基于能量收集的海洋浮標(biāo)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

0 引 言

對(duì)海洋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，不僅可以預(yù)防海洋的環(huán)境污染、預(yù)測(cè)天氣，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖也具有極其重要的作用。我國(guó)每年需要消耗大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖品，其中一半來(lái)自于近海的水產(chǎn)養(yǎng)殖，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水變化，可有效預(yù)防事故發(fā)生，優(yōu)化并提高產(chǎn)能 [1]。目前，對(duì)于海洋信息的監(jiān)測(cè)大多通過(guò)海面上的浮標(biāo)完成，而電池是海洋無(wú)線浮標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn) [2-3] 的主要供電來(lái)源。但是傳統(tǒng)電池仍具有一些無(wú)法改變的缺點(diǎn)，如供能壽命有限、需要定期更換等，而且我國(guó)海岸線較長(zhǎng)，需要監(jiān)控的無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)以千萬(wàn)計(jì)，如果一一定時(shí)去更換電池，需要浪費(fèi)較多的人力與物力，得不償失。

因此，為了使電池能夠更長(zhǎng)久地工作，人們致力于低功耗技術(shù)的研發(fā)，以大大降低芯片工作的功耗。但是單獨(dú)的低功耗技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，本文收集海洋浮標(biāo)的振動(dòng)能量并向電池充電，以此大幅度延長(zhǎng)電池使用壽命，使得海洋信息傳感節(jié)點(diǎn)得以更長(zhǎng)時(shí)間的工作，不僅可以節(jié)省大量電池成本，更節(jié)省了更換電池產(chǎn)生的人力成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要包括兩部分。 （1）工作在海洋浮標(biāo)上的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)采集海水溫度等信息，并且能夠進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。為了降低功耗，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)處于間歇式工作狀態(tài)。 

（2）海面上的浮標(biāo)一直處于振動(dòng)狀態(tài)，能夠收集浮標(biāo)的振動(dòng)能量并向電池充電，以此大幅度延長(zhǎng)電池使用壽命。能量收集包括懸梁臂及無(wú)源能量收集電路兩部分。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 1 所示。

2 能量收集

2.1 能量收集裝置

振動(dòng)是環(huán)境中廣泛存在的一種能量形式，如大自然中水和空氣的流動(dòng)、工業(yè)機(jī)器運(yùn)作時(shí)的振動(dòng)等。本文采用壓電式振動(dòng)能量俘獲裝置，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能 [4-5]。

壓電元件的等效電路可用一個(gè)機(jī)械彈簧系統(tǒng)耦合到電域表示。等效電路如圖 2 所示，F(xiàn)m 表示外界受到的力激勵(lì)，M表示模態(tài)質(zhì)量，D 表示阻尼系數(shù)，KSC 表示整體等效剛度，α表示壓電電壓系數(shù)，Cp 表示壓電受夾電容。當(dāng)激發(fā)正弦振動(dòng)時(shí)，壓電元件可建模成由一個(gè)正弦電流源 ieq、電容 CP 和電阻 Rp 組成的電路 [6-7]。

2.2 能量收集電路

本文提出一種無(wú)源的能量收集電路。如圖 3 所示，當(dāng)壓電片開(kāi)始振動(dòng)時(shí)，Cp 兩端電壓開(kāi)始升高，當(dāng)壓電片運(yùn)動(dòng)到最大位移時(shí)，電壓達(dá)到最大值 VMax，然后壓電片向反方向運(yùn)動(dòng)，電壓慢慢下降，當(dāng)達(dá)到 VMax-2VBE 時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電容 Cp 與電感 L 組成 LC 振蕩回路，Cp 上的電荷向電感轉(zhuǎn)移，當(dāng)經(jīng)過(guò)1/4 振蕩周期后，電感向電池充電。

3 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)電源 LDO

一般鋰電池的電壓為 3.7 V，而系統(tǒng)電壓為 3.3 V，因此需要一個(gè) 3.3 V LDO 作為電源模塊。本文采用 HT7133 作為穩(wěn)壓器，輸出電壓為 3.3 V，最大輸出電流為 30 mA，靜態(tài)電流為 2.5 μA。系統(tǒng)電源 LDO 如圖 4 所示。

3.2 微處理器（MCU）設(shè)計(jì)

主機(jī)處理器選用 Microchip 公司的 PIC16LF1825 芯片。Microchip 公司的單片機(jī)具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、內(nèi)部資源豐富、種類(lèi)齊全等特點(diǎn)，其電路原理如圖 5 所示。MCU的 RA1，RA2，RC0，RC1 用來(lái)控制 CC1101 無(wú)線發(fā)射芯片發(fā)射數(shù)據(jù)，RX，TX，Data 用來(lái)讀取傳感器信息，RC2 引腳用來(lái)控制 P1 開(kāi)關(guān)，控制傳感器及無(wú)線發(fā)射模塊是否通電。為了降低功耗，在大多數(shù)情況下，傳感器及無(wú)線發(fā)射模塊均不上電。

3.3 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

本文采用 CC1101 無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。CC1101 是一款高性能極低功耗的 RF 應(yīng)用通信芯片，通過(guò)配置，可工作在 315 MHz，433 MHz，868 MHz 和 915 MHz 工作頻段上。

CC1101 中 有 SI，SO，SCLK 和 CSn 四個(gè)控制引腳，可通過(guò)這些引腳和 GDO2 對(duì) CC1101 進(jìn)行配置。SI，SO，SCLK 是同步串行 SPI 通信接口，CSn 是芯片的選擇引腳， 當(dāng) CSn 為低電平 0 時(shí)，單片機(jī)可通過(guò) SPI 與 CC1101 通信。SO 和 SI 用于傳輸數(shù)據(jù)，SO 為輸出數(shù)據(jù)，SI 為輸入數(shù)據(jù)，SCLK 為 SPI 接口的同步時(shí)鐘 ；若 CC1101 接收到數(shù)據(jù)，則GDO2 電平就會(huì)發(fā)生跳變，此時(shí)可通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)判定是否有數(shù)據(jù)到來(lái)。CC1101 原理如圖 6 所示。

3.4 濁度傳感器模塊

本文采用濁度傳感器模塊 TSW-20M，如圖 7 所示。濁度傳感器可直接與單片機(jī)經(jīng)串口通信，但耗電較大，約為11 mA，因此只能將開(kāi)關(guān) P1 處于間斷式工作狀態(tài)，以降低功耗。

3.5 水溫傳感器模塊

本文選用數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20，采用熱導(dǎo)性高的密封膠灌封，使其可在水下工作。溫度測(cè)量范圍為 -55 ～125 ℃，精度為 0.5 ℃，完全滿足要求。耗電約為 1 mA，故將開(kāi)關(guān)P1處于間斷式工作狀態(tài)，以降低功耗。溫度傳感器原理如圖 8 所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于能量收集的海洋浮標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的測(cè)試主要分為兩部分 ：

（1）能量收集功率測(cè)試，模擬海洋浮標(biāo)振動(dòng)環(huán)境，測(cè)試其收集功率 ； 

（2）系統(tǒng)消耗功率測(cè)試，并比較電池使用壽命提升比。能量收集功率測(cè)試裝置如圖 9 所示，利用功放驅(qū)動(dòng)振動(dòng)

臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)，以此模擬海洋浮標(biāo)的振動(dòng)。

能量收集裝置隨著振動(dòng)臺(tái)、帶著壓電片一起振動(dòng)。所需壓電片振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電量，利用電路收集。測(cè)量負(fù)載端收集到的能量，可得到如圖 10 所示的收集功率曲線。由圖 10 可知，能量收集功率與負(fù)載有關(guān)，在負(fù)載較小時(shí)，收集功率較低，當(dāng)負(fù)載大于0.5 MΩ 時(shí)，能量收集功率趨于平穩(wěn)，最大可達(dá) 0.61 mW。

系統(tǒng)采用間斷式工作模式，傳感器及無(wú)線收發(fā)模塊大多處于關(guān)閉狀態(tài)，以此降低功耗。工作模式如圖 11 所示。

工作狀態(tài)下，單片機(jī)、傳感器及無(wú)線模塊都處于工作狀態(tài)，實(shí)測(cè)單片機(jī)電流為 1.2 mA，濁度傳感器電流為12.5 mA，溫度傳感器電流為 1.5 mA，無(wú)線發(fā)射模塊電流為12 mA，總電流為 27.2 mA。

休眠狀態(tài)下，傳感器及無(wú)線模塊都處于斷電狀態(tài)，單片機(jī)處于 RC 低頻模式，功耗為 34 μA。

全周期為 100 s，其中工作狀態(tài)為 1 s，休眠狀態(tài)為 99 s，因此系統(tǒng)的平均電流約為 0.3 mA，平均功耗為 0.99 mW。若有能量收集， 則平均功耗為 0.99 mW-0.61 mW=0.38 mW，1 000 mA · h 電池使用時(shí)間為 1 010 h。若無(wú)能量收集，平均功耗為 0.99 mW，1 000 mA · h 電池使用時(shí)間為2 631 h。因此，通過(guò)能量收集，電池的使用時(shí)間延長(zhǎng)了1.6 倍。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)收集環(huán)境中的振動(dòng)能，并向電池充電，以此大幅度延長(zhǎng)電池使用壽命，使得海洋浮標(biāo)信息傳感節(jié)點(diǎn)得以更長(zhǎng)時(shí)間地工作，降低電池更換成本。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，通過(guò)能量收集，電池的使用時(shí)間提升了 1.6 倍。