無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計

摘要：對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而言，電源是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。在此提出一種收集環(huán)境中太陽能為傳感器節(jié)點供能的電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了高效安全的充電控制技術(shù)，獨特的電池電壓監(jiān)測電路，以及低功耗的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。通過實驗驗證，基于此太陽能電源的傳感器節(jié)點功耗動態(tài)調(diào)整節(jié)性能好，生存周期顯著增加。該系統(tǒng)可應(yīng)用于各種戶外監(jiān)測的節(jié)點，如環(huán)境監(jiān)測，精細農(nóng)業(yè)，森林防火等。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點；能量收集；太陽能；DC—DC

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、智能家居、交通運輸、精細農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到人們的重視。傳感器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成單元，通常散布于一定的區(qū)域內(nèi)協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測對象的信息。傳感器節(jié)點部署環(huán)境和實際應(yīng)用中的要求決定了節(jié)點電源大多數(shù)情況下不可能接入正常的電力系統(tǒng)供電。例如Crossbow公司的MICAz節(jié)點如果采用3 000 mAh的電池設(shè)置在1％的工作周期，那么每隔17．35周就需要更換一次電池。此外由于節(jié)點常被布置在惡劣及復(fù)雜的環(huán)境中，進一步增加了更換電池的成本。如何能穩(wěn)定有效地為傳感器節(jié)點提供電源保證就成為傳感器節(jié)點設(shè)計的關(guān)鍵問題。目前針對這一問題的研究思路主要是如何從節(jié)點所處的環(huán)境中采集能量并進行有效的存儲，使節(jié)點具有能量補充能力從而有效地延長節(jié)點的生存周期。環(huán)境中具有各種豐富的能量，如太陽能、風(fēng)能、熱能、機械振動能、聲能、電磁能等。目前，已有一些公司研究和開發(fā)了利用環(huán)境能量為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的系統(tǒng)。例如太陽能收集模塊CBC-EVAL-08已成功應(yīng)用在TI公司的超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點eZ430-RF2500-SHE上為其提供能源。創(chuàng)業(yè)公司Perpetuum推出PMG7微型振動發(fā)電機，能從一個100 mg振動中產(chǎn)生高達5 mW／3．3 V的輸出功率。但是，目前的能量收集都具有一些局限性，如太陽能收集模塊CBC—EVAL-08由于光伏薄膜電池收集能量較少且缺少備份能源僅能在有陽光時工作；利用振動能量使得節(jié)點的布置環(huán)境受限制即使在間歇性的振動環(huán)境下，系統(tǒng)也無法穩(wěn)定地連續(xù)工作。
    通過對環(huán)境中的各種能量比較分析得出戶外的傳感器節(jié)點利用太陽能供能不失為一種較好的選擇。本文提出一種基于太陽能的節(jié)點電源系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)能夠自動管理充電過程并進行有效的能量儲存，通過對電池電壓的監(jiān)測執(zhí)行節(jié)能方案，以達到延長節(jié)點生存周期的目的。此外由于節(jié)點上各種器件所需的電壓不一致，高效的DC—DC轉(zhuǎn)換也是必不可少的一環(huán)。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計
    電源單元是傳感器節(jié)點能源供給部分，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，因此節(jié)點的電源設(shè)計非常重要。電源單元主要由電池、電源管理模塊及外圍電路構(gòu)成。電源設(shè)計首先要考慮的是低功耗。由于負載的功耗與電壓的平方成正比，因此在保證系統(tǒng)可靠工作時盡量選用較低的工作電壓。傳感器、MCU、無線射頻模塊等節(jié)點組成部分都有低工作電壓選擇余地，如+3．3 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的電源系統(tǒng)。

    在該系統(tǒng)中，太陽能電池板產(chǎn)生的能量通過充電控制單元被存儲在鋰電池中；供電管理單元通過對電池電壓的實時監(jiān)測選擇合適的供能方案。由于電池放電時其端電壓會逐漸降低，對ADC采樣等會造成影響。此外各種器件的工作電壓也不一致，為了保證系統(tǒng)可靠地工作，需要一個穩(wěn)定的供電電壓。由于電源單元本身應(yīng)盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因此設(shè)計了一個具有高效率的DC—DC轉(zhuǎn)換單元為節(jié)點上的負載提供穩(wěn)定的電壓。
1．1 充電控制單元
    充電控制單元連接著太陽能電池板和鋰電池，其功能主要是有效地將收集到的能量存儲在鋰電池中。本設(shè)計中太陽能電池板選用80mm× 45mm的電池板，此電池板最大輸出功率時輸出電壓為5．5 V，電流為150 mA，轉(zhuǎn)換效率為16％。鋰電池沒有記憶效應(yīng)，選用一款容量為2 000 mAh，工作電壓為3．7 V的鋰電池。該單元控制部分采用凌力爾特公司(Linear Technology Corporation)推出面向鋰離子電池的智能充電控制芯片LTC4070。該器件以其450 nA的工作電流，用以前不能使用的非常低電流、斷續(xù)或連續(xù)充電，對電池進行充電和保護。該器件的功能非常適用于連續(xù)和斷續(xù)、低功率充電電源應(yīng)用。LTC4070具有引腳可選的4．0V，4．1 V或4.2V設(shè)置，其1％準確度的電池浮置電壓允許用戶優(yōu)化電池容量和壽命之間的平衡。獨立的低電池電量和高電池電量監(jiān)察狀態(tài)輸出表明電池已放電或充分充電。加上一個與負載串聯(lián)的外部PFET，該低電池電量狀態(tài)輸出實現(xiàn)了鎖斷功能，該功能自動使系統(tǒng)負載與電池斷接，以保護電池免于深度放電。充電控制單元原理圖如圖2所示。

    太陽能電池板未對鋰電池進行充電時為了減少LTC4070能量消耗添加三極管Q1，當(dāng)Q1基極電壓下降時將LTC4070與鋰電池隔離。在正常充電模式下大部分電流通過Q1流向鋰電池。當(dāng)VCC到達ADJ設(shè)置的浮點電壓時，LTC4070分流Q1中bc結(jié)的電流持續(xù)的減少電池充電電流直至0，并且Q1進入飽和狀態(tài)。如果熱敏電阻T升高浮點電壓降低，LTC4070將分流更多的電流，Q1強制進入反偏狀態(tài)直到電池電壓下降。ADJ引腳用于設(shè)置浮點電壓，當(dāng)接至地時為4．0 V，接至VCC時為4．2 V，懸空時為4．1 V。當(dāng)鋰電池電壓低于3．2 V時LBO拉高D1點亮，當(dāng)鋰電池充電飽和后，HBO拉高，D2點亮。
1．2 供電管理單元
    供電管理單元具有2方面的功能：一是為了不使鋰電池深度放電，需要對其放電門限進行設(shè)置；二是獲取當(dāng)前電池的電壓以決定節(jié)點采取的功耗模式。
    由MAX680及MAX8211構(gòu)成的鋰電池放電門限設(shè)置電路如下圖3所示。

    在該電路中，當(dāng)鋰電池電壓下降到由R1和R5所決定的門限電壓時，MAX8211就會截止MAX680的供電電壓，最后使IRF541處于關(guān)閉狀態(tài)而斷開供電電池與負載電路。IRF541功率開關(guān)的導(dǎo)通電流小于0．5 mA，關(guān)閉漏電流僅為8μA以下。該電路的啟動門限Vu和截止門限V1與外加電阻R5，R6和R7之間的關(guān)系可由下式給出：
    
    為了能夠執(zhí)行有效的電源管理，需要了解電池能量的儲存情況，并根據(jù)任務(wù)需求和自身能量狀態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)和通信策略。設(shè)計中采用LM4041電壓基準芯片，有微處理器采樣其端電壓，并計算電池的實際電壓值以供程序處理，其原理圖如圖4所示。

    U4為LM4041—1．2，該芯片為微功耗精密穩(wěn)壓管。電阻Rs負責(zé)提供穩(wěn)壓電流IL和負載電流IQ。Rs的取值應(yīng)滿足流過穩(wěn)壓管的電流IQ不超過IQmin和IQmax。Rs的計算公式如下：
    
    式中：當(dāng)VS取4．2 V，VR取1．2 V，IL+IQ約為120 A，計算出Rs取值約為27 kΩ。在實現(xiàn)過程中，使用ADC0測量穩(wěn)定電壓VQ，選用電池供電電壓作為ADC的參考電壓Vref。當(dāng)PC0置“0”時Q3導(dǎo)通，ADC0的讀數(shù)為ADC_Data。ADC_Data與參考電壓Vref的關(guān)系如式(4)所示：
    
    式中：VQ為固定值1．2 V；ADC_FS為輸入滿量程的測量值，是一個常數(shù)如10 b的ADC為1 024。由式可以計算出Vref也就得到電池的實際電壓。
1．3 電源輸出模塊
    MCU的工作電壓一般為2．7～3．3 V，傳感器工作電壓有3 V和5 V。由于MCU與傳感器所需電壓不一致，而且鋰電池的供電電壓為3．7～4．2 V，這就需要進行DC-DC裝換。本方案中選用凌特公司的LTC3537芯片。LTC3537具有集成輸出斷接功能和LD0的2．2 MHz、電流模式同步升壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器。該器件的升壓型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部600 mA開關(guān)可從啟動時的0．68 V(工作時為0．5 V)至5 V輸入電壓范圍提供高達5．25 V的輸出電壓，非常適用于鋰離子／聚合物或單節(jié)／多節(jié)堿性／鎳氫金屬電池應(yīng)用。LTC3537的應(yīng)用原理圖如圖5所示。

    將LTC3537的MODE引腳置為低電平工作在PWM模式，ENBST和ENLDO置為高電平工作在正常狀態(tài)，亦可置為低電平使其截止。兩路輸出分別為3．3 V和5 V。

2 電源控制流程
    根據(jù)太陽能電池和鋰電池的工作狀態(tài)，電源的控制流程如圖6所示。

3 實驗與分析
    本設(shè)計節(jié)點及電源組裝如圖7所示，實驗中采用Micaz節(jié)點作為負載節(jié)點，將其工作周期設(shè)為2％，進行供電實驗。

    在實驗中對太陽能電池板和鋰電池電壓進行監(jiān)測，監(jiān)測間隔為2 h，所得數(shù)據(jù)如圖8所示。實驗開始時間為正午12點，系統(tǒng)啟動時鋰電池為3．7 V，太陽能電池板達到最高輸出電壓5．1 V，此后鋰電池一直進行充電，直至達到飽和電壓4．2 V。進入下午隨著太陽光逐漸減弱，太陽能電池板的輸出電壓逐漸降低。黃昏后太陽能電池板基本無輸出并被截斷，此時節(jié)點進入低功耗模式僅靠鋰電池供電，這時采用低功耗方案減少能量消耗，鋰電池在黎明時電壓降至最低僅3．75V。此后隨著太陽光的逐漸增強，鋰電池又進入充電狀態(tài)，在正時午達到最大值，并按上述過程循環(huán)。

4 結(jié)語
    本文提出并初步實現(xiàn)了一種利用太陽能供能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明本設(shè)計的電源系統(tǒng)由于具有補充能量的途徑，并結(jié)合能量管理、能量轉(zhuǎn)移技術(shù)提高了能量利用效率，從而有效地延長了節(jié)點的生存周期。本設(shè)計可以應(yīng)用在戶外能被陽光照射的節(jié)點上，如精細農(nóng)業(yè)中布置在田間的節(jié)點，環(huán)境監(jiān)測中布置于野外的節(jié)點等。