基于光伏发电的物联网中继器的设计

引言

当前广泛应用于物联网系统的无线射频技术有ZigBee无线通讯技术、Wi-Fi无线通讯技术和蓝牙技术。蓝牙无线通讯主要应用于短距离、高速率传输系统中；ZigBee无线通讯技术被应用于远距离、低传输速率的物联网系统；而Wi-Fi无线通讯技术则被应用于远距离、高速率传输的物联网系统。

远距离无线射频通讯技术，虽然传输的距离比较远，但受实际环境的限制，其传输的距离将被缩短。如采用ZigBee无线通讯技术的物联网系统，两结点之间最大的传输距离小于一公里。并且传输距离还受到实际环境的影响，如果结点之间有建筑遮挡时，无线通讯传输距离将会被衰减。一般情况下，如果结点之间通讯距离不够时，则结点之间需要增加中继器延长通讯距离。因此采用无线射频通讯的物联网系统，中继器会被经常用到。在大多数物联网系统中，中继器的供电都不是很方便，如电梯物联网系统、物联网环境监测系统。因中继器安装需要单独拉很长的电缆和配套一个开关电源，这导致系统成本的剧增，同时中继器的安装和维护也会很不方便。

因此，如果设计一款无需单独拉线和开关电源的物联网中继器，不仅可以节省物联网系统的成本，同时可方便现场安装及维护。本文介绍一款基于光伏发电的物联网中继器，光伏发电技术如同一道电子隔离墙，有效的将中继器和电力系统隔开，这样即便中继器受到雷击也不会影响电力系统或物联网系统。同时利用太阳能发电技术的中继器，摆脱了常规中继器存在供电困难的弊端。我国化石能源相对贫乏但能源消耗量巨大，因此展开对太阳能光伏发电技术的研究和应用上的普及对我国未来的经济发展有着非常重要的战略意义。

1基于无线通讯技术的物联网系统

1.1基于无线通讯技术的物联网系统架构

通常采用无线射频技术传输数据的物联网系统结构如图1所示。所有感知层的结点通过无线射频技术传输数据到网络管理设备（又称网关），再由网关将各结点的数据汇总，最终网关将数据传输到网络监控平台。

当结点和结点、结点和网关之间因距离太远而无法正常通讯时，此时需在结点和结点、结点和网关之间增加中继器，来增强系统的通讯能力。图2所示是增加中继器以增强通讯能力的物联网系统结构。

1.2常规电源系统物联网中继器存在的问题

当物联网系统结点的通讯，因距离太远而无法通讯时，通常会采用中继器的方式来延长通讯距离，而采用常规供电方式的中继器存在以下几个问题：

在正常情况下，无线射频中继器都是安装在比较高且比较空旷的地方，只有这样无线射频信号才能被传输的更远。然而这些地方往往都没有现成的电线，因此安装中继器时需先单独拉电线，再加开关电源做电压转换之后才能供给中继器。然而户外全天候的电线成本都比较高，再加上开关电源,系统的成本会剧增。

当前的物联网系统，采用的无线射频技术功率均比较小，安装一个中继器，往往外加的开关电源功耗和线损，比中继器自身的功耗还要高。这是对能源的浪费，浪费的电能也会使成本增加。

外加电源的中继器，现场安装通常是很不方便的,比如，电梯物联网系统的中继器往往是安装在楼顶的最高处,此时中继器电源线需要拉的很长，因在楼顶，安装人员需要爬到很高的地方布线和打孔，经常一个中继器安装下来需要花费好几个小时。这也使得中继器的安装成本增加。

因无线射频中继器都是安装在室外，并且中继器的天线一般均安装在较高和空旷的地点，在雷雨天，天线很容易被雷击中。如果中继器的电源和系统的电源连接在一起，当中继器受到雷击时，有可能导致系统受雷击而损坏。

在上述四个问题中，前三个均为成本问题，最后一个为系统抗干扰问题。如果能够设计一款中继器，现场安装无需布线，无需外加开关电源，供电和电力系统隔离，则可以解决当前物联网中继器存在的诸多问题。

2无线射频中继器电源系统

2.1常规物联网中继器的系统结构

一般物联网中继器的电源系统结构如图3所示，现场安装时，需要先拉AC220V户外全天候电线，然后外加一个开关电源，将AC220V电压转换为直流24V以下供给物联网中继器。

2.2太阳能物联网中继器的电源系统

太阳能物联网中继器的电源系统结构如图4所示，在光照好的情况下，太阳能光伏板发电，将电能传送给太阳能充电管理器，由太阳能充电管理器将电能储存到电池，同时再由电池供给物联网中继器系统。夜间或者阳光不足时，直接通过电池给物联网中继器供电。

据统计，现场安装一个普通物联网中继器，需要拉大约几十米到几百米不等的户外全天候电线，我们对电梯物联网系统做过统计，平均安装一个中继器需要拉五十米左右的电线,每个现场安装人员安装好一个中继器需要花费两个多小时。户外全天候电线，每米线按1.5元计算，五十米电线则要75元,人工成本按每人每天四百元记，则安装一个中继器的成本约为一百多元，外加一个交流转直流的低压开关电源，如施耐德公司的开关电源，型号为2REM24015H,该开关电源的市场价格大约是70元。除去中继器自身的成本，安装一个常规电源供电的中继器，额外需要200多元的成本。

然而，市场上小于35W的太阳能光伏板的成本一般在80元以内，配套的蓄电池成本只有几十元，小功率太阳能充电管理方案的成本则只有几元钱，加上政府的节能补贴，太阳能光伏发电中继器已经有绝对的市场优势。

3基于光伏发电的物联网中继器方案设计

3.1基于光伏发电的物联网中继器硬件设计要求

为了解决现有物联网中继器存在的诸多问题，我们设计了一款基于光伏发电的物联网中继器，具体任务要求如下：

考虑到实际天气情况中，有可能出现连阴雨的天气，如果设计的太阳能物联网中继器的电池存储电量不够，则可能导致在连阴雨天气时，中继器因电池没电而不能正常工作，因此要求太阳能中继器在三天无阳光照射的情况下可正常工作，也就是说电池三天不充电，仍能够给中继器供电；

有些城市在有的季节雨水比较充沛，要求该中继器在光照好的情况下，可在8h内迅速将电池电量充饱；

物联网中继器通讯为无线射频通讯，无线射频信号需通过天线传输，由于物联网中继器通常安装在比较高的地点，容易受到雷击的影响，因此基于光伏发电的物联网中继器应具备防雷击的功能。

由于中继器是在室外工作，因此产品的外壳应满足防水、防尘等级的要求。

该产品的成本应低于现有物联网中继器的成本。

3.2基于光伏发电的物联网中继器充电管理方案选择

当前被广泛应用于物联网系统的无线射频通讯技术，如ZigBee、Wi-Fi等，都是小功率的无线通讯技术。一般基于ZigBee和Wi-Fi无线射频通讯的中继器的功耗通常比较低,在常规环境下，中继器的工作电压为3.3V,工作电流小于300mA。因此满足需求的太阳能充电管理器方案较多，考虑到成本的限制，本文选择上海如韵电子有限公司研发的小功率太阳能充电管理器，型号为CN3722,电池选择蓄电池。

CN3722是一款可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能。CN3722非常适合对单节或多节锂电池、蓄电池或磷酸铁锂电池的充电管理，最大充电电流为5A，具有封装外形小，夕卜围元器件少和使用简单等优点。CN3722太阳能充电管理器的充电电流和充电电压示意图如图5所示。

由图5可知，如果电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7%，充电器进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的15%。当电池电压高于恒压充电电压的66.7%，充电器进入恒流充电模式。在恒压充电状态，充电电流逐渐减小，当充电电流减小到所设置的恒流充电电流的9.5%时，CN3722进入充电结束状态。

3.3蓄电池容量计算

光伏系统设计中对蓄电池的选用，首先要确定的是蓄电池的容量，需要综合考虑系统对蓄电池的特殊要求，尽量使光伏电池功率、负载功率与蓄电池容量达到最佳匹配。如果容量选用过大，不仅增加了系统对光伏电池输出功率的要求,造成投资总成本的增加，而且蓄电池本身可能长期处于欠充状态，会引起极板的硫化问题而给充电造成困难；再者蓄电池的自放电也会增多，白白损失能量。如果容量选用过小，日照充足时会浪费光伏电池的输出电能，日照不足时又可能达到过放限定而中断供电。

对于光伏系统蓄电池容量的计算，我们做如下定义：

Q:蓄电池容量(Ah)。

Ki:蓄电池放电效率修正系数，对于铅酸蓄电池通常取1.1〜1.4,本文拟选用VRLA蓄电池，当放电深度小于50%时可达90%以上，据此取值为1.1。

K2:温度修正系数，由于蓄电池容量会随着电解液温度的降低而减小，根据蓄电池通常工作环境温度的最低值，0笆以上取1.0,-10。。〜0。。取1.1,-10°C以下取1.2,鉴于历年来上海市最冷月份为1月的月平均气温为-1C〜-3C,本文中K取值为1.1。

N:最长连续无日照天数，即在光伏电池没有任何输出电能的情况下，蓄电池独自负担负载耗电的最长天数；鉴于全国每个地方雨量差别比较大，本文电池就按续航3天计算。

Z:放电深度，本文根据对独立光伏系统VRLA蓄电池的通常取值，取值为50%。

K:负载线路损耗修正系数，按线损10%,本文中取值为1.1。

Q1:负载日耗电量(Ah),已知物联网无线射频中继器在3.3V供电的情况下，工作电流小于300mA,本文所选蓄电池电压为12V。

由此可得，本文所需的蓄电池容量为：

蓄电池放电率(小时率Hr)的计算方式如下:

式中：Hr为小时率；为负载日均工作时间。综合式(1)和式(2),应选用144小时率，容量为大于15.81Ah的蓄电池，电池电压为12V。

3.4太阳能光伏板输出功率计算

选用光伏电池的首要问题是根据负载要求、蓄电池性能和转换电路的损耗等情况来确定光伏系统所需的功率。生产商对其光伏电池产品所标称的输出功率是在标准条件下(日照强度1000W/m2、大气质量AM1.5、电池结温为25C)光伏电池所能输出的峰值功率，但实际应用中每个地点一天中的日照和温度状况不可能完全符合标准条件，而且一年中不同季节的天气状况变化很大，因此不可能将日照期间每一时刻的天气状况都等同为标准条件。而如果按照气象统计资料中每天的天气情况进行分析计算，计算量又过为庞大，且实际作用也不大。限于论文篇幅的要求，本文给出一种简单的计算太阳能电池功率的方式。

设计要求太阳能充电管理器在光照良好的情况下，可在8个小时内将电池充饱，贝吠阳能光伏板的平均值输出电流值为:

式中，Q为蓄电池容量，本文蓄电池容量为15.81Ah,我们选择16Ah,T为充饱电池所需的时间，本设计要求8h内充饱，所以太阳能光伏板的平均输出电流为2A,输出电压选择16V即可。

3.5太阳能中继器防雷、防水和防尘处理

3.5.1太阳能中继器防雷措施

通常情况下，无线网络中继器都是通过天线发射和接收无线信号的，尤其是装在户外的无线网络中继器，往往都是安装在当地的最高点，只有这样中继器的无线信号才能被最好的传播。因天线为导体，一般又是中继器的最高点，所以在雷雨天中继器最容易受到雷击的部分就是天线。然而天线本身是不怕雷击的，但是雷击会通过天线传输到中继器内部,有可能损坏中继器内部电路。因此防护中继器受雷击最有效的办法就是在天线和中继器之间增加避雷器，将两部分隔离开。图6所示是在天线和中继器之间增加避雷器的安装示意图。

配套天线用的避雷器种类较多，而且每种避雷器都有固定的工作频段，因此建议在选用避雷器时尽量选择天线原厂提供的型号。如果原厂没有适合的避雷器，应根据天线的特征阻抗、工作频率以及防雷等级选择避雷器，同时还需要考虑避雷器自身损耗会影响信号的输出距离。

3.5.2太阳能中继器防水、防尘等级

通常情况，中继器是在户外全天候工作的，因此中继器的外壳设计一定要做防护处理，应满足相应IP等级要求。

IP（IngressProtection，进入防护）防护等级是电气设备安全防护的重要指标，IP防护等级主要是以电子产品防尘、防水的等级划分。防护等级以IP后跟随两个数字来表述，数字用来明确防护的等级。第一个数字表明设备抗微尘的范围,数字从0到6,代表的意思如下：

0:没有保护；

:防止大的固体侵入；

2:防止中等大小的固体侵入；

3:防止小固体进入侵入；

4:防止物体大于1mm的固体进入；

5:防止有害的粉尘堆积；

6:完全防止粉尘进入。

第二个数字表明设备防水的程度，数字从0到8,代表的意思如下：

0:无防护；

:水滴滴入到外壳无影响；

:当外壳倾斜到15。时，水滴滴入到外壳无影响；

:水或雨水从60。角落到外壳上无影响；

4:液体由任何方向泼到外壳没有伤害影响；

5:用水冲洗无任何伤害；

6:可用于船舱内的环境；

7:可于短时间内耐浸水（1m）；

8:于一定压力下长时间浸水。

结合实际使用环境，中继器必须满足水或雨水从60。角落到外壳上对设备无影响，中继器防尘等级应以各行业而定。

4结语

本文主要围绕当前物联网中继器存在的问题进行分析,最终设计了一款基于太阳能光伏发电的中继器，不仅可以解决常规中继器存在的诸多问题，同时选用新能源技术，也响应了国家提倡低碳环保的口号。

20211123_619d06ef8e1da__基于光伏发电的物联网中继器的设计