一种森林环境能量收集方法

摘要

一种森林环境能量收集方法，充分利用森林环境的现有能源，如：生物电能、风能，将其采集存储起来，以解决无线传感器网络节点在森林中应用时的供电问题；该森林环境能量收集方法包括：活立木土壤电压采集及连接电路、发电小风车、风电采集及倍压整流电路、活立木土壤电与风电自动切换电路、无源升压电路、能量积累储存电路；该收集方法的特点在于：能够对活立木与其生长的土壤间的电压信号及森林中的自然风作用于安装在树上的发电小风车产生的电压信号进行采集，将采集的活立木与其生长的土壤间的电压信号与发电小风车发出的经倍压整流电路后的电压信号进行比较，自动将电压大的信号与无源升压电路连接，无源升压电路将电压升为3v，再经超级电容器收集、储存能量，在微损耗智能充电控制器控制下，给锂电池充电。

说明书

技术领域

本发明涉及一种森林环境能量收集方法，可解决在恶劣环境或无人的林区无线传感器网络节点的电池 不能及时充电或更换难问题。

背景技术

无线传感器网络是近几年发展起来的一种环境信息采集与监测网络，利用无线通讯技术实现远程的数 据采集、监测及控制。由于受到硬件条件的限制，无线传感器网络的节点通常由电池供电，电池能量有限， 且无线传感器网络节点通常被放置在恶劣环境或无人区域，使用过程中不能及时给电池充电或更换电池。 解决无线传感器网络节点的供电问题已成为了相关领域的研究热点。无线传感器网络在林业领域也有广泛 应用，如在深林中布设无线传感器网络，完成对于森林环境(温度、湿度、风力、光强度等)监控，特别 是对森林火情的监控尤为必要。

风能是取之不尽用之不竭的能源，风能的利用已具有悠久的历史，但通常的风力发电设备体积大、占 地大，不适合在森林中使用，而该类设备成本较高也限制了其使用场所。如果设计出超小体积(仅是人的 拳头大小)、价格便宜(十几元人民币)的发电小风车，采用多个按不同朝向安放在森林树木的不同位置， 实现对森林风能采集存储，非常适合于对森林中无线传感器网络的节点供电。

经研究发现在活立木与其周围的土壤之间由于PH值的差异存在有离子浓度差，可以产生几十到几百 毫伏的电压，若改变活立木与其周围的土壤之间的酸碱度(PH值)，从而改变了活立木与其周围的土壤之 间的离子浓度，所产生的电压也随之改变。在森林中若能够就地取材，将这些自然存在的电能收集起来对 锂电池充电，为森林环境监控的无线传感器网络节点供电，可解决在恶劣环境或无人的林区无线传感器网 络节点的电池不能及时充电或更换难问题，这将对无线传感器网络在林业领域的普遍应用起到促进作用。

发明内容

本发明涉及一种森林环境能量收集方法，包括：活立木土壤电压采集及连接电路、发电小风车、 风电采集及倍压整流电路、活立木土壤电与风电自动切换电路、无源升压电路、能量积累储存电路；

所述活立木土壤电压采集及连接电路完成对活立木与其生长的土壤间的电压采集，选择活立木与其 周围的土壤之间PH值差值大于1处进行采集，使用带螺纹的钢钉(直径为3.45mm，长度为9.788cm)作 为电极，钉在活立木和土壤的被测点处，深度5cm以上，确定活立木上某一点作为参考点，周围土壤到参 考点间的电压即为采集的活立木土壤电压信号；

所述发电小风车内含有永久磁铁、线圈，在森林风作用下产生交变电压信号；所述风电采集及倍压整 流电路是对所述发电小风车发出的交变电压信号进行采集并倍压整流后形成风电压信号；

所述活立木土壤电与风电自动切换电路能够将所述采集的活立木土壤电压信号与风电压信号进行比 较，自动将电压大的信号与所述无源升压电路连接；

所述无源升压电路包括DC-DC升压转换器启动用的充电泵模块和CMOS的DC-DC升压转换器模块， 将采集的电压信号(直流几十到几百毫伏)无源升压到直流3v；

所述能量积累储存电路包括超级电容器、微损耗智能充电控制器、锂电池，将所述无源升压电路升 至直流电压3v的电信号，对超级电容器充电、储存能量，在微损耗智能充电控制器控制下，给锂电池充 电。

所述充电泵模块供电电源由采集的活立木土壤电压信号与风电压信号比较后较大的电压提供，所述 充电泵模块的输出电压作为所述DC-DC升压转换器模块的供电电源，无需任何外接电源。

所述发电小风车有3个旋转扇叶，扇叶最长处为45mm，最宽处为54.72mm，厚1mm，螺旋角27.95度， 螺旋面导程45mm，硬PVC板制成；所述发电小风车可配备多个，安装于森林中一棵或多棵树上，发电小风 车朝向可各异。

该发明具有如下功能：

通过对活立木土壤电压信号和森林风发出的电压信号按一定方式采集并自动切换，对切换后的信号进 行升压，蓄能，给锂电池充电，该锂电池可作为无线传感器网络节点的电源。

本发明的目的是：就地取材，利用森林环境的现有能源，将森林中的自然风作用于安装在树上的发电 小风车产生电能和森林中活立木与其周围的土壤之间特有的生物电能收集与储存起来，作为无线传感器网 络节点电源，解决无线传感器网络节点的供电问题，对无线传感器网络在林业领域的普遍应用起到促进作 用。

附图说明

附图1：一种森林环境能量收集方法总体框图

附图2：活立木和土壤间电压采集连接图

附图3：发电小风车扇叶结构、尺寸图

附图4：活立木土壤电与风电自动切换电路框图

附图5：无源升压电路框图

附图6：能量积累储存电路框图

具体实施方式

森林环境中存在有很多天然能源，如森林中的自然风作用于安装在树上的发电小风车就会产生电能； 又如在森林中活立木与其周围的土壤之间由于PH值的差异存在有离子浓度差，可以产生几十到几百毫伏 的持续、稳定的电压，如将这些电能收集、存储、为无线传感器网络节点电池充电，将解决无线传感器网 络节点的供电问题，故发明了一种森林环境能量收集方法。一种森林环境能量收集方法包括：活立木土壤 电压采集及连接电路、发电小风车、风电采集及倍压整流电路、活立木土壤电与风电自动切换电路、无源 升压电路、能量积累储存电路，如附图1所示。

其中：活立木土壤电压采集及连接电路是要完成对活立木与其周围的土壤之间的电压信号正确的采集 与连接。研究发现如果活立木与其周围的土壤之间PH值差值越大则产生的电压越大，所以在对活立木与 其生长的土壤间的微弱电压采集时，首先要对活立木和其周围的土壤的PH值进行测量，选择活立木与其 周围的土壤之间PH值差值大于1处进行电压采集；特殊情况时，可采用人为干预的方法增大活立木与其 周围的土壤之间PH值差值，即根据采集处活立木对生长土壤的要求增加土壤的酸性或碱性。具体采集时， 使用带螺纹的钢钉(直径为3.45mm，长度为9.788cm)作为电极，钉在活立木和土壤的被测点处，深度5cm 以上，确定活立木上某一点作为参考点(如附图2，a点所示)，再确定土壤一些点作为采集点，周围土壤 到参考点间的电压即为采集的活立木土壤电压信号，如附图2所示U₁、U₂、U₃、U₄均为采集点与参考点 间的电压信号。因为一处采集的电压信号输出电流较小，一般在10μA-20μA之间，要将几处采集的电压信 号并联连接，使得并联后的电流达到50微安以上，并联时电压极性要一致，各电压信号差不能超过40mv， 作为无源升压电路的输入电压信号，取多少土壤采集点，取决于输入到后边无源升压电路的电流要达到50 微安以上，以驱动后续电路；

发电小风车有3个旋转扇叶，扇叶最长处为45mm，最宽处为54.72mm，厚1mm，螺旋角27.95度，螺 旋面导程45mm，硬PVC板制成，具体尺寸如附图3所示。该发电小风车的特点是：体积小、重量轻、价格 便宜，超小的体积仅是人的拳头大小，便宜的价格仅需十几元人民币。发电小风车可配备多个，安装于森 林中一棵或多棵树上，发电小风车朝向可各异；发电小风车发出的电是交变电压信号，经电压采集及倍压 整流电路升压后变换成几十到几百毫伏的直流电压信号，即采集的风电压信号；

将所述采集的活立木土壤电压信号与风电压信号进行比较，自动将电压大的信号与所述无源升压电路 连接，如附图4所示；

无源升压电路包括有可以在超低电压工作的升压DC-DC转换器启动用充电泵模块(该模块核心芯片 为S882Z20)和CMOS的DC-DC升压转换器模块(该模块核心芯片为S8353A30)，如附图5所示。整个 电路无需任何外接电源供电，其中充电泵模块供电电源由采集的活立木土壤电压信号与风电压信号比较后 较大的电压提供，充电泵模块的输出电压作为DC-DC升压转换器模块的供电电源，无源升压电路可将现 场采集的几十到几百毫伏的微弱电压信号(附图5中Uin信号)，无源升到电压3v信号(附图5中Uout 信号)；

能量积累储存电路包括有超级电容器C₉、微损耗智能充电控制器(该模块核心芯片为CBC3112)、锂电 池等，如附图6所示，将所述无源升压电路升至电压3v的电信号(附图6中Uout信号)，对超级电容器 充电、储存能量，在微损耗智能充电控制器控制下，给锂电池充电，该锂电池可作为无线传感器网络节点 的供电电源。

技术效果

本发明针对森林环境中具有的天然能源，如森林中的自然风作用于安装在树上的发电小风车就会产生 电能及在森林中活立木与其周围的土壤之间由于PH值的差异存在有离子浓度差，可以产生几十到几百毫 伏的持续、稳定的电压这一自然现象，设计了一种森林环境能量收集方法，收集的电能可为无线传感器网 络节点供电，解决无线传感器网络节点不能及时充电或更换电池难问题，对无线传感器网络在林业领域的 普遍应用起到促进作用。