一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物信息檢測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

楊世超，陶正蘇

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)部集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能[1]，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是微型的嵌入式系統(tǒng)，一般是通過(guò)攜帶有限的電池供電，因此處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱。大多數(shù)工作在野外或者人員不宜到達(dá)的地方，無(wú)線節(jié)點(diǎn)的電池不能夠被隨時(shí)更換，這就要求節(jié)點(diǎn)能夠在有限的電源供電的條件下工作時(shí)間盡可能延長(zhǎng)以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，除采用大容量電池以及像太陽(yáng)能這樣自己供電的方案之外，節(jié)點(diǎn)本身就要具有低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，從而達(dá)到延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的目的[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)無(wú)線通信模塊以及電源模塊組成。按照一定的通信協(xié)議，構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。文中設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of WSN node

節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集部分可根據(jù)實(shí)際需要選定合適的傳感器。本設(shè)計(jì)是針對(duì)生物信息檢測(cè)系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、濕度、振動(dòng)、pH值等。作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，傳感器的功耗對(duì)系統(tǒng)的功耗也是有重要影響的。在選擇傳感器時(shí)，要優(yōu)先選擇有源式傳感器，如壓電式傳感器，或者選擇耗電量小的傳感器，盡量避免選用功耗大的如磁電式、電容式等傳感器。例如，設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是DS18B20，用于測(cè)量物體表面溫度或空氣溫度，它體功耗低，體積小，外圍電路簡(jiǎn)單，可以在保證系統(tǒng)可靠的情況下降低了系統(tǒng)功耗。

數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等。處理器模塊是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)整合程序都將在這個(gè)模塊的支持下完成，處理器的選擇在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用CC2430自帶的8051微處理器，它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結(jié)構(gòu)，速度快，功耗低，性價(jià)比高。

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，其中無(wú)線通信損耗的能量占了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分，因此對(duì)這一模塊的選擇事關(guān)低功耗設(shè)計(jì)的全局。選擇無(wú)線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。本設(shè)計(jì)采用Chipcon公司一款兼容2.4 GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)模塊CC2430，它具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強(qiáng)度和收發(fā)頻率可編程等特點(diǎn)。而且外接天線，可確保短距離通信的有效性和可靠性，其最大收發(fā)速率為250 kbps。本設(shè)計(jì)中單芯片CC2430集成了MCU和RF模塊，比單獨(dú)MCU+RF芯片的設(shè)計(jì)，不僅在價(jià)格方面比較低，而且在功耗和節(jié)能上都降低很多優(yōu)勢(shì)十分明顯。

節(jié)點(diǎn)的電源管理非常重要。由圖1可以看出，數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)無(wú)線通信模塊等系統(tǒng)能量來(lái)源都是由電源模塊提供。本設(shè)計(jì)采用3.7 V可充電鋰電池ICR18650，該電池能量密度高，體積小，適合傳感器節(jié)點(diǎn)小的特點(diǎn)。另外，結(jié)合生物信息檢測(cè)系統(tǒng)中如攪拌機(jī)的振動(dòng)等產(chǎn)生的機(jī)械能，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成電能存貯起來(lái)。然后通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理，一方面給系統(tǒng)供電，另一方面可以給鋰電池充電。當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生的能量不足，自動(dòng)實(shí)時(shí)切換到電池供電。另外，為方便上位機(jī)調(diào)試和檢修，還配備了USB供電接口。

2 電源模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of power module design

振動(dòng)能通過(guò)能量轉(zhuǎn)換電路，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過(guò)儲(chǔ)能電路儲(chǔ)存，再經(jīng)過(guò)DC－DC升壓電路進(jìn)入到智能電源管理電路。系統(tǒng)默認(rèn)選擇振動(dòng)產(chǎn)生的能量，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生的能力不足時(shí)，自動(dòng)切換到鋰電池供電。儲(chǔ)能電路正常工作電壓是2.7 V，而智能電源管理電路正常工作電壓是5 V，所以設(shè)計(jì)了DC－DC升壓電路，經(jīng)過(guò)升壓電路，2.7 V輸入電壓變?yōu)? V輸出，使智能電源管理電路能夠正常工作；可充電鋰電池正常工作電壓是3.7 V，系統(tǒng)工作電壓主要是3.3 V，因此設(shè)計(jì)了LDO電源電路。通過(guò)LDO電源電路，3.7 V輸入電壓變?yōu)?.3 V。

2.2 基于壓電材料的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換

振動(dòng)源采用壓電晶體，利用其壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換，可以利用正壓電效應(yīng)發(fā)電。由于壓電材料產(chǎn)生的是低交流電壓、極其微弱的電流，產(chǎn)生的電流是瞬間和交替的，它以不規(guī)則的隨機(jī)突發(fā)形式提供能量，而且在電能提取過(guò)程中具有阻尼效應(yīng)[3]。因此需要設(shè)計(jì)壓電發(fā)電電源電路，對(duì)壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。

壓電晶體充電等效電路如圖3所示。L1是匹配電路的初級(jí)電感，I1是流入初級(jí)電感的電流，L2是次級(jí)電感，I2是流出次級(jí)電感的電流，M為互感，C2為次級(jí)電容，Iin是流入整流電路的電流，Vin是整流前C2兩端電壓，I是流入儲(chǔ)能電容的電流，Vrest是儲(chǔ)能電容兩端點(diǎn)電壓，Cst為總儲(chǔ)能電容，由于Cst的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C2，因此Vrest在每個(gè)充電周期里是固定不變的。從能量源的角度出發(fā)，壓電材料等效為交流電流源Ip和等效電容Cp并聯(lián)。

圖3 壓電材料充電等效電路Fig.3 Charging equivalent circuit of piezoelectric material

2.3 能量轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

通常使用的電源電壓是直流電，而壓電振子輸出的是一種交流電，不能直接作為供電電源，這就需要設(shè)計(jì)相關(guān)的整流濾波電路，將壓電材料振動(dòng)產(chǎn)生的交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，經(jīng)濾波得到平滑的直流電壓。

本系統(tǒng)采用能量利用效率較高的橋式全波整流電路，如圖4所示。D3～D6構(gòu)成橋式整流電路，4個(gè)二極管輪流工作，Vac正半周時(shí)，D4和 D6導(dǎo)通；Vac負(fù)半周時(shí)，D3和 D5導(dǎo)通。當(dāng) I2對(duì)C2（圖 3）進(jìn)行充電時(shí)，C2兩端電壓上升，C2兩端電壓升高到Vrest時(shí)，整流二極管導(dǎo)通，C2兩端電壓被鉗位到Vrest，I2通過(guò)整流二極管對(duì)Cst進(jìn)行充電；當(dāng)整流二極管均截止時(shí)，C2對(duì)前端進(jìn)行放電。但此時(shí)輸出的電壓是脈動(dòng)的，含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波加以消除，才能得到平滑的直流電壓。該電路中采用470 μF電容進(jìn)行濾波，保證電路中電壓和電流的穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，該電路具有很好的穩(wěn)壓性能[4]。

2.4 儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)

超級(jí)電容作為一種新型的電力儲(chǔ)能元件，既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)勢(shì)，又像電池一樣具有較大的電荷儲(chǔ)存能力。同時(shí)，超級(jí)電容還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 整流濾波電路Fig.4 Circuit of bridge rectifier

本系統(tǒng)采用SU2400P－0027V－1RS超級(jí)電容設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能模塊，其額定容量為300 F，額定電壓為2.7 V，具有較高的功率比、能量比和較低的等效串聯(lián)電阻，其工作原理如圖5所示。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，形成雙電荷分布層，因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3 V以下），如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應(yīng)將減少。由此可以看出，超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的可充電電池是不同的。

圖5 超級(jí)電容工作原理Fig.5 Diagram of super capacitor

2.5 DC-DC 升壓電路

DC－DC升壓電路選擇 MC34063，其性價(jià)比高，效率高。如圖6所示，輸入電壓 Vin是 2.5～40 V，輸出電壓V1是5 V。

圖6 DC－DC升壓電路Fig.6 DC－DC step－up circuit

2.6 智能電源管理電路設(shè)計(jì)

智能電源管理電路選用芯片MAX1555[5]，首先針對(duì)外接電源與鋰電池電源的實(shí)時(shí)電壓狀態(tài)自動(dòng)選擇供電方式；其次，完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)3.7 V 2 200 mAh的鋰電池的充電任務(wù)。如圖7所示，當(dāng)外接USB接口默認(rèn)選用USB電源。如果沒(méi)有USB提供電源時(shí)，當(dāng)振動(dòng)能量足夠，此時(shí)V1等于5 V，一邊為系統(tǒng)提供電能，一面為鋰電池充電；當(dāng)振動(dòng)能量太小時(shí)，MAX1555 4腳自動(dòng)關(guān)閉，與5腳相連的鋰電池自動(dòng)供電，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)能量和鋰電池之前的無(wú)縫切換。

圖7 智能電源管理電路Fig.7 Intelligent power management circuit

2.7 LDO電源電路模塊

LDO電路選擇 ADP3300－3.3[6]，其輸入電壓 System load的范圍是3.2～12 V，輸出電壓是3.3 V，如圖8所示。

圖8 LDO電源電路模塊Fig.8 Block diagram of LDO power supply circuit

3 低功耗設(shè)計(jì)

微處理器有一種較為通用的電源管理機(jī)制，在該機(jī)制中將系統(tǒng)的功耗模式分為3種：常規(guī)模式、空閑模式和省電模式。其中，常規(guī)模式的功耗最高，空閑模式的功耗次之，省電模式功耗最低。系統(tǒng)完成初始化后即進(jìn)入低功耗工作模式狀態(tài)，進(jìn)入低功耗模式后，電流僅達(dá)到幾個(gè)μA。 一旦有允許的中斷請(qǐng)求，CPU將在大約10 μs的時(shí)間內(nèi)被喚醒進(jìn)入活動(dòng)模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完畢，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。系統(tǒng)在空閑模式下依然要啟動(dòng)定時(shí)器，如果在定時(shí)器到期之前收到外部觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)將回到常規(guī)模式并取消定時(shí)器；如果沒(méi)有收到外部的觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)將保持在休眠模式并且系統(tǒng)會(huì)在定時(shí)器到期后進(jìn)入省電模式，以便更進(jìn)一步地降低功耗。系統(tǒng)中斷流程如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)生物信息檢測(cè)系統(tǒng)，利用振動(dòng)產(chǎn)生的能量，結(jié)合可充電鋰電池，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)永久提供能量。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)硬件測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，工作良好，不僅能自動(dòng)對(duì)供電方式進(jìn)行選擇，而且可以完成對(duì)鋰電池的充電功能。同時(shí)，系統(tǒng)軟件提供的睡眠喚醒機(jī)制與通信協(xié)議相匹配，能夠保證在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠通信的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步滿足低功耗系統(tǒng)需求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，節(jié)點(diǎn)壽命長(zhǎng)，可靠性高，有較高的實(shí)用價(jià)值。

圖9 系統(tǒng)中斷流程圖Fig.9 Flow chart of system interrupt

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