基于能量收集的海洋浮标无线传感节点设计

0 引 言

对海洋信息进行实时检测，不仅可以预防海洋的环境污染、预测天气，对水产养殖也具有极其重要的作用。我国每年需要消耗大量的水产养殖品，其中一半来自于近海的水产养殖，实时监测海水变化，可有效预防事故发生，优化并提高产能 [1]。目前，对于海洋信息的监测大多通过海面上的浮标完成，而电池是海洋无线浮标传感节点 [2-3] 的主要供电来源。但是传统电池仍具有一些无法改变的缺点，如供能寿命有限、需要定期更换等，而且我国海岸线较长，需要监控的无线节点数以千万计，如果一一定时去更换电池，需要浪费较多的人力与物力，得不偿失。

因此，为了使电池能够更长久地工作，人们致力于低功耗技术的研发，以大大降低芯片工作的功耗。但是单独的低功耗技术还远远不够，本文收集海洋浮标的振动能量并向电池充电，以此大幅度延长电池使用寿命，使得海洋信息传感节点得以更长时间的工作，不仅可以节省大量电池成本，更节省了更换电池产生的人力成本。

1 系统整体设计

本文系统主要包括两部分。 （1）工作在海洋浮标上的无线传感节点能够实时采集海水温度等信息，并且能够进行无线数据的收发。为了降低功耗，无线传感节点处于间歇式工作状态。 

（2）海面上的浮标一直处于振动状态，能够收集浮标的振动能量并向电池充电，以此大幅度延长电池使用寿命。能量收集包括悬梁臂及无源能量收集电路两部分。系统整体架构如图 1 所示。

2 能量收集

2.1 能量收集装置

振动是环境中广泛存在的一种能量形式，如大自然中水和空气的流动、工业机器运作时的振动等。本文采用压电式振动能量俘获装置，利用压电材料的正压电效应将环境中的振动能转换为电能 [4-5]。

压电元件的等效电路可用一个机械弹簧系统耦合到电域表示。等效电路如图 2 所示，Fm 表示外界受到的力激励，M表示模态质量，D 表示阻尼系数，KSC 表示整体等效刚度，α表示压电电压系数，Cp 表示压电受夹电容。当激发正弦振动时，压电元件可建模成由一个正弦电流源 ieq、电容 CP 和电阻 Rp 组成的电路 [6-7]。

2.2 能量收集电路

本文提出一种无源的能量收集电路。如图 3 所示，当压电片开始振动时，Cp 两端电压开始升高，当压电片运动到最大位移时，电压达到最大值 VMax，然后压电片向反方向运动，电压慢慢下降，当达到 VMax-2VBE 时，开关导通，电容 Cp 与电感 L 组成 LC 振荡回路，Cp 上的电荷向电感转移，当经过1/4 振荡周期后，电感向电池充电。

3 无线传感节点

3.1 系统电源 LDO

一般锂电池的电压为 3.7 V，而系统电压为 3.3 V，因此需要一个 3.3 V LDO 作为电源模块。本文采用 HT7133 作为稳压器，输出电压为 3.3 V，最大输出电流为 30 mA，静态电流为 2.5 μA。系统电源 LDO 如图 4 所示。

3.2 微处理器（MCU）设计

主机处理器选用 Microchip 公司的 PIC16LF1825 芯片。Microchip 公司的单片机具有功耗低、抗干扰能力强、内部资源丰富、种类齐全等特点，其电路原理如图 5 所示。MCU的 RA1，RA2，RC0，RC1 用来控制 CC1101 无线发射芯片发射数据，RX，TX，Data 用来读取传感器信息，RC2 引脚用来控制 P1 开关，控制传感器及无线发射模块是否通电。为了降低功耗，在大多数情况下，传感器及无线发射模块均不上电。

3.3 无线收发模块设计

本文采用 CC1101 无线收发模块进行数据的收发。CC1101 是一款高性能极低功耗的 RF 应用通信芯片，通过配置，可工作在 315 MHz，433 MHz，868 MHz 和 915 MHz 工作频段上。

CC1101 中 有 SI，SO，SCLK 和 CSn 四个控制引脚，可通过这些引脚和 GDO2 对 CC1101 进行配置。SI，SO，SCLK 是同步串行 SPI 通信接口，CSn 是芯片的选择引脚， 当 CSn 为低电平 0 时，单片机可通过 SPI 与 CC1101 通信。SO 和 SI 用于传输数据，SO 为输出数据，SI 为输入数据，SCLK 为 SPI 接口的同步时钟 ；若 CC1101 接收到数据，则GDO2 电平就会发生跳变，此时可通过单片机检测判定是否有数据到来。CC1101 原理如图 6 所示。

3.4 浊度传感器模块

本文采用浊度传感器模块 TSW-20M，如图 7 所示。浊度传感器可直接与单片机经串口通信，但耗电较大，约为11 mA，因此只能将开关 P1 处于间断式工作状态，以降低功耗。

3.5 水温传感器模块

本文选用数字化温度传感器 DS18B20，采用热导性高的密封胶灌封，使其可在水下工作。温度测量范围为 -55 ～125 ℃，精度为 0.5 ℃，完全满足要求。耗电约为 1 mA，故将开关P1处于间断式工作状态，以降低功耗。温度传感器原理如图 8 所示。

4 实验测试

基于能量收集的海洋浮标传感节点的测试主要分为两部分 ：

（1）能量收集功率测试，模拟海洋浮标振动环境，测试其收集功率 ； 

（2）系统消耗功率测试，并比较电池使用寿命提升比。能量收集功率测试装置如图 9 所示，利用功放驱动振动

台进行振动，以此模拟海洋浮标的振动。

能量收集装置随着振动台、带着压电片一起振动。所需压电片振动时会产生电量，利用电路收集。测量负载端收集到的能量，可得到如图 10 所示的收集功率曲线。由图 10 可知，能量收集功率与负载有关，在负载较小时，收集功率较低，当负载大于0.5 MΩ 时，能量收集功率趋于平稳，最大可达 0.61 mW。

系统采用间断式工作模式，传感器及无线收发模块大多处于关闭状态，以此降低功耗。工作模式如图 11 所示。

工作状态下，单片机、传感器及无线模块都处于工作状态，实测单片机电流为 1.2 mA，浊度传感器电流为12.5 mA，温度传感器电流为 1.5 mA，无线发射模块电流为12 mA，总电流为 27.2 mA。

休眠状态下，传感器及无线模块都处于断电状态，单片机处于 RC 低频模式，功耗为 34 μA。

全周期为 100 s，其中工作状态为 1 s，休眠状态为 99 s，因此系统的平均电流约为 0.3 mA，平均功耗为 0.99 mW。若有能量收集， 则平均功耗为 0.99 mW-0.61 mW=0.38 mW，1 000 mA · h 电池使用时间为 1 010 h。若无能量收集，平均功耗为 0.99 mW，1 000 mA · h 电池使用时间为2 631 h。因此，通过能量收集，电池的使用时间延长了1.6 倍。

5 结 语

本文通过收集环境中的振动能，并向电池充电，以此大幅度延长电池使用寿命，使得海洋浮标信息传感节点得以更长时间地工作，降低电池更换成本。经实验测试可知，通过能量收集，电池的使用时间提升了 1.6 倍。