张燠诗，韩瑞瑞，赵 洲，田雨欣

（西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

0 引 言

中国作为农业大国，高效的农田广域空间信息采集、高可靠度数据稳定传输、面向不同应用的智慧决策及管理等，是实现农业生产标准化、规模化、精细化及智慧化的重要途径。随着物联网技术的快速发展，通过安装无线传感器实现信息的监测和实时传输的方式已广泛地运用到了农业领域。但是由于农业环境下无线传感器节点存在单节点耗能低、规模大、持续时间长、电缆敷设困难等问题，对电池供电系统方案设计提出更高的要求。合理分配和利用农田周围环境的各种自然微能量，进行高效收集并存储，使得无线传感器网络节点具有可持续的自主供电能力，是解决农业生产环境下信息获取的重要途径。

1 系统结构与原理

本研究所设计的一体化混合微能量收集系统结构如图1所示。该系统主要包括电能转换单元、混合能量管理电路以及无线传感器网络部分。其中电能转换单元包括：能量采集装置和能量转换模块。能量转换装置负责根据农业环境下太阳能、土壤温差能和风能三种能量特性进行相应选择，实现电能高效转换；能量转换模块包含DC/DC升压模块和整流电路以及用于实现能量源的最大功率点跟踪的MPPT电路，该模块的功能是将收集的环境微能量转换为电能。混合能量管理电路包括：能量管理模块和储能装置。能量管理模块由稳压电路、比较电路和开关切换电路组成，主要作用是控制主/副电源线路的接通/断开和解决阻抗匹配问题；储能装置是超级电容和锂电池混合储能系统。基于田间环境的微能量特征，整个供电装置将太阳能光伏发电作为主能源向传感器节点供电并向锂电池充电，温差发电与风能发电为辅助电源向超级电容充电。保证整个系统在传感器节点正常工作的同时，高效地将能量进行存储利用，以提高供电可靠性并延长节点寿命。

图1 一体化混合微能量收集系统结构

2 能量采集装置设计

2.1 太阳能电池组设计

在农田环境中，光伏太阳能在三种微能量中能级最大，输出电压与功率较大，可作为主供电线路为无线传感器节点供电。太阳能电池组基本单元选定型号为KMS-03的太阳能板，大小为230 mm×170 mm×23 mm，其峰值电流为0.28 A，峰值电压为7.5 V，标准功率为3 W。若充电时间按平均每天日照时间为4 h计算，单块太阳能板的功率为3 W，则超级电容器的充电效率可达90%。其中负载工作电压为5 V，工作电流为0.03 A，日工作时间为24 h，则单个太阳能电池板的功率约为2.33 W，将三块这样的太阳能电池板并联便能组成一个功率约为7 W的太阳能电池组。

2.2 土壤温差发电装置设计

在太阳能和地热的共同作用下，土壤就是一个巨大的天然热能储备体。为了将热量从土壤中高效率传输到地表以上，本文选用重力热管进行导热。最终土壤温差能量采集装置主要包括：8个热电温差发电片（TEG）和1个恒温型重力热管（2 000 mm×40 mm）。温差发电片的型号选择商用TG 12-8，其物理尺寸为5 mm×40 mm，恒温型重力热管的埋设深度为2.2 m。测得当温差的取值范围为0～25 ℃时，输出电压约为0～365 mV，输出电功率约为0～1.17 mW。

2.3 风能采集装置设计

基于对农田环境中农作物规律种植、行间风速较大等特点的考量，选用微型风能收集器中效率更高且体积更小的风致振动式装置。为了提高风能采集效率，受口琴结构启发，设计了带谐振腔的压电式风能采集器。谐振腔的内部尺寸为62 mm×19.6 mm×10 mm。压电梁选用Piezo Systems公司的T215-H4-203Y压电片。压电复合梁结构的上、下层采用压电PZT-5H材料，两个压电层是并联电学结构，中间金属层（铜）作为上、下两压电层的公共电极压电层，厚度为139 μm。柔性梁采用PET材料，通过AB胶将柔性梁和压电复合梁粘接固定。悬臂梁总长为38 mm，略小于谐振腔顶部的开口长度，它的宽度略小于谐振器出风口的宽度。

3 混合能量收集系统设计

光伏太阳能可以等效为理想电流源，由于其具有输出响应较大、受光照影响大而缺乏稳定性的特点，本混合能量收集装置增加了土壤温差能和风能来补充供电，以提高供电的稳定性和持久性。土壤温差热电能和微型风能可以等效为理想电压源，与光伏太阳能的电源特性不同，在输出特性上能起到互补的作用。为避免不同电源特性导致的阻抗不匹配，在能量转换模块中针对太阳能单独选用一种DC/DC降压模块，针对风能和土壤温差能选用同一种DC/DC降压模块；同时由于两者电能转换效应存在较大差异，需要选用不同的MPPT电路以保证收集功率和效率最大化；能量管理模块中设计开关切换电路和比较电路，以解决系统内部阻抗不匹配问题，并实现与下一级储能装置间的高效衔接。整个混合能量收集系统如图2所示。

图2 混合能量收集系统内部结构

3.1 能量转换模块

考虑到光伏太阳能的输出响应受环境的影响很大、土壤温差热电能和微型风能的输出功率比较稳定但又较为微弱的特点，本文选用了TI公司的BQ25504芯片，如图3所示。该芯片用于具有电池管理功能的能量收集器的超低功耗升压转换器，进行毫微功耗管理。BQ25504芯片以不连续导通模式运行，它的最大功率点跟踪功能操作取决于开路电压的采样值，升压转换器通过将VIN引脚检测到的输入电压调节到采样参考电压值（在VREF_SAMP引脚上存储），能间接调节升压充电器的输入阻抗，实现最大功率点跟踪功能。

图3 BQ25504芯片原理

3.2 能量管理模块

能量管理模块的主要工作过程是：当太阳光照充足时，太阳能光伏电池通过稳压电路为无线传感器节点直接供电，并将多余的能量存储到锂离子电池中。温差发电并联微型风力发电输出的电能直接向超级电容器充电，当超级电容器中电量增多，其两端的电压会不断升高。电压达到高阈值电压时，开关切换电路1接通，让单片机电路控制开关切换电路2接通，使超级电容器开始放电，即通过超级电容器放电为传感器节点供电，并向锂离子电池充电。超级电容器两端电压降低到低阈值电压时，开关切换电路1将断开，单片机电路停止工作，进而开关切换电路2断开，超级电容器停止放电，整个能量管理系统回到最初的工作状态。当太阳能光伏电池输出的电压非常低时（比如晚上或阴天），土壤温差发电和风能发电能持续稳定地向超级电容器充电，同时锂离子电池中存储的能量也能为无线传感器节点供电。能量管理系统上的单片机还采用了低功耗的能量管理策略，也就是只有在超级电容器放电的时间里单片机才开始工作，这能够极大地降低整个系统的能耗，增加无线传感器节点的连续工作时间。

基于上述原理，选择了LTC3588-1芯片用于稳压电路并选择LTC4071芯片用于充电和保护锂离子电池以免于过充电或过放电。同时，LTC4071芯片将LTC3588-1芯片的VIN调节至3.3 V稳压输出（ADJ引脚悬空），实现负载稳定供电，其电路结构如图4所示。

图4 稳压电路原理

开关切换电路选择以电子多路复用器TS5A3154芯片为核心的电路，该芯片是单通道2比1多路复用器，也就是单刀双掷模拟开关。开关工作状态为先断后合，在开启新的连接之前会先断开原有连接，提高输出稳定性，同时可以提供高效的低导通电阻（0.9 Ω）与通道间导通电阻匹配，具有出色的总谐波失真性能且功耗极低，其电路结构如图5所示。比较电路采用电压比较器。

图5 开关切换电路原理

4 结 语

为实现农业物联网传感器节点的可靠供电，本文设计了一种一体化混合能量收集装置。该装置以太阳能为主电源、土壤温差热能和风能为辅助电源向传感器节点供电。基于各能量特性设计了相应的能量采集装置，各能量源收集装置分别使用独立的BQ25504芯片实现电能转换和最大功率点跟踪，使得各自能量输出功率最优化，再将各输出并联外接一个电能管理电路进行能量管理；设计了开关切换电路和比较电路解决了由于不同能源特性存在差异而引起的阻抗不匹配问题；同时通过结合锂离子电池和超级电容器的混合储能系统，达到利用不稳定、非连续的混合环境能量持续稳定地为传感器节点供电的目的。

整个混合能量收集系统基本实现高效收集和管理三种环境微能量，不仅可以有效提高系统供电的可靠性和对环境的适应能力，还能大大缩小传统系统的尺寸，降低人工成本。