基于環(huán)境微能量的農(nóng)田無線傳感器自供電技術(shù)研究

韓瑞瑞，張燠詩，趙 洲，田雨欣

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

隨著無線通信、微電子以及低功耗傳感器的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN）得到了極大的發(fā)展并引起了眾多研究人員的關(guān)注[1]。WSN作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)[2]，利用大量廣泛分布的無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息采集、數(shù)據(jù)處理以及無線通信等，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田檢測[3]、精準(zhǔn)灌溉[4]等方面。然而傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)存在有線能源和一次性電池能源問題，極大地限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與深度拓展。環(huán)境能量收集技術(shù)是一種綠色、可持續(xù)的供電技術(shù)，可為傳感器節(jié)點(diǎn)供電提供有效方案[5]，達(dá)到低功耗、低成本、長壽命的目的，進(jìn)而對智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用?；诖?，本文總結(jié)近年來新型能量采集技術(shù)的一些研究現(xiàn)狀，并對環(huán)境微能量收集技術(shù)在農(nóng)田環(huán)境應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 環(huán)境微能量收集系統(tǒng)

環(huán)境微能量采集管理系統(tǒng)主要由微能量采集模塊、能量管理模塊和無線傳感器系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。微能量采集模塊是各種能量的收集器，如太陽能電池板、溫差能發(fā)電片、壓電懸臂梁等。能量管理模塊是系統(tǒng)的核心，其通過低功耗微控制器實(shí)現(xiàn)電量的監(jiān)測、采集和智能管理。系統(tǒng)獲取的微能量經(jīng)整流單元處理后存儲于由超級電容器或蓄電池構(gòu)成的電能存儲單元，在能量管理模塊的調(diào)控下經(jīng)DC-DC電路升壓、穩(wěn)壓后供農(nóng)田無線傳感器系統(tǒng)使用[6]。

圖1 能量收集管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 田間環(huán)境微能量收集技術(shù)

2.1 微型光伏發(fā)電技術(shù)

太陽能是目前應(yīng)用最廣泛的環(huán)境能量。目前，對太陽能的利用有兩種形式：太陽能光熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電。由于太陽能光熱發(fā)電設(shè)備成本高、轉(zhuǎn)換效率低，在微型供電系統(tǒng)中較少采用。目前對太陽能光伏發(fā)電，領(lǐng)域主要集中在戶外，如大型光伏電站、城市照明、智能建筑等且需要大面積鋪設(shè)。面向農(nóng)田環(huán)境中太陽能微能量收集，必須適應(yīng)田間弱光環(huán)境、機(jī)械化耕作、水肥管理，有害生物防治等問題，適于小型化、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的供電系統(tǒng)。目前的研究主要從弱光型光伏電池研發(fā)、微型最大功率跟蹤技術(shù)以及高效能量收集電路三方面開展。

根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池和新型高分子材料太陽能電池。硅太陽能電池又包括單晶硅（Crystalline Silicon, c-Si）、多晶硅（Polycrystalline Silicon, poly-Si）、非晶硅（Amorphous Silicon, a-Si）三種。商用單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高可達(dá)23%，在太陽能電池中其光電轉(zhuǎn)換效率最高。但李達(dá)等通過實(shí)驗(yàn)表明，隨著光照強(qiáng)度的降低，c-Si、poly-Si、CdTe（碲化鎘）太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（Power Conversion Efficiency, PCE）均出現(xiàn)了不同程度的下降，而可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cell,PSC）的PCE幾乎呈線性增加[7]。當(dāng)光照強(qiáng)度低于0.3個標(biāo)準(zhǔn)太陽光（30 mW·cm-2）時，可印刷介觀PSC已經(jīng)開始展現(xiàn)出一定的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢； 當(dāng)光照強(qiáng)度進(jìn)一步降低至標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)弱光條件（1 000 Lux，約0.3 mW·cm-2）時，其PCE可達(dá)19.83%，高于其他商用太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池在弱光環(huán)境下展現(xiàn)出了優(yōu)異的弱光吸收轉(zhuǎn)換功能。

為進(jìn)一步提高對田間弱光環(huán)境下太陽能采集裝置的工作效率，曹正江等研究了太陽光照的變時間間隔的跟蹤方法來跟蹤最大光照強(qiáng)度[8]。依據(jù)太陽光照強(qiáng)度、不同季節(jié)的角度、同一季節(jié)不同經(jīng)緯度規(guī)律性變化的近似正弦特點(diǎn)，計(jì)算出不同時刻太陽光線與太陽能電池板垂直方向的角度。該角度決定了能量吸收效率，確定調(diào)整一次太陽能電池板角度的時間間隔，提高了太陽光吸收效率。在收集弱光的電子電路設(shè)計(jì)上，胡志恒等設(shè)計(jì)了一種弱光環(huán)境下高效能量收集電路，主要針對光伏電池的輸出特性與充電電路的輸入特性之間的匹配度差異，提出一種高效能量收集電路，避免光伏電池輸出電壓被持續(xù)鎖定在低電壓狀態(tài)，顯著提高能量收集的效率，具有一定的應(yīng)用價值[9]。

2.2 微型風(fēng)能收集研究

在對于風(fēng)能的利用及轉(zhuǎn)換方面，主要有兩類風(fēng)能收集器：第一類是渦輪旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能收集器，常適用于大規(guī)模風(fēng)能發(fā)電廠；第二類是風(fēng)致振動式風(fēng)能收集器，原理為由自然風(fēng)引起收集器的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，繼而通過壓電、電磁或靜電等轉(zhuǎn)換方式把振動能轉(zhuǎn)化為電能[10]。

針對農(nóng)田環(huán)境中微型風(fēng)能采集，傳統(tǒng)渦輪旋轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)體型較大、田間布設(shè)不利于機(jī)械化耕作和田間管理。其次，渦輪旋轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)啟動風(fēng)速高、對于農(nóng)田低風(fēng)速情形下微能量收集適應(yīng)性差。同時傳統(tǒng)渦輪旋轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、能耗高，能源轉(zhuǎn)換率低。因此在農(nóng)田低風(fēng)速的環(huán)境下，國內(nèi)外研究者針對以上難點(diǎn)進(jìn)行了攻關(guān)。

為克服傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電在低風(fēng)速下發(fā)電效率低這一弱點(diǎn)，Yang等人對在低速風(fēng)中的壓電風(fēng)車進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化之后的壓電風(fēng)車是由一個懸臂式壓電裝置和一個轉(zhuǎn)子組成，壓電裝置的末端還連接有永磁體[11]。轉(zhuǎn)子在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)，與壓電裝置的磁體相互作用發(fā)生變形，產(chǎn)生電流。實(shí)驗(yàn)測得在風(fēng)速為1.94 m/s時，發(fā)電機(jī)的最大輸出功率為3.14 mW?；谠摪l(fā)電裝置的無線傳感微系統(tǒng)有效克服了壓電風(fēng)車在低風(fēng)速條件下難以啟動的問題。在小型化方面，吳寅等人指出將小型化風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用在森林火災(zāi)監(jiān)測中，給無線傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)供電是合適的，且從節(jié)點(diǎn)級別的能量管理角度設(shè)計(jì)了基于DC-DC變換器的最優(yōu)化能量管理算法，確保自供電節(jié)點(diǎn)工作在最大風(fēng)能采集并且最低功耗狀態(tài)[12]。為解決傳統(tǒng)的MPPT技術(shù)復(fù)雜電路設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的耗能過高，任微逍等提出一種特殊的最大功率點(diǎn)跟蹤方法（Maximum Power Point Tracking, MPPT），即為基于電阻仿真的MPPT無線傳感器風(fēng)能采集方法。通過負(fù)載阻抗來模擬風(fēng)機(jī)的源阻抗，以使得電源和負(fù)載之間能夠達(dá)到良好的阻抗匹配，保證在任何運(yùn)行風(fēng)速下采集到的功率都是最大值，從而達(dá)到延長無線傳感器風(fēng)能采集器的采集效率，達(dá)到延長其工作壽命的目的[13]。

2.3 土壤溫差能收集技術(shù)研究

2.3.1 溫差發(fā)電原理—塞貝克效應(yīng)

在太陽輻射和地?zé)嶙饔孟?，土壤本身就是一個巨大的熱能儲備體，且在農(nóng)田環(huán)境中土壤熱能資源豐富。由德國科學(xué)家Seebeck發(fā)現(xiàn)的“塞貝克效應(yīng)”指出，在兩種金屬A和B組成的環(huán)路中，若是不同金屬連接處的溫度有差異，則環(huán)路中會導(dǎo)致電流產(chǎn)生，并引發(fā)相應(yīng)的電動勢，即熱電勢[14]。

2.3.2 溫差能收集技術(shù)研究現(xiàn)狀

陳明闊等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于溫差能量收集的土壤溫度監(jiān)測系統(tǒng)[15]。該溫差能收集裝置包括熱電轉(zhuǎn)換模塊和電能收集模塊。通過TEG（溫差發(fā)電片）對集熱管及土壤的溫度差進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，并將得到的電能通過收集模塊存儲起來，從而在需要時為傳感器供電。為了更有效地從淺層土壤中收集微能量以及盡可能的提高熱電轉(zhuǎn)換效率，需要增大重力熱管吸熱端與土壤之間的接觸面積。故黃永勝研究了森林土壤溫差發(fā)電中的土壤-翅片界面熱傳遞規(guī)律及其對溫差發(fā)電系統(tǒng)輸出的影響，分析翅片管對溫差發(fā)電裝置熱量吸收和傳遞效率的提升作用[16]。通過理論計(jì)算表明，與單純銅管相比，銅質(zhì)翅片管可提高熱傳遞效率76.77%，顯著提高了熱傳遞效率。

2.4 其他的微能量采集技術(shù)

農(nóng)田灌溉水是水力發(fā)電的一種潛在能源。許多農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉仍然地面灌溉與普通噴灌方式。為了使水資源得到充分利用，可以在灌渠內(nèi)安裝水輪機(jī)，以便在灌溉季節(jié)或供水季節(jié)內(nèi)發(fā)電。此外農(nóng)田土壤中富含微生物，可以從中挖掘新的生物能量。吳元鈞通過研究一類叫希瓦氏菌屬的產(chǎn)電菌，設(shè)計(jì)了一套植物和微生物共生發(fā)電的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用于采集生物能產(chǎn)生的電能[17]。

3 混合環(huán)境能量管理

在農(nóng)田應(yīng)用環(huán)境中，太陽能、風(fēng)能、溫差能以及其他環(huán)境微能量均可通過相應(yīng)的能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。但目前常見的能量收集均為單一能源。太陽能豐富且清潔，但容易受到夜間影響；溫差能雖然可靠性高，但不可預(yù)測；風(fēng)能具有普遍存在、豐富等優(yōu)點(diǎn)，但具有不可控的劣勢[18]。這樣單調(diào)的無線傳感器供電系統(tǒng)極容易受到自身能源的局限性而變得非常不穩(wěn)定。

隨著能量存儲和管理技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電等逐漸成為未來發(fā)展趨勢。故可以結(jié)合多種微能量收集技術(shù)，揚(yáng)長避短，設(shè)計(jì)一種新型的低功耗混合能量收集管理系統(tǒng)為無線傳感器穩(wěn)定供電。其中需要考慮以下混合環(huán)境能量管理問題[19]：

（1）不同能量的等效電源不同，需要獨(dú)立的低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換電路與存儲電路，以避免阻抗不匹配。

（2）需設(shè)計(jì)主副電源系統(tǒng)互補(bǔ)式配合供電。可以設(shè)計(jì)高輸出電壓與功率的能量收集系統(tǒng)（例如光伏太陽能）作為主電源為線路供電，設(shè)計(jì)低輸出電壓與功率的能量收集系統(tǒng)（如土壤溫差能、熱電能）作為副電源為鋰電池充電。

（3）使用電子多路開關(guān)控制主/副電源線路的接通/斷開。通過使能端判斷開關(guān)連通方向，主電源連接常閉開關(guān)，副電源連接常開開關(guān)。單次連接僅有一路輸出，提高能源的輸出與存儲效率

4 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，適用于田間的低功耗自主供電無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)已成為廣為關(guān)注的重要問題。近年來基于微型光伏、風(fēng)致振動、溫差能量等新型環(huán)境微能量收集技術(shù)在航空航天、智能工控、汽車電子等領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用，但在應(yīng)用于田間的微能量收集系統(tǒng)少有報道。文章結(jié)合各種環(huán)境能量的收集原理對適用于田間能量收集技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)概括和分析，以期為促進(jìn)我國智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展提供參考。

隨著低功耗技術(shù)和新型材料的研發(fā)，環(huán)境微能量收集技術(shù)正朝著小型化、集成化、智能化等方向發(fā)展。具有更高能量轉(zhuǎn)換效率的新型材料及結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，對具有更高能量密度的電能存儲單元研究不斷深入。微功耗傳感器及通信網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化管理技術(shù)不斷優(yōu)化，使得傳統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的田間信息獲取系統(tǒng)測控節(jié)點(diǎn)的壽命不斷延長，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及可靠性會極大提升。