活立木生物电收集与存储技术的研究

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由于无线传感器网络的大规模性和森林环境的复杂多样性,无线传感器网络的节点供电问题成为首要解决的问题。活立木生物电的产生与植物体内部存在的化学反应过程有关,对外则显示出活立木内部和其生长的土壤之间存在持续、稳定的电压与电流。考虑到森林中存在大量的树木,且在森林环境中其他环境能量收集存在一定的缺陷,本文对活立木生物电能的收集方法进行了研究。本文选取了北京林业大学校园内的9个树种进行了实验,对电极打入深度、电极连接方式以及树干电极位置与树种对收集活立木生物电能的影响进行了研究。研究结果表明:(1)树干电极打入活立木韧皮部即可满足能量收集需求,且树干电极和土壤电极采用不同材质时能量收集效果更佳;(2)多路活立木生物电输出采用并联的方式连接有利于增大活立木输出电流,此时对电极位置没有严格要求;(3)树干电极位置对活立木输出能量的影响不显著,树种的影响显著。基于以上的实验结果设计并制作了活立木生物电能收集电路,电路主要包括充电泵电路、升压倍压电路和充电管理电路。选择一棵银杏树作为实验对象,经过实际测试,20路银杏树所产生的活立木生物电能可以驱动整个电路进入工作状态。对所设计电路进行了一系列的模块调试和整体系统的测试,实验结果表明:(1)充电泵电路输出周期为7.5s的1.5V-1.9V的电压;(2)升压倍压电路输出周期为2s的3.7V-4.7V的电压;(3)经过8小时充电,锂电池LIR2430两端的电压由2.85V上升至3.06V。以上实验结果说明该电路能够实现活立木生物电能的收集与存储。最后进行了无线传感器节点的实际应用测试。实验结果表明,收集活立木生物电能基本上可以延长节点系统的工作时间。对于推进无线传感器网络在林区的应用具有一定的实际意义。
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