基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

罗志聪，王 帅，唐家桓，李景虎，叶大鹏

基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

罗志聪1,2，王 帅1,2，唐家桓3，李景虎4，叶大鹏1,2※

（1. 福建农林大学机电工程学院，福州 350002；2. 现代农业装备福建省高校工程研究中心，福州 350002；3. 福建农林大学资源与环境学院，福州 350002；4. 福建农林大学计算机与信息学院，福州 350002）

微生物燃料电池（microbial full cell，MFC）是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。针对MFC输出电压低、功率小、内阻大的特点，该文研制了一种具有最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）功能的能量收集电路和两级升压电路；基于MSP430和CC2500芯片设计了环境温度传感系统。测试结果表明，MFC的输出电压维持在316～390 mV范围内，实现了最大输出功率的跟踪，MPPT电路和升压电路分别输出1.1和3.5 V电压；无线温度传感器以每13 ms的周期将环境温度无线传输到远程终端，验证了环境温度传感系统在最大功率点处对无线传感器网络节点供电工作的可行性，可为实现MFC主动式能量收集提供参考。

传感器；设计；农业信息化；微生物燃料电池；最大功率点跟踪

0 引 言

农业信息化技术[1-2]是国民经济信息化的重要基础，信息化技术在农业中的应用会有效提高农业生产自动化和智能化水平，进而增加农业效益。近年来，随着物联网的发展和无线传感器网络[3-5]在农业生产中的广泛使用，传感器节点对电源的体积、寿命和能量密度要求越来越严格。传统远程无线传感器一直由电池或蓄电池来提供电能，该方式工作可靠，但传感器网络的工作时长由电池的可用寿命决定，而且在某些应用中难以更换传感器电池，即使进行更换，更换后的废旧电池对环境也会造成污染[6-7]。因此，人们希望能实现传感器的自供电，来延长传感器网络系统的使用寿命[8]。目前，作为电池的可替代能源主要有太阳能、风能、潮汐能等。太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，具有巨大的潜在利用价值，但其转换效率低、应用成本比较高[9-12]。风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，但它的能量密度低（只有水能的1/800），并且不稳定[13-14]。潮汐能是一种不消耗燃料、没有污染、不受洪水或枯水影响、用之不竭的再生能源，但开发存在较大的困难，需着重研究解决水库的泥沙淤积问题[15-16]。而微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）是一种将微生物中的化学能直接转化为电能的装置，是一种极具开发前景的绿色可再生能源利用技术[17-20]。近十年来，MFC产电效能提高了5～6个数量级，与化学燃料电池（100 kW/m3以上）的差距也越来越小，MFC已逐渐具备供应电能的潜力。文献[21]以沉积物微生物燃料电池作为动力，设计了基于超级电容和升压变换器组成的电源管理电路，实现了给无线温湿度传感器提供能源的目标。文献[22]在此前研究的基础之上，对电源管理系统中的升压电路拓扑结构进行了改进，将MFC的输出功率由mW级提升到W级，实现了对功率为2.5 W的远距离传感器的供电，但与文献[21]、[23]相同，三者均未考虑使MFC的能量输出最优化。文献[24]设计了在MFC输出端挂载超级电容的交替充电和放电的操作模式完成了对MFC的能量收集，再利用电荷泵升压电路对负载端超级电容充电，为外界负载供电。文献[25]设计了基于电荷泵（S-882Z22）、升压变换器（L6920DB）组成的电源管理系统，输出电压高达5 V，并且能够驱动基于nRF24L01数据传输模块的无线温湿度传感器对环境温湿度参数进行采集。

尽管MFC最大输出功率在不断提高，但MFC输出开路电压一直在0.7 V左右，且内阻较大，无法实现MFC在最大功率点的持续输出。因此，可以实现MFC最大功率点跟踪（MPPT）功能的能量收集电路是近些年研究的热点。文献[26]提出了由2个电容器和1个DC-DC变换器构成的电源管理单元（power management unit，PMU），该PMU根据MFC输出电压来改变直流变换器的输入阻抗，使其等于MFC的内阻，实现了MFC最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）功能，以尽可能高的效率从MFC捕获能量。文献[27]根据微生物燃料电池的输出特性，基于定电压法（开路电压法）设计了一种MPPT电能收集系统。该电能收集系统由一个迟滞比较器和电感型Boost 升压电路构成，并认为当 MFC的输出电压等于开路电压一半时，输出功率最大。但此方法会增加整个系统的体积及经济成本，降低升压变换器的功率密度。文献[28]在文献[27]电路基础上，设计了基于扰动观察法的两级同步升压电路，在该电路中将二极管用开关替换，减少了二极管上的功率损耗，提升了升压电路的效率和电压增益。并且通过复杂的MPPT算法调整升压电路的输出功率，当功率测量模块判定 MFC输出功率最大时，MPPT 算法停止工作。但是扰动观察法控制电路过于复杂，消耗大量的功耗，不适合MFC能量收集系统。

针对微生物燃料电池能量收集电路，本文设计了具有MPPT功能的2级升压转换并分级管理的能量收集电路拓扑结构，并驱动系统中的温度传感器采集环境温度，将采集的数据无线传送到电脑终端。本文所提出的基于MPPT技术的微生物燃料电池能量收集电路可广泛用于生态农田环境温度传感系统中，并可为进一步发展MFC技术提供参考。

1 环境温度传感系统与工作原理

MFC供电的环境温度传感系统组成如图1所示，该系统包括2部分：第一部分为功率管理模块、第二部分为无线通信模块（即功率管理模块的负载部分），其中无线温度传感器集成在无线通信模块中。

图1 环境温度传感系统组成

功率管理模块对现有微生物燃料电池能量收集电路进行了改进，通过MPPT电路中能量获取转换部分对MFC输出电压进行初步的升压转换，并借助能量获取控制部分实现对MFC输出电压的最大功率点跟踪，之后升压电路进一步将MPPT电路升压转换后的输出电压进行升压转换并对其进行相应的功率管理。MFC电压通过功率管理模块对无线通信模块进行供电，驱动内置于无线通信模块中的温度传感器（发送端）对周围环境进行温度采集，并将实时采集的环境温度信息发送出去，电脑端的无线温度传感器（接收端）则对信息进行接收并存储于电脑。

2 MFC配置与特性参数

2.1 MFC的配置与操作

本文采用双室结构的MFC，其中阳极室和阴极室的容量各为300 mL。以碳刷（直径3 cm，长度3 cm）作为阳极，碳毡（长：3 cm；宽：3 cm；厚：0.5 cm）为阴极，表面涂Pt/C催化剂作为氧气还原催化剂（0.5 mg/cm2platinum carbon）；阴极室与阳极室由Nafion117质子交换膜（直径3.5 cm；杜邦）隔开[29-30]。连接1 000 Ω的电阻作为负载；数据采集器（RHB8451，北京瑞华控）对输出电压进行在线记录。

MFC的启动参照Tang等[31]的方法。从运行稳定的MFC反应器接种5.0 mL培养液到新启动的MFC（源种来自厌氧活性污泥），添加1g/L乙酸作为电子供体。培养基成分包括：Na2HPO4·12H2O（11.40 g/L）、NaH2PO4·2H2O（2.77 g/L）、KCl（0.13 g/L）、NH4Cl（0.31 g/L）、维生素（12.5 mL/L）、微量元素（12.5 mL/L）。在30℃恒温箱中培养。阴极室为磷酸缓冲液（pH=7.0，50 mmol/L），通过小型气泵进行曝气，气泵流量为0.5 L/min。

2.2 MFC的电气特性

通常，在启动MFC后，其开路电压（open circuit voltage，OCV）由数字万用表（keithley instruments inc.，Cleveland，OH，USA）测量，OCV可达0.733 V[25]。本文中，在MFC的阳极和阴极中间连接一个1 000 Ω的电阻，置于恒温箱中，采用数据釆集器对MFC输出电压进行实时监控，当输出电压达到最低时更换培养液。电极经过一段时间的驯化后，得到输出电压随时间变化曲线，如图2所示。从图中可以看出，电阻器的电压约为0.6 V，每个稳定反应平均周期约为17.4 h，稳定17.4 h后，电阻器的电压曲线急剧下降，是由于微生物耗尽有机物导致。

图2 三个连续周期的1 000 Ω外部电阻电压变化

2.3 MFC极化曲线和功率密度曲线

如图3为MFC反应器在稳态条件下的极化曲线和功率密度曲线。由图3可以看出，随着电流密度不断增加，输出电压不断下降，功率密度呈现由低到高再到低的变化趋势。当输出电压在316～390 mV之间时功率达到最大值，为2 554 mW/m2，其输出电压平均值在344 mV左右。

对MFC极化曲线和功率密度曲线分析可知，MFC反应点的差异会导致输出电压、电流密度、功率密度之间的连锁反应，并且通过能量控制可以将MFC的工作点控制在一定的范围之内，使得升压转换电路在MFC最大功率点附近进行工作，从而有效提高能量转换效率。

图3 MFC极化曲线和功率密度曲线

3 关键模块设计

3.1 功率管理模块设计

功率管理模块的结构如图4所示，该功率管理模块采用2级升压转换并分级管理，MFC产生的直流电压经过MPPT电路升压转换之后将电能存储在超级大电容（10 F，Kamcap），其中MPPT电路使用含ADCMP609迟滞比较芯片的迟滞比较器实现对前级升压转换的管理，同时实现对MFC电压的最大功率点跟踪；再由后级升压电路将超级大电容两端电压再次升高至无线温度传感器所需工作电压3.5 V，升压电路使用能量处理器以及相关的模块电路实现对后级的功率管理，最终单个MFC电压经过功率管理模块之后能够驱动无线温度传感器，实现无线传感器节点的自主供电。

图4 功率管理模块结构示意图

3.2 MPPT电路设计

MPPT电路原理如图5a所示，由升压变换器、迟滞比较器（含迟滞比较芯片ADCMP609、逻辑芯片74HC32）和超级大电容构成，其中基准电压REF=350 mV，电阻1=100 Ω，电阻2=200 kΩ，电感=10 mH，二极管为肖特基二极管（型号：1N60P），N型金属氧化物半导体（negative channel Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS）型号为SI2302。

图中主体部分是一个基于电感的升压变换器，迟滞比较器将MFC输出电压控制在一定的范围内，使得MFC工作在最大功率点附近，超级大电容用来存储MFC产生的能量。迟滞比较器通过电阻2在基准电压REF的基础之上产生一个迟滞范围，从而设置上限电压thH和下限电压thL，所设置的2个阈值电压可以将MFC的输出电压MFC控制在thL～thH之间。

MPPT电路实现MFC最大功率点跟踪的原理如图5b所示，在一个开关周期内，当MFC输入电压大于上限电压thH时，经过ADCMP609之后在其输出端产生一个高电平信号，通过74HC32后输出一个信号增强的高电平，该高电平可以导通开关管NMOS，此时DC-DC变换器的电流流经由电感和开关管NMOS构成的通路，同时对电感进行充电，将MFC电能存储在电感上，此过程记为Ⅰ；在Ⅰ中，由于开关管NMOS导通，MFC与电感、开关管NMOS组成的通路中电流增大，导致MFC的内阻1两端电压增大，使MFC输出电压不断下降，其功率密度也随之降低。当MFC的输出电压下降至下限电压thL时，迟滞比较芯片会输出一个低电平信号使得74HC32关断，从而使开关管NMOS截止，电感开始放电，将能量通过开关二极管传送到升压电路，此过程记为Ⅱ；在Ⅱ中，开关管NMOS截止，MFC停止对电路放电，在MFC的内阻1两端产生的电压减小，MFC的输出电压再次不断升高，直到大于上限电压thH时又开始Ⅰ的过程，如此不断地进行重复。

a. MPPT电路原理图

a. Schematic diagram of MPPT circuit

注：thH为上限电压，mV；thL为下限电压，mV；1为NMOS导通时间（记为Ⅰ），s；2为NMOS截止时间（记为Ⅱ），s。

Note:thHis the upper limit voltage, mV;thLis the lower limit voltage, mV；1is the conduction time of NMOS (mark asⅠ)，s;2is the cutoff time of NMOS (mark as Ⅱ), s.

b. MPPT电路工作示意图

b. Schematic diagram of maximum power point tracking(MPPT) circuit with working

图5 MPPT电路原理与工作示意图

Fig.5 Schematic diagram of MPPT circuit with working

MPPT电路除了将MFC的电压进行初步升压转换之外，还实现了最大功率点跟踪，能够使电路在MFC的最大功率处实现升压变换，提高能量转换效率。

3.3 升压电路设计

升压电路设计原理如图6a所示，整个电路包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个模块电路，其中，模块Ⅰ包括启动电荷泵电路和负反馈电荷泵电路2部分；模块Ⅱ由2部分组成：基于电感的BOOST电路、升压变换输出电压反馈电路；模块Ⅲ是一个具有防止反向电流流通的开关电路；模块Ⅳ是一个带有关断点电压偏置的控制电路，用于能量存储芯片与BOOST电路的导通关断控制；模块Ⅴ由2部分组成：用于监视输出电容电压的监视电路及开关电路、输出电容及用于控制输出电容与BOOST电路和系统负载导通关断的开关管。

升压电路的运行流程如图6b所示，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个步骤：第Ⅰ步为启动电荷泵开始工作到CBC915被激活之前的过程，当C4两端累积的电压上升到0.3 V时电荷泵S882Z24启动并开始工作，电荷泵将直流低压输入不断地进行升压变换，当其输出端电压大于2.4 V时S882Z24开始对CBC915进行供电，同时激活能量处理芯片CBC915；第Ⅱ步为CBC915被激活之后到进入最大功率点跟踪（MPPT）的过程，在CBC915被激活之后，通过VBOOST端口监视BOOST电路输出电压达到4.06 V时，CBC915开始进入MPPT模式查找最大功率点，CBC915通过端口VGSENSE识别DC IN的输入信号，并通过调整输入源的阻抗与系统负载阻抗相匹配来找到最大功率点；第Ⅲ步是使最大功率点跟踪到开始对负载进行供电的过程，在进入MPPT模式时，ISOLATE EN端输出低电压使BOOST电路与负载电路断开，当MPP被查找到之后，相应最大功率点的信息被存储下来，同时ISOLATE EN端输出高电压使BOOST电路与负载电路相连接；第Ⅳ步是对负载进行供电到对相关功率进行管理的过程，当VCOUT大于3.4 V的时候，CBC915的EN VOUT端口输出低电压使输出电容开始对系统负载进行供电，同时CUTOFF RST端口输出低电压使BOOST电路与能量存储芯片CBC51100相连，BOOST电路对CBC51100充电。输出电容和CBC51100开始对系统负载进行充电之后，电路进入管理模式：CBC915通过VCAP对电容输出电压进行检测，当BOOST电路没有对输出电容进行充电时CBC915会调转到第Ⅲ步重新对输出电容电压进行检测；当BOOST电路对输出电容进行充电则CBC915通过端口EN VOUT、EN CAP CHG以及CUTOFF RST使CBC51100和输出电容对系统负载进行供电。

a. 升压电路原理图

a. Schematic diagram of boost circuit

注：in为电荷泵S882Z24的输入电压，mV；out为电荷泵S882Z24的输出电压，mV。

Note:inis the input voltage of the charge pump S882Z24, mV;outis the output voltage of the charge pump S882Z24, mV.

b. 升压电路运行流程图

b. Operation flowchart of boost circuit

图6 升压电路原理与运行流程图

Fig.6 Operation flowchart of boost circuit

4 测试结果与分析

4.1 环境温度传感系统测试方法

无线通信模块使用ADC开发套件实现，该套件包括PC端软件、集成有温度传感器的无线通信模块CC2500和微控制器MSP430等。

环境温度传感系统性能测试平台如图7所示，由MFC、硬件电路板、合信号示波器（ADS1062C，ATTEN）、笔记本电脑、直流电源（PAB3003A，冠华）等构成。

利用该测试平台在室内环境下进行周围环境温度的采集，实时温度数据通过ADC开发套件自带温度显示软件进行显示，并与家用温度检测计测量温度进行对比，另外，使用混合信号示波器对MPPT电路板主要节点电压进行测量，以验证前文MPPT电路设计合理性。

4.2 测试结果与分析

通过测试，由MFC供电的环境温度传感系统与家用温度计所测环境温度值吻合（两者误差范围为±0.2 ℃），该系统可以成功检测到环境温度。

图8是由混合信号示波器显示的MPPT电路主要电压节点的测试结果，由图可知，MFC最大电压为390 mV，最小电压为316 mV。当开关管NMOS栅级电压为高电平时NMOS导通，此时MFC、电感、开关管NMOS三者构成通路，MFC对电感进行充电，随着时间的变化MFC输出电压逐渐下降，从图中可看出栅级电压为高电平时MFC输出电压开始下降；而当开关管NMOS栅级电压为低电平时，开关管NMOS关闭，电感开始放电，从图中可看出MFC输出电压会快速上升。由于迟滞比较器的正输入端是MFC输出电压，所以迟滞比较器产生的2个上下限电压会根据MFC输出电压情况进行调整。

图8 NMOS栅级电压及MFC输出电压

在系统测试过程中发现，当MFC反应器中培养液不足时，MFC输出能量下降，为了满足MPPT电路的正常能量消耗，开关管NMOS的开关频率增加以便从MFC中捕获更多的能量，而当MFC反应器中培养液过剩时，MPPT电路的迟滞比较功能失效，导致该部分电路无法正常工作，给无线通信模块的发送端温度传感器供电异常，导致电脑接收端温度传感器无法正常获取环境温度。

通过带有USB开发板的开发工具对无线通信模块进行程序调试，在保证MFC有充足能量供应的前提下，使温度传感器每13 ms对周边环境进行一次温度采集，然后进入睡眠模式，并一直重复这个过程。在上述调试运行稳定后可得图9，从图9可以看出当电压处在最低值960 mV时，每过13 ms之后MPPT电路输出电压会上升到1.18 V，然后突然下降到960 mV，周而复始，而这也验证了本文前面的设计。当功率管理模块将MFC电压经过两级升压转换到3.5 V时，功率管理模块的输出端开始对负载进行供电，CC2500模拟温度传感器开始对周边温度信息进行采集和发送，在此过程中会消耗能量，所以使得电压突然下降到960 mV，接着进入睡眠模式，然后在之后的13 ms期间内电压会再次慢慢上升到1.18 V，并一直重复这个过程。

图9 MPPT电路升压转换电压

4.3 主要性能对比

表1为本文所设计的环境温度传感系统主要性能参数与相关文献的对比，本文以超级大电容和升压变换器为主的升压结构来设计功率管理模块，用于对温度传感器提供能量；MPPT电路结构在输出电压小于2.2 V的情况下可以实现90.3%的电压转换，比文献[22]转换效率高12%～29%，是文献[24]转换效率的5.7倍左右；同时相比于其他由MFC供能的无线传感器系统，本文所设计的环境温度传感系统实现了MPPT功能，从MFC中捕获功率最大值为2 554 mW/m2，这有助于实现对微生物能源的有效利用。

表1 主要性能对比

5 结 论

针对目前MFC能量收集系统存在的MFC工作效率低、电压转换效率不高、功率管理不合理等问题，本文对MFC供电的环境温度传感系统进行了整体设计，借助现有芯片模块，设计相应的能量收集电路来完成应用系统的设计，环境温度传感系统的功率管理模块采用2级升压转换并分级管理的方法，实现了MPPT功能，提高了MFC的工作效率。测试结果表明，系统成功将MFC电压先后升压到1.1和3.5 V，将MFC输出电压控制在最大功率点处316～390 mV，并对无线通信模块进行了供电，成功实现每13 ms对环境温度信息进行一次采集，并将环境温度信息发送到电端。与已有温度传感系统相比，本文系统实现了由MFC可靠持续地为传感器节点自主供电，同时能量收集电路实现了最大功率点跟踪功能，为研究MFC主动式能量收集提供了参考。

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Design of wireless temperature sensing system powered by mcrobial fuel cell

Luo Zhicong1,2, Wang Shuai1,2, Tang Jiahuan3, Li JingHu4, Ye Dapeng1,2※

(1.,,350002,; 2.,350002; 3.,,350002; 4.,,350002;)

With the modernization of agriculture and social informatization, the internet of things (IoT) and the wireless sensor network (WSN) are widely used in the agricultural application. The sensor nodes play important roles in IoT and WSN system, which have strict requirements on the battery. In the traditional scheme, WSN is powered by the lithium battery or solar panel. It is very hard to recharge the lithium battery in the wild, while the solar panel is greatly limited by the environment. It brings great challenge to the power supply of sensor nodes. The microbial full cell (MFC) is one of the most promising renewable energy, which can be used for the self-power supply of the sensors in real application. MFC uses microbes as biocatalysts, which can transform carbohydrates into electrical energy. In order to improve the efficiency of MFC, lots research has been done. The maximum power output of MFC has been gradually improved. However, the output open-circuit voltage of MFC is low，about 0.7 V, and the internal resistance is large, so it is impossible to ensure the MFC working at the maximum power point. Based on the polarization curve and output power density of the MFC reactor, a power management module is designed to improve the efficiency of MFC in this paper. The output power management module consists of an energy harvesting circuit and a secondary booster circuit. The energy harvesting circuit consists of a DC-DC converter, hysteresis compactors (ADCMP609 and 74HC32) and a large capacitor, which has a function of the maximum power point tracking (MPPT). The circuit can boost the output voltage of MFC at the maximum power point, which improves the system energy conversion efficiency. The secondary booster circuit consists of an Ener Chip energy processor (CBC915), a charge pump (IC S882Z24), an Ener Chip solid state battery module (CBC51100). The secondary booster circuit can improve the voltage on the large capacitor connected with the output of the energy collection circuit and the working voltage of the wireless temperature sensor, and provide a stable power supply for the next stage circuit. The wireless temperature monitor system is powered by the proposed power management module. MSP430 and CC2500 chips are used in the temperature monitor system to collect the environmental temperature and send the real-time temperature data to the remote terminal. The measured results show that the output voltage of MFC in the system is maintained in the range from 316 to 390 mV, and the function of maximum power point tracking is realized. The output voltage of the energy harvesting circuit and the secondary booster circuit are 1.1 and 3.5 V, respectively. By using MFC as the power supply, the wireless temperature sensors deliver the environment temperature data to the remote terminal at a period of 13 ms. The proposed energy harvesting circuit for MFC with MPPT function provides an innovative solution to solve the problem of the power supply for sensor nodes, and has great potential in agricultural environmental monitoring system.

sensors; design; agricultural informatization; microbial full cells; maximum power point tracking

2019-01-18

2019-03-02

福建省自然科学基金（2018J01533）；福建省教育厅中青年教师教育科研项目（JAT160156）；福建省高峰高原学科项目（712018014）；海峡博士后交流资助计划

罗志聪，博士，副教授，主要从事生物电子集成电路设计、智能传感检测系统等方面的研究。Email：zcl@fafu.edu.cn

叶大鹏，博士，教授，主要从事农业生物环境检测与控制、农业技术与智能机械等方面的研究。Email：ydp@fafu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.025

TM 343

A

1002-6819(2019)-12-0209-08

罗志聪，王 帅，唐家桓，李景虎，叶大鹏. 基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计[J]. 农业工程学报，2019，35(12)：209－216. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.025 http://www.tcsae.org

Luo Zhicong, Wang Shuai, Tang Jiahuan, Li JingHu, Ye Dapeng. Design of wireless temperature sensing system powered by mcrobial fuel cell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 209－216. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.025 http://www.tcsae.org