引言

當(dāng)前廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的無線射頻技術(shù)有ZigBee無線通訊技術(shù)、Wi-Fi無線通訊技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙無線通訊主要應(yīng)用于短距離、高速率傳輸系統(tǒng)中；ZigBee無線通訊技術(shù)被應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、低傳輸速率的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；而Wi-Fi無線通訊技術(shù)則被應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、高速率傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

遠(yuǎn)距離無線射頻通訊技術(shù)，雖然傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn)，但受實(shí)際環(huán)境的限制，其傳輸?shù)木嚯x將被縮短。如采用ZigBee無線通訊技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，兩結(jié)點(diǎn)之間最大的傳輸距離小于一公里。并且傳輸距離還受到實(shí)際環(huán)境的影響，如果結(jié)點(diǎn)之間有建筑遮擋時，無線通訊傳輸距離將會被衰減。一般情況下，如果結(jié)點(diǎn)之間通訊距離不夠時，則結(jié)點(diǎn)之間需要增加中繼器延長通訊距離。因此采用無線射頻通訊的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，中繼器會被經(jīng)常用到。在大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，中繼器的供電都不是很方便，如電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。因中繼器安裝需要單獨(dú)拉很長的電纜和配套一個開關(guān)電源，這導(dǎo)致系統(tǒng)成本的劇增，同時中繼器的安裝和維護(hù)也會很不方便。

因此，如果設(shè)計一款無需單獨(dú)拉線和開關(guān)電源的物聯(lián)網(wǎng)中繼器，不僅可以節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本，同時可方便現(xiàn)場安裝及維護(hù)。本文介紹一款基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器，光伏發(fā)電技術(shù)如同一道電子隔離墻，有效的將中繼器和電力系統(tǒng)隔開，這樣即便中繼器受到雷擊也不會影響電力系統(tǒng)或物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。同時利用太陽能發(fā)電技術(shù)的中繼器，擺脫了常規(guī)中繼器存在供電困難的弊端。我國化石能源相對貧乏但能源消耗量巨大，因此展開對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用上的普及對我國未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著非常重要的戰(zhàn)略意義。

1基于無線通訊技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

1.1基于無線通訊技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

通常采用無線射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。所有感知層的結(jié)點(diǎn)通過無線射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備（又稱網(wǎng)關(guān)），再由網(wǎng)關(guān)將各結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總，最終網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺。

當(dāng)結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間因距離太遠(yuǎn)而無法正常通訊時，此時需在結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間增加中繼器，來增強(qiáng)系統(tǒng)的通訊能力。圖2所示是增加中繼器以增強(qiáng)通訊能力的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.2常規(guī)電源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中繼器存在的問題

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)的通訊，因距離太遠(yuǎn)而無法通訊時，通常會采用中繼器的方式來延長通訊距離，而采用常規(guī)供電方式的中繼器存在以下幾個問題：

在正常情況下，無線射頻中繼器都是安裝在比較高且比較空曠的地方，只有這樣無線射頻信號才能被傳輸?shù)母h(yuǎn)。然而這些地方往往都沒有現(xiàn)成的電線，因此安裝中繼器時需先單獨(dú)拉電線，再加開關(guān)電源做電壓轉(zhuǎn)換之后才能供給中繼器。然而戶外全天候的電線成本都比較高，再加上開關(guān)電源,系統(tǒng)的成本會劇增。

當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用的無線射頻技術(shù)功率均比較小，安裝一個中繼器，往往外加的開關(guān)電源功耗和線損，比中繼器自身的功耗還要高。這是對能源的浪費(fèi)，浪費(fèi)的電能也會使成本增加。

外加電源的中繼器，現(xiàn)場安裝通常是很不方便的,比如，電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中繼器往往是安裝在樓頂?shù)淖罡咛?此時中繼器電源線需要拉的很長，因在樓頂，安裝人員需要爬到很高的地方布線和打孔，經(jīng)常一個中繼器安裝下來需要花費(fèi)好幾個小時。這也使得中繼器的安裝成本增加。

因無線射頻中繼器都是安裝在室外，并且中繼器的天線一般均安裝在較高和空曠的地點(diǎn)，在雷雨天，天線很容易被雷擊中。如果中繼器的電源和系統(tǒng)的電源連接在一起，當(dāng)中繼器受到雷擊時，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)受雷擊而損壞。

在上述四個問題中，前三個均為成本問題，最后一個為系統(tǒng)抗干擾問題。如果能夠設(shè)計一款中繼器，現(xiàn)場安裝無需布線，無需外加開關(guān)電源，供電和電力系統(tǒng)隔離，則可以解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中繼器存在的諸多問題。

2無線射頻中繼器電源系統(tǒng)

2.1常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)中繼器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般物聯(lián)網(wǎng)中繼器的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，現(xiàn)場安裝時，需要先拉AC220V戶外全天候電線，然后外加一個開關(guān)電源，將AC220V電壓轉(zhuǎn)換為直流24V以下供給物聯(lián)網(wǎng)中繼器。

2.2太陽能物聯(lián)網(wǎng)中繼器的電源系統(tǒng)

太陽能物聯(lián)網(wǎng)中繼器的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，在光照好的情況下，太陽能光伏板發(fā)電，將電能傳送給太陽能充電管理器，由太陽能充電管理器將電能儲存到電池，同時再由電池供給物聯(lián)網(wǎng)中繼器系統(tǒng)。夜間或者陽光不足時，直接通過電池給物聯(lián)網(wǎng)中繼器供電。

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)場安裝一個普通物聯(lián)網(wǎng)中繼器，需要拉大約幾十米到幾百米不等的戶外全天候電線，我們對電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)做過統(tǒng)計，平均安裝一個中繼器需要拉五十米左右的電線,每個現(xiàn)場安裝人員安裝好一個中繼器需要花費(fèi)兩個多小時。戶外全天候電線，每米線按1.5元計算，五十米電線則要75元,人工成本按每人每天四百元記，則安裝一個中繼器的成本約為一百多元，外加一個交流轉(zhuǎn)直流的低壓開關(guān)電源，如施耐德公司的開關(guān)電源，型號為2REM24015H,該開關(guān)電源的市場價格大約是70元。除去中繼器自身的成本，安裝一個常規(guī)電源供電的中繼器，額外需要200多元的成本。

然而，市場上小于35W的太陽能光伏板的成本一般在80元以內(nèi)，配套的蓄電池成本只有幾十元，小功率太陽能充電管理方案的成本則只有幾元錢，加上政府的節(jié)能補(bǔ)貼，太陽能光伏發(fā)電中繼器已經(jīng)有絕對的市場優(yōu)勢。

3基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器方案設(shè)計

3.1基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器硬件設(shè)計要求

為了解決現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)中繼器存在的諸多問題，我們設(shè)計了一款基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器，具體任務(wù)要求如下：

考慮到實(shí)際天氣情況中，有可能出現(xiàn)連陰雨的天氣，如果設(shè)計的太陽能物聯(lián)網(wǎng)中繼器的電池存儲電量不夠，則可能導(dǎo)致在連陰雨天氣時，中繼器因電池沒電而不能正常工作，因此要求太陽能中繼器在三天無陽光照射的情況下可正常工作，也就是說電池三天不充電，仍能夠給中繼器供電；

有些城市在有的季節(jié)雨水比較充沛，要求該中繼器在光照好的情況下，可在8h內(nèi)迅速將電池電量充飽；

物聯(lián)網(wǎng)中繼器通訊為無線射頻通訊，無線射頻信號需通過天線傳輸，由于物聯(lián)網(wǎng)中繼器通常安裝在比較高的地點(diǎn)，容易受到雷擊的影響，因此基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器應(yīng)具備防雷擊的功能。

由于中繼器是在室外工作，因此產(chǎn)品的外殼應(yīng)滿足防水、防塵等級的要求。

該產(chǎn)品的成本應(yīng)低于現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)中繼器的成本。

3.2基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器充電管理方案選擇

當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的無線射頻通訊技術(shù)，如ZigBee、Wi-Fi等，都是小功率的無線通訊技術(shù)。一般基于ZigBee和Wi-Fi無線射頻通訊的中繼器的功耗通常比較低,在常規(guī)環(huán)境下，中繼器的工作電壓為3.3V,工作電流小于300mA。因此滿足需求的太陽能充電管理器方案較多，考慮到成本的限制，本文選擇上海如韻電子有限公司研發(fā)的小功率太陽能充電管理器，型號為CN3722,電池選擇蓄電池。

CN3722是一款可使用太陽能電池供電的PWM降壓模式充電管理集成電路，具有太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能。CN3722非常適合對單節(jié)或多節(jié)鋰電池、蓄電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理，最大充電電流為5A，具有封裝外形小，夕卜圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。CN3722太陽能充電管理器的充電電流和充電電壓示意圖如圖5所示。

由圖5可知，如果電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%，充電器進(jìn)入涓流充電模式，此時充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的15%。當(dāng)電池電壓高于恒壓充電電壓的66.7%，充電器進(jìn)入恒流充電模式。在恒壓充電狀態(tài)，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到所設(shè)置的恒流充電電流的9.5%時，CN3722進(jìn)入充電結(jié)束狀態(tài)。

3.3蓄電池容量計算

光伏系統(tǒng)設(shè)計中對蓄電池的選用，首先要確定的是蓄電池的容量，需要綜合考慮系統(tǒng)對蓄電池的特殊要求，盡量使光伏電池功率、負(fù)載功率與蓄電池容量達(dá)到最佳匹配。如果容量選用過大，不僅增加了系統(tǒng)對光伏電池輸出功率的要求,造成投資總成本的增加，而且蓄電池本身可能長期處于欠充狀態(tài)，會引起極板的硫化問題而給充電造成困難；再者蓄電池的自放電也會增多，白白損失能量。如果容量選用過小，日照充足時會浪費(fèi)光伏電池的輸出電能，日照不足時又可能達(dá)到過放限定而中斷供電。

對于光伏系統(tǒng)蓄電池容量的計算，我們做如下定義：

Q:蓄電池容量(Ah)。

Ki:蓄電池放電效率修正系數(shù)，對于鉛酸蓄電池通常取1.1?1.4,本文擬選用VRLA蓄電池，當(dāng)放電深度小于50%時可達(dá)90%以上，據(jù)此取值為1.1。

K2:溫度修正系數(shù)，由于蓄電池容量會隨著電解液溫度的降低而減小，根據(jù)蓄電池通常工作環(huán)境溫度的最低值，0笆以上取1.0,-10。。?0。。取1.1,-10°C以下取1.2,鑒于歷年來上海市最冷月份為1月的月平均氣溫為-1C?-3C,本文中K取值為1.1。

N:最長連續(xù)無日照天數(shù)，即在光伏電池沒有任何輸出電能的情況下，蓄電池獨(dú)自負(fù)擔(dān)負(fù)載耗電的最長天數(shù)；鑒于全國每個地方雨量差別比較大，本文電池就按續(xù)航3天計算。

Z:放電深度，本文根據(jù)對獨(dú)立光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池的通常取值，取值為50%。

K:負(fù)載線路損耗修正系數(shù)，按線損10%,本文中取值為1.1。

Q1:負(fù)載日耗電量(Ah),已知物聯(lián)網(wǎng)無線射頻中繼器在3.3V供電的情況下，工作電流小于300mA,本文所選蓄電池電壓為12V。

由此可得，本文所需的蓄電池容量為：

蓄電池放電率(小時率Hr)的計算方式如下:

式中：Hr為小時率；為負(fù)載日均工作時間。綜合式(1)和式(2),應(yīng)選用144小時率，容量為大于15.81Ah的蓄電池，電池電壓為12V。

3.4太陽能光伏板輸出功率計算

選用光伏電池的首要問題是根據(jù)負(fù)載要求、蓄電池性能和轉(zhuǎn)換電路的損耗等情況來確定光伏系統(tǒng)所需的功率。生產(chǎn)商對其光伏電池產(chǎn)品所標(biāo)稱的輸出功率是在標(biāo)準(zhǔn)條件下(日照強(qiáng)度1000W/m2、大氣質(zhì)量AM1.5、電池結(jié)溫為25C)光伏電池所能輸出的峰值功率，但實(shí)際應(yīng)用中每個地點(diǎn)一天中的日照和溫度狀況不可能完全符合標(biāo)準(zhǔn)條件，而且一年中不同季節(jié)的天氣狀況變化很大，因此不可能將日照期間每一時刻的天氣狀況都等同為標(biāo)準(zhǔn)條件。而如果按照氣象統(tǒng)計資料中每天的天氣情況進(jìn)行分析計算，計算量又過為龐大，且實(shí)際作用也不大。限于論文篇幅的要求，本文給出一種簡單的計算太陽能電池功率的方式。

設(shè)計要求太陽能充電管理器在光照良好的情況下，可在8個小時內(nèi)將電池充飽，貝吠陽能光伏板的平均值輸出電流值為:

式中，Q為蓄電池容量，本文蓄電池容量為15.81Ah,我們選擇16Ah,T為充飽電池所需的時間，本設(shè)計要求8h內(nèi)充飽，所以太陽能光伏板的平均輸出電流為2A,輸出電壓選擇16V即可。

3.5太陽能中繼器防雷、防水和防塵處理

3.5.1太陽能中繼器防雷措施

通常情況下，無線網(wǎng)絡(luò)中繼器都是通過天線發(fā)射和接收無線信號的，尤其是裝在戶外的無線網(wǎng)絡(luò)中繼器，往往都是安裝在當(dāng)?shù)氐淖罡唿c(diǎn)，只有這樣中繼器的無線信號才能被最好的傳播。因天線為導(dǎo)體，一般又是中繼器的最高點(diǎn)，所以在雷雨天中繼器最容易受到雷擊的部分就是天線。然而天線本身是不怕雷擊的，但是雷擊會通過天線傳輸?shù)街欣^器內(nèi)部,有可能損壞中繼器內(nèi)部電路。因此防護(hù)中繼器受雷擊最有效的辦法就是在天線和中繼器之間增加避雷器，將兩部分隔離開。圖6所示是在天線和中繼器之間增加避雷器的安裝示意圖。

配套天線用的避雷器種類較多，而且每種避雷器都有固定的工作頻段，因此建議在選用避雷器時盡量選擇天線原廠提供的型號。如果原廠沒有適合的避雷器，應(yīng)根據(jù)天線的特征阻抗、工作頻率以及防雷等級選擇避雷器，同時還需要考慮避雷器自身損耗會影響信號的輸出距離。

3.5.2太陽能中繼器防水、防塵等級

通常情況，中繼器是在戶外全天候工作的，因此中繼器的外殼設(shè)計一定要做防護(hù)處理，應(yīng)滿足相應(yīng)IP等級要求。

IP（IngressProtection，進(jìn)入防護(hù)）防護(hù)等級是電氣設(shè)備安全防護(hù)的重要指標(biāo)，IP防護(hù)等級主要是以電子產(chǎn)品防塵、防水的等級劃分。防護(hù)等級以IP后跟隨兩個數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護(hù)的等級。第一個數(shù)字表明設(shè)備抗微塵的范圍,數(shù)字從0到6,代表的意思如下：

0:沒有保護(hù)；

:防止大的固體侵入；

2:防止中等大小的固體侵入；

3:防止小固體進(jìn)入侵入；

4:防止物體大于1mm的固體進(jìn)入；

5:防止有害的粉塵堆積；

6:完全防止粉塵進(jìn)入。

第二個數(shù)字表明設(shè)備防水的程度，數(shù)字從0到8,代表的意思如下：

0:無防護(hù)；

:水滴滴入到外殼無影響；

:當(dāng)外殼傾斜到15。時，水滴滴入到外殼無影響；

:水或雨水從60。角落到外殼上無影響；

4:液體由任何方向潑到外殼沒有傷害影響；

5:用水沖洗無任何傷害；

6:可用于船艙內(nèi)的環(huán)境；

7:可于短時間內(nèi)耐浸水（1m）；

8:于一定壓力下長時間浸水。

結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境，中繼器必須滿足水或雨水從60。角落到外殼上對設(shè)備無影響，中繼器防塵等級應(yīng)以各行業(yè)而定。

4結(jié)語

本文主要圍繞當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中繼器存在的問題進(jìn)行分析,最終設(shè)計了一款基于太陽能光伏發(fā)電的中繼器，不僅可以解決常規(guī)中繼器存在的諸多問題，同時選用新能源技術(shù)，也響應(yīng)了國家提倡低碳環(huán)保的口號。

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