基于QI標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

宋一杰，趙 晴，楊凱文

（1.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所 北京 100083；2.北京六所新華科電子技術(shù)有限公司 北京 100083）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，能量問(wèn)題是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中遇到的最大挑戰(zhàn)[1-3]。節(jié)點(diǎn)的體積通常要求小巧、輕便，因此電池體積受到制約，所以節(jié)點(diǎn)電池能夠攜帶的能量有限。如果電池電量耗盡，更換電池的成本和工作量非常巨大，直接增加無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)成本。

無(wú)線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以很好地解決節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的能量問(wèn)題。無(wú)線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)搭載能量接收裝置，通過(guò)電磁感應(yīng)接收電磁波能量并轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)下來(lái)[4-5]。傳感器電路板連接能量接收裝置后就構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可以連接不同的射頻通信模塊實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議下的射頻通信。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由3部分組成：無(wú)線充電發(fā)射模塊、無(wú)線充電接收模塊和傳感器節(jié)點(diǎn)。無(wú)線充電發(fā)射模塊負(fù)責(zé)把5 V直流電輸入轉(zhuǎn)換成交流電加在發(fā)射線圈兩端，使周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)。無(wú)線充電接收模塊主要通過(guò)接收線圈與發(fā)射線圈產(chǎn)生耦合，通過(guò)電磁感應(yīng)將電磁波能量轉(zhuǎn)換成電能，并給鋰電池進(jìn)行充電。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將所感知的信息傳送至管理中心。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of wireless charging sensor network node

1.2 無(wú)線充電發(fā)射模塊

無(wú)線充電發(fā)射模塊主要由控制電路、逆變電路和發(fā)射線圈組成。逆變電路主要負(fù)責(zé)將直流輸入逆變?yōu)榻涣鬏敵霾⒓釉诎l(fā)射線圈兩端；發(fā)射線圈用來(lái)產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)并，通過(guò)電磁場(chǎng)傳輸能量；控制電路負(fù)責(zé)控制整個(gè)電路的工作狀態(tài)，包括輸出的大小、通斷、充電狀態(tài)指示等。

任何符合QI標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電器都能作為本系統(tǒng)的無(wú)線充電發(fā)射模塊使用[6]。

1.3 無(wú)線充電接收模塊

無(wú)線充電接收模塊主要由控制電路、整流電路和接收線圈組成。接收線圈用來(lái)與發(fā)射線圈產(chǎn)生耦合，通過(guò)電磁場(chǎng)傳輸能量，并將電磁波能量轉(zhuǎn)換為交流電能；整流電路負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)化為直流電并存儲(chǔ)到充電鋰電池中。控制電路負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和管理充電過(guò)程。無(wú)線充電接收模塊的電路如圖2所示。

充電分為預(yù)充電、快速充電（恒流）、恒壓充電3個(gè)階段。如果鋰電池過(guò)度放電，預(yù)充電階段充電電路輸出小電流逐步提高電池電壓，直到該電池可以正常充放電（正常電池會(huì)快速跳過(guò)此階段）；快速充電階段充電電路輸出最大電流為負(fù)載恒流充電，直至負(fù)載電池電壓提升至4.2 V；恒壓充電階段充電電流逐漸減小，直至充滿電池電量。

圖2 無(wú)線充電接收模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of wireless charging receiver

1.4 傳感器節(jié)點(diǎn)電路

傳感器節(jié)點(diǎn)由MCU、無(wú)線收發(fā)模塊和傳感器組成。傳感器主要負(fù)責(zé)感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)MCU對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將所感知的信息傳送至管理中心。傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of wireless sensor network node

傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象和信息選取相應(yīng)的傳感器（如監(jiān)測(cè)溫度則選用溫度傳感器）。CC2530包括一個(gè)加強(qiáng)型的8051核和一個(gè)射頻收發(fā)模塊。加強(qiáng)型8051核作為微控制單元（MCU）負(fù)責(zé)管理和分配節(jié)點(diǎn)中的資源，接收傳感器信息，并通過(guò)射頻收發(fā)模塊發(fā)送至管理中心。

1.5 供電保護(hù)

供電保護(hù)電路分為兩部分：鋰電池保護(hù)電路和傳感器節(jié)點(diǎn)保護(hù)電路。

1.5.1 鋰電池保護(hù)電路

由于現(xiàn)在大部分的鋰電池都自帶過(guò)充、過(guò)放保護(hù)電路，因此無(wú)線充電只需要增加過(guò)流保護(hù)即可。管腳ILIM通過(guò)電阻R4接地，可以通過(guò)調(diào)整R4阻值大小來(lái)改變無(wú)線充電的最大輸出電流Im。他們之間的運(yùn)算關(guān)系如下：

1.5.2 傳感器節(jié)點(diǎn)保護(hù)電路

BQ51050的輸出電壓為4.2V，充電鋰電池的最高放電電壓也為4.2 V，但是CC2530的供電電壓為3.3 V。直接供電會(huì)導(dǎo)致CC2530工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至有可能燒毀芯片，因此在供電電路中加入低壓差線性穩(wěn)壓器TLV70033來(lái)達(dá)到降壓和穩(wěn)壓的作用。

1.6 PCB設(shè)計(jì)

由于被監(jiān)測(cè)對(duì)象和無(wú)線通信方式的不同，傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常需要搭載不同的傳感器和無(wú)線通信模塊，因此傳感器節(jié)點(diǎn)部分的PCB會(huì)頻繁變更。但是無(wú)線充電模塊PCB相對(duì)固定，一旦設(shè)計(jì)定型，便不再需要頻繁更改。因此在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，將無(wú)線充電接收模塊和傳感器節(jié)點(diǎn)分開(kāi)設(shè)計(jì)，通過(guò)預(yù)留接口進(jìn)行模塊化組裝。

為了滿足無(wú)線充電傳感器節(jié)點(diǎn)的便攜性要求，節(jié)點(diǎn)的PCB設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量控制板子的尺寸。除了選擇小封裝的集成芯片和電阻電容之外，PCB板的層數(shù)也可以影響板子最終的大小，因而本文確定用兩層板來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的PCB設(shè)計(jì)。

1.6.1 無(wú)線充電接收器PCB設(shè)計(jì)

無(wú)線充電接收器的PCB結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)線充電接收器PCB結(jié)構(gòu)Fig.4 Designed PCB of wireless charging receiver

1.6.2 傳感器節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的PCB結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)PCB結(jié)構(gòu)Fig.5 Designed PCB of sensor network node

2 系統(tǒng)測(cè)試

用一塊完全放電的可充電鋰電池EB595675LU作為無(wú)線充電接收器的負(fù)載，將CC2530電路板VCC、GND分別與無(wú)線充電接收器的V33OUT、GND相連，利用萬(wàn)用表的直流檔測(cè)量流過(guò)電池的電流，用示波器觀察電池兩端的電壓。通過(guò)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)鋰電池進(jìn)行無(wú)線充電，與有線充電的電池充電特性基本相同。在充電的過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)依然可以正常工作。在恒流充電階段，最大充電電流可以達(dá)到1安培。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可證明，基于QI標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電技術(shù)，無(wú)論是充電效率、充電時(shí)間還是系統(tǒng)穩(wěn)定性，都已經(jīng)可以滿足大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備的需求。以此為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不出能量，不僅方便快捷，而且安全可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

可無(wú)線充電的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以很好地解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中遇到的能量瓶頸，降低無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)成本，極大的延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。無(wú)線充電在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，不僅有較高的應(yīng)用價(jià)值，還為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。

[1]杜曉通.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

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[4]孫軒．非接觸式手機(jī)充電平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D]．杭州：浙江大學(xué)，2010.

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[6]Wireless Power Consortium.Wireless Power Transfer System Description[EB/OL].[2013-12-2].http://www，wirelesspowerconsortium，com/downloads/wireless-power-specificationpart-1，html.