無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(yáng)能為傳感器節(jié)點(diǎn)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(dú)特的電池電壓監(jiān)測(cè)電路，以及低功耗的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于此太陽(yáng)能電源的傳感器節(jié)點(diǎn)功耗動(dòng)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(cè)的節(jié)點(diǎn)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)，精細(xì)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(diǎn)；能量收集；太陽(yáng)能；DC—DC

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、交通運(yùn)輸、精細(xì)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(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。傳感器節(jié)點(diǎn)部署環(huán)境和實(shí)際應(yīng)用中的要求決定了節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)常被布置在惡劣及復(fù)雜的環(huán)境中，進(jìn)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(diǎn)提供電源保證就成為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。目前針對(duì)這一問題的研究思路主要是如何從節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境中采集能量并進(jìn)行有效的存儲(chǔ)，使節(jié)點(diǎn)具有能量補(bǔ)充能力從而有效地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存周期。環(huán)境中具有各種豐富的能量，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械振動(dòng)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(yáng)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(diǎn)eZ430-RF2500-SHE上為其提供能源。創(chuàng)業(yè)公司Perpetuum推出PMG7微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)，能從一個(gè)100 mg振動(dòng)中產(chǎn)生高達(dá)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(yáng)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(yáng)光時(shí)工作；利用振動(dòng)能量使得節(jié)點(diǎn)的布置環(huán)境受限制即使在間歇性的振動(dòng)環(huán)境下，系統(tǒng)也無法穩(wěn)定地連續(xù)工作。
    通過對(duì)環(huán)境中的各種能量比較分析得出戶外的傳感器節(jié)點(diǎn)利用太陽(yáng)能供能不失為一種較好的選擇。本文提出一種基于太陽(yáng)能的節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)管理充電過程并進(jìn)行有效的能量?jī)?chǔ)存，通過對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)執(zhí)行節(jié)能方案，以達(dá)到延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)生存周期的目的。此外由于節(jié)點(diǎn)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(jì)
    電源單元是傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的電源設(shè)計(jì)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(jì)首先要考慮的是低功耗。由于負(fù)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(shí)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(diǎn)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(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量通過充電控制單元被存儲(chǔ)在鋰電池中；供電管理單元通過對(duì)電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)選擇合適的供能方案。由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì)逐漸降低，對(duì)ADC采樣等會(huì)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(gè)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(jì)了一個(gè)具有高效率的DC—DC轉(zhuǎn)換單元為節(jié)點(diǎn)上的負(fù)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(yáng)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(chǔ)在鋰電池中。本設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能電池板選用80mm× 45mm的電池板，此電池板最大輸出功率時(shí)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(duì)電池進(jìn)行充電和保護(hù)。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(zhǔn)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(dú)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(gè)與負(fù)載串聯(lián)的外部PFET，該低電池電量狀態(tài)輸出實(shí)現(xiàn)了鎖斷功能，該功能自動(dòng)使系統(tǒng)負(fù)載與電池?cái)嘟?，以保護(hù)電池免于深度放電。充電控制單元原理圖如圖2所示。

    太陽(yáng)能電池板未對(duì)鋰電池進(jìn)行充電時(shí)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(shí)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(dá)ADJ設(shè)置的浮點(diǎn)電壓時(shí)，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(jìn)入飽和狀態(tài)。如果熱敏電阻T升高浮點(diǎn)電壓降低，LTC4070將分流更多的電流，Q1強(qiáng)制進(jìn)入反偏狀態(tài)直到電池電壓下降。ADJ引腳用于設(shè)置浮點(diǎn)電壓，當(dāng)接至地時(shí)為4．0 V，接至VCC時(shí)為4．2 V，懸空時(shí)為4．1 V。當(dāng)鋰電池電壓低于3．2 V時(shí)LBO拉高D1點(diǎn)亮，當(dāng)鋰電池充電飽和后，HBO拉高，D2點(diǎn)亮。[!--empirenews.page--]
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(duì)其放電門限進(jìn)行設(shè)置；二是獲取當(dāng)前電池的電壓以決定節(jié)點(diǎn)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(shí)，MAX8211就會(huì)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(fù)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(dòng)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(chǔ)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(jì)中采用LM4041電壓基準(zhǔn)芯片，有微處理器采樣其端電壓，并計(jì)算電池的實(shí)際電壓值以供程序處理，其原理圖如圖4所示。

    U4為L(zhǎng)M4041—1．2，該芯片為微功耗精密穩(wěn)壓管。電阻Rs負(fù)責(zé)提供穩(wěn)壓電流IL和負(fù)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(jì)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(jì)算出Rs取值約為27 kΩ。在實(shí)現(xiàn)過程中，使用ADC0測(cè)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(shí)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(cè)量值，是一個(gè)常數(shù)如10 b的ADC為1 024。由式可以計(jì)算出Vref也就得到電池的實(shí)際電壓。[!--empirenews.page--]
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(jìn)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(dòng)時(shí)的0．68 V(工作時(shí)為0．5 V)至5 V輸入電壓范圍提供高達(dá)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(yáng)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(shí)驗(yàn)與分析
    本設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)及電源組裝如圖7所示，實(shí)驗(yàn)中采用Micaz節(jié)點(diǎn)作為負(fù)載節(jié)點(diǎn)，將其工作周期設(shè)為2％，進(jìn)行供電實(shí)驗(yàn)。

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

4 結(jié)語(yǔ)
    本文提出并初步實(shí)現(xiàn)了一種利用太陽(yáng)能供能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)由于具有補(bǔ)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(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的生存周期。本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在戶外能被陽(yáng)光照射的節(jié)點(diǎn)上，如精細(xì)農(nóng)業(yè)中布置在田間的節(jié)點(diǎn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)中布置于野外的節(jié)點(diǎn)等。