农业物联网电源系统应用解决方案探析

丘映莹

摘要：针对农业物联网应用区域分布广、电源接入困难、电压不稳定的问题，对农业物联网中各子系统的供电技术进行深入研究，并以南阳镇高密度环保鱼类养殖项目为例，探索出可靠的农业物联网电源系统解决方案，阐述农业物联网电源系统的具体运作。旨为农业物联网技术的推广应用和可持续性发展提供参考。

关键词：物联网；电源系统；无线传感器；网络；供电

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1003-4374（2016）06-0061-04

1 概述

我国农业正处于传统农业向现代农业转型的时期，物联网产业兴起，物联网与农业的深度结合，为现代农业提供了前所未有的发展机遇。农业物联网是将传感器加入到土地、水体、灌溉系统、农业机械等各类农业生产、流通的工具和环境中去，然后通过网络把这些事物连接起来，进行智能化分析运算，实施精细、动态、全面的管理及控制，推动生产力水平的提升，促进现代农业可持续性发展。

作为电子信息设施，无论是农业物联网或其它领域的物联网，都离不开稳定的电源供应。由于农业物联网有着应用区域分布广、电源接入困难、电压不稳定的特殊情况，因此，如何获得稳定可靠、长期耐用的电源系统，一直是困扰农业物联网发展的一个难题。一方面，一旦发生电源供应中断的故障，将有可能给农业生产带来不可挽回的损失；另一方面，农业生产的区域广泛分布在山间、田野，若不能获得电源供应，这些区域的现代化农业生产就不能得到根本性解决。因此，有效的电源供应，是农业物联网得以大力发展的重要保障。目前，此领域相关研究成果还非常少。为此，本文对农业物联网电源系统进行全方位研究，为农业物联网的推广应用提供可靠的电源解决方案，并结合对农户指导应用的实例，进行详细阐述。

2 物联网技术在农业中的应用范围

物联网在现代农业中的应用主要有以下几个方面：

（1）应用传感器网络建立精准的农业生产控制系统，收集温室、田间的环境数据，监测作物的生长情况，以实现生产作业规划、自动生产控制等。

（2）应用RFID（射频识别，Radio Frequency Identification）技术实现现代养殖业生产、加工、批发以及零售等各个环节的有效管理，构建食品供应链跟踪与可追溯体系。

（3）随着物联网的技术进步和推广应用，物联网与农业的融合不断加深 ，除农业生产环节外，还将在农产品电子商务、农村社会管理、农业信息服务、农业规模化发展等方面大显身手。

3 农业物联网电源系统分类与解决方案

农业物联网应用技术离不开电源供应，由于农业物联网应用的多样性，对电源供应方式的要求也相应多种多样。在农业物联网中，供电系统根据模块功能可分为：数据处理与控制中心供电、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）供电、指令执行机构供电等三个部分。

3.1 数据处理与控制中心供电解决方案

数据处理与控制中心是整个农业物联网系统的核心，该部分对供电要求最高，必须做到7*24小時不间断供电。主电源由市电线路供电，由于农村电网电压不稳，且时有停电的情况，所以必须装备在线式UPS（备用电源系统）。规模化农业生产投入非常大，为确保用电不间断，UPS系统必须采用双机互为备份，备用电源系统的电池组容量应根据当地单次停电最长时间及所有设备总功率来确定，市场上常用的铅酸电池由于其寿命短，使用效果不佳，不适合应用于农业物联网这类需要长期稳定电源的场合。备用电源系统的电池组应选用锂电池组，锂离子电池以单位能量密度大、寿命长、重量轻、体积小等优点著称，能胜任野外恶劣的环境。考虑到农村时常停电，有时候UPS的电池组会因市电供应不足而充不满电，给农业安全生产带来隐患，因此，还应在房顶或附近的空地上架设功率适用的太阳能电池板，有阳光的日子可以给后备电池组进行充电，还可将多余的电能提供给系统用。考虑到在极端情况下会出现连续多日的阴雨天气，导致在市电长时间断电的同时，太阳能电池板无足够的日照时间来给电池组充电，当电池容量过低时，系统将向管理员发出报警信息，在得到管理员回复确认后，启动备用发电机来给系统供电，以保证农业生产的连续性。该方案供电原理见图1所示。

3.2 无线传感器网络供电解决方案

无线传感器网络是由大量低廉的微型传感器组成的负责感知、采集和处理检测区域中信息的网络系统，其通过无线方式进行通信，采用多跳、自组织的方式组成一个网络体系。通常一个无线传感器网络由终端传感器节点、汇聚节点、管理节点组成。

无线传感器网络节点的能耗决定整个网络的生命周期。无线传感器网络节点比较分散，从硬件结构看，节点的能耗主要是在微处理器模块和无线通信模块。这为设计供电方式时提供了思路，以实现网络的低功耗及可持续性供电。

3.2.1 终端节点供电方案 终端节点可以从外界感知相关信息，采集所需要的环境参数。主要获取风向、风速、雨量、光照及农田中空气的温湿度数据，为灌溉量的决策提供依据。一个终端节点一般由传感器单元、处理单元、收发单元以及电源模块构成， 电源模块可采用太阳能电池板、无线充电和锂电池共同供电的方式来提供电源，实现终端节点能源的持续供给。在无光照的使用环境中，可只提供无线充电方案对节点的锂电池进行充电，但必须采用适合的无线充电算法，以确保终端节点能够补充到可以维持其正常工作的电能。终端节点供电原理见图2所示。

采用太阳能电池及无线充电方式充电改变了传统节点能量单向递减的过程，实现了节点能量自给，无须为节点更换电池。

在大规模的现代化农业生产中，传感器节点的使用量非常大，且分布区域广，部署环境复杂，如果全部使用耗能型电源（电源的电量越用越少），经过一段时间后，节点将因缺电而停止工作，而通过更换电池的方式来补充能量是不现实的，会造成的农业生产难以预计的损失。因此，通过研究使用无线充电的方法来对大量的无线节点进行动态充电，采用合理的充电调度算法，当节点的电池电压低于设定值时，向控制中心发送充电请求信号，控制中心发出指令给智能无线充电系统（或无线充电机器人），由智能无线充电设备根据控制中心的指令，对缺电的节点定向充电。控制中心还可根据每个节点历次发出的充电请求，预测出该节点下一次应充电时间，提前对节点进行充电，确保无线节点能够长期使用。无线充电原理见图3所示。

3.2.2汇聚结点供电方案 在无线传感器网络中，汇聚节点负责协调节点间通信，处理数据。汇聚节点包括处理器、射频芯片、GPRS模块和电源模块，是终端节点通往控制中心的一个枢纽，其能否持续正常工作，关系到所管辖区域的农业生产成败。汇聚结点的功耗往往比终端节点大很多，因此其供电部分，主要采用以固定电源供电为主，太阳能充电为补充的供电方式。为确保万无一失，当以上供电方式失效且电池剩余电量低于设置值时，汇聚结点将向控制中心发出供电异常警报，以便管理人员及时排除供电故障。汇聚节点供电原理见图4所示。

3.3 执行机构供电解决方案

数据处理中心把各节点收集上来的数据进行综合分析，并根据运算结果，控制执行机构进行相应的操作（如水泵、风扇、卷帘机、加热器、增氧机等），以实现灌溉、温湿度控制、光照控制等农业自动化的目的。这些设备多为大功率设备，因此，执行机构的电源必须由大功率的电源提供。在实际应用中，其供电方式可参考控制中心供电方式。

4 农业物联网电源解决方案应用实例—南阳镇高密度环保鱼类养殖项目

在农业物联网电源系统应用解决方案研究过程中，根据广西南宁市南阳镇水产养殖农户的要求，设计实施了高密度环保鱼类养殖物联网系统，现结合此系统，对前述电源解决方案进行应用阐述。

4.1 南阳镇高密度环保鱼类养殖项目简介

采用农业物联网系统的南阳镇高密度环保鱼类养殖项目，取得了显著的养殖成效，其养鱼密度可以达到一般状况下的8倍，带来的经济效益明显，同时减少污染，具备较强的推广应用价值。项目包括控制中心和养殖基地两个组成区域，控制中心设在农户居住区，养殖基地位于野外。养殖基地根据养鱼生态链划分为养鱼系统、沉淀物处理系统、微生物水处理系统、微生物利用系统、水体消毒与循环再造系统、安保系统等几个子系统，每个子系统都包括传感器及控制部件。这些子系统都由相应的电源模块进行支持。

4.2 高密度环保鱼类养殖项目的电源系统

4.2.1 电源系统分类 结合实际情况，项目电源系统分为数据中心供電、传感器网络供电、执行机构供电等三个部分。

4.2.2 供电方案 数据中心供电：数据中心建设在控制室内，架设有数据处理服务器。供电系统以市电为主，在供电回路中串联一台在线式UPS，当市电供应中断时，UPS为服务器提供24小时不间断的电源供应，保证数据处理服务器能够连续正常运转。

传感器网络供电：由于该养殖基地建设在野外荒地上，离数据处理与控制中心相距大约2公里远，无稳定的市电供应来源，架设专用供电线路成本过高，因此，传感器网络供电主要以太阳能发电系统为主，备用发电系统为辅。传感器网络主要由汇聚结点综合控制器及终端结点数据取样传感器构成，总功耗约为15W。汇聚结点直接使用有线方式供电。终端传感器结点通过无线传感器网络与汇聚结点连接，使用自带电池供电，当电量小于设定值，即发送数据给控制中心，控制中心发出无线充电指令给管理员确认后对该结点进行无线充电。

执行机构供电：执行机构主要由水泵、紫外线消毒装置、增氧泵、LED照明灯、电磁阀等构成，总功耗约为200W。执行机构供电方式与汇聚结点相同。

4.2.3 供电设备 供电设备主要有：智能电源管理系统、4块单体实际功率为100W的单晶太阳能发电板、12V200AH磷酸铁锂电池组、太阳能充电控制器以及500W直流转交流DC12V-AC220V逆变器等。4块太阳能面板并联工作，每块太阳能板最高输出电压18V、电流5.5A。根据南宁地区经纬度计算得知，每天的有效发电时间约为6小时，日发电量2.4KWH。太阳能供电示意图见图5。

太阳能控制器主要功能是将太阳能发电板发出来的连续但电压不稳定的直流电转换成稳定的直流电，对锂电池组进行充电。

磷酸铁锂电池组主要是将太阳能板发出来的电能进行存储。由于养殖基地无市电供应，因此对电池组各方面的要求较高，须能在0-60摄氏度范围内工作，且电池组连续工作5年容量不能少于80%，所以磷酸铁锂电池组为最佳选择（磷酸铁锂电池充放2000次循环，容量不低于80%；工作温度范围：0-80摄氏度）。

电源逆变器主要功能是将储存在电池组中的12V直流电转化为220V交流电，供给基地内所有220V用电设备使用。逆变器的最大功率为500W，可满足基地内所有用电设备同时使用。

备用发电系统主要由一台功率为1KW的汽油发电机构成，当日照不足导致太阳能发电板无法对电池组进行及时充电时，控制中心根据汇聚节点传来的电池剩余容量数据通知管理员，管理员可通过手机远程启动发电机对锂电池组进行充电，当管理员不能在规定的时间内进行回复时，控制中心将直接启动备用发电机进行充电。

4.3 实施情况小结

在电源系统解决方案有效实施的情况下，此项采用物联网技术的高密度环保鱼类养殖项目得到顺利开展，除经济效益明显外，其应用解决方案对于我国广泛分布的山间、野外的农业生产系统都具有一定的借鉴价值。

5 结论与展望

有效供电问题一直是影响物联网在农业领域推广应用的重要瓶颈，本文针对农业物联网电源系统进行了详尽分析，并提出相关解决方案。展望未来，除了按本文撰述为系统中各部分提供稳定可靠的电源供应之外，还应尽可能的减小各节点的功耗，做到开源节流，以提高整个系统的可靠性。随着电子科学技术不断快速发展，相信在不久的将来可研发出在使用寿命期限内不需要进行能量补充的终端传感器，以及更多的节能环保配件，大力推动农业物联网产业快速发展。

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