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

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計2011-05-16 17:01:35 來源：太陽能光伏網(wǎng)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 DC0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

2、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

3、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. 3V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

4、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)

5、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)。S 1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

6、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 (Lin ear Tech no logy Corporati on) 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

7、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(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。島IIQkQIQkQOFweeuOFiVGeK Solar cfweekxom丸“古阻熊光伏網(wǎng)SolareeK .com衣阻

8、能光伏網(wǎng)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be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

9、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。2702VCCV+C2*CWMAXUOO-CV+ etc Solar cam 圖3電*太能茯網(wǎng)y 1Iv+JITHkESHf r'vtxnjHr1 u AHY£T QNDiV LAODE1E-A | bl F 0-Cf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

10、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8A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：(VI /1. 15 1 )( 1)& = 1*15 盡久一匕)(2)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(zhǔn)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。ADCIU4為LM4041 1.2，該芯片為微功耗精密穩(wěn)壓管。電阻 Rs負責(zé)提

11、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 k Qo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” Q3導(dǎo)通，ADC0的讀數(shù)為 ADC_Data 。 ADC_Data與參考電壓 Vref的關(guān)系如式所示：ADC DataADC FSvQJ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

12、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. 73. 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. 74. 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

13、應(yīng)用原理圖如圖5所示。.91 It 口2 3TL0圖5 DC-DC轉(zhuǎn)攜電瑤523 kOVINBLBILBO i PGDB$WVOUTBVMLPGDLFB9ENDLOVOLDOENBSTMOPEf3l.GNDPGHDt4 斗丹k)爛電他遇“兗電將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。“柯翁武伏網(wǎng)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