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基于能量收集的海洋浮标无线传感节点设计

2020-02-19 17:45rf射频/无线 人已围观

简介对海洋信息进行实时检测,不仅可以预防海洋的环境污染、预测天气,对水产养殖也具有极其重要的作用。我国每年需要消耗大量的水产养殖品,其中一半来自于近海的水产养殖,实时...

  对海洋信息进行实时检测,不仅可以预防海洋的环境污染、预测天气,对水产养殖也具有极其重要的作用。我国每年需要消耗大量的水产养殖品,其中一半来自于近海的水产养殖,实时监测海水变化,可有效预防事故发生,优化并提高产能。目前,对于海洋信息的监测大多通过海面上的浮标完成,而电池是海洋无线浮标传感节点的主要供电来源。但是传统电池仍具有一些无法改变的缺点,如供能寿命有限、需要定期更换等,而且我国海岸线较长,需要监控的无线节点数以千万计,如果一一定时去更换电池,需要浪费较多的人力与物力,得不偿失。
  
  因此,为了使电池能够更长久地工作,人们致力于低功耗技术的研发,以大大降低芯片工作的功耗。但是单独的低功耗技术还远远不够,本文收集海洋浮标的振动能量并向电池充电,以此大幅度延长电池使用寿命,使得海洋信息传感节点得以更长时间的工作,不仅可以节省大量电池成本,更节省了更换电池产生的人力成本。
  

  1 系统整体设计

  
  本文系统主要包括两部分。
  
  (1)工作在海洋浮标上的无线传感节点能够实时采集海水温度等信息,并且能够进行无线数据的收发。为了降低功耗,无线传感节点处于间歇式工作状态。
  
  (2)海面上的浮标一直处于振动状态,能够收集浮标的振动能量并向电池充电,以此大幅度延长电池使用寿命。能量收集包括悬梁臂及无源能量收集电路两部分。
  
  系统整体架构如图 1 所示。
  图 1  系统整体架构
  图 1  系统整体架构
  

  2 能量收集

  
  2.1能量收集装置
  
  振动是环境中广泛存在的一种能量形式,如大自然中水和空气的流动、工业机器运作时的振动等。本文采用压电式振动能量俘获装置,利用压电材料的正压电效应将环境中的振动能转换为电能。
  
  压电元件的等效电路可用一个机械弹簧系统耦合到电域表示。等效电路如图 2 所示,Fm 表示外界受到的力激励,M 表示模态质量,D 表示阻尼系数,KSC 表示整体等效刚度,α 表示压电电压系数,Cp 表示压电受夹电容。当激发正弦振动时,压电元件可建模成由一个正弦电流源 ieq、电容 CP 和电阻 R 组成的电路。
  图 2 等效电路
  图 2 等效电路
  
  2.2 能量收集电路
  
  本文提出一种无源的能量收集电路。如图 3 所示,当压电片开始振动时,Cp 两端电压开始升高,当压电片运动到最大位移时,电压达到最大值 VMax,然后压电片向反方向运动, 电压慢慢下降,当达到 VMax-2VBE 时,开关导通,电容 Cp 与电感 L 组成 LC 振荡回路,Cp  上的电荷向电感转移,当经过1/4 振荡周期后,电感向电池充电。
  图 3    能量收集电路
  图 3  能量收集电路
  

  3 无线传感节点

  
  3.1系统电源 LDO
  
  一般锂电池的电压为 3.7 V,而系统电压为 3.3 V,因此需要一个 3.3 V LDO 作为电源模块。本文采用 HT7133 作为稳压器,输出电压为 3.3 V,最大输出电流为 30 mA,静态电流为 2.5 μA。系统电源 LDO 如图 4 所示。
  图 4 系统电源 LDO
  图 4 系统电源 LDO
  
  3.2 微处理器(MCU)设计
  
  主机处理器选用 Microchip 公司的 PIC16LF1825 芯片。
  
  Microchip 公司的单片机具有功耗低、抗干扰能力强、内部资源丰富、种类齐全等特点,其电路原理如图 5 所示。MCU的 RA1,RA2,RC0,RC1 用来控制 CC1101 无线发射芯片发射数据,RX,TX,Data 用来读取传感器信息,RC2 引脚用来控制 P1 开关,控制传感器及无线发射模块是否通电。为了降低功耗,在大多数情况下,传感器及无线发射模块均不上电。
   图 5  电路原理
  图 5  电路原理
 
  3.3 无线收发模块设计
  
  本文采用 CC1101 无线收发模块进行数据的收 发。CC1101 是一款高性能极低功耗的RF 应用通信芯片,通过配置,可工作在 315 MHz,433 MHz,868 MHz 和 915 MHz 工作频段上。
  
  CC1101 中有 SI,SO,SCLK 和 CSn 四个控制引 脚, 可通过这些引脚和 GDO2 对 CC1101 进行配置。SI,SO, SCLK 是同步串行 SPI 通信接口,CSn 是芯片的选择引脚, 当 CSn 为低电平 0 时,单片机可通过 SPI 与 CC1101 通信。SO 和 SI 用于传输数据,SO 为输出数据,SI 为输入数据, SCLK 为 SPI 接口的同步时钟 ;若 CC1101 接收到数据,则GDO2 电平就会发生跳变,此时可通过单片机检测判定是否有数据到来。CC1101 原理如图 6 所示。
 
  图 6  CC1101 原理
  图 6  CC1101 原理
  
  3.4 浊度传感器模块
  
  本文采用浊度传感器模块 TSW-20M,如图 7 所示。浊度传感器可直接与单片机经串口通信,但耗电较大,约为11 mA,因此只能将开关 P1 处于间断式工作状态,以降低功耗。
  图 7    浊度传感器原理
  图 7  浊度传感器原理
  
  3.5 水温传感器模块
  
  本文选用数字化温度传感器 DS18B20,采用热导性高的密封胶灌封,使其可在水下工作。温度测量范围为 -55 ~125 ℃,精度为 0.5 ℃,完全满足要求。耗电约为 1 mA,故将开关P1 处于间断式工作状态,以降低功耗。温度传感器原理如图 8 所示。
  图 8 温度传感器原理
  图 8 温度传感器原理
  

  4 实验测试

  
  基于能量收集的海洋浮标传感节点的测试主要分为两部分 :
  
  (1)能量收集功率测试,模拟海洋浮标振动环境,测试其收集功率 ;
  
  (2)系统消耗功率测试,并比较电池使用寿命提升比。
  
  能量收集功率测试装置如图 9 所示,利用功放驱动振动台进行振动,以此模拟海洋浮标的振动。能量收集装置随着振动台、带着压电片一起振动。所需压电片振动时会产生电量,利用电路收集。测量负载端收集到的能量,可得到如图 10 所示的收集功率曲线。由图 10 可知,能量收集功率与负载有关,在负载较小时,收集功率较低,当负载大于0.5 MΩ 时,能量收集功率趋于平稳,最大可达 0.61 mW。
  图 9    能量收集测试装置
  图 9   能量收集测试装置
  图 10  能量收集功率曲线
  图 10  能量收集功率曲线
  
  系统采用间断式工作模式,传感器及无线收发模块大多处于关闭状态,以此降低功耗。工作模式如图 11 所示。
  图 11 工作模式
  图 11 工作模式
  
  工作状态下, 单片机、传感器及无线模块都处于工作状态, 实测单片机电流为 1.2 mA, 浊度传感器电流为12.5mA,温度传感器电流为 1.5 mA,无线发射模块电流为12 mA,总电流为 27.2 mA。
  
  休眠状态下,传感器及无线模块都处于断电状态,单片机处于 RC 低频模式,功耗为 34 μA。
  
  全周期为 100 s,其中工作状态为 1 s,休眠状态为 99 s,因此系统的平均电流约为 0.3 mA,平均功耗为 0.99 mW。
  
  若有能量收集, 则平均功耗为 0.99 mW-0.61 mW=0.38 mW,1 000 mA · h 电池使用时间为 1 010 h。若无能量收集,平均功耗为 0.99 mW,1 000 mA · h 电池使用时间为2 631 h。因此, 通过能量收集, 电池的使用时间延长了1.6 倍。
  

  5 结 语

  
  本文通过收集环境中的振动能,并向电池充电,以此大幅度延长电池使用寿命,使得海洋浮标信息传感节点得以更长时间地工作,降低电池更换成本。经实验测试可知,通过能量收集,电池的使用时间提升了 1.6 倍。

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