低功耗自供電終端模塊的設計與測試

李麗雅，林 濤,2，韓鳳琴，蔡海城

（1.廣州城市理工學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800；2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著5G與北斗星鏈技術的應用，物聯網建設成為“新基建”的重要目標。無線傳感器終端為物聯網感知層，通常面臨無人值守、無可靠電源應用場景等局面，其電源的穩定性與持續性是關鍵技術問題。傳感器終端采用一次電池或二次電池進行供電，雖能解決電源問題，但面對物聯網龐大的傳感器終端，頻繁更換電池將造成資源浪費并增加人工成本，影響傳感器工作的穩定性。采用自供電技術，從環境中捕獲能量并轉化成電能為傳感器終端供電已成為研究熱點，其能量來源主要有光、振動、電磁場、溫度等。自供電能量采集技術的發展促進了無線傳感器終端及物聯網的快速發展。隨著智慧城市的建設，智能交通是關鍵，而大型城市的停車與車位管理難題均可采用物聯網技術加以解決，因此保障物聯網感知層傳感器終端的用能穩定性是研究的重點。Chandra Kiran B開發的SFpark項目因傳感器電池老化影響停車位信息；蘇世雄等通過設計基于物聯網的智能停車管理系統，減少用戶停車時間，提高車位利用率，但系統功耗較大。本文設計并開發了低功耗自供電終端模塊，可通過熱電轉換能量采集器采集環境能量，保障傳感器終端用能的穩定性。搭建實驗測試平臺，對自供電終端模塊的功耗以及穩定性進行了測試。

1 方案設計

1.1 硬件結構

自供電智能停車終端結構如圖1所示。能量采集模塊利用與環境的溫差發電，經過電源轉換電路后為終端提供電能的同時將多余的電能通過蓄電元件儲存。數據檢測模塊收集車位使用狀態信息，通過STM32單片機處理數據，控制通信模塊進行信息傳輸。數據檢測模塊采用QMC5883L芯片，信息傳遞模塊選擇ESP-12S，借助WiFi對無線數據進行發送與接收。單片機的串口1和串口6分別與QMC5883L和ESP-12S通信。

圖1 自供電智能停車終端結構

1.2 電源轉換電路

能量采集模塊基于熱電轉換組件開發，但由于環境溫度存在季節性和晝夜性變化，夏天和白天時地表環境溫度較大氣環境溫度低，冬天和夜晚時地表環境溫度較大氣環境溫度高。熱電轉換組件在季節和晝夜變換時由于冷熱端的變化而引起輸出電壓方向的變化且輸出電壓較低，為保障終端用能的穩定性，設計如圖2所示的轉換電路框圖，轉換電路如圖3所示。

圖2 轉換電路結構

圖3 轉換電路

能量采集器的輸出電壓高于3.4 V時，通過SX1302升壓電路將經過整流器的電壓提升到5.1～5.2 V，通過二極管避免二次電池反向輸出，經過二極管降壓后，TP4056鋰離子電池充電電路將電壓穩定于3.7～4.2 V，二次電池充電，此充電電壓可根據電池充電電壓調整，最后AMS1117CD電路將電壓穩于3.3 V給終端供電。當電壓較低時，通過ME2108A33PG升壓電路將低電壓直接抬升到3.3 V給終端供電。理論上，當半導體兩端溫差較大時，通過整流器后的電壓高于1.7 V時，可以同時啟動方案一與方案二給終端供電；通過整流器后的電壓無法達到1.7 V時，啟動方案二給終端供電；當發電量滿足終端供電需求時，可通過方案一給電池充電；發電電壓為0時，電池單獨供電。

2 自供電模塊的測試

在終端正常工作狀況下，使用電能監測儀進行測試，終端待機功耗為10 mW，當車輛駛入駛出，終端發送接收信號過程功耗在21～42 mW范圍內波動。選擇TEG1-12706型號的熱電轉換單體作為研究對象，熱電轉換單體TEG1-12706主要參數見表1所列。

表1 熱電轉換單體TEG1-12706主要參數

2.1 熱電轉換組件性能測試

熱電轉換組件基于塞貝克效應，當熱電轉換組件兩端存在溫差時就能產生電勢差，其表達式如（1）所示。實驗中，分別將熱電轉換組件冷端溫度設置為5 ℃、16 ℃和30 ℃，通過改變熱端溫度形成有效溫度差。由圖4可知，能量采集模塊的輸出功率主要影響因素為有效溫差，冷端的溫度值對輸出開路電壓影響較小。

圖4 熱電轉換組件輸出電壓與溫差的關系

式中：賽貝克電壓的單位符號為；接口溫度和的單位符號為K；與兩種材料的相對賽貝克系數α=|α-α|的單位符號為V/K，當、材料接觸面的溫差?=較小時，賽貝克系數α可近似為常數，當、材料接觸面的溫差?=-較大時，可用表達式（2）表示。

由此可見，賽貝克系數α可表征賽貝克效應的大小，α越大，在同等溫差下其賽貝克電壓越大。

2.2 終端模塊的功耗測試

終端模塊的功耗測試平臺如圖5所示，包括P100F恒溫加熱臺，HX-1050恒溫循環器。將單片TEG1-12706熱電轉換組件固定于恒溫加熱臺與恒溫循環器水冷片之間并進行測試。

圖5 終端模塊的功耗測試平臺

不同溫差下終端的工作狀態見表2所列。當有效溫差為0 ℃時，能量采集器輸出電壓為0 V，由電池單獨給終端供電；當有效溫差達到52 ℃時，供應電能為8.9 mW，通過方案二和電池放電給終端供電；當有效溫差為54 ℃時，供應電能為10.8 mW，能夠滿足終端的待機耗電量且此時電池可以處于不工作狀態；當有效溫差為60～68 ℃時，供應電能在21.1～43 mW，能夠滿足終端在工作時的耗電量且此時電池為放電或者處于不工作狀態；當有效溫差超過110 ℃時，整流器輸出電壓為1.761 V，可以啟動方案一給終端供電并給二次電池充電。以上情況的供電功率都大于終端功耗，可以滿足終端供電要求。

表2 不同溫差下終端的工作狀態

3 結 語

基于STM32芯片開發的檢測終端功能齊全；高精度磁場傳感器QMC5883L可對停車位的使用情況進行3軸方向檢測；ESP-12S模塊完成數據傳輸，終端待機功耗為10 mW，終端工作功耗為21～42 mW。同時，利用環境溫度，選擇TEG1-12706半導體作為能量采集模塊，經過供電實驗，結果表明：當有效溫差為0 ℃時，電池單獨給終端供電；當有效溫差為52 ℃時，供給電能達不到終端待機功耗時，可以結合電池放電給終端供電；有效溫度為54 ℃時，供應電能為10.8 mW，滿足終端待機功耗；有效溫度為60～68 ℃時，供應電能為21.1～43 mW，滿足終端工作功耗需求，兩種電路方案均可滿足不同環境下的供電需求，保證終端穩定工作。