基于WSN的墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)雙電源設(shè)計(jì)

陳 巖，高 峰，譚 婷，王克棟，郭 宏

(1.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇昆山 215300)

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基于WSN的墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)雙電源設(shè)計(jì)

陳 巖1，高 峰1，譚 婷1，王克棟1，郭 宏2

(1.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇昆山 215300)

保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一是節(jié)點(diǎn)的電源模塊設(shè)計(jì)。為了解決這一問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)完成了一種基于WSN的城市綠地墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)能電池板和鋰電池結(jié)合的節(jié)點(diǎn)雙電源供電系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用TI的BQ25504電源管理芯片，并在節(jié)點(diǎn)上對(duì)電源管理程序進(jìn)行了優(yōu)化，可為節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的電源輸出，理論上能將鋰電池的壽命延長(zhǎng)3～5年，使系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的生命周期。該電源模塊設(shè)計(jì)擴(kuò)展性強(qiáng)，可擴(kuò)展應(yīng)用于各種戶外監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)等。測(cè)試結(jié)果表明，此電源模塊設(shè)計(jì)滿足為墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的5 V和3.3 V供電需求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；墑情監(jiān)測(cè)；雙電源；太陽(yáng)能

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)具有十分廣泛的應(yīng)用前景，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視和應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，具有對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境影響小、網(wǎng)絡(luò)容量大、不用布線等優(yōu)點(diǎn)[2]。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，通常布置在一定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。對(duì)于布置在戶外環(huán)境中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，大多采用干電池或者蓄電池作為電源，因此節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用過(guò)程中要定期進(jìn)行人為的更換電池。這種方式一方面會(huì)影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作連續(xù)性；另一方面也給后期維護(hù)造成巨大的人力成本[3]。

由于太陽(yáng)能具有普遍性、安全可靠、低污染和不消耗原料等特點(diǎn)[4]，并且隨著近幾年太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用普及和相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，基于太陽(yáng)能技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)已經(jīng)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用研究的一個(gè)重要方向。

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的研究，眾多研究人員為此做了大量的研究開(kāi)發(fā)。這些研究方案的思路大致有兩種：一種是把充電電池作為主要的供電源，太陽(yáng)能電池板只作為電池的充電源，典型的如胡奇勛[1]、楊志勇[5]、張靜靜[6]等；另一種是通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓值和所設(shè)定值，并進(jìn)行比較分析，以控制供電源在太陽(yáng)能電池板和充電電池之間進(jìn)行切換，典型的如王戰(zhàn)備[3]等。但這兩種方式都存在著明顯的缺陷：第一種方式以充電電池為主要供電源，使得電池在使用過(guò)程中頻繁的進(jìn)行充放電，這將大幅度降低充電電池的使用壽命，并且其間太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的多余能量也會(huì)被浪費(fèi)掉；第二種方式以單片機(jī)作為控制單元，基本解決了第一種方式中的缺陷，但是單片機(jī)控制流程繁瑣，并且單片機(jī)在工作過(guò)程中本身也會(huì)消耗大量的電量，這對(duì)在戶外連續(xù)惡劣天氣時(shí)的電量供應(yīng)也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

對(duì)此，本文提出了一種基于TI公司BQ25504電源管理芯片的太陽(yáng)能和鋰電池雙電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其整體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池板、鋰電池和BQ25504芯片構(gòu)成電源。利用TPS6132組建DC-DC模塊輸出一路5V電壓，再利用MIC5205組建LDO模塊輸出一路3.3V電壓，以滿足墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)5V和3.3V的電源輸入。并設(shè)計(jì)優(yōu)化了電源管理程序，使之能夠高效地對(duì)能量進(jìn)行管理使用，盡可能地延長(zhǎng)電池的使用壽命。

圖1 電源系統(tǒng)整體框圖

1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 太陽(yáng)能能量采集和存貯

土壤墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電源管理模塊使用BQ25504。BQ25504是一款能滿足超低功率應(yīng)用的需要的芯片[7]。此芯片升壓轉(zhuǎn)換器/充電器的起始工作功率只有幾μW，其能夠在VIN低至330 mV時(shí)啟動(dòng),并且一旦啟動(dòng)，便能夠在VIN= 80 mV持續(xù)采集能量。太陽(yáng)能能量采集和存貯模塊如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能能量采集和存貯模塊

對(duì)于一般鋰電池，都運(yùn)行在它們開(kāi)電路電壓80%的最大功率點(diǎn)上，電阻分壓器RCC1和RCC2可將電壓設(shè)定到太陽(yáng)能板輸出電壓的80%[8-10]，并且此網(wǎng)絡(luò)將控制VIN_DC使其工作在接近采樣基準(zhǔn)電壓下。為防止損壞存儲(chǔ)元件，可以通過(guò)設(shè)定欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)，對(duì)最高和最低電壓進(jìn)行監(jiān)視。

1.2 電源輸出

土壤墑情監(jiān)測(cè)MCU的工作電壓為3.3 V，射頻芯片CC2530和傳感器的工作為5 V，而鋰電池的電壓一般為3.7～4.2 V。這就需要將鋰電池輸出的電壓進(jìn)行DC-DC變換，以滿足墑情節(jié)點(diǎn)不同工作電壓的需要。本方案選用TPS61230芯片和MIC5205 低噪聲線性穩(wěn)壓器芯片。

TPS61230是一款高效的同步升壓轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部集成一個(gè)5 A開(kāi)關(guān)，能夠在由3.3 V輸入電壓供電，輸出電壓為5 V時(shí)傳遞高達(dá)2.1 A的輸出電流[11]。輕負(fù)載期間，TPS61230自動(dòng)進(jìn)入省電模式，以最低的靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)最大功率。在關(guān)斷期間，負(fù)載完全從輸入上斷開(kāi)，并且輸入流耗減少至1.5 μA，這也使得能量能夠得到最大化的利用。其原理圖如圖3所示，按照公式VOUT=VFB×(1+R1/R2)=1V×(1+R1/R2)調(diào)節(jié)R1和R2的比值可以控制輸出電壓的大小，為了保證準(zhǔn)確性，R2必須小于100 kΩ以保證流過(guò)R2的電流大于FB引腳峰值電流的100倍。

圖3 TPS61230 DC-DC升壓模塊

MIC5205是一款高性能的低壓差線性穩(wěn)壓器，它包含一個(gè)可以通過(guò)CMOS電平或者TTL電平匹配的使能控制端，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，芯片功耗幾乎為零[12]。當(dāng)輸入電壓保持在4.3～16 V時(shí)，MIC5205可以有穩(wěn)定的3.3V電壓輸出。其原理圖如圖4所示。

圖4 MIC5205 LDO穩(wěn)壓輸出

1.3 太陽(yáng)能電池板和鋰電池的選擇

墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗主要由MCU功耗PMCU、射頻模塊收發(fā)功耗PRF和傳感器功耗PSEN等組成。

PCPU=PMCU+PRF+PSEN=IMCUUMCU+(ITX+RTX)URF+ISENUSEN

式中：IMCU為MCU的工作電流；UMCU為MCU的工作電壓；ITX為射頻發(fā)射電流；IRX為射頻接收電流；URF為射頻工作電壓；ISEN為傳感器的工作電流；USEN為傳感器的工作電壓。

在墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中，MCU使用Stm32F103R系列芯片，其工作電壓為3.3 V，工作電流為120 mA，休眠電流為15 μA。射頻模塊使用CC2530芯片，工作電壓為3.3 V，發(fā)射電流為85 mA(帶PA)，接收電流為30 mA，休眠電流僅為10 μA。土壤水分傳感器采用SWR-2型，其工作電壓為5 V，工作的電流為60 mA，土壤溫度傳感器采用PT1000型，其工作電壓為5 V，工作電流為2 mA。則根據(jù)上面的數(shù)據(jù)參考，墑情節(jié)點(diǎn)總功耗可以按照如下計(jì)算得：PCPU=IMCUUMCU+ (ITX+RTX)URF+ISENUSEN=120 mA×3.3 V + (85 mA+30 mA)×3.3V +60 mA×5V = 1.8 055 W。

系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池板采用單晶硅層壓太陽(yáng)能電池板，其最大功率為2 W，開(kāi)路電壓5.75 V，短路電流0.4 A，可以滿足墑情節(jié)點(diǎn)的工作需求。

充電電池選擇容量為2 600 mA·h的可充電鋰電池，其工作電壓為3.2～4.2 V。墑情節(jié)點(diǎn)工作1次的消耗電流大約為300 mA，軟件中設(shè)置節(jié)點(diǎn)每隔10 min采集1次數(shù)據(jù)，每次采集時(shí)間為120 ms，則1h采集6次所需功耗為：120 ms×6×300 mA/(60×60×1000)=0.06 mA·h，其余時(shí)間均為睡眠狀態(tài)，共1-120×6/(60×60×1000)=0.998 h，睡眠狀態(tài)的功耗大約為20 μA，則睡眠總功耗為20×0.998/1000=0.02 mA·h。則1h內(nèi)總功耗為0.06 mA·h + 0.02 mA·h =0.08 mA·h。本設(shè)計(jì)中使用的鋰電池則一共可用2600/(0.08×24)=1354 d，但考慮到鋰電池自身放電等因素，沒(méi)有太陽(yáng)能電池板充電也至少可以工作3個(gè)月[13]。因此，即使在連續(xù)陰天的情況下，本設(shè)計(jì)依然可以滿足節(jié)點(diǎn)供電需求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)中對(duì)太陽(yáng)能電池板、BQ25504輸出電壓和鋰電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試時(shí)段為2014年8月份，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間為早上8點(diǎn)，監(jiān)測(cè)間隔為2h，測(cè)試期間內(nèi)環(huán)境溫度最高溫度37℃，最低溫度28℃，分別在晴天(室外開(kāi)闊地帶)和室內(nèi)光線不足(模擬連續(xù)陰天情況)的情況下進(jìn)行了連續(xù)一周的測(cè)試。所得數(shù)據(jù)分別如圖5和圖6所示。

圖5 晴天測(cè)試結(jié)果輸出

從圖5可以看出，在晴天的情況下，鋰電池的電壓基本不變，即使在夜晚的情況下，依然會(huì)有微量的電能轉(zhuǎn)換，并且由于CSTOR引腳上超級(jí)電容的原因，幾乎不需要鋰電池的電量供應(yīng)。

在室內(nèi)光線不足的情況下，由于照射在太陽(yáng)能電池板上的能量太小，雖然太陽(yáng)能電池板上有3 V左右的電壓輸出，但是短路電流只有40 mA左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足節(jié)點(diǎn)的電量需求，因此需要鋰電池進(jìn)行電量供應(yīng)，但是由于墑情節(jié)點(diǎn)豐富的電源管理模式，所需要的電量很小，因此，鋰電池一周的電壓降低只有0.1 V左右，和理論的估計(jì)值基本相近，如果假設(shè)鋰電池的可充電次數(shù)為500次，則墑情節(jié)點(diǎn)至少可以工作10年以上。

圖6 室內(nèi)光線不足情況下測(cè)試輸出

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于太陽(yáng)能和鋰電池雙電源供電的墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電源系統(tǒng)，將太陽(yáng)能與鋰電池充分結(jié)合，運(yùn)用BQ25504電源管理芯片和墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)豐富的電源管理程序，利用太陽(yáng)能和鋰電池進(jìn)行雙重供電，有效的延長(zhǎng)了墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的生命周期，并且可以為墑情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的電源供給。同時(shí)，該電源系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以擴(kuò)展應(yīng)用于戶外能被陽(yáng)光照射的節(jié)點(diǎn)上，如精細(xì)農(nóng)業(yè)的田間節(jié)點(diǎn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)的戶外節(jié)點(diǎn)等。

[1] 胡奇勛,段渭軍,王福豹.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì).通信電源技術(shù),2008，25(6)：63-64.

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[8] 郭爽,王豐貴.實(shí)用光伏電池建模及MPPT算法仿真.現(xiàn)代電子技術(shù),2014(8):148-150.

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[10] 徐瑞東.光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行理論與關(guān)鍵技術(shù)研究：[學(xué)位論文].北京： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2012.

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Nodes of Soil Moisture Content Monitor Dual Power Supply Design Based on WSN

CHEN Yan1,GAO Feng1,TAN Ting1,WANG Ke-dong1,GUO Hong2

(1.School of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China；2.Kunshan Nokisens SAC Co.,Ltd，Kunshan 215300,China)

One of the keys to ensure that the long-term stability of wireless sensor network nodes is the design of power supply module.To solve this problem， a dual power supply of solar panels and lithium combined for urban green moisture monitoring node based on WSN was designed in this paper This design used TI’s BQ25504 power management chip,and the power management program was optimized for the node to provide a stable power output.It can theoretically extend the life of lithium batteries for 3 to 5 years so that the system can have a longer life cycle.This module can extend to apply in a variety of outdoor wireless sensor network nodes,such as environmental monitoring,precision agriculture,etc.Test results show the module can provide long-term and stable design specifications of 5 V and 3.3 V power supply and satisfy the demands.

wireless sensor network;moisture monitoring;dual power;solar energy

2015-02-10 收修改稿日期：2015-07-03

TN86

A

1002-1841(2015)12-0117-03

陳巖(1963—)，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用和數(shù)字通信窄帶干擾抑制技術(shù)研究。E-mail：bjchy2003@163.com