使用一次电池为农业智能灌溉系统中的无线阀门供电

《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》：Using a Primary Battery to Power a Wireless Valve for Smart Irrigation Systems in Agriculture

　　LoRaWAN无线锁闭电磁阀电力管理系统研究通过优化超级电容和升压转换器，实现从微型CR2032电池供电，验证其可支持五年持续运行，有效降低系统体积、成本及环境影响。

　　

摘要：

本研究详细探讨了用于驱动长距离广域网络（LoRaWAN）锁存电磁阀（LSVs）的电源管理系统（PM系统），以实现自动化灌溉系统的控制。研究目标是优化超级电容器和升压转换器的使用，使得即使使用小型一次电池（如纽扣电池）也能驱动LSVs，从而降低安装成本和减少电池对环境的影响。分析了两种不同的LSVs：一种需要12 V-1 A的高电流脉冲来激活，另一种需要9 V-1.8 A的脉冲。文中提供了关于超级电容器、转换器及漏电流的详细测量数据，这些数据有助于优化电路设计和电源管理系统。按照所提出的方案，单个1/2AA LiSOCl2一次电池可以为无线电磁阀提供长达五年的供电。

一、引言：使用小型一次电池为电磁阀供电

电磁阀是温室农业和其他自动化灌溉系统中的关键组件，用于确保植物获得适量的水分和养分。随着物联网（IoT）技术在农业领域的应用[1][2]，越来越多的电磁阀通过无线方式控制，如图1[3][4][5][6]所示，从而避免了有线电源的需求。图1展示了一个现代灌溉系统，该系统能够利用无线阀门对不同作物和地块进行单独控制；灌溉计划可以根据水资源状况、能源价格或同一网络中的土壤湿度传感器数据来制定[6]。锁存电磁阀（LSVs）通过短暂的高电流脉冲（数十毫秒）进行开启/关闭，在保持开启或关闭状态时没有静态功耗。与电动阀门[7]相比，LSVs价格更低、能耗更少、响应更快且使用更加便捷。然而，它们也存在缺点，例如开启/关闭时会产生较大的电流峰值，并且对介质中的杂质更为敏感，可能导致液体泄漏。LSVs特别适用于低压（<30 psi）和较小管径（<1英寸）的安装环境，例如温室滴灌系统。图2展示了本研究的对象之一——slpm1df12n1d13[8] 12 V-1 A电磁阀，根据制造商说明，其激活脉冲需要持续50–80毫秒（见表II）。首次分析将使用该类型的LSV进行；第二种LSV的相关内容见第IV-A节。测量得到的电磁阀直流电阻为r_LSV = 11.7 Ω。在本研究初期考察的一个自动化灌溉系统中，该电磁阀由UC511 LoRaWAN控制器[5]控制，该控制器由两块2500 mA·h的LiPo可充电电池和一个小太阳能板供电，这种方案相对笨重且成本较高。除了[5]中提到的控制器外，还有一些商用IoT LSV控制器，它们由一块或两块9 V一次电池（碱性电池）供电，但电池寿命有限。本研究的目的是探讨如何使用小型一次电池为无线LSVs供电，使其能够持续使用多年。这样可以避免安装太阳能板，减小控制器的体积和成本，同时降低电池对环境的影响。研究表明，主要问题不在于电池的可用能量（如表I所示），而在于如何产生足够大的电流脉冲。假设锁存脉冲时间为t_p = 100毫秒（略大于制造商推荐的最小激活时间以确保LSV正常工作[8]），电压V_LS = 12 V，电磁阀电流I_LS ≈ 1 A，则LSV的激活能量E_LSV = 1.2 J，而表I中列出的电池能量足以满足这一需求。即使每天仅激活一次（开启一次，关闭一次），系统也可以使用小型CR2032纽扣电池运行多年。表I最左列还给出了类似的分析，计算了每小时传输一个小10字节数据包所需的能量，该能量范围为E_TX = 20 mJ至E_TX = 140 mJ，具体取决于传输技术和配置[9]。