孫恩濤+楊雷+王鵬

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)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(shí)際環(huán)境影響，當(dāng)結(jié)點(diǎn)之間的通訊距離不夠時(shí)，可通過在結(jié)點(diǎn)之間增加中繼器進(jìn)而增強(qiáng)通訊距離。為了使得無線信號(hào)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(chǎng)所，如建筑物的最高點(diǎn)、山頂或者偏僻的郊區(qū)。這些場(chǎng)所的中繼器供電需要專門的電纜，且該場(chǎng)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(jì)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(hù)等級(jí)

中圖分類號(hào)：TP915 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：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(lán)牙技術(shù)。藍(lán)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(yuǎn)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(yuǎn)距離、高速率傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

遠(yuǎn)距離無線射頻通訊技術(shù)，雖然傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn)，但受實(shí)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(diǎn)之間最大的傳輸距離小于一公里。并且傳輸距離還受到實(shí)際環(huán)境的影響，如果結(jié)點(diǎn)之間有建筑遮擋時(shí)，無線通訊傳輸距離將會(huì)被衰減。一般情況下，如果結(jié)點(diǎn)之間通訊距離不夠時(shí)，則結(jié)點(diǎn)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(huì)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(cè)系統(tǒng)。因中繼器安裝需要單獨(dú)拉很長的電纜和配套一個(gè)開關(guān)電源，這導(dǎo)致系統(tǒng)成本的劇增，同時(shí)中繼器的安裝和維護(hù)也會(huì)很不方便。

因此，如果設(shè)計(jì)一款無需單獨(dú)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(shí)可方便現(xiàn)場(chǎng)安裝及維護(hù)。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(huì)影響電力系統(tǒng)或物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。同時(shí)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(duì)貧乏但能源消耗量巨大，因此展開對(duì)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用上的普及對(duì)我國未來的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(tái)。

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(diǎn)和結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間因距離太遠(yuǎn)而無法正常通訊時(shí)，此時(shí)需在結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間增加中繼器，來增強(qiáng)系統(tǒng)的通訊能力。圖2所示是增加中繼器以增強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)的通訊，因距離太遠(yuǎn)而無法通訊時(shí)，通常會(huì)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(gè)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(hào)才能被傳輸?shù)母h(yuǎn)。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(shí)需先單獨(dú)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(huì)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(gè)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(duì)能源的浪費(fèi)，浪費(fèi)的電能也會(huì)使成本增加。

（3）外加電源的中繼器，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(gè)中繼器安裝下來需要花費(fèi)好幾個(gè)小時(shí)。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(diǎn)，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(shí)，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)受雷擊而損壞。

在上述四個(gè)問題中，前三個(gè)均為成本問題，最后一個(gè)為系統(tǒng)抗干擾問題。如果能夠設(shè)計(jì)一款中繼器，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)安裝時(shí)，需要先拉AC 220 V戶外全天候電線，然后外加一個(gè)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(chǔ)存到電池，同時(shí)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(shí)，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(jì)，現(xiàn)場(chǎng)安裝一個(gè)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(duì)電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)做過統(tǒng)計(jì)，平均安裝一個(gè)中繼器需要拉五十米左右的電線，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)安裝人員安裝好一個(gè)中繼器需要花費(fèi)兩個(gè)多小時(shí)。戶外全天候電線，每米線按1.5元計(jì)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(gè)中繼器的成本約為一百多元，外加一個(gè)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(hào)為2REM24015H，該開關(guān)電源的市場(chǎng)價(jià)格大約是70元。除去中繼器自身的成本，安裝一個(gè)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(chǎng)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(bǔ)貼，太陽能光伏發(fā)電中繼器已經(jīng)有絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

3基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器方案設(shè)計(jì)

3.1基于光伏發(fā)電的物聯(lián)網(wǎng)中繼器硬件設(shè)計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)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(shí)際天氣情況中，有可能出現(xiàn)連陰雨的天氣，如果設(shè)計(jì)的太陽能物聯(lián)網(wǎng)中繼器的電池存儲(chǔ)電量不夠，則可能導(dǎo)致在連陰雨天氣時(shí)，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(hào)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(diǎn)，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(jí)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(hào)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(diǎn)跟蹤功能。CN3722 非常適合對(duì)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(diǎn)。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(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)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(jìn)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(shí)，CN3722進(jìn)入充電結(jié)束狀態(tài)。

3.3蓄電池容量計(jì)算

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)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(duì)蓄電池的特殊要求，盡量使光伏電池功率、負(fù)載功率與蓄電池容量達(dá)到最佳匹配。如果容量選用過大，不僅增加了系統(tǒng)對(duì)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(huì)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(huì)增多，白白損失能量。如果容量選用過小，日照充足時(shí)會(huì)浪費(fèi)光伏電池的輸出電能，日照不足時(shí)又可能達(dá)到過放限定而中斷供電。

對(duì)于光伏系統(tǒng)蓄電池容量的計(jì)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(duì)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(shí)可達(dá)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(huì)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(dú)自負(fù)擔(dān)負(fù)載耗電的最長天數(shù)；鑒于全國每個(gè)地方雨量差別比較大，本文電池就按續(xù)航3天計(jì)算。

Z：放電深度，本文根據(jù)對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池的通常取值，取值為50％。

K3：負(fù)載線路損耗修正系數(shù)，按線損10％，本文中取值為1.1。

Q1：負(fù)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(shí)率Hr）的計(jì)算方式如下：

（2）

式中：Hr為小時(shí)率；h為負(fù)載日均工作時(shí)間。綜合式（1）和式（2），應(yīng)選用144小時(shí)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(jì)算

選用光伏電池的首要問題是根據(jù)負(fù)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(duì)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(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中每個(gè)地點(diǎn)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(shí)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(jì)資料中每天的天氣情況進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算量又過為龐大，且實(shí)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(jì)算太陽能電池功率的方式。

設(shè)計(jì)要求太陽能充電管理器在光照良好的情況下，可在8個(gè)小時(shí)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(shí)間，本設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)，只有這樣中繼器的無線信號(hào)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(diǎn)，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(huì)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(hù)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(shí)盡量選擇天線原廠提供的型號(hào)。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(jí)選擇避雷器，同時(shí)還需要考慮避雷器自身損耗會(huì)影響信號(hào)的輸出距離。

3.5.2太陽能中繼器防水、防塵等級(jí)

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(jì)一定要做防護(hù)處理，應(yīng)滿足相應(yīng)IP等級(jí)要求。

IP（Ingress Protection，進(jìn)入防護(hù)）防護(hù)等級(jí)是電氣設(shè)備安全防護(hù)的重要指標(biāo)，IP防護(hù)等級(jí)主要是以電子產(chǎn)品防塵、防水的等級(jí)劃分。防護(hù)等級(jí)以IP后跟隨兩個(gè)數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護(hù)的等級(jí)。第一個(gè)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(hù)；

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(jìn)入侵入；

4：防止物體大于1 mm的固體進(jìn)入；

5：防止有害的粉塵堆積；

6：完全防止粉塵進(jìn)入。

第二個(gè)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(hù)；

1：水滴滴入到外殼無影響；

2：當(dāng)外殼傾斜到15°時(shí)，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(shí)間內(nèi)耐浸水（1 m）；

8：于一定壓力下長時(shí)間浸水。

結(jié)合實(shí)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(duì)設(shè)備無影響，中繼器防塵等級(jí)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(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[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.

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收稿日期：2014-06-09

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1、全面感知：電子識(shí)別、傳感、定位、檢測(cè)、處理、變換、控制、驅(qū)動(dòng)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(chǔ)，處理，交互（云計(jì)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(jí)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(hào)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(diǎn)跟蹤功能。CN3722 非常適合對(duì)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(diǎn)。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(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)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(jìn)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(shí)，CN3722進(jìn)入充電結(jié)束狀態(tài)。

3.3蓄電池容量計(jì)算

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)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(duì)蓄電池的特殊要求，盡量使光伏電池功率、負(fù)載功率與蓄電池容量達(dá)到最佳匹配。如果容量選用過大，不僅增加了系統(tǒng)對(duì)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(huì)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(huì)增多，白白損失能量。如果容量選用過小，日照充足時(shí)會(huì)浪費(fèi)光伏電池的輸出電能，日照不足時(shí)又可能達(dá)到過放限定而中斷供電。

對(duì)于光伏系統(tǒng)蓄電池容量的計(jì)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(duì)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(shí)可達(dá)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(huì)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(dú)自負(fù)擔(dān)負(fù)載耗電的最長天數(shù)；鑒于全國每個(gè)地方雨量差別比較大，本文電池就按續(xù)航3天計(jì)算。

Z：放電深度，本文根據(jù)對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池的通常取值，取值為50％。

K3：負(fù)載線路損耗修正系數(shù)，按線損10％，本文中取值為1.1。

Q1：負(fù)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(shí)率Hr）的計(jì)算方式如下：

（2）

式中：Hr為小時(shí)率；h為負(fù)載日均工作時(shí)間。綜合式（1）和式（2），應(yīng)選用144小時(shí)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(jì)算

選用光伏電池的首要問題是根據(jù)負(fù)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(duì)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(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中每個(gè)地點(diǎn)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(shí)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(jì)資料中每天的天氣情況進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算量又過為龐大，且實(shí)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(jì)算太陽能電池功率的方式。

設(shè)計(jì)要求太陽能充電管理器在光照良好的情況下，可在8個(gè)小時(shí)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(shí)間，本設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)，只有這樣中繼器的無線信號(hào)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(diǎn)，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(huì)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(hù)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(shí)盡量選擇天線原廠提供的型號(hào)。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(jí)選擇避雷器，同時(shí)還需要考慮避雷器自身損耗會(huì)影響信號(hào)的輸出距離。

3.5.2太陽能中繼器防水、防塵等級(jí)

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(jì)一定要做防護(hù)處理，應(yīng)滿足相應(yīng)IP等級(jí)要求。

IP（Ingress Protection，進(jìn)入防護(hù)）防護(hù)等級(jí)是電氣設(shè)備安全防護(hù)的重要指標(biāo)，IP防護(hù)等級(jí)主要是以電子產(chǎn)品防塵、防水的等級(jí)劃分。防護(hù)等級(jí)以IP后跟隨兩個(gè)數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護(hù)的等級(jí)。第一個(gè)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(hù)；

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(jìn)入侵入；

4：防止物體大于1 mm的固體進(jìn)入；

5：防止有害的粉塵堆積；

6：完全防止粉塵進(jìn)入。

第二個(gè)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(hù)；

1：水滴滴入到外殼無影響；

2：當(dāng)外殼傾斜到15°時(shí)，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(shí)間內(nèi)耐浸水（1 m）；

8：于一定壓力下長時(shí)間浸水。

結(jié)合實(shí)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(duì)設(shè)備無影響，中繼器防塵等級(jí)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(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(bào)，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(jì)與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)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(shí)具有國際和國內(nèi)CN刊號(hào)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(shí)別、傳感、定位、檢測(cè)、處理、變換、控制、驅(qū)動(dòng)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(chǔ)，處理，交互（云計(jì)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(jí)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(hào)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(diǎn)跟蹤功能。CN3722 非常適合對(duì)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(diǎn)。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(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)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(jìn)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(shí)，CN3722進(jìn)入充電結(jié)束狀態(tài)。

3.3蓄電池容量計(jì)算

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)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(duì)蓄電池的特殊要求，盡量使光伏電池功率、負(fù)載功率與蓄電池容量達(dá)到最佳匹配。如果容量選用過大，不僅增加了系統(tǒng)對(duì)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(huì)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(huì)增多，白白損失能量。如果容量選用過小，日照充足時(shí)會(huì)浪費(fèi)光伏電池的輸出電能，日照不足時(shí)又可能達(dá)到過放限定而中斷供電。

對(duì)于光伏系統(tǒng)蓄電池容量的計(jì)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(duì)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(shí)可達(dá)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(huì)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(dú)自負(fù)擔(dān)負(fù)載耗電的最長天數(shù)；鑒于全國每個(gè)地方雨量差別比較大，本文電池就按續(xù)航3天計(jì)算。

Z：放電深度，本文根據(jù)對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池的通常取值，取值為50％。

K3：負(fù)載線路損耗修正系數(shù)，按線損10％，本文中取值為1.1。

Q1：負(fù)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(shí)率Hr）的計(jì)算方式如下：

（2）

式中：Hr為小時(shí)率；h為負(fù)載日均工作時(shí)間。綜合式（1）和式（2），應(yīng)選用144小時(shí)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(jì)算

選用光伏電池的首要問題是根據(jù)負(fù)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(duì)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(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中每個(gè)地點(diǎn)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(shí)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(jì)資料中每天的天氣情況進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算量又過為龐大，且實(shí)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(jì)算太陽能電池功率的方式。

設(shè)計(jì)要求太陽能充電管理器在光照良好的情況下，可在8個(gè)小時(shí)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(shí)間，本設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)，只有這樣中繼器的無線信號(hào)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(diǎn)，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(huì)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(hù)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(shí)盡量選擇天線原廠提供的型號(hào)。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(jí)選擇避雷器，同時(shí)還需要考慮避雷器自身損耗會(huì)影響信號(hào)的輸出距離。

3.5.2太陽能中繼器防水、防塵等級(jí)

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(jì)一定要做防護(hù)處理，應(yīng)滿足相應(yīng)IP等級(jí)要求。

IP（Ingress Protection，進(jìn)入防護(hù)）防護(hù)等級(jí)是電氣設(shè)備安全防護(hù)的重要指標(biāo)，IP防護(hù)等級(jí)主要是以電子產(chǎn)品防塵、防水的等級(jí)劃分。防護(hù)等級(jí)以IP后跟隨兩個(gè)數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護(hù)的等級(jí)。第一個(gè)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(hù)；

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(jìn)入侵入；

4：防止物體大于1 mm的固體進(jìn)入；

5：防止有害的粉塵堆積；

6：完全防止粉塵進(jìn)入。

第二個(gè)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(hù)；

1：水滴滴入到外殼無影響；

2：當(dāng)外殼傾斜到15°時(shí)，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(shí)間內(nèi)耐浸水（1 m）；

8：于一定壓力下長時(shí)間浸水。

結(jié)合實(shí)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(duì)設(shè)備無影響，中繼器防塵等級(jí)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(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(bào)，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(jì)與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)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(shí)具有國際和國內(nèi)CN刊號(hào)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(shí)別、傳感、定位、檢測(cè)、處理、變換、控制、驅(qū)動(dòng)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(chǔ)，處理，交互（云計(jì)算、智能管理）、控制以及數(shù)據(jù)安全等技術(shù)論文。