太陽(yáng)能供電的無(wú)線傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黃清春

1.引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通訊模塊、電源模塊構(gòu)成。其中電源模塊決定著該節(jié)點(diǎn)的生命周期的長(zhǎng)短[1]，目前，一般用高性能的電池作為電源，然而電池用完需要更換，這會(huì)增加系統(tǒng)的維護(hù)成本。太陽(yáng)能供電不僅解決了野外長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人監(jiān)護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題，還具有供電持久，節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景[2]。本文設(shè)計(jì)了一種高效的太陽(yáng)能供電電源，用來(lái)給無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電，以保證該系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，而不需要更換電池。經(jīng)過(guò)整機(jī)測(cè)試，該電源成功運(yùn)用在由Atmega16A，nRF905和SHT11組成的無(wú)線傳感系統(tǒng)中，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠正?？煽抗ぷ?。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文中太陽(yáng)能供電的無(wú)線傳感系統(tǒng)：由電源部分、傳感器部分、無(wú)線收發(fā)部分、處理器部分構(gòu)成。電源部分為整個(gè)系統(tǒng)供電[3]；傳感器部分用來(lái)測(cè)量溫濕度；收發(fā)部分用來(lái)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)；處理器部分用來(lái)控制傳感器部分，收發(fā)部分，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。接受部分把接收到的數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)終端。系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.無(wú)線收發(fā)模塊nRF905

nRF905是挪威Nordic公司的產(chǎn)品。該芯片采用1.9～3.6V供電，具有433/868/915MHz三波段載波頻率。具有特有的ShockBurst信號(hào)發(fā)射模式和發(fā)射信號(hào)載波監(jiān)測(cè)功能，可有效避免數(shù)據(jù)沖突，能夠很容易地通過(guò)SPI接口進(jìn)行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10dBm時(shí)，發(fā)射電流為11mA，接收電流為12.5mA，nRF905特別突出的優(yōu)點(diǎn)是：該模塊電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，需要的外圍器件少，不工作時(shí)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，功耗很低。

4.溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。測(cè)溫范圍：-40～123℃，精度為0.5℃，測(cè)濕范圍：0～100%RH，精度為3%RH；電流消耗極低，測(cè)量時(shí)為550μ A，平均為28μA。在測(cè)量結(jié)束后，SHT11會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，以便節(jié)能，非常適合低功耗的場(chǎng)合。

5.供電部分設(shè)計(jì)

5.1 太陽(yáng)能電池板的選擇

太陽(yáng)能電池板主要分為單晶硅和雙晶硅兩種，單晶硅太陽(yáng)板的轉(zhuǎn)換效率比較高，但是加工工藝要求高，價(jià)格也高，多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率低，成本較低，出于成本考慮，選擇多晶硅的太陽(yáng)能電池板。由于選用的電源管理芯片BQ25504的輸入功率范圍在0～300mW之間，輸入電壓在0～5.5V，所以可以選用300mW，輸出電壓為2V，短路電流為150mA，尺寸為6cm×6cm的多晶硅太陽(yáng)能電池板。

5.2 鋰電池的選擇

鋰電池的選取取決于系統(tǒng)的總功耗及要持續(xù)工作的時(shí)間，nRF905以最大功率發(fā)射時(shí)的工作電流為30mA，接收時(shí)的工作電流為12.5mA；微控制器Atmega16A工作在1MHz時(shí)，正常工作的電流為1.1mA；SHT11測(cè)量溫度、濕度時(shí)消耗的電流：測(cè)量時(shí)550μA，平均為28μA；總體消耗的電流約為33mA。采用的鋰電池的容量為2400mAh，額定電壓為3.7V，在不給鋰電池充電的理想情況下，可以計(jì)算出系統(tǒng)能夠連續(xù)工作的時(shí)間為：2400mAh/33mA=72小時(shí)，由于系統(tǒng)軟件設(shè)定的是系統(tǒng)每隔1小時(shí)測(cè)量一次溫度和濕度，假定測(cè)量一次系統(tǒng)工作2分鐘，則可以計(jì)算出在不給電池充電的情況下該系統(tǒng)理論上可以連續(xù)工作大約90天。本文所選的鋰電池2400mAh，3.7V，其充滿(mǎn)電后的電壓為4.2V，放電電壓的最低值為2.45V，不能夠使鋰電池過(guò)度充電和過(guò)度放電，否則會(huì)縮短電池的使用壽命，甚至使電池報(bào)廢。

圖2 電源模塊具體電路

5.3 電池管理電路

電池管理電路連接著太陽(yáng)能板，鋰電池，和負(fù)載電路，如圖2所示。電池管理電路功能：過(guò)壓保護(hù)，欠壓保護(hù)，電池狀態(tài)良好監(jiān)測(cè)。本文采用的是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的超低功耗帶電池管理功能的升壓變換器BQ25504，該芯片可管理各種能源產(chǎn)生的mW，甚至μW的電源，比如太陽(yáng)能，熱能，電磁能，機(jī)械震動(dòng)能等。主要性能如下：330nA的靜態(tài)電流；超過(guò)80%的高轉(zhuǎn)換效率；最大功率跟蹤技術(shù)；電池充電和放電保護(hù)；電池狀態(tài)良好指示器。該芯片特別適用在太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中。

設(shè)定欠壓閾值VBAT_UV=2.83V，過(guò)壓閾值VBAT_OV=4.2V，電池工作電壓范圍VBAT_OK_PROG=3.45V，VBAT_OK_HYST=3.96V。根據(jù)BQ25504的域值設(shè)定公式[4]可以得到R3=5.6M，R4=4.4M，R5=5.6M，R6=4.3M，R7=3.1M，R8=5.6M，R9=1.3M當(dāng)把電池充電到4.1V，接上負(fù)載電路，進(jìn)行放電試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)BQ25504管腳VBAT的電壓為3.5V，VSTOR管腳電壓為0，即停止電池對(duì)外放電。接通電源，通過(guò)BQ25504對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，充電前VBAT為3.45V，VSTOR為3.50V，VBAT_ OK為0，實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋰電池電壓充到3.97V時(shí)，VBAT_OK輸出由0變?yōu)?.97V，充電到4.2V時(shí)，電池電壓就不再上升。在充電過(guò)程中，BQ25504的VSTOR管腳的電壓略高VBAT0.05V，當(dāng)達(dá)到VBAT_OV時(shí)，兩者相等；在放電過(guò)程中，BQ25504的VBAT管腳的電壓略高VSTOR 0.02V。

綜上可知，實(shí)際的VBAT_UV=2.93V，VBAT_OV=4.2V，VBAT_OK_PROG=3.5V，VBAT_OK_HYST=3.97V，它們與理論計(jì)算值有著大約100mV左右的偏差。實(shí)際值和理論計(jì)算值的偏差在5%之內(nèi)，這是符合預(yù)期的。當(dāng)電池電壓VBAT小于VBAT_OK_PROG時(shí)，此時(shí)VBAT_OK輸出低電平0，NMOS管截止，PMOS管也截止，停止對(duì)負(fù)載供電，當(dāng)鋰電池電壓從VBAT_OK_PROG逐漸上升到3.60V時(shí)，VBAT_OK輸出高電平，此時(shí)NMOS管導(dǎo)通，PMOS管的柵極為低電平，PMOS管也導(dǎo)通，可以對(duì)負(fù)載電路供電，直到電池電壓降為3.5V為止。2012年10月和11月，將該系統(tǒng)放到室外進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)行2個(gè)月沒(méi)有問(wèn)題，在晴天經(jīng)過(guò)8個(gè)小時(shí)左右，就可將電池電壓從3.5V充到4.2V。這兩月陰天較多，但是中間也有陽(yáng)光，電池電壓最低時(shí)為3.75V。至今該系統(tǒng)仍在正常工作。

6.結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)所測(cè)室外溫濕度值與溫濕度計(jì)相比，溫度平均有0.5℃的偏差，濕度有5%RH偏差，測(cè)量精度達(dá)到了一般應(yīng)用要求，由于能源來(lái)自太陽(yáng)能，該系統(tǒng)能夠長(zhǎng)久使用。如果在陰雨天較多的地區(qū)使用，可以采用更大容量的鋰電池或者用多個(gè)電池輪流供電。

[1]啜保昌，張巧杰，趙燕東.光伏供電系統(tǒng)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(1)：146-149.

[2]Ko Ko Win，Xinhui Wu，Souvik Dasgupta.efficient solar energy harvester for wireless sensor nodes[C].Beijing，China：IEEE International Conference on Communication Systems，2010：289-294.

[3]王鋼，林火養(yǎng)，石林.溫室大棚太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006，(8)109-103.

[4]美國(guó)德州儀器.BQ25504_icpdf.pdf[DB/OL].http：//www.ti.com/product/bq25504，2012-10-18.