一个自供电的PMFC-Based为智能城市应用无线传感器节点

文摘

长功率宽区域网络(LPWAN)系统发挥重要作用在监测环境条件对智能城市的应用程序。随着物联网的发展(物联网),无线传感器网络(WSN)和能量收集装置,超低功率传感器节点(SNs)能够收集和监控信息环境保护、城市规划和风险预防。本文提出了WSN的自供电的物联网SNs积极自主使用植物微生物燃料电池(PMFCs)。一个能量收集装置被改编的PMFC使batteryless操作SN向传感器网络提供电源。SN网络的低功耗通信功能是用于监控的环境数据的动态电源管理策略成功地设计PMFC-based罗拉传感器节点。环境数据的臭氧(O₃)和二氧化碳(有限公司₂)通过一个web应用程序提供实时监测物联网云服务与安全和隐私协议。

1。介绍

智能城市和城市物联网的概念(物联网)是一个重要的研究领域,目的是更好的利用公共资源,提高公民提供的服务的质量,而公共管理的运营成本降低(1]。在这种情况下,传感器节点的互连(SNs)在无线传感器网络(WSN)可用于监测环境参数。同时,集成的IoT-WSN使SNs与互联网的连接,打开一个广泛的终端用户应用程序和Web服务的机会。尽管技术进步与许多嵌入式系统低功耗传感器,单片机,和数字通信的收发器,还有一个巨大的挑战这些SNs的电源。一般来说,这些设备通常是由电池供电;这都限制了网络的生命周期,因为他们需要更换或充电一段时间后。

目前,开发了几种方法来延长SNs的一生,如路由协议、传感技术、低功耗传感器网络标准等(2- - - - - -5]。能量收获(EH)是最有前途的技术之一为此,允许SNs自主操作从环境中收集和储存能量。能量收集系统通常由三个组件:能源,能源采集模块、负载(例如,单片机,传感器,无线收发器,等等)。从这个意义上说,在智能城市能源起着主导作用在我们大部分的日常活动,可以采取自然资源的优势。通常这些能源可以分为机械、辐射、热、流体、电磁、混合(5- - - - - -9]。在这方面,出现了新型的能源,目前仍处于开发阶段,如植物微生物燃料电池的情况下(PMFCs)。PMFC是一种绿色技术,通过电化学发电过程退化的基础上通过植物根系活性细菌(10- - - - - -12]。PMFC能够提供一个连续时变功率,由能量采集模块和存储在一个超级电容器,它可以处理大量的充电周期的充放电效率高,和不需要一个复杂的电路,尽管自放电率较高和较低的成本weight-to-energy密度与电池(5,6]。

在这种背景下,一个WSN PMFC-EH适合智能城市,在实时数据采集是必需的,为了提高收集、聚合,使用低成本的传感器和低功耗和使用的数据通信系统。作者在13)设计了一种自供电的可穿戴物联网传感器网络监测环境条件。系统集成了一个太阳能电池,超级电容器作为一种存储设备,LoRa-based无线传输模块。尽管光伏电池是强大的设备,他们提供间歇性能源,取决于环境条件(即。阳光)。Pietrelli et al。12]报道Terrestrian微生物燃料电池(TMFC)能够产生最大功率310W在土壤pH值7.6和温度控制。TMFC提供能量的基础上,基于内部IEEE 802.15.4 (Zigbee协议)提供服务的收发器测试传输一个比特。实验表明,权力是可能的一个传感器节点TMFC;然而,一个更实际的负载需要测试。这是因为传感器和单片机的能耗实验中不考虑这将导致传输成本增加。最后,作者在14]报道PMFC-EH系统进入一个基于Cordyline IoT-based WSN到达工厂。设计PMFC能够提供3.5 mW /厘米²0.7 V, 5 mA。传感器节点感知温度和湿度动态电源管理策略,使用无线个域网和数据传输。然而,一些新的无线技术(例如,罗拉,Sigfox NB-IoT)承诺更好的性能比为低功耗和远程的应用无线个域网(15]。

本文的目的是提出一个IoT-based传感器网络设计与自供电的PMFC-EH架构旨在延长网络的生命周期持续的环境分析。PMFC,基于虎尾兰asparagaceae植物,能够产生一个稳定的输出电压,允许能量收集电路获取能量从PMFC SN启用连续直流能源供应。SN的平均功耗约为2.92兆瓦,考虑到传感器测量,单片机处理任务和无线传输。此外,实验结果证明batteryless操作PMFC-based罗拉传感器网络智能城市的环境监测。

剩下的纸是组织如下:部分2描述了PMFC,能量采集电路,传感器节点数据采集。节3性能分析的自供电的PMFC-based罗拉传感器网络展示和讨论。最后,部分4给出了结论。

2。IoT-Energy收集系统设计

传感器节点能量消耗必须足够完成物联网基础上的自主操作;这包括SN处理任务和罗拉的无线传输。能量收集电路适应PMFC电源,单片机提供稳定电压,臭氧(O₃)和二氧化碳(有限公司₂)传感器和LoRa-based收发器。图1显示了PMFC-EH系统的概念性架构提出的传感器节点。下面的部分描述系统架构的组件。

2.1。植物微生物燃料电池(PMFC)

PMFC电源产生的能量通过厌氧降解的有机物通过根际细菌以可持续的方式,有一个潜在的应用程序提供的电力设备。PMFCs可以在应用程序的使用环境参数监测,成熟的植物,生物修复和重金属污染环境的恢复10,11,16- - - - - -18]。

根据植物的分类(19),C3和C4植物类型实现通过转化二氧化碳(光合效率高有限公司₂)四碳糖化合物(20.]。此外,这些类型的植物有一个高效的太阳能转换成电能增加根际微生物增殖的表面积。大多数微生物往往产生电子转移的新陈代谢有机残骸。一方面,植物根区提供了基质的形式根渗出液微生物,微生物和另一方面,简化养分离子形式的基本形式服从工厂(21]。

电极通常由质子交换膜分隔,钠离子的可22)或盐桥(23]。然而,membrane-less PMFC配置已报告,PMFC-cathode放置在富氧环境中(24,25]。因此,PMFC电力是由rhizodeposition的植物19]。

rhizodeposition包含各种各样的碳源,可以作为电极,PMFCs的代表一个独特的特征。在PMFC设计,阳极和阴极之间的距离,电极的尺寸和类型的植物应考虑如图2。

如图2,上面的植物被阳极和阳极和阴极之间的分离是5厘米。每平方米衬底的可用性可以提高通过增加阳极之间的距离和植物。因此,更多的根是阳极和植物之间,和rhizodeposition会越高。此外,研究报告,提高阳极的深度的因素3导致更多的基质,因此,可以收获更高的电流密度和输出功率(23]。

2.2。能量采集电路

为了提取的最大功率PMFC提出,有必要使用一个能量采集电路,目的是存储在外部设备如超级电容器。然而,这种电源(如光电、压电等)容易电压变化是由于物理环境变化,导致动态功率的指控。因此,有必要使用一个高效的能量收割机管理模块。

BQ25570 nano-power提高充电器,buck变换器能量收割机的动力管理能源的应用程序从输入电压尽可能低mV,它允许使用这个设备在热电发电机,小型太阳能电池,压电发电机等。另外,这个设备是专门设计来有效地获取和管理微瓦(μW)毫瓦(mW)的权力来自各种各样的高输出阻抗。

使用的能量收割机管理模块中可以观察到图3。为我们的应用程序中,提供的电压PMFC足以保证BQ25570操作。boost变换器驱动输出 。一旦电压高于通常(1.8 V), boost变换器可以有效地提取从PMFC权力。的电压是略小于外部程序电压(26]。同样,它实现了一个可编程的最大功率点跟踪翻译(MPPT)采样网络优化设备内的权力移交。最后,BQ25570设计灵活地支持各种能源存储元素。

2.3。传感器节点设计

传感器节点由三部分组成:单片机、传感器、和罗拉收发无线电。图4说明了传感器节点的电路原理。的特点,下面描述的组件。

2.3.1。传感器模块

臭氧的数据采集和二氧化碳进行使用mq - 131和mq - 135传感器,分别为(27]、[28]。传感器的主要特点是快速响应,灵敏度高,检测范围宽,不需要复杂的驱动电路。两个传感器是由微观₂O₃陶瓷管,一个敏感层,测量电极,和加热器固定到地壳中。标准条件操作电源和加热电压5 v ,加热器电阻是33Ω ,和传感电阻是50 kΩ- 500 kΩ。同时,检测范围有限公司₂是10 ppm - 1000 ppm和10磅到2000磅啊₃气体。

2.3.2。数字信号处理模块

MSP430FR5969是一种超低功耗微控制器单元(MCU)从德州仪器64 KB的非易失性铁电随机存取存储器(弗拉姆号)。单片机也支持优化的超低功耗模式,如备用(LPM3)和实时时钟(LPM3.5)通常能耗为0.4μ一个和0.25μ分别一个。此外,它的体系结构由一个16位RISC 16 MHz时钟支持电源电压范围从1.8 V至3.6 V (29日]。代码与EnergyTrace作曲家Studio IDE™工具是用来测量和显示单片机和外围设备的能源消耗。

2.3.3。无线传输模块

RFM95W罗拉收发设备,运营在868.1 MHz无照乐队,它是基于SX1276罗拉与SPI接口模块。这台收音机可以传输到2公里的视线或20公里,定向天线根据标准。输出功率的强度是可以调节的软件+ 5 + 20 dBm, ~ 100 mA在最大输出功率和峰值电流~ 30 mA在活跃的收音机听(19]。同时,全方位和5 dBi增益天线耦合到无线电收发器。此外,LoRaWAN-Class作为介质访问控制(MAC)协议。打开类MAC协议传输窗口后跟两个下行windows允许双向通信网关。

2.4。传感器网络体系结构

WSN由三个元素组成:的SNs(我),(2)网关模块,和(3)物联网SW来自SNs应用程序来分析和管理数据。网关接收数据,并通过无线网络上传信息到云服务器。网络拓扑是明星配置。图5显示了SNs上部署Chetumal金塔纳罗奥州大学的校园,墨西哥成为智能城市的概念验证的应用程序。

3所示。实验结果和讨论

在本节中,PMFC-based罗拉传感器网络进行求值。一个实验与PMFC、锡、网络拓扑结构和电源管理策略。

3.1。PMFC

实验设置如下:虎尾兰的PMFC由asparagaceae植物在一个塑料容器的体积 厘米³( 厘米, 厘米),满5公斤的混合营养丰富的土壤和125 gr工业肥料盐桥。锌(锌)网和铜(铜)线作为阳极和阴极,分别(见图2详情)。PMFC认为现实的土壤样本金塔纳罗奥州大学聚集在墨西哥。是很重要的话,C3和C4植物类型丰富的微生物增殖,这意味着如果有机质区域(或植物根区)增加,它将影响一代的电能。因此,在根际的微生物种群在阴极(根区)作为生物催化剂的吸收根渗出液作为衬底和释放氧化还原当量(电子和质子)在其代谢活动产生能量电压/功率(19]。

确保电化学活性细菌的存在,混合的有机物质在100%湿度与磷酸氢二铵工业肥料FERTIQUIM [30.)应用到PMFC。FERTIQUIM组合是18%的氮(N)、18%的铵(NH)₄五氧化二磷(P), 46%₂O₅),2.20%的可溶性硫(S), PH值在溶液中(6 - 7级)为10%。的电气性能PMFC测量使用瑞士万通Autolab稳压器模型。

在实验中,PMFC强调30个周期为一个星期,以观察其极化曲线。图6(一)说明了偏振和功率密度曲线表明PMFC电压与输出电流成反比;也算6 (b)显示电压和电流范围从0.8到1.25 mW /厘米²每一电极面积,每个周期的最大的功率密度。同样,可以看出一个滞后效应(即。,dynamic behavior) is produced and accentuated on the maximum power level, which is related to the initial stabilization of the electron and proton production generated by the bacteria. Figure6 (b)还介绍了最大功率密度值达到极化曲线。

产生的电流密度、电压PMFC使用1 k的负载电阻考虑一个常数室外温度30°C图所示7。测量进行了每50分钟,从12 h到18:00 h。电压和电流密度的平均测量值分别为1.00 V和1.125 mA /厘米²变化为0.1 V和0.225 mA /厘米²分别产生的最大电流密度在810分钟(十三50 h)。

PMFC作为电源的稳定性是本研究的主要问题之一。对于不同的充电功率密度值的分析及其动态行为取决于数量的周期时间。图8显示电压和功率密度,当PMFC提供了一个恒定电流2.35 mA。电压和功率密度下降到0.4 V, 1 mW /厘米²分别平均。还可以看出,电参数恢复后5分钟。

图9显示了45分钟,另一个实验中,PMFC没有收到水沿着第一个15分钟(或肥料)(见图中的黑色实线),然后PMFC灌溉用水。在实验中,PMFC不断强调着Metrolab设备要求恒定的输出电压为0.3 V。它可以注意到,在第一个15分钟PMFC的电流密度是恢复(见图中的虚线红线)。

3.2。能量采集电路

BQ25570电路是nano-power能量收割机超低功率应用的解决方案。这个电源管理电路连接到外部0.1 F的超级电容器存储的能量。在这个过程中,提高充电器的输出, ,配置为4.2 V。这个电压是应用于超级电容器只要编程的最大电压低于 。的高指标切换时增加3.3 V和切换时低于2.8 V。

3.3。传感器节点设计

动态电源管理策略考虑五个传感器节点的处理阶段。图10介绍了传感器节点的处理流程图。第一阶段需要47女士和设置传感器节点配置如扩散因子(SF)、频率频道,频道带宽(BW),编码率(CR)和传动功率。配置,短时间内8女士是用来实现气体浓度。这些快速反应传感器读取测量与稳定的温度和湿度环境和减少传感器目标气体浓度之间的电阻率和电阻传感器。的sense_interval和tx_interval可以根据应用程序调整。在这项研究中,时间5、10和20分钟被认为是。这两个感觉和Tx间隔配置LPM3低功耗模式,这意味着平均功耗降至2.92兆瓦的时间20分钟后sense_interval女士,单片机醒来阅读在8臭氧和二氧化碳传感器比特率为12500个基点,然后SN返回睡眠模式,仍然是一个tx_interval上行传输之前执行。传播阶段需要63 ms,最后两个响应窗口(即打开。,RX1 RX2图1010 ms)和30 ms分别为了建立双向沟通与应用服务器。表1显示了罗拉无线电参数选择用于实验。

图11显示了SN电力消耗的实时行为,和表2总结了不同的传播时间的测量值。为了估计SN的权力和电流消耗,EnergyTrace软件用于实时能源测量专门为超低功率的应用程序。EnergyTrace技术是包含在代码由工作室6.0版本和更新31日]。由此产生的最大和平均功耗值,传输时间20分钟,分别等于164.37 mW和2.92兆瓦。EnergyTrace软件还提供了最大和平均电流消耗的SN马马结果值为45.85和0.81,分别为同一传输间隔实验。

3.4。物联网监控系统

服务器监控系统为在线数据可视化和分析。图12显示的软件应用程序的可视化界面测量数据在测试领域。接口实现使用Apache和PHP网页设计工具。同样,为了符合安全问题,所有的数据都是加密和传输到云平台通过一个罗拉单通道网关。执行加密后activation-by-personalization LoRaWAN标准定义的方法(32]。同时,云平台的传感器数据检索和存储在一个本地服务器使用MySQL。

3.5。讨论

自供电的物联网系统是一种节能解决方案的无线传感器节点的设计和功能。从这个意义上说,节能和收获技术的集成是应用在智能城市的要求。

在这项研究中,一个基于虎尾兰PMFC asparagaceae植物适应是一个能量收割机电路作为动力电池来源。PMFC实现结果表明,提供2.35 mA的恒流到外部设备的电压从0.8 V至0.5 V。2分钟后,电压降低到0.33 V,代表失去42%的开路电压(0.8 V)。一旦移除负载,PMFC突然恢复85%的开路电压和开路电压的100% ~ 4分钟后恢复。对于功率密度,其衰减到30%的初始值(1.25 mW /厘米²)考虑到放电和恢复电压的时间显示在图8。

在这个意义上,我们可以得出结论,PMFC能够提供1.25兆瓦的功率密度/厘米²能量收割机BQ25570电路,它提供了一种规范3.3的输出。V,在超级电容器和存储能量。如图11和表2SN的平均能耗为3.47,3.09,和2.92兆瓦的传输间隔5,10,20分钟,分别。测试用例场景在数据结果报告6,7,8,9,11显示一个自治运行PMFC-based罗拉传感器节点。

4所示。结论

提出了一种传感器网络的自供电的PMFC-based罗拉传感器节点(SNs)智能城市的环境分析。大学校园里的系统实施Chetumal金塔纳罗奥州的墨西哥,智能城市的概念证明,臭氧监测周围环境数据(O₃)和二氧化碳(有限公司₂实时)。PMFC功率单元的设计,基于虎尾兰asparagaceae植物、实施和调整能量收割机电路提供直流输出功率SN。展示一个稳定运行,PMFC强调与瑞士万通Autolab稳压器设备实现1.25 mW / cm的足够的性能²开路的0.8 V。使用能量收集电路能够收集的能量PMFC不管收费标准的变化和低输入电压(即100 mv)。BQ25570能量收割机模块与nano-power加快充电器,巴克转换器实现管理和能源存储在一个超级电容器。结合PMFC-EH,动态电源管理策略也提出了超低功耗的LoRa-based无线SN。实验结果给出了部分3显示2.92 mW的SN平均功耗,提出PMFC的支持,实现自主操作的自供电的PMFC-based罗拉SNs。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项工作是支持的下对位el Desarrollo专业Docente(即)2019年,墨西哥。

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