物联网节点能量获取的研究与实现

丁仁伟，邢冰冰

物联网节点能量获取的研究与实现

丁仁伟，邢冰冰

（中央民族大学 信息工程学院，北京 100081）

物联网应用中，节点的能量是限制节点性能和决定网络寿命的关键因素。环境能量获取技术的使用可以为物联网节点的能量补给提供完美的解决方案。研究并实现了基于太阳能获取技术的3种节点电路方案，并搭建简单网络测试节点的工作特性，对特定区域的物联网应用提供了参考能量获取方案。

物联网；太阳能；能量获取

1 太阳能电池的特性

随着国际电信联盟于2005年指出物联网时代即将来临，经历近十年的发展，目前物联网的应用已触及到人们生活环境的方方面面。从小的方面来看，智能家居和健康物联网能够对家中的人员和设备利用传感器和无线传感网络连接到一起，从而实现对人的远程健康监测，以及对设备的安全及功能控制；从大的方面来看，智慧地球通过把传感器嵌入和装备到全球每个角落，搜集生产生活环节和环境的大量数据，实现物联网与互联网的互连，使人类能以更加精细和动态的方式管理生产和生活的状态。在这些物联网的应用中，由于网络节点的个数数量庞大，同时节点需要持续不断地采集及传输数据，而且大多数节点需要布置在环境恶劣或者是无人值守区域，一次性电池供电严重影响了网络的使用寿命，因此网络节点的能量供给就成为制约网络性能和寿命的关键因素。

解决网络节点的能源问题成为延长网络应用寿命和降低成本的关键，其中涉及到两个问题：供能和耗能。当前针对网路节点耗能的研究比较多，主要是从优化电路设计、改善通信协议和准确控制工作模式等方面来达到降低功耗的目标。但要想从根本上改变能量耗尽的局面，还需考虑能源延续的问题，而当前研究的热点之一就是环境能量获取和存储技术，这将有效补给网络节点的能量消耗[1-6]。

环境能量采集技术是指将自然界广泛存在的各种环境能量，包括太阳能、风能、热能、振动能、海洋（河流）能，以及其他能量，如人体能、雨滴能量、生化能等，利用各种新型换能材料、结构或系统，将其转化为电能并存储和利用的一种技术。如图1是典型的能量获取系统框图[7-8]。

图1 典型能量收集系统

本文设计了3种应用于收集太阳能给节点供电的电路系统，解决节点的能量收集问题[9-10]，这3种电路均以太阳能收集为例，电路本身在参数适当调整后也可用于其他形式的能量收集。

太阳能电池根据生产材料和工艺等依据具有多种分类方法。单就材料方面来说，有硅太阳能电池和其他材料太阳能电池，硅材料太阳电池的应用范围最广泛。硅太阳能电池又可以分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。效率最高的是单晶硅太阳能电池，但价格也最贵，所以性价比较低；相比而言，多晶硅太阳能电池价格低、效率比单晶硅太阳电池低，具有较高的性价比；非晶硅太阳能电池因为其在环保等方面的优势，是发展前途最好的太阳能电池。这里选用多晶硅太阳电池作为光能转化为电能的元件[11-13]。

图2给出了硅太阳电池的特性曲线，图中靠下的曲线为光线较暗时，靠上的曲线为光线较明亮时。由实验曲线可知，太阳能电池的开路电压在不同的光照条件下是不同的，强光下电压更高，与之对应的最大功率点也随着不同光照而改变。在设定最大的功率点控制电压时通常遵循的一个原则——将开路电压的75%～80%设定为最大功率点控制电压，在跟踪该电压的能量输出情况下，电池的输出功率也可以保持较高的水平。

图2 某种硅太阳电池在不同阳光下的输出特性曲线和功率特性曲线

2 电路设计

2.1 基于LTC3105芯片的电路设计

LTC3105是一款高性能、同步升压型直流/直流转换器，具有最大功率点控制（MPPC）功能，其输入启动工作电压最低可到250 mV，此特性在光伏电池、热电发生器（TEG）和燃料电池等高阻抗可替代电源中收集能量时具有重要意义。基于此LTC3105非常适合应用于无线传感器和数据采集节点的能量收集装置，将环境能量收集起来用于电子系统的电能供给，取代有线电源和一次性电池电源，优势和意义显而易见。

LTC3105采用DFN封装，在设计电路时可以采用其他贴片封装器件配合该芯片，从而实现能量收集应用的紧凑设计方案，不增加节点尺寸实际应用的负担。其电路原理图和实物图如图3所示。

图3 LTC3105电路原理图和实物图

2.2 基于BQ25504芯片的电路设计

BQ25504是一款面向毫微（超低）功率能量收集和管理应用的高效升压型充电器集成电路，该器件可管理诸如太阳能、热电能、电磁能和振动能等多种能源所产生的微瓦（μW）至毫瓦（mW）级功率，是一款真正意义上用于能量采集器应用的含电池管理功能的超低功率升压转换器。

在BQ25504启动工作后，升压转换器可以有效地从低压输出采集器，例如热电生成器（TEG）或者太阳能电池板中抽取能量。升压转换器能够在输入电压低至330 mV时启动，并且一旦启动，它能够在VIN=80 mV持续采集能量。BQ25504采用一个可编程最大功率点跟踪采样网络以优化至器件的功率传输。

BQ25504具有灵活性的设计使其可以支持多种能量存储元件。采集器抽取能量的来源可以是零星的或者随时间变化的。系统通常需要一些类型的能量存储元件，例如可充电电池、超级电容器，或者传统电容器。BQ25504具备完善的电池管理功能，可以设定欠压、过压、正常等多种管理阈值，并可以根据需要设定不同的方案。图4是电路原理图和实物图。

图4 BQ25504电路原理图和实物图

2.3 直充自控电路的设计

以上两种电路方案均是基于专用芯片而设计的，在使用中工作模式较为复杂，且成本较高，一些简单的应用场合需要一些既能保证高效率收集能量，又能降低成本的方案。直充自控电路的设计方案就是基于这个目的，根据在电路应用过程中的一些经验总结设计的。

本设计之所以称为直充自控电路，是因为电路中只使用开关设备，并让节点核心模块CC2530直接控制电路的开关功能，实现了电路的自动控制功能。另外依据太阳能电池板的等效电源模型和电池充电特征等特点，可以使用太阳能电池直接给储能设备横流充电，实现能量采集后直接充电的效果。由于电路中仅使用了场效应管、肖特基二极管、大阻值电阻，所以电路的效率非常高，而且由于这些器件都是普通器件，其电路成本也大大降低。直充自控电路原理图和实物图如图5所示。

图5 直充自控电路原理图及实物图

2.4 测试

针对本文中设计的3种太阳能获取电路，设计了如下两种测试方式。一种是基于太阳能获取本身的电路效率测试，另一种是组装节点后的工作性能测试。测试中使用到毫安电流表、电压表等。

1）独立充电效率测试。

该测试的原理如图6所示，在固定光线下测量能量采集端和电池充电端的电流和电压，估算充电的效率。

图6 电路测试原理示意图

如表1所示，为太阳光强光（北京，12月，上午10点至下午2点）条件下电路工作情况测试。

表1 强光下电路效率测试

通过上述数据可以看出，这3种太阳能收集电路均达到90%以上的能量收集效率。另外在自然光（无太阳光直射）的条件下，根据太阳能电池板的效率不同也会持续收集能量，只是能量的获得量大大减少。总之，在上述测试条件下，根据节点的功耗计算，如节点每分钟休眠一次，且每次节点醒来后的电流大小约为20 mA，完成一次任务后继续休眠来讲，则这种能量收集电路基本上可以满足户外持续工作的需求。

2）组装节点后工作测试。

上一个充电效率测试是脱离工作环境的单独测试，虽然测试结果比较理想，但是缺乏有效性验证。在随后的实验中，将上述电路构成能量获取节点布置在空旷的地方，组建了独立运行的无线传感器网络系统，在间歇式的工作情形下，监测温度和湿度数据，发送给协调节点存储。如图7所示是布置的节点实物图。

图7 太阳能获取节点

通过上述实验平台测试正常运行一个后电能的储备情况，得到如图8所示的电池充电能量图。

图8 电池充电能量图

从上图的数据可以看出，在室外环境中供给一个功能相对固定的物联网系统的节点这一种电能方案是完全可以满足要求的。

3 总结

本文针对物联网节点的能量供应问题，提出了3种不同的解决方案，从实验和测试的结果看这3种太阳能获取电路能够满足网络节点的能量供应，同时具有较高的转换效率，实用性较好。

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Research and Im plementation of Energy Harvesting Nodes in Internet of Things

DING Renwei，XING Bingbing
（School of Information Engineering，Minzu University of China，Beijing 100081，China）

In applications of internet of things，node's energy supply is a key factor restricting the performance and lifetime of internet.Ambient energy harvesting technology is a good solution for the node power supply of internet of things.Three energy harvesting circuits based on solar energy are designed and implemented in this article，the experiments and the analysis indicate that they would be significant in the applications of internet of things in specific area and environment.

internet of things；solar energy；energy harvesting

TN212.309

A

丁仁伟（1982—），实验师，主要研究方向为无线传感器网络；

�� 雯

2014-06-06

【本文献信息】丁仁伟，邢冰冰.物联网节点能量获取的研究与实现[J].电视技术，2014，38（20）.

邢冰冰（1969—），讲师，主要研究方向为信号与信息处理。