基于太陽能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王戰(zhàn)備

(陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中723003)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常以隨機(jī)方式部署在野外或復(fù)雜環(huán)境中，承擔(dān)著一定區(qū)域內(nèi)的協(xié)同感知、采集環(huán)境或監(jiān)測對象信息的功能.對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言，獲得持續(xù)的電源供給是其正常工作的重要保障.受部署方式及工作環(huán)境限制，野外環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般難以通過電力系統(tǒng)獲得持續(xù)的電源供給，大多采用容量有限的電池供電，這就使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在工作過程中要定期更換電池，嚴(yán)重影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的連續(xù)性，同時也增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的難度及成本.因此設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定、成本低廉、能為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供持續(xù)能量供給的電源系統(tǒng)就成為當(dāng)務(wù)之急.近幾年，隨著太陽能光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，基于太陽能設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源系統(tǒng)已成為當(dāng)前研究的主要方向.

胡奇勛［1］等設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽能供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了基于太陽能的電池充電及電池充放電管理功能，并利用DC-DC變換電路將電池輸出轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V節(jié)點(diǎn)工作電源.楊志勇［2］等設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與胡奇勛等人設(shè)計(jì)思路的基本相同，不同點(diǎn)在于輸出為5V、12V工作電源.張強(qiáng)［3］等設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)在太陽能電池板與充電電池之間配置一定容量的超級電容，在電池電壓不足時由電容為電池充電，該供電系統(tǒng)還是采用電池為節(jié)點(diǎn)供電，僅做了電池充電過程的優(yōu)化設(shè)計(jì).張靜靜［4］等設(shè)計(jì)基于太陽能的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，該節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中供電部分采用超級電容供電與電池供電相結(jié)合的方式，利用MPPT控制太陽能以最大輸出功率為電容充電，并在不同條件下，分別由電容和電池為傳感器節(jié)點(diǎn)提供工作電壓，將超級電容中所儲電能作為節(jié)點(diǎn)電源的有效補(bǔ)充.

本文提出一種基于太陽能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)基于太陽能的電池充電、電池充放電保護(hù)等功能的基礎(chǔ)上，能夠自動檢測并分析太陽能電池板實(shí)時輸出電壓，并可在輸出電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時，自動將系統(tǒng)供電源由充電電池切換為太陽能電池板，經(jīng)降壓穩(wěn)壓處理后，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)穩(wěn)定的工作電源.該系統(tǒng)能在負(fù)載能力允許的情況下，合理地利用太陽能電池電量，盡量減小充電電池充放電時間，延長電池使用壽命，最大限度延長網(wǎng)絡(luò)生存時間.

1 供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)系統(tǒng)，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作的首要條件.本設(shè)計(jì)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)由太陽能電池板、充電鋰電池、充電管理電路、放電保護(hù)電路、切換開關(guān)電路、降壓穩(wěn)壓電路等組成，供電系統(tǒng)方案如圖1所示.

圖1 供電系統(tǒng)方案

太陽能電池板經(jīng)光照產(chǎn)生的電量既為鋰電池充電，又可作為節(jié)點(diǎn)供電來源;太陽電池板必須選擇適當(dāng)，以保證其輸出功率能夠滿足負(fù)載要求.充電池管理電路和放電保護(hù)電路主要完成鋰電池的充、放電管理，防止因過壓、過流、過放電等對鋰電池造成損害，采用充、放電管理芯片設(shè)計(jì).切換開關(guān)電路是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要功能是實(shí)時檢測太陽能電池輸出電壓值，經(jīng)A/D變換后送往單片機(jī)，由單片機(jī)分析比較太陽能電池板實(shí)時輸出電壓值與設(shè)定閾值的大小關(guān)系，并控制太陽能供電回路或電池供電回路通斷，從而完成太陽能供電與電池供電的自動切換功能.降壓穩(wěn)壓電路主要是將太陽能電池板輸出電壓或電池輸出電壓經(jīng)降壓、穩(wěn)壓處理后為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的工作電源，采用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)設(shè)計(jì).

2 供電源選擇

本系統(tǒng)中供電源包括太陽能電池板和充電電池，太陽能電池板不僅要為充電電池提供充電電量，同時還要作為系統(tǒng)供電源，因此其必須選擇適當(dāng)，以保證它有充分的負(fù)載能力.本系統(tǒng)中太陽能電池板采用115 mm×51 mm單晶硅太陽能電池板，該電池板最大輸出電壓5 V，最大輸出電流150 mA，單板最大功率0.75 W.設(shè)計(jì)時將4塊太陽能電池板并聯(lián)組成一個最大輸出電壓5 V，最大輸出電流600 mA，最大輸出功率3 W的太陽能電池組.考慮到太陽能電池板輸出電壓和電流受光照影響較大，為保證太陽能電池板持續(xù)穩(wěn)定輸出，將太陽能電池組安裝在自動云臺上，它可使太陽能電池板按照時鐘規(guī)律轉(zhuǎn)動，不斷調(diào)整對日角度，盡可能接受太陽直射，最大限度保證太陽能電池板持續(xù)穩(wěn)定輸出.鋰電池選用電池容量為2000 mAh的充電鋰電池，該電池正常放電電壓為3.7 V，充滿電后電壓為4.2 V，正常工作電壓為3.6～4.2 V.

由文獻(xiàn)［5］可知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個工作周期中的平均電流約為13 mA，工作電壓3.3 V時，其平均功耗約為40 mW;若太陽能電池以0.2 C/h的充電速度為電池充電，則最大充電電流消耗為400 mAh，因此本設(shè)計(jì)選擇太陽能電池板理論上可滿足系統(tǒng)的負(fù)載要求.

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 充電管理電路設(shè)計(jì)

充電管理電路采用上海如韻電子的充電管理芯片CN3065，該芯片內(nèi)部預(yù)置一個8位A/D轉(zhuǎn)換電路，能根據(jù)輸入電源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，很適合基于太陽能電池板等電流輸出能力有限的電源應(yīng)用［6］.充電管理電路原理如圖2所示.

3.2 放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

放電保護(hù)電路采用理光R5421鋰電池保護(hù)芯片，該芯片主要用于電池的充、放電狀態(tài)監(jiān)測電路，在特定條件下可關(guān)斷充、放電回路，能有效防止由于過放、過充及短路等對電池造成的損壞［7］.電池放電保護(hù)電路如圖3所示.

當(dāng)測到電池電壓超過4.2 V時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使場效?yīng)管FET2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，電池可以通過該二極管VD2對外部負(fù)載進(jìn)行放電.電池放電過程中，當(dāng)檢測到電池電壓低于2.3 V時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海箞鲂?yīng)管FET1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用，同時充電電路可通過二極管VD1對電池進(jìn)行充電.由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時R5421會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路電流小于0.1 μA.

3.3 切換開關(guān)設(shè)計(jì)

切換開關(guān)是本系統(tǒng)的核心，用以實(shí)現(xiàn)太陽能電池板供電與電池供電的切換控制功能，采用8位串行逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0832和低功耗、高性能CMOS 8位微控制器AT89S52設(shè)計(jì).電路原理如圖4所示.

在太陽光照射情況下，太陽能電池板輸出電壓值V0，經(jīng)分壓在R3上產(chǎn)生電壓V1，ADC0832將V1轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送往AT89S52分析處理.因太陽能電池板輸出電壓隨太陽光照不斷變換，為保證太陽能電池板輸出電壓能夠滿足節(jié)點(diǎn)的正常要求，系統(tǒng)中設(shè)定只有當(dāng)太陽能電池板輸出電壓不低于3.6 V時，才能將供電源由充電電池切換為太陽能電池板.由分壓過程可知:

即當(dāng)R3上電壓值不低于2.9 V時，太陽能電池板輸出電壓值才不低于3.6 V.ADC0832不斷將R3上的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，經(jīng)P1.2口送往AT89S52分析判定，因DO和DI不能同時有效，設(shè)計(jì)時將DO和DI合并為一條數(shù)據(jù)線后接單片機(jī)P1.2口.AT89S52利用P0.7口控制由三極管Q1組成5 V繼電器驅(qū)動電路，當(dāng)R3上電壓值大于2.9 V時，驅(qū)動控制繼電器常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，接通太陽能電池供電回路;當(dāng)R3上電壓值低于2.9 V時，驅(qū)動控制繼電器常閉觸點(diǎn)閉合，常開觸點(diǎn)斷開，接通充電電池供電回路，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池板供電與電池供電的自動切換.該電路中AT89S52、ADC0832、繼電器所需5 V工作電源(VCC)由充電電池經(jīng)直流升壓穩(wěn)壓器GS1662組成的DC-DC電路產(chǎn)生，受篇幅限制，本文未給出詳細(xì)電路圖.切換開關(guān)控制軟件流程如圖5所示.

3.4 降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作電壓通常取值為3.3 V.太陽能電池板輸出電壓隨光照強(qiáng)度變化在0～5 V變化，本設(shè)計(jì)中設(shè)定太陽能電池板工作電壓為3.6～5 V;充電電池工作電壓為3.6～4.2 V，均與節(jié)點(diǎn)工作電壓不匹配，因此采取降壓穩(wěn)壓措施予以處理.本設(shè)計(jì)中采用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)RT9193－33PB設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓電路.

RT9193－33PB是一種高紋波抑制比的LDO，輸入電壓2.5～5.5 V時，輸出電壓在1.5～5.0 V之間可調(diào)，穩(wěn)壓精度2%，最大輸出電流200 mA.利用RT9193－33PB可將太陽能電池板或充電電池輸出電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V輸出，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的工作電源.降壓穩(wěn)壓電路原理圖如圖6所示.

4 系統(tǒng)測試

以集成溫度傳感器DS18B20的CC2530無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為測試負(fù)載，測試基于兩節(jié)點(diǎn)間定時溫度采集數(shù)據(jù)傳輸過程，定時時長30 min，測試持續(xù)5 d(晴天無雨)，環(huán)境溫度25℃ ～36℃.主要測試了不同時間點(diǎn)太陽能電池板輸出、充電電池輸出、供電系統(tǒng)輸出等電壓變化情況及開關(guān)切換功能.圖7為其中24 h測試數(shù)據(jù)分布(其余數(shù)據(jù)分布規(guī)律與此相似).

實(shí)驗(yàn)測試中，安裝在云臺上的太陽能電池板能夠根據(jù)時鐘運(yùn)行規(guī)律轉(zhuǎn)動，接受太陽光直射.在夏季晴天光照環(huán)境下，從11:00～16:00，太陽能電池板輸出電壓較為穩(wěn)定，輸出電壓值基本維持在4.7～5 V之間，最高輸出電壓達(dá)到4.968 V;鋰電池充滿電后最高電壓為4.201 V，測試過程中鋰電池電壓基本維持在4.0～4.2 V之間;供電系統(tǒng)輸出為3.3 V左右，穩(wěn)定度較高，平均偏差小于3%;供電源開關(guān)切換過程響應(yīng)迅速、狀態(tài)持續(xù)平穩(wěn).

圖7 主要測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于太陽能的電池充電及充放電保護(hù)等功能;能在太陽能電池板輸出電壓達(dá)到設(shè)定閾值時，將系統(tǒng)供電源由充電電池切換為太陽能電池板;通過必要的降壓穩(wěn)壓措施，將供電源輸出轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供符合要求的工作電源.該系統(tǒng)在充分考慮太陽能電池板負(fù)載能力的情況下，將太陽電池板作為系統(tǒng)電源的有效補(bǔ)充，可使系統(tǒng)能在適合條件下自動選擇系統(tǒng)供電源，達(dá)到對用太陽能電池板與充電電池的合理有效使用.該系統(tǒng)可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)穩(wěn)定的電源供給，最大限度延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)生存時間，可用于農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測、自然環(huán)境監(jiān)測等野外環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合.

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