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传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计
资料介绍
农田复杂环境及大面积监测需求对农业物联网传感器节点的供电提出了极大挑战,而环境能量收集技术则使低功耗农业物联网传感器节点的自供电及免维护成为可能.针对传统能量收集装置中收集的环境能量单一有限、装置体积大、可靠性差的问题,该文提出了一种新型混合环境能量一体化收集系统.该系统定位于环境中普遍而丰富的射频电磁波能量和振动能量,通过射频收集天线和压电陶瓷的有效结合,同时收集2种环境能量,并经整流转换成直流电能.能量收集天线使用普通FR4印刷电路板实现,工作在手机通信频段1.9 GHz(3G频段),测试的回波损耗为-20.5 dB,对电磁波能量收集的最高输出功率可达到38 mW,测得收集到的振动能量最大输出功率可达到25 mW,满足低功耗传感器节点的功率需求.该装置不仅可以有效提高系统供电的可靠性和对环境的适应能力,还大大降低了传统混合系统的尺寸,可为农业物联网快速发展中的传感器节点可靠供电问题提供参考.
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（完整内容请下载后查看）第33 卷 第8 期
2017 年 4 月
农 业 工 程 学 报
Vol.33 No.8
Apr. 2017
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
147
· 农业信息与电气技术·
传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计
徐雷钧1,2，白 雪1，潘祎雯1，毛罕平3※
（1. 江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013；2. 东南大学毫米波国家重点实验室，南京 210096；
3. 江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，镇江 212013）
摘 要：农田复杂环境及大面积监测需求对农业物联网传感器节点的供电提出了极大挑战，而环境能量收集技术则使低
功耗农业物联网传感器节点的自供电及免维护成为可能。针对传统能量收集装置中收集的环境能量单一有限、装置体积
大、可靠性差的问题，该文提出了一种新型混合环境能量一体化收集系统。该系统定位于环境中普遍而丰富的射频电磁
波能量和振动能量，通过射频收集天线和压电陶瓷的有效结合，同时收集 2 种环境能量，并经整流转换成直流电能。能
量收集天线使用普通FR4 印刷电路板实现，工作在手机通信频段1.9 GHz（3G 频段），测试的回波损耗为-20.5 dB，对电
磁波能量收集的最高输出功率可达到38 mW，测得收集到的振动能量最大输出功率可达到25 mW，满足低功耗传感器节
点的功率需求。该装置不仅可以有效提高系统供电的可靠性和对环境的适应能力，还大大降低了传统混合系统的尺寸，
可为农业物联网快速发展中的传感器节点可靠供电问题提供参考。
关键词：传感器；整流电路；设计；农业物联网；能量收集；射频能量；振动能量；匹配网络
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.020
中图分类号：S24
徐雷钧，白 雪，潘祎雯，毛罕平. 传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：
147－152. doi：10.11975/j.issn.1002-
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2017)-08-0147-06
Xu Leijun, Bai Xue, Pan Yiwen, Mao Hanping. Design of ambient hybrid energy harvesting system for self-powered sensor
node[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 147－152. (in
Chinese with English abstract)
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.020
不断发展，传感器节点的功耗还会进一步降低，一些低
功耗传感器如气压传感器MS5607-B 功耗仅为1.8 μW，
温度传感器DS18B20 功耗低于5 mW，数字温湿度传感
器SHT1x 的功耗为3 mW。鉴于上述常用传感器的功耗
均不超过10 mW，本文提出从环境中收集能量供电于农
业物联网节点，将“开源”与“节流”相结合[12]，以此
实现低功耗传感器节点的自主供电。
0 引 言
随着电子技术的高速发展，各种无线电子产品充斥
在人们的生产生活中。在一些特殊环境中，如高辐射、
高温、高空、高寒地区，不方便人类直接进行监测，可
以通过安装无线传感器完成监测和实时传输[1]；尤其在农
业应用领域，近年来，在种植、畜牧、水产养殖、农产
品加工与运输等领域[2-3]，物联网技术得到了快速发展。
但是农业领域中，田间环境具有其独特性，直接影响农
作物的生长情况，而农作物的生长又会反作用于田间环
境[4-5]。有些农田不适用于电池的铺设，电池的安装容易
污染田间环境。此外，农业物联网节点还具有单个节点
耗能低，规模大、持续时间长的特点[6-7]。例如获取信息
与智能灌溉的传感器节点所需功耗为 15 mW[8]，农田温
湿度信息采样时的功耗为 53 mW[9]。当前研究的重点集
中于物联网节点的低功耗传输，例如加入节点休眠时间，
使得节点平均功耗低至10 mW 以下[10-11]。随着电子技术
在当前各种无线设备普及的社会，射频（radio
frequency, RF）能量存在于周围环境中的普遍性以及收集
的便利性与可行性[13]，使其在低功耗自供电系统中的应
用具有广阔前景。近些年，基于无线能量传输理论的射
频能量收集技术越来越多地应用于低功耗的电子设备，
如无线传感器网络、电子医疗设备、RFID 等低功耗的电
子设备[14]。2012 年，意大利卡塔尼亚大学研发出了一个
射频收发器芯片，由射频电磁波供能，最低的输入功率
为30 µW[15]；2013 年，美国华盛顿大学和弗吉尼亚大学
研发出了一个身体传感器节点的芯片，由射频电磁波供
能，整个芯片耗能仅为 19 µW，能够获取、处理和传输
心电图、肌电图和脑电图数据[16]；美国俄勒冈州立大学
在2014 年发明了一款用于无线传感器供电的射频能量收
集器，该射频能量收集器的最低输入功率能达到–20
dBm[17]。其中，高性能天线的研究与设计对射频能量收
集系统具有重要意义[18]。
收稿日期：2016-10-26
修订日期：2017-04-15
基金项目：中国博士后科学基金（2015M570414）；江苏省自然科学基金项
目（BK20161352）；东南大学毫米波国家重点实验室开放课题资助项目
（K201620）；江苏省六大人才高峰资助项目（DZXX-018）；江苏大学高级
人才启动基金（11JDG123）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）
作者简介：徐雷钧，男，江苏海门人，副教授，博士，研究方向为农业物联
网技术。镇江 江苏大学电气信息工程学院，212013。Email：
※通信作者：毛罕平，男，浙江宁波人，教授，博士，主要从事现代农业装
备和设施农业环境控制技术的研究。镇江 江苏大学现代农业装备与技术省
部共建教育部重点实验室，212013。Email：
机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，广
泛存在于普通家庭设备（如冰箱、洗衣机、微波炉）、
工业设备、交通工具、建筑物环境[19-22]以及人体活动[23]
万方数据
农业工程学报（）
2017 年
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等场合。振动能可由压电材料转换为电能，具有易收集，
转换效率高的特点。所以利用压电陶瓷收集振动能已成
为国内外研究的重点。早期荷兰学者Elfrink 等[24]测试的
单个 MEMS 器件在 1 g（g 为重力加速度）振动加速度
下，输出功率为60 μW。2016 年，Chen 等[25]对风能振动
进行研究，输出最低电压所需的风速为4 m/s，当风速达
到14 m/s 时压电片的开路电压达到19.8 V。
图 2 一体化混合能量收集系统原理图
Fig.2 Schematic diagram of integrated hybrid
energy harvesting system
传统能量收集装置大多采集单一类型的环境能量，而
单一能量收集时其输出功率通常较低，还容易造成输出功
率断续[26-28]。本文针对这一问题，将研究环境中普遍存在
的射频电磁波能量和振动能量的联合收集技术，提出一种
一体化混合能量收集系统，将射频能量收集器与振动能量
收集器有效的整合为一体，共享同一整流电路，减少电路
尺寸，以期为低功耗传感器提供较稳定的直流电能。
阻抗匹配电路实现天线与后级电路输入的阻抗匹
配，获得最大功率传输，此时天线收集到的射频能量会
以最高效率传输至后级电路。
整流电路将交流电转变成直流电。采用 2 倍压整流
电路，振动能量与射频电磁波能量收集共用同一个整流
电路。储能电容 C0 将收集到的能量一部分直接输出，为
负载提供电能，一部分储存在电容中。
1 系统结构和原理
2 一体化混合能量收集系统设计
传统的能量收集系统仅能采集单一类型的环境能量
或将多个单一能量收集器简单组合而构成，系统结构示
意如图1a 所示，这种结构不仅降低了系统的可靠性，而
且收集装置因采用独立的电路结构使得系统的尺寸较
大。本系统通过同一个整流电路实现射频能量与振动能
量的转换，从而节省了电路尺寸，同时可提高系统的稳
定性，降低系统损耗。本文提出一种将振动能量收集器
嵌入在射频能量收集器中的一体化结构，如图1b 所示。
该系统中的能量接收模块对传统射频天线进行了改进，
在不影响原有射频能量收集器收集能量的条件下，实现
了振动能与射频能一体化收集。
2.1 天线设计
混合能量收集系统的一体化前端结构参数如图 3 所
示，天线的中心频率为1.9 GHz，介质材料为FR4，介电
常数εr 为4.6，介质厚度为1.6 mm。
注：W0 为贴片天线宽度，mm；L0 为贴片天线长度，mm；W1、W2、W3 为
馈线不同部分的宽度，mm；D 为天线阵元间距，mm。
Note：W0 is the width of the patch antenna, mm; L0 is the length of the patch
antenna, mm; W1, W2, W3 are the width of different parts of feedline, mm; D is
the space of antenna array element, mm.
图 3 混合能量收集前端结构物理尺寸
Fig.3 Physical dimensions for hybrid energy harvesting front-end
基于天线理论，矩形贴片天线阵元长度L0 与宽度W0
图 1 传统与一体化混合能量收集系统结构图
Fig.1 Structure of traditional and integrated
hybrid energy harvesting systems
的估算公式为[29]
λ0
c
（1）
L0 = W0 ≈
=
2
2 εr f
混合环境能量收集系统原理如图 2 所示，混合能量
收集模块包括 2 部分：射频与振动能转换模块和输出模
块。系统各模块功能如图2 所示。
式中λ0 为穿过天线基板介质的电磁波波长，m；c 为真空
中的光速，m/s；εr 为基板介质材料的相对介电常数；f
为天线工作频率，Hz。
天线阵元间距D 估算公式为[30]
图 2 中接收天线用于接收环境中相应频段的射频电
磁波能量；压电片用于将振动能量转变为电能。利用压
电陶瓷的正压电效应，对压电片施加机械力，引起内部
的正负电荷发生相对位移而产生电的极化，从而使介质
上下表面出现正负电荷，将机械能转变成电能。
N -1
N
（2）
D ≈
λ0 - 0.5λ0
其中N 为天线阵元数。
根据以上公式估算出辐射贴片天线阵元的长度、宽
万方数据
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