滑雪场WSN节点风光互补供电设计

闫磊磊，赵建光

（河北建筑工程学院，河北张家口075000）

滑雪场WSN节点风光互补供电设计

闫磊磊，赵建光

（河北建筑工程学院，河北张家口075000）

设计了一种基于滑雪场安全的无线传感器节点的供电系统，该系统利用风能、太阳能组成的生能器件以及两节1.5V干电池组成的直流电源互补供电的方式对传感器节点进行供电，将风力发电装置和光伏发电装置组合成风光互补的复合发电系统，对锂离子电池和超级电容组成的双储能器件进行充电，当发电系统出现故障时，可以暂时使用干电池供电。该复合能源供电系统即节约了能源，又符合无线传感器节点低功耗的要求。

滑雪场安全；无线传感器节点；低功耗；风光电互补系统

无线传感器网络是物联网的关键技术之一，而作为无线传感器网络重要组成部分的无线传感器节点，由于受到功耗和电池供电的影响，其寿命非常有限。无线传感网中无线传感器节点个数多，分布区域广，往往布设在环境恶劣的无人值守的野外，更换十分困难。要延长节点的寿命，除了减少节点的能量消耗外，采取必要的节能和供能措施，也是一个亟需解决的问题。使节点从环境中获取能量（如风能、太阳能、电磁波）就是一种有效的途径[1]。

本文设计了一款为滑雪场无线传感器节点供电的风光互补复合能源供电系统。由于大部分的滑雪场地处高寒环境，节点更换电池比较困难，本文所设计的系统，采用风能发电装置和太阳能光伏发电装置从环境中换取能量，太阳能光伏发电装置对锂离子电池进行充电，风能发电装置对超级电容进行充电，电容充满电后，将能量转移到锂离子电池中去，实现了无线传感器节点的长寿命工作。

1 无线传感器节点的生能器件和储能器件的选取

1.1 节点的生能器件选取

风力发电装置和太阳能光伏电池作为生能器件，风力发电机的主要技术参数如表1所示。风速在时速30公里供2～5个LED，时速50公里供5～10个LED。变直流DC电压加二极管即可。选取5V，160 MA的太阳能充电发电板，其主要技术参数如表2所示。选取太阳能发电装置的同时，还要加装防反冲二极管，防止电池里的电流倒流到太阳电池板内损坏板子，如果直接给节点供电，则不需要加装二极管[2]。

表1 风力发电机的主要技术参数

表2 太阳能光伏发电装置的主要技术参数

1.2 节点储能器件的选取

本设计选取超级电容和锂离子电池作为储能器件。选取了韩国的LS MTRON LTD超级电容，其主要技术参数如表3所示。超级电容功率密度较大，可以用较大的电流进行成千上万次的充放电，它的寿命比较长，但是很容易自放电。选用3.7V，1400 MA的锂离子电池。

表3 超级电容的主要技术参数

2 风光电互补供电系统的设计

本文所设计的无线传感器节点的功能系统是风、光、电互补的复合能源供电系统。它是由太阳能光伏发电装置、风能发电装置组成的生能器件和超级电容、锂离子电池组成的双储能器件组成的供电系统，当环境能量供能出现故障时，起到替补作用的两节1.5V干电池会为节点供电，以此来保证节点正常工作。

除了太阳能光伏发电装置、风能发电装置、锂离子电池、超级电容、干电池外，风光电互补供电系统还要有风光电互补控制器、卸荷电路等，其系统组织结构如图1所示。

图1 风光电互补复合能源供电系统

2.1 风力发电回路

风力发电回路中需要有风力发电机和卸荷电路，风力发电装置从环境中获取电能后，将电能充进超级电容中去，当超级电容接近满充状态时，发电机的负载趋近于0，此时发电机进入空载运行状态，而空载运行对于发电机来说是非常危险的，此时就需要用到卸荷电路来进行卸荷负载。卸荷电路一般是由大功率的电热类负载构成的，在工作过程中将电能转化成热能，起到了卸荷的作用，避免风力发电机空载。

2.2 太阳能发电装置

太阳能发电装置主要包括太阳电池、稳压电路、锂离子电池、肖特基二极管[3]。太阳能光伏发电装置通过稳压电路为无线传感器节点供电，同时将多余的电能存储到锂离子电池中，但是由于锂离子电池容易放电，所以需要连接一个肖特基二极管，确保电路中的电流从电池板流向充电电池，而不会发生电流倒流的情况。WSN太阳能供电系统模型如图2所示。

传统的太阳电池组件通过太阳电池板直接为单级可充电电池充电，尽管电池一般具有几百次的充电循环次数，但频繁的充放电会大大减少其使用寿命，而采用两级能量存储器的设计则可以有效地解决这一问题。两级能量存储器的前级必须具有较长的充放电循环次数以便存储频繁的、不稳定的能量输入，后级则应具有较高的能量密度以提供充足的后备能量输出。光照充足时使用前级供电，光照不足且前级耗尽时使用后级供电，并在后级消耗以后使用前级为其充电补充。通过供电电源选择，尽可能多地使用前级供电，减少后级的充放电次数，有效地延长其使用寿命。实际设计时，采用超级电容和聚合物锂电池分别作为前级和后级能量存储器。

图2 太阳能供电系统模型

3 风光电互补复合供电系统的工作原理

当有太阳光时，太阳能发电装置可以通过稳压电路直接为节点供电，同时，如果有多余的电能，则可以在供电的同时为锂离子电池充电。风力发电装置对超级电容进行充电，当超级电容趋近于满充状态时，开关切换电路导通，单片机卸荷电路开始工作，开关切换电路2也导通，超级电容放电，通过超级电容放电开压电路对传感器节点进行供电。当超级电容两端的电压值低于规定的低阈值电压时，开关切换电路断开，单片机卸荷电路停止工作，超级电容停止对节点供电。此时，如果太阳电池输出的电压非常低，而风力发电装置不能对超级电容进行充电，则利用锂离子电池中存储的电能为节点供电。如果锂离子电池中的电能不足，则使用两节1.5V干电池为节点供电。

太阳能发电装置只有在有阳光的时候才能发电，而风力发电装置在有风的时候均可发电，弥补了太阳能在阴雨天和夜间不能发电的劣势，真正实现了风光互补发电，在风光互补发电发生故障的时候，供电系统会自动启动干电池供电，保证节点正常工作。风光电互补供电系统既绿色环保，又节约了能源，为无线传感器节点长寿命工作提供了保障。

无线传感器网络节点通过监测两级能量存储器的电压，经逻辑判断，完成供电电源的选择和充电控制的功能。将能量状态监测纳入无线传感器网络系统中，不仅可以实现合理地选择供电电源，有效地延长使用寿命，还可以根据能量状态调整网络通讯的参数，如根据各节点因光照不同引起的能量差异，调整各节点的数据发送频率及数据传输任务的分配，实现具有能量感知的无线传感器网络信息传输。

实际设计时，聚合物锂电池的充电电路由锂电池专用充电管理芯片完成，供电电源的选择则由节点控制器控制低功耗的双路模拟开关器件完成。在控制程序中，首先设定电容切换门限电压和电池切换门限电压，然后将检测到的实际电压与门限电压进行比较判断，在保证节点正常工作的条件下，尽可能多地选择电容供电，减少电池充放电次数，并在电池电压低于设定值时，使用电容通过充电电路对其充电。

4 结论

本设计采用风光互补技术和无线传感网技术，实现了滑雪场安全监测节点的供电系统的设计，研究设计了无线传感器网络节点长寿命风能供电系统及太阳能供电系统，在基于能量收集技术的风能供电与太阳能供电系统模型的指导下，采用超级电容和聚合物锂电池组成两级能量存储器，并通过传感器节点控制器对其进行状态监测和主动选择，实现了能量的智能化自治管理。该能量自治系统在实验测试条件下，每天2～3h的光照时间即可保证节点以20%的工作占空比持续运行3～4年，极大地延长了无线传感器网络节点的使用寿命。实际应用时，需要综合考虑系统需求、功能及成本要求，进行针对性设计，以期达到更高的实用性能。通过模拟验证，该系统稳定性高，有效保障了滑雪人员的人身安全，提高了滑雪场的管理水平。

[1]高永丰,张高飞,王晓峰,等.应用于无线传感器节点的微小型复合能源收集系统[J].纳米技术与精密工程,2012,10(4)：327-331.

[2]白雪峰,李沛,厉红.风光互补LED路灯系统的设计[J].中国电力教育,2011,3(3)：56-61.

[3]王小强,欧阳骏,纪爱国.无线传感器网络节点太阳能供电系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,3：154-156.

Wind and solar power system design of Ski WSN node

YAN Lei-lei,ZHAO Jian-guang

A power supply system based Ski safety wireless sensor nodes was presented.The electric energy was provided to the Wireless sensor node through wind and solar energy or two 1.5 volt battery.Wind power installations and PV installations were combined into a composite wind and solar power generation system.The dual energy storage device which composition by lithium-ion battery and super capacitor were recharged.When the power generation system was out-of-order,battery-powered temporary could be used.Energy saving was the advantage of this system,and the require of low power wireless sensor nodes wasmet.

Ski safety;wireless sensor node;low power consumption;wind-solar-electricityhybrid system

TM 91

A

1002-087 X(2014)10-1898-02

2014-05-12

河北省科技厅软科学自筹经费项目(13455719)

闫磊磊(1975—)，女，河北省人，硕士，副教授，主要研究方向为体育设施及体育管理。