發(fā)布時(shí)間：2018-05-14 23:11

  本文選題：活立木 + 生物電��； 參考：《北京林業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的數(shù)據(jù)采集技術(shù),目前已在林業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是,由于應(yīng)用環(huán)境及成本所限,如何為林業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)、可靠的電能仍然是該領(lǐng)域亟待解決的重要問題。目前被廣泛研究的太陽(yáng)能、振動(dòng)能、電磁能、風(fēng)能、熱能等環(huán)境能量在森林環(huán)境中均存在一定限制,不能用來(lái)可靠地為林業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電。作為森林環(huán)境中特有的環(huán)境能量,活立木生物電能非常適合為林業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)的電能。但是,這種電能較為微弱,電源參數(shù)特性亦不明確,其利用方法同樣有待于更深入的研究。本文在充分分析和借鑒已有的環(huán)境能量收集與利用技術(shù)基礎(chǔ)上,從明確電源參數(shù)特性、電能采集、電能收集與存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)對(duì)活立木生物電能的利用方法進(jìn)行了研究,并研制了活立木生物電能收集和存儲(chǔ)裝置。本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)論如下：1、為了獲取活立木生物電源參數(shù)特性,研制了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的活立木生物電源參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)�活立木生物電源參�?shù)及環(huán)境信息進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的測(cè)量,為明確活立木生物電源參數(shù)特性提供了技術(shù)基礎(chǔ)。2、對(duì)活立木生物電源參數(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),并對(duì)其內(nèi)阻分布范圍、變化規(guī)律及變化機(jī)理進(jìn)行了深入研究。活立木生物電源內(nèi)阻較大,其大小在1kΩ至5 kΩ之間,且隨季節(jié)和晝夜周期性變化�；盍⒛緝�(nèi)部樹液含量及活立木的生理活動(dòng)對(duì)活立木生物電源內(nèi)阻大小具有較大影響。此研究結(jié)果為提高活立木生物電源的輸出功率及活立木生物電能收集與存儲(chǔ)裝置的研制提供了參考。3、研究了電極材料和電極規(guī)格對(duì)活立木生物電源輸出電壓的影響機(jī)理。(1)金屬電極材料的導(dǎo)電性對(duì)“電極-土壤”及“電極-樹干”的接觸電阻有較大影響,進(jìn)而決定了活立木生物電源的輸出電壓。電極材料的導(dǎo)電性越強(qiáng),接觸電阻越低,獲得的活立木生物電能電壓越高。(2)金屬電極材料的活動(dòng)性對(duì)活立木生物電能的電壓沒有決定性影響。但是,金屬電極材料的鈍化會(huì)使獲得的活立木生物電能電壓急劇降低。(3)活立木生物電源的輸出電壓與土壤電極表面積呈對(duì)數(shù)關(guān)系：E=a+6×ln S,其中E為活立木生物電源的輸出電壓,S為土壤電極的表面積。土壤電極表面積越大,活立木生物電源的輸出電壓越高,但電壓的增長(zhǎng)率降低。4、根據(jù)以上研究結(jié)果,研制了活立木生物電能收集與存儲(chǔ)裝置。該裝置以能量處理器CBC915為控制核心,利用低壓電荷泵電路為CBC915提供啟動(dòng)電源,控制升壓斬波電路對(duì)活立木生物電能進(jìn)行升壓,并將電能存儲(chǔ)到固態(tài)電池CBC51200中。經(jīng)測(cè)試,該裝置能夠?qū)�活立木生物電能進(jìn)行有效收集和存儲(chǔ),并為林業(yè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。本文的研究結(jié)果為林業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種可行的供電方案,同時(shí)為林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定了一定技術(shù)基礎(chǔ)。
[Abstract]:Wireless sensor network (WSN) is a distributed data acquisition technology, which has been widely used in the field of forestry environmental information monitoring. However, due to the limitation of application environment and cost, how to provide sustainable and reliable electrical energy for forestry wireless sensor network nodes is still an important problem to be solved urgently in this field. At present, solar energy, vibration energy, electromagnetic energy, wind energy, thermal energy and other environmental energy are all limited in forest environment, which can not be used to supply power to forestry sensor nodes reliably. As a special environmental energy in forest environment, living tree bioelectric energy is very suitable to provide sustainable electric energy for forestry sensor nodes. However, this kind of electric energy is weak and the characteristics of power supply parameters are not clear. Based on the full analysis and reference of the existing environmental energy collection and utilization technology, this paper studies the utilization methods of living wood bioelectric energy from the aspects of defining the characteristics of power supply parameters, electric energy collection, electric energy collection and storage, etc. A device for collecting and storing living tree bioelectric energy was developed. The main contents and conclusions of this paper are as follows: 1. In order to obtain the parameters of living tree biological power supply, a monitoring system based on Internet of things (IOT) is developed. The system can measure the parameters and environmental information of living wood for a long time and continuously. It provides a technical basis for determining the characteristics of living tree biological power supply parameters, and monitors the parameters of living wood biological power supply for a long time. The distribution range, variation law and mechanism of internal resistance are also studied. The internal resistance of living tree biological power supply is large, ranging from 1 k 惟 to 5 k 惟, and varies periodically with season and day and night. The content of sap and the physiological activity of the living tree have great influence on the internal resistance of the living tree. The results provide a reference for improving the output power of the living tree biological power supply and the development of the device for collecting and storing the living tree bioelectric energy. The influence of electrode materials and electrode specifications on the output voltage of the living wood biological power supply is studied. The electrical conductivity of metal electrode material has great influence on the contact resistance of "electrode-soil" and "electrode-trunk". Furthermore, the output voltage of the living tree biological power supply is determined. The higher the electrical conductivity of the electrode material, the lower the contact resistance, the higher the bioelectric energy voltage of the living tree, the higher the bioelectric energy voltage. 2) the activity of the metal electrode material has no decisive effect on the voltage of the living tree bioelectric energy. However, The passivation of the metal electrode material will reduce the bioelectric energy voltage of the living wood sharply. 3) the output voltage of the living tree biological power supply has logarithmic relationship with the surface area of soil electrode, where E is the output of the living tree biological power supply. Voltage S is the surface area of soil electrode. The larger the surface area of soil electrode, the higher the output voltage, but the lower the voltage growth rate. Based on the above results, a bioelectric energy collection and storage device for living wood was developed. The device takes the energy processor CBC915 as the control core, uses the low voltage charge pump circuit to provide the start-up power for the CBC915, controls the boost chopper circuit to boost the bioelectric energy of the movable tree, and stores the electric energy in the solid state battery CBC51200. The test results show that the device can effectively collect and store the bioelectric energy of standing wood and supply power to the wireless sensor nodes in forestry. The results of this paper provide a feasible power supply scheme for forestry wireless sensor networks and lay a technical foundation for the development of forestry Internet of things.
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S712

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