模块、无线通信模块，其中能量采集模块将系统所处环境中的太阳能与热能通过太阳能电池板、温差发电片、压电陶瓷等低压输出采集器进行能量采集；能量管理模块将采集到的能量转换为电能并储存，同时为无线通信模块供电；无线通信模块将传感器接收到的环境数据通过蓝牙无线传输给终端，并针对异常情况发送警报信息。

本文根据能量自搜集的理论基础，分别针对不同种类的能量进行分析，设计基于能量自搜集的智慧城市无线感知节点供电系统，最后对设计的系统进行相关测试，验证系统的有效性。

1 能量自搜集无线感知节点供电系统设计

1.1 光能搜集原理

太阳能发电主要包括光热发电和光伏发电两种形式，本文介绍的系统采用的是光伏发电，利用光生伏特效应，将照射到半导体材料上的光能转化为直流电。光伏电池包括单晶硅、多晶硅与非晶硅光伏电池以及砷化镓光伏电池等。

表1列出了四种光伏电池在室内及室外光照条件下的光电转化率[17]，由表1可知，在室内及室外光照条件下多晶硅光伏电池光电转化率都较高，同时考虑到太阳能电池板板工作电压须与后续相关芯片匹配，所以本文提出的系统选用多晶硅光伏电池实现光电转换。

表1 不同光照条件下各种光伏电池的光电转化率

1.2 热能搜集原理

温差发电主要利用塞贝克效应实现将热能转换成电能。将一对P型和N型半导体元件结合组成一个闭合回路，如果两个结点处于不同的温度，则回路中将产生电流，称为热电流，而产生热电流的电动势称为热电势，这种由于温差而导致的热电现象称为塞贝克效应。由塞贝克效应可知，在不考虑温差发电片内阻时，若其热端和冷端温度分别为T1，T2，产生的电压大小约为:

式中:α表示这对半导体材料的塞贝克系数，其大小与半导体元件的热电特性有关，一般在数百μV/K左右[18]。

1.2 振动能搜集原理

振动发电的基本原理依托了压电效应，即对压电材料施加了一定方向的机械力后，使其发生形变，材料内部会产生极化现象，材料外部的受力面和另一相对表面会产生符号相反的电荷，当机械力消除，材料重新变为初始的不带电状态，这种现象属于正压电效应；反之当材料置于外电场中受影响产生形变的现象，则属于逆压电效应。本文中采用了规格为60 mm×20 mm×0.2 mm的长方形压电陶瓷传感器发电片PZT-5来制作压电悬臂梁。

1.3 整体系统设计

本文提出的系统主要由能量采集模块、能量管理模块及无线通信模块组成，能量采集模块能对热能及光能进行收集，再通过能量管理模块将这些能量转化为可供无线通信模块使用的直流电。

1.3.1 系统硬件设计

太阳能电池板、温差发电片、压电悬臂梁将收集到的能量转化为电能传递给BQ25570能量管理芯片，为超级电容或锂电池充电，超级电容经由升压模块为无线通信模块供电，锂电池通过连接锂电池管理模块为无线通信模块供电。STC89C52单片机将传感器收集到的数据整理打包，再通过TXD端口将这些整理好的数据发送给HC-05蓝牙通信模块，由该模块与智能手机等具有蓝牙功能的设备进行无线通信。系统工作流程图如图1所示。

图1 系统工作流程图

1.3.1.1 能量采集模块设计

能量采集模块包括一块太阳能电池板、一块温差发电片及一个压电悬臂梁。其中太阳能电池板选用了两块完全相同的、大小为60 mm×60 mm、工作电压为2 V、工作电流为150 mA的多晶太阳能电池板，使用1N4007整流二极管串联而成。

温差发电使用的是TEP1-126T200温差发电片，该温差发电片在使用时两面均须安装在平坦的表面上，冷面和热面要均匀涂抹一层导热硅脂，确保正常散热以维持温差及发电效率，热面温度最高不能超过两百摄氏度。

振动能收集选用PZT-5压电陶瓷，由于该材料本身较为脆弱，冲击稍大就将断裂，为了对振动能收集进行可行性测试，制作了一个压电悬臂梁装置。装置选用了尺寸为80 mm×60 mm×0.5 mm的铜质基以及60 mm×20 mm×0.2 mm的PZT-5压电陶瓷。首先，使用2 000目砂纸将铜质基板的两面打磨平滑，作为悬臂梁基板，然后将压电陶瓷和铜质基板保持水平放置在桌面上，将适量的环氧树脂强力胶水均匀涂抹到二者朝上的一面，随后将二者紧密贴合，粘贴好后使用平板压紧，将其置于通风处晾干并至少等待24 h，之后使用两根公母头杜邦线将装置的电极引出，压电陶瓷为正极，铜质基板为负极，在边缘快速完成焊接，避免温度过高导致压电陶瓷退极化，最后将铜质基板背面固定于亚克力支架顶端，悬臂梁制作完成。太阳能电池板、温差发电片以及悬臂梁实物如图2所示。

图2 能量采集模块实物图

1.3.1.2 能量管理模块设计

能量管理芯片

本系统中的能量管理模块使用了BQ25570芯片及BQ25504芯片对能量采集模块的能量进行搜集管理，将能量储存到超级电容及锂电池中为负载供电。BQ255xx系列芯片是由TI公司设计的能量采集系统专用芯片，该系列的芯片可采集本系统所使用的太阳能电池板、温差发电片及振动能采集装置所生成的微瓦(μW)级功率。本文提出的系统使用的BQ25570电路原理如图3所示。

图3 系统BQ25570电路原理图

该芯片具有可编程动态最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能，可编程欠压、过压阈值设置以保护电路，并以此实现能量的高效转换；MPPT通过对输入电压进行调节，使其与开路参考电压(VOC＿SAMP)一致，从而改变输入阻抗，提高能量吸收效率，通过将VOC＿SAMP引脚与VSTOR引脚相连，将MPPT阈值设置为80%。芯片充电过程中电压上升至欠压阈值(VBAT＿UV)时，芯片开始为连接的外部储能元件供电，其典型值为1.95 V，当电压值继续升高至过压阈值(VBAT＿OV)时，芯片会停止充电以保护储能元件，避免过压导致的电路损坏，其具体值可以由相关电阻大小来设定，通过以下公式给出:

由图可知，VBAT＿OV＝VBAT＝4.07 V，所以本系统使用的储能元件均可与VBAT引脚直接相连。

当芯片退出冷启动并且系统负载已被激活，可以使用VBAT＿OK引脚标志位来传达芯片工作的状态信息，外部储能元件必须为主增压充电器提供足够的电力，以满足平均系统负载的需求，其上限VBAT＿OK＿PROG和下限VBAT＿OK＿HYST分别可以由式(3)和式(4)给出:

芯片输出电压VOUT由式(5)给出:

由图可知，VOUT＝2.57 V。

上述公式中的偏置电压(VBIAS)均取1.21 V。

1.3.1.3 锂电池管理芯片

为了配合能量管理芯片和锂电池工作，系统还使用了锂电池管理芯片IP5306，如图4所示。

图4 锂电池管理芯片IP5306

该芯片放电效率最高可达96%，可以提供稳定的DC 5 V为负载供电，芯片内部通过电源路径管理实现边充边放，具有过流保护、过压保护、短路保护和过温保护，可以自动检测负载连接情况，同时支持充放电电量4级区间指示，锂电池充满电时，4颗LED均会被点亮，电量即将耗尽时，1颗LED会闪烁，并且待机功耗较低，符合本文系统需求。将芯片的OUT-5V接口与负载相连，BAT接口与锂电池放电口相连，按下KEY即可运行。

本文提出的系统所使用的储能元件，需要在输入功率较低和频繁充放电的情况下保持长期工作。锂电池寿命一般在500个充电周期，需要专门的充电电路来保证效率和安全性；超级电容储存电能的过程不涉及化学反应且可逆，因此其充放电次数可达数十万次以上，无需复杂的充电电路，自放电消耗电能极少。本文分别选择了额定电压5.5 V、标称容量1.5 F的超级电容，以及1 800 mAH的锂电池进行能量储存及供电的测试。

1.3.1.4 电源切换电路

由于本研究中的三种能量采集装置之间的阻抗不匹配，难以直接将三者的输出汇集到一起，又因环境能源的不稳定性无法使用单一能量采集装置稳定供电。为了减少系统的能量损失，实现对三种环境能源的同时收集使用，本研究使用了电源切换电路，其核心是电子多路复用器TS5A3154芯片。TS5A3154芯片是单通道2:1多路复用器，即单刀双掷模拟开关，该芯片可以提供高效的低导通电阻与通道间导通电阻匹配，并且具有出色的总谐波失真性能，同时自身功耗极低，不会对整体供电效率造成影响。该电源切换电路原理如图5所示，电源切换电路实物如图6所示，其中P2端子连接光能采集装置输出端口，P3端子连接热能和振动能采集装置输出端口，P1为该电源切换电路总输出端口，连接储能元件。通过改变P2和P3的输入电压对其进行性能测试，测试结果如表2所示。

图5 电源切换电路原理图

图6 电源切换电路实物图

表2 电源切换电路性能测试表

1.3.1.5 无线通信模块设计

该模块由STC89C52单片机、温度传感器、光照度传感器、火焰传感器以及蓝牙通信模块组成，实现本系统与智能手机等具有蓝牙功能的设备的无线通信。首先在确认各模块可以正常运行后对每个模块进行功耗测试，各模块的功耗数据如表3所示。

表3 各模块功耗数据

1.3.1.6 蓝牙通信模块

系统采用了HC-05蓝牙通信模块，该模块可以通过按住模块KEY键上电开机进入AT模式，此时LED指示灯慢闪，将模块通过串口与上位机相连，可以对模块进行设置，在该模式下使用AT指令集更改模块的工作参数，如设备名称、配对密码、切换主机从机等；常规模式上电开机LED指示灯快闪，将蓝牙模块调试完成后，使用蓝牙调试软件将模块与智能手机等具有蓝牙功能的设备进行连接，当模块的指示灯慢闪时表示连接成功，此时可通过蓝牙调试软件的对话模式进行数据收发，或在按钮控制中对多个按钮按下和松开时发送的数据进行设置，从而实现对设备的快捷控制。

1.3.1.7 温度传感器

系统使用了3引脚TO-92封装的DS18B20芯片来接收温度数据，其仅需一个通信端口即可与MCU进行数据传输，测量范围在-55℃～＋125℃。

1.3.1.8 光照度传感器

系统使用GY-302光照强度模块，该模块采用的是ROHM原装BH1750FVI芯片，可测量的光照度范围为0～65 535 lux，其内置的16位AD转换器可以直接进行数字量输出，从而省略校准及复杂的计算过程。

1.3.1.9 火焰传感器

系统使用的是YL-38火焰传感器，用于探测火焰光谱，测量范围为760 nm到1 100 nm波长的光源，有效探测距离在一米左右，通过调节电位器可以设定触发阈值，有数字量输出和模拟量输出两种接口。本文提出的系统采用了数字量输出，在检测到火焰时DO引脚会输出低电平，单片机接收到数据后会通过蓝牙向连接的设备发送警告信息。

1.3.2 系统软件设计

系统开机后首先完成各个元件初始化，进入工作模式，在进行传感器数据采集的同时，在LCD上实时显示采集到的数据，同时不断检测是否有设备连接至本系统，连接成功后，每间隔一段时间向该设备发送相关数据，具体流程如图7所示。

图7 系统软件流程图

2 系统测试

记录了不同光照强度下的光能采集情况及一定温差下的热能采集情况，并对能量管理模块为无线通信模块供电以及系统工作过程进行了测试，具体测试方法及测试结果如下。

2.1 光能采集测试

在2021年4月28日晴天进行了光能采集测试，测试分别记录了47 000 Lx、63 000 Lx及大于65 535 Lx范围内的光照强度下将超级电容从0.2 V充电至4.0 V所需的时间，测试结果由图8(a)所示。

图8 光能采集测试图

虽然自然光的光照强度存在波动，但仍能看出充电效率与光照强度呈正相关，在光照强度大于光照强度测试模块上限65 535 Lx时达到了最短充电时间，约为2 min 57 s，随后又进行了三次对充电时电路电流的测试，测试显示超级电容充至4 V左右时电流大小在13 mA上下浮动，测试结果如图8(b)所示。

2.2 热能采集测试

在实验室内进行了热能采集测试，测试时室温为25℃，将硅胶加热板温度设定为120℃对温差发电片进行加热，发电片两面均匀涂抹导热硅脂，热面紧贴硅胶加热板，冷面紧贴散热片，用泰克MDO3104示波器记录充电波形，测试环境如图9(a)所示。

由于温差发电片的特性，在加热时热面和冷面的温差会逐渐缩小，充电效率也会随之降低，充电波形如图9(b)所示，由图可看出，超级电容的电压从0.44 V升高到0.82 V，充电时间为180 s左右。

图9 热能采集测试图

2.3 振动能采集测试

在实验室中对悬臂梁的振动能采集情况进行了测试，测试结果如图10所示，具体测试数据如表4所示。可以看到，在一定范围内，振动频率越高、振幅越大，该装置的输出电压越高。

表4 振动能采集测试结果 单位:mV

图10 振动能采集测试图

2.4 无线通信功能测试

对系统的无线通信功能进行测试，将STC89C52的引脚Pin35与温度传感器的DO引脚相连，将引脚Pin10和Pin11分别与温度传感器的SCL和SDA引脚相连，将引脚Pin17与火焰传感器的DO引脚相连，编写相关程序，编译完成后进行烧录及相关功能测试，使用蓝牙调试软件与蓝牙通信模块连接，将字符编码格式改为GBK，查看接收到的相关数据，系统会自动发送温度及光照度数据，检测到火焰会发送警告信息。

2.5 能量管理与输出测试

将超级电容充电后为无线传输模块进行供电，使用泰克MDO3104示波器观察记录超级电容的电压波形，如图11所示。

图11 超级电容放电测试图

由于本系统使用的超级电容容量较小，且使用了LCD1602来观察模块运行情况，系统通信频率设置为1次/s时，充电至4.1 V左右的超级电容可供系统运行的时间约为34 s。

同时以锂电池作为系统储能元件进行放电测试，在未连接能量采集模块的情况下从开始运行到系统停止工作平均运行时间可达10 h 22 min。

3 结论

该无线感知节点供电系统可以将环境中的光能、热能和振动能收集、转化为稳定的直流电源，并为系统中的无线通信模块供电，向连接了无线通信模块的设备传输温度、光照度数据，并在探测到火焰的时候发送警告信息。测试结果显示，系统收集光能的效率较高，晴天最短可在177 s内将超级电容充电至4 V，收集热能和振动能的方式可行，但收集效率相对较低，后续研究会通过更换温差发电片及压电陶瓷型号，以及设计合理高效的装置结构等方式提高热能和振动能的收集效率，并设计防雨的外壳来适应室外环境的长期工作。该系统收集的能量基本可以保证低功耗设备正常运行，在锂电池充满的条件下可持续运行10 h 22 min以上，可以在能量自搜集和无线感知节点等领域进行应用。