孫恩濤+楊雷+王鵬

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷擴大以及射頻技術(shù)的快速發(fā)展，無線射頻技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層之間的通訊。由于無線通訊傳輸距離受實際環(huán)境影響，當(dāng)結(jié)點之間的通訊距離不夠時，可通過在結(jié)點之間增加中繼器進而增強通訊距離。為了使得無線信號能夠廣泛的傳輸，中繼器的安裝位置一般選擇較為特殊的場所，如建筑物的最高點、山頂或者偏僻的郊區(qū)。這些場所的中繼器供電需要專門的電纜，且該場所的中繼器易受到雷擊，雷擊很可能通過電纜而損壞電力系統(tǒng)。為了解決中繼器存在的諸多弊端，文章設(shè)計了一款基于太陽能發(fā)電的中繼器。

關(guān)鍵詞：中繼器；物聯(lián)網(wǎng)；光伏發(fā)電；無線射頻通訊技術(shù)；防雷擊；IP防護等級

中圖分類號：TP915 文獻識別碼：A 文章編號：2095-1302（2014）07-0025-04

0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)和藍牙技術(shù)。藍牙無線通訊主要應(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)用于遠距離、高速率傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

遠距離無線射頻通訊技術(shù)，雖然傳輸?shù)木嚯x比較遠，但受實際環(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)點之間最大的傳輸距離小于一公里。并且傳輸距離還受到實際環(huán)境的影響，如果結(jié)點之間有建筑遮擋時，無線通訊傳輸距離將會被衰減。一般情況下，如果結(jié)點之間通訊距離不夠時，則結(jié)點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也會很不方便。

因此，如果設(shè)計一款無需單獨拉線和開關(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。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。

圖1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)

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

圖2增加中繼器以增強通訊能力的物聯(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)點的通訊，因距離太遠而無法通訊時，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：

（1）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。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。

（2）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，浪費的電能也會使成本增加。

（3）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好幾個小時。這也使得中繼器的安裝成本增加。

（4）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，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AC 220 V戶外全天候電線，然后外加一個開關(guān)電源，將AC 220 V電壓轉(zhuǎn)換為直流24 V以下供給物聯(lián)網(wǎng)中繼器。

圖3一般物聯(lián)網(wǎng)中繼器的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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。

圖4太陽能物聯(lián)網(wǎng)中繼器的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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35 W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8 h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，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3.3 V，工作電流小于300 mA。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5 A，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點。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。

圖5基于CN3722太陽能充電管理器的充電電流和

充電電壓示意圖

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、負載功率與蓄電池容量達到最佳匹配。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，日照充足時會浪費光伏電池的輸出電能，日照不足時又可能達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）。

K1：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 ℃以上取1.0，-10 ℃～0 ℃取1.1，-10 ℃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-l ℃～-3 ℃，本文中K2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，蓄電池獨自負擔(dān)負載耗電的最長天數(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)對獨立光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池的通常取值，取值為50％。

K3：負載線路損耗修正系數(shù)，按線損10％，本文中取值為1.1。

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

由此可得，本文所需的蓄電池容量為：

Q=（（1.1×1.1×3））/0.5×1.1×（3.3））/12×0.3×24

=15.81 Ah（1）

蓄電池放電率（小時率Hr）的計算方式如下：

（2）

式中：Hr為小時率；h為負載日均工作時間。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12 V。

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（日照強度1 000 W/m2、大氣質(zhì)量AM1.5、電池結(jié)溫為25 ℃）光伏電池所能輸出的峰值功率，但實際應(yīng)用中每個地點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行分析計算，計算量又過為龐大，且實際作用也不大。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，則太陽能光伏板的平均值輸出電流值為：

（3）

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

圖6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)計一定要做防護處理，應(yīng)滿足相應(yīng)IP等級要求。

IP（Ingress Protection，進入防護）防護等級是電氣設(shè)備安全防護的重要指標(biāo)，IP防護等級主要是以電子產(chǎn)品防塵、防水的等級劃分。防護等級以IP后跟隨兩個數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護的等級。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；

1：防止大的固體侵入；

2：防止中等大小的固體侵入；

3：防止小固體進入侵入；

4：防止物體大于1 mm的固體進入；

5：防止有害的粉塵堆積；

6：完全防止粉塵進入。

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；

1：水滴滴入到外殼無影響；

2：當(dāng)外殼傾斜到15°時，水滴滴入到外殼無影響；

3：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（1 m）；

8：于一定壓力下長時間浸水。

結(jié)合實際使用環(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。

參 考 文 獻

[1]隋崗，韓嵩． 淺析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵問題[J]. 山東電力技術(shù)，2009（3）：20-22.

[2]蘇建徽，余世杰．硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型[J]．太陽能學(xué)報，2001，22（4）：409-412．

[3]劉宏．家用太陽能光伏電源系統(tǒng)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]李安定．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]李英姿．太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2014.

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收稿日期：2014-06-09

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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3.3 V，工作電流小于300 mA。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5 A，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點。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。

圖5基于CN3722太陽能充電管理器的充電電流和

充電電壓示意圖

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、負載功率與蓄電池容量達到最佳匹配。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，日照充足時會浪費光伏電池的輸出電能，日照不足時又可能達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）。

K1：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 ℃以上取1.0，-10 ℃～0 ℃取1.1，-10 ℃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-l ℃～-3 ℃，本文中K2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，蓄電池獨自負擔(dān)負載耗電的最長天數(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)對獨立光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池的通常取值，取值為50％。

K3：負載線路損耗修正系數(shù)，按線損10％，本文中取值為1.1。

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

由此可得，本文所需的蓄電池容量為：

Q=（（1.1×1.1×3））/0.5×1.1×（3.3））/12×0.3×24

=15.81 Ah（1）

蓄電池放電率（小時率Hr）的計算方式如下：

（2）

式中：Hr為小時率；h為負載日均工作時間。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12 V。

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（日照強度1 000 W/m2、大氣質(zhì)量AM1.5、電池結(jié)溫為25 ℃）光伏電池所能輸出的峰值功率，但實際應(yīng)用中每個地點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行分析計算，計算量又過為龐大，且實際作用也不大。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，則太陽能光伏板的平均值輸出電流值為：

（3）

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

圖6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)計一定要做防護處理，應(yīng)滿足相應(yīng)IP等級要求。

IP（Ingress Protection，進入防護）防護等級是電氣設(shè)備安全防護的重要指標(biāo)，IP防護等級主要是以電子產(chǎn)品防塵、防水的等級劃分。防護等級以IP后跟隨兩個數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護的等級。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；

1：防止大的固體侵入；

2：防止中等大小的固體侵入；

3：防止小固體進入侵入；

4：防止物體大于1 mm的固體進入；

5：防止有害的粉塵堆積；

6：完全防止粉塵進入。

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；

1：水滴滴入到外殼無影響；

2：當(dāng)外殼傾斜到15°時，水滴滴入到外殼無影響；

3：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（1 m）；

8：于一定壓力下長時間浸水。

結(jié)合實際使用環(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。

參 考 文 獻

[1]隋崗，韓嵩． 淺析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵問題[J]. 山東電力技術(shù)，2009（3）：20-22.

[2]蘇建徽，余世杰．硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型[J]．太陽能學(xué)報，2001，22（4）：409-412．

[3]劉宏．家用太陽能光伏電源系統(tǒng)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]李安定．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]李英姿．太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2014.

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收稿日期：2014-06-09

《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志歡迎作者投稿

《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志是經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)的，目前國內(nèi)唯一同時具有國際和國內(nèi)CN刊號的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)科技期刊。

《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志歡迎作者投稿。其主要內(nèi)容范圍如下:

1、全面感知：電子識別、傳感、定位、檢測、處理、變換、控制、驅(qū)動等；

2、可靠傳輸：各種有線和無線通信、傳輸協(xié)議、接口、算法、程序等；

3、智能處理與應(yīng)用：各種信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲，處理，交互（云計算、智能管理）、控制以及數(shù)據(jù)安全等技術(shù)論文。

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3.3 V，工作電流小于300 mA。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5 A，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點。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。

圖5基于CN3722太陽能充電管理器的充電電流和

充電電壓示意圖

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、負載功率與蓄電池容量達到最佳匹配。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，日照充足時會浪費光伏電池的輸出電能，日照不足時又可能達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）。

K1：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 ℃以上取1.0，-10 ℃～0 ℃取1.1，-10 ℃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-l ℃～-3 ℃，本文中K2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，蓄電池獨自負擔(dān)負載耗電的最長天數(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)對獨立光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池的通常取值，取值為50％。

K3：負載線路損耗修正系數(shù)，按線損10％，本文中取值為1.1。

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

由此可得，本文所需的蓄電池容量為：

Q=（（1.1×1.1×3））/0.5×1.1×（3.3））/12×0.3×24

=15.81 Ah（1）

蓄電池放電率（小時率Hr）的計算方式如下：

（2）

式中：Hr為小時率；h為負載日均工作時間。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12 V。

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（日照強度1 000 W/m2、大氣質(zhì)量AM1.5、電池結(jié)溫為25 ℃）光伏電池所能輸出的峰值功率，但實際應(yīng)用中每個地點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行分析計算，計算量又過為龐大，且實際作用也不大。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，則太陽能光伏板的平均值輸出電流值為：

（3）

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

圖6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)計一定要做防護處理，應(yīng)滿足相應(yīng)IP等級要求。

IP（Ingress Protection，進入防護）防護等級是電氣設(shè)備安全防護的重要指標(biāo)，IP防護等級主要是以電子產(chǎn)品防塵、防水的等級劃分。防護等級以IP后跟隨兩個數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護的等級。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；

1：防止大的固體侵入；

2：防止中等大小的固體侵入；

3：防止小固體進入侵入；

4：防止物體大于1 mm的固體進入；

5：防止有害的粉塵堆積；

6：完全防止粉塵進入。

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；

1：水滴滴入到外殼無影響；

2：當(dāng)外殼傾斜到15°時，水滴滴入到外殼無影響；

3：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（1 m）；

8：于一定壓力下長時間浸水。

結(jié)合實際使用環(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。

參 考 文 獻

[1]隋崗，韓嵩． 淺析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵問題[J]. 山東電力技術(shù)，2009（3）：20-22.

[2]蘇建徽，余世杰．硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型[J]．太陽能學(xué)報，2001，22（4）：409-412．

[3]劉宏．家用太陽能光伏電源系統(tǒng)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]李安定．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]李英姿．太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2014.

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收稿日期：2014-06-09

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《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志歡迎作者投稿。其主要內(nèi)容范圍如下:

1、全面感知：電子識別、傳感、定位、檢測、處理、變換、控制、驅(qū)動等；

2、可靠傳輸：各種有線和無線通信、傳輸協(xié)議、接口、算法、程序等；

3、智能處理與應(yīng)用：各種信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲，處理，交互（云計算、智能管理）、控制以及數(shù)據(jù)安全等技術(shù)論文。