邰清清，王文藝，李思威

(1.合肥經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 230036;2.合肥經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息與計(jì)算機(jī)系，安徽 合肥 230036)

0 前 言

森林，廣泛分布在地球各處，容納極其多樣的生物種群，也具有復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，是陸生生物生存的一個(gè)基本載體[1-5]。但是，中國(guó)的森林資源相對(duì)缺乏，所以對(duì)其的保護(hù)更不可忽視[6-9]。突如其來(lái)的森林火災(zāi)，又會(huì)給本來(lái)匱乏的林業(yè)資源造成難以挽回的破壞，并帶來(lái)人類(lèi)的生命安全問(wèn)題以及林場(chǎng)的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。自然或人為的因素，均可能導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生，并且具有突發(fā)性和蔓延速度快的特性，很難進(jìn)行防控。近年來(lái)，全世界火災(zāi)規(guī)模和數(shù)量均居高不下，中國(guó)每年的森林火災(zāi)次數(shù)也多達(dá)一萬(wàn)起[10-12]。所以，對(duì)森林火災(zāi)高效、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)以及預(yù)防成為十分必要的研究課題。

對(duì)于森林火災(zāi)的監(jiān)控，如何實(shí)現(xiàn)及時(shí)且高效監(jiān)測(cè)、預(yù)警十分必要。得益于無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)科技的日益進(jìn)展，可以使用各類(lèi)傳感器對(duì)森林環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，例如森林的環(huán)境溫度、森林空氣濕度、或者出現(xiàn)的異常煙霧濃度等，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至相關(guān)部門(mén)，從而可以做到實(shí)時(shí)高效的監(jiān)控[13-16]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)投入成本較低、覆蓋范圍廣、較易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)，可以做到長(zhǎng)時(shí)間對(duì)森林環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。且與傳統(tǒng)方式相比，使用無(wú)線(xiàn)監(jiān)控，加以歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行參考對(duì)照，可以更加準(zhǔn)確高效地達(dá)到火災(zāi)預(yù)警的目的[17-19]。然而，無(wú)線(xiàn)設(shè)備的供電問(wèn)題，又受到電池電量的制約，電池的充電或更換又成了新的難題，需要進(jìn)一步研究。

為解決無(wú)線(xiàn)設(shè)備電池的充電問(wèn)題，將自然界中的能量轉(zhuǎn)換成可以直接使用的電能是理想的解決方案?？紤]到森林環(huán)境的實(shí)際情況，本研究就地取材，利用森林樹(shù)木產(chǎn)生的微電量，設(shè)計(jì)研究了植物微電量采集系統(tǒng)。通過(guò)微電量收集、升壓、鋰離子電池充電電路設(shè)計(jì)等，最終實(shí)現(xiàn)為無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)全天候持續(xù)供電的目的。該研究為解決森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)設(shè)備供電問(wèn)題提供了新的思路，可以有效提高森林監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性。

1 實(shí)驗(yàn)與討論

1.1 植物電能采集機(jī)理

為了利用植物中普遍存在的化學(xué)能，本文選取了最常見(jiàn)的樹(shù)木作為研究對(duì)象。植物體內(nèi)時(shí)刻進(jìn)行的新陳代謝和對(duì)外進(jìn)行的光合作用，其中各種帶電粒子發(fā)生跨膜擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，導(dǎo)致細(xì)胞膜兩側(cè)的粒子濃度不同從而使膜內(nèi)外形成微弱的電勢(shì)差。除了離子的影響外，植物在一般的生理活動(dòng)中，也會(huì)產(chǎn)生μV級(jí)的電勢(shì)差，而在受到刺激時(shí)，則可能產(chǎn)生mV等級(jí)的電脈沖信號(hào)(如含羞草的應(yīng)激行為)。如圖1所示，本研究利用植物體與地面形成的電勢(shì)差，通過(guò)毫伏級(jí)電能采集、無(wú)源DC-DC升壓模塊、充電管理模塊等，為傳感器件、無(wú)線(xiàn)設(shè)備等供電，達(dá)到森林監(jiān)測(cè)的目的。

圖1 植物電能采集示意

1.2 植物電的影響因素

本研究以梧桐樹(shù)和銀杏樹(shù)作為測(cè)量對(duì)象，測(cè)量環(huán)境溫度為21 ℃，研究對(duì)比了兩種不同樹(shù)種樹(shù)干電極打入深度、樹(shù)干電極距離地面高度的影響。如圖2a所示，首先把插入樹(shù)干的電極與萬(wàn)用表的負(fù)極相連，埋入土壤的探針(土壤電極)與萬(wàn)用表的正極相連。其中，對(duì)于枝干電極，分別對(duì)比了不同打入深度的影響(控制深度為1 cm、2 cm和3 cm)，其高度控制為50 cm。土壤電極始終埋在距樹(shù)木外輪廓20 cm，深度為4 cm的位置。

圖2b和圖2c為梧桐和銀杏樹(shù)干電極打入深度、樹(shù)干電極距離地面高度對(duì)電壓的影響。梧桐樹(shù)和銀杏樹(shù)所得到的電壓較為接近，證明不同樹(shù)種均可提供相似的電壓。圖2b為樹(shù)干電極打入深度對(duì)電壓的影響，其中控制土壤電極始終埋在距樹(shù)干20 cm，深度為4 cm的位置。樹(shù)干電極的深度對(duì)檢測(cè)到的電壓的影響并不大，并且隨著深度增加，電壓略有降低。當(dāng)樹(shù)干電極的插入1 cm時(shí)，即可以得到較大的電壓，同時(shí)也避免了對(duì)植物本身造成更大的傷害。

進(jìn)一步，控制樹(shù)干電極插入為1 cm，然后改變其高度(分別設(shè)置50 cm、100 cm、130 cm)，以觀察離地面高度對(duì)電壓的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2c所示。從數(shù)據(jù)見(jiàn)，兩種樹(shù)種，獲得的電壓較為接近，但電極距離地面高度的最佳值略有不同。梧桐樹(shù)電極距地面100 cm的位置獲得最佳電壓，而銀杏樹(shù)的最佳電壓為電極距地面50 cm處。當(dāng)離地高度130 cm時(shí)，兩個(gè)樹(shù)種的電壓均呈降低趨勢(shì)。因此，在生物電采集時(shí)，電極的高度應(yīng)控制在50～100 cm，最佳高度則需針對(duì)具體樹(shù)種進(jìn)行測(cè)試。

a,電極安裝示意圖；b,電極深度的影響；c,電極距離地面高度的影響

1.3 微電量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

微電量的收集需要采用升壓電路，以達(dá)到為電池充電的目的，升壓電路的原理見(jiàn)圖3。而從植物中采集得到的生物電，其電流只有μA級(jí)。由于這樣的輸入電流太小，不能夠應(yīng)用于一般升壓電路的要求，如果直接將采集到的電流接到DC-DC升壓電路，很可能無(wú)法啟動(dòng)電路。超級(jí)電容，又被稱(chēng)為法拉電容或雙電層電容器，其循環(huán)性能非常穩(wěn)定，除此以外它還具有功率密度高、充電速度快、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)充電電流無(wú)要求、功耗低、溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。得益于雙電荷層的設(shè)計(jì)，它通過(guò)在距離極小的極板上積蓄電荷來(lái)積累能量，而且這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。在微電量的采集時(shí)，超級(jí)電容可以?xún)?chǔ)存一定的電能提供給下次升壓使用。所以收集的微電量，在接入到升壓電路之前，需要通過(guò)超級(jí)電容蓄積起來(lái)。

圖3 升壓電路原理

另外，傳統(tǒng)的DC-DC升壓元件只能支持0.6 V以上的輸入電壓，而從植物中采集到的電壓往往在mV級(jí)，故不能選用。本研究采用LTC3108芯片，其最低輸入電壓可達(dá)20 mV，輸出最高達(dá)到了5 V，可以做到給電池或者其他設(shè)備供電。圖4為L(zhǎng)TC3108電路示意圖。LTC3108可以實(shí)現(xiàn)諧振升壓，這使得它可以通過(guò)外接的可選緊湊型變壓器將輸入電壓升壓到足夠高來(lái)滿(mǎn)足內(nèi)部升壓電路的需要，它還能實(shí)現(xiàn)多種輸出電壓的調(diào)節(jié)。此外LTC3108還可以通過(guò)VS1和VS2引腳選擇DC-DC升壓電路的輸出電壓。本設(shè)計(jì)將VS2連接到VAUX引腳，VS1連接到GND，使得輸出電壓為4.1 V。具體輸出電壓與VS1、VS2引腳的關(guān)系見(jiàn)表1。

圖4 LTC3108的內(nèi)部電路

表1 輸出電壓與VS1、VS2引腳的關(guān)系

儲(chǔ)能元件方面，本研究使用高能量密度、循環(huán)性能穩(wěn)定的鋰離子電池進(jìn)行能量?jī)?chǔ)能。得益于高新電子科技的飛速發(fā)展，鋰離子電池因其高能量密度、高安全性以及長(zhǎng)壽命逐漸受到了人們的青睞，被廣泛用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中。故在本研究中，也使用鋰離子電池作為循環(huán)儲(chǔ)能/供能設(shè)備。本研究采用的是型號(hào)LIR1220的扣式電池，額定電壓3.7 V。為了避免過(guò)充過(guò)放對(duì)鋰離子電池壽命的影響，我們利用了LTC4071充電管理電路對(duì)其做了充放電的保護(hù)。充電電壓設(shè)置為4.1 V，低電壓保護(hù)設(shè)置為2.7 V，在一定程度上保證鋰離子電池長(zhǎng)期的安全運(yùn)行。

另外，利用了充電管理電路對(duì)其做了充放電的保護(hù)(圖5)。其中，使用LTC4071芯片進(jìn)行電池充放電管理,其內(nèi)部電路如圖6所示。電路能在550 nA～50 mA的輸入電流時(shí)工作，極低的工作電流使得它能利用植物電能對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電。在對(duì)電池充放電時(shí)，為了防止過(guò)充和過(guò)放的問(wèn)題，必須要注意對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。芯片可以通過(guò)ADJ引腳，來(lái)設(shè)置低電量斷接電壓，避免電池過(guò)度放電可能造成的損壞。LTC4071芯片僅需要一個(gè)外圍電阻就能構(gòu)成充電管理電路，這也增加了電路的穩(wěn)定性。

圖5 充電管理電路

圖6 LTC4071的內(nèi)部電路

1.4 能量收集系統(tǒng)

本研究采用超級(jí)電容，直接對(duì)植物電能進(jìn)行收集。為了觀察其充電的過(guò)程，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。樹(shù)種選擇為銀杏樹(shù)，將容值為20法拉的超級(jí)電容器的兩端分別連接到插入樹(shù)干1 cm左右的鐵釘電極和埋入土壤4 cm，距樹(shù)干20 cm的銅電極。每隔12 h測(cè)量一次超級(jí)電容的電壓并記錄。在經(jīng)過(guò)84 h的測(cè)量后，得到的數(shù)據(jù)如圖7所示。通過(guò)分析可知，在樹(shù)木與土壤間電壓700～800 mV時(shí)，大約需要84 h的時(shí)間能夠?qū)⒊?jí)電容沖至270 mV。

圖7 超級(jí)電容充電電壓

將儲(chǔ)存好能量的超級(jí)電容直接接到LTC3108芯片的輸入端，當(dāng)其連接到電源管理芯片后，使用萬(wàn)用表對(duì)芯片的輸出電壓進(jìn)行采集，其結(jié)果如圖8a所示。當(dāng)芯片的輸出端不接負(fù)載時(shí)，升壓電路初始可以得到4.12 V的電壓，隨著時(shí)間延長(zhǎng)電壓略有降低，150～300 s可以保持穩(wěn)定的4.1 V電壓輸出。

進(jìn)一步，使用一個(gè)20法拉超級(jí)電容收集電荷，后將升壓系統(tǒng)連接到電源管理系統(tǒng)上，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。每隔30 s記錄一次當(dāng)前的電池電壓，充電過(guò)程的電壓采集數(shù)碼照片如圖8b，電壓隨充電時(shí)間變化如圖8c所示。由圖8c可見(jiàn)，電池的初始電壓為3.98 V，隨著充電時(shí)間增加，電壓也逐漸升高，經(jīng)過(guò)180 s的充電，電池電壓達(dá)到4.04 V。說(shuō)明一個(gè)20法拉超級(jí)電容收集電荷可以給電池有效充電約3分鐘。

注：a,升壓電路的輸出電壓及電流；b,充電過(guò)程的電壓采集數(shù)碼照片；c,電壓隨充電時(shí)間變化圖

2 結(jié) 論

本研究成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種植物微電量采集系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)微電量收集，研究了兩種不同植物類(lèi)型、不同采集方式對(duì)微電量采集的影響。然后，采用LTC3108芯片進(jìn)行升壓，使得輸出電壓可達(dá)到4.1 V，可為鋰離子電池供電。進(jìn)一步利用LTC4071充電管理電路對(duì)鋰離子電池充放電進(jìn)行控制、鋰離子電池充電電路設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)20法拉超級(jí)電容收集電荷為電池充電約3分鐘。本研究設(shè)計(jì)的植物微電量采集系統(tǒng)，使用植物微電量為無(wú)線(xiàn)設(shè)備供電，做到無(wú)需外部供電設(shè)備即可利用現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送環(huán)境信息。該研究為火災(zāi)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的全天候持續(xù)供電提供了可能，可以有效提高森林監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性。