新型太陽能供電的氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

何榮哲，唐禎安

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116023)

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新型太陽能供電的氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

何榮哲，唐禎安

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116023)

針對傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器功耗大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點難以實現(xiàn)自供電的問題，設(shè)計了一種新型太陽能供電的陣列式氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。采用課題組研制的集成微熱板陣列式氣體傳感器芯片作為節(jié)點的傳感器、采用CC2530芯片作為節(jié)點的處理器和無線通信模塊、采用BQ24210芯片以及高效率DC-DC芯片構(gòu)成節(jié)點的電源模塊。測試結(jié)果表明該節(jié)點實現(xiàn)了系統(tǒng)的自供電，無需維護(hù)人員定期的更換電池，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。

傳感器網(wǎng)絡(luò)；微熱板；太陽能；自供電；通信；節(jié)點

0 引言

在石油、化工、天然氣等工業(yè)生產(chǎn)過程中，普遍存在著有毒、有害氣體泄露的隱患，如果這類氣體泄漏沒有被及時被發(fā)現(xiàn)，將會對人類的生命財產(chǎn)安全造成難以估量的損失[1]。為了保障生產(chǎn)安全，要對這類氣體進(jìn)行準(zhǔn)確的實時監(jiān)測，從而避免或降低氣體泄露所造成的危害[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其成本低、便于鋪設(shè)等諸多優(yōu)點在軍事、海洋監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測以及生活中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多以電池供電，需要維護(hù)人員定期的更換電池以保證網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運(yùn)行，對于布設(shè)在危險地帶的節(jié)點，這即增加了運(yùn)行成本又對維護(hù)人員安全造成隱患[4]。半導(dǎo)體氣體傳感器所用材料的氣敏特性多與溫度有關(guān)，傳統(tǒng)氣體傳感器加熱單元功耗較大[5]。同時，為了實現(xiàn)對混合氣體有效的檢測和辨別，往往將氣體傳感器組成陣列來提高傳感器的選擇性[6]，這就導(dǎo)致整個節(jié)點的功耗非常大，僅僅靠電池供電無法滿足節(jié)點長期工作的需求，通常需要市電供電，這也就削弱了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。本文結(jié)合課題組多年研究成果，采用最新設(shè)計的陣列式氣體傳感器芯片，設(shè)計了一款由太陽能供電的氣體監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)及功能介紹

圖1是傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖，在光照充足時太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，通過能量收集芯片為節(jié)點供電的同時對鋰電池進(jìn)行充電。在無光照條件下，由鋰電池對系統(tǒng)供電。傳感器將氣體濃度的信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并通過信號調(diào)理電路輸出給處理器。CC2530通過片內(nèi)的ADC模塊，采集傳感器信號以及鋰電池電壓，通過無線射頻模塊將采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至匯聚節(jié)點，然后由匯聚節(jié)點通過串口傳至上位機(jī)。由上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及保存。用戶也可以通過上位機(jī)向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點發(fā)送控制信息，改變傳感器的工作狀態(tài)以及采樣周期。

圖1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 微熱板陣列式氣體傳感器

如圖2所示，MHP01是一種通用型陣列式氣體傳感器芯片，采用DIP16封裝，由A、B、C、D 4塊微熱板(MHP)、加熱控制電路以及信號采集電路組成，由鎢電阻絲對微熱板加熱。這種加熱結(jié)構(gòu)的功耗較傳統(tǒng)的加熱單元有了大幅度的減小，從而使蓄電池供電成為可能。實際應(yīng)用中可以根據(jù)具體需求，通過CVD、PVD、濺射等方式在4塊微熱板上添加SnO2、ZnO、TiO2等氣敏材料實現(xiàn)對H2、CO、甲烷、甲醛、笨等氣體的檢測。

圖2 陣列式氣體傳感器電路原理圖

針對于不同的氣敏材料以及它們對不同氣體的最佳響應(yīng)溫度，可通過DS引腳控制4塊微熱板的溫度。氣敏材料的電阻將隨待測的氣體濃度的變化而變化，最終轉(zhuǎn)換成電壓信號通過Vout引腳輸出。此外可以根據(jù)鎢加熱電阻絲的電阻，獲得此時微熱板的實際溫度。鎢絲溫阻標(biāo)定曲線如圖3所示。

圖3 鎢電阻絲溫阻標(biāo)定

通過譯碼器輸入引腳A2、A1、A0設(shè)定Vout的輸出信號，000～111分別對應(yīng)四塊微熱板鎢電阻絲端的電壓以及氣敏材料的輸出電壓，再配合氣體識別算法可以有效的對氣體進(jìn)行檢測和辨別。MHP01引腳及功能描述如表1所示。

表1 MHP01引腳功能描述

圖2左側(cè)是一個鏡像電流源，用來為陣列式傳感器提供1 mA的參考電流。右側(cè)為傳感器信號輸出調(diào)理電路，用一個電壓跟隨器提高信號采集端的輸入阻抗。Rs1～Rs4為測試氣體的氣敏材料的分壓電阻。

2.2 電源模塊

2.2.1 功率估算

電源模塊主要任務(wù)是收集太陽能為系統(tǒng)供電以及對鋰電池充電。為了器件選型，按如下條件對功率進(jìn)行估算，傳感器中4個微熱板全部用7 mA滿負(fù)荷電流加熱，在陽光充足時1 d將電池由完全放電狀態(tài)充至滿電狀態(tài)，在完全無光照條件下對整個節(jié)點連續(xù)供電80 h。

節(jié)點各部分功率分別為：傳感器滿負(fù)荷運(yùn)行：VMHP=5 V、IMHP=30 mA；CC2530通信狀態(tài)：VC=3.3 V、IC=29 mA，工作占空比1/100；其余電路及CC2530睡眠狀態(tài)能耗：Vex=3.3 V、Iex=5 mA；DC-DC芯片轉(zhuǎn)化效率=90%。則在沒有光照條件下，持續(xù)供電80 h所需總電量Qt為：

η1Qt=(VMHPIMHP+VCIC/100+VexIex)×80

(1)

由上式得Qt約為14885 mW·h，鋰電池在不同溫度、不同放電條件下，能夠釋放出的總電量是不同的，綜合考慮，并為系統(tǒng)留有余量，按電池能釋放η2=85%額定容量來估算,則所需標(biāo)稱電壓值VBAT為3.7 V鋰離子電池容量C估算值如下：

C=Qt/(η2×Vbat)=4733 mA·h

(2)

白天日照8 h，太陽能電池板輸出的電能需要在給系統(tǒng)供電的同時為蓄電池充電，能量采集模塊的效率按η3=70%估算，所需要的太陽能電池板的額定輸出功率約為：

PO=(P充電+PMHP+PC+Pe)/η3=3.4 W

(3)

式中:P充電為蓄電池充電功率;PMHP為傳感器功率;PC為CC2530通信功率;Pex為其余部分功率。

綜上，選用5000 mAh的鋰電池，尺寸為7 cm×5 cm×1 cm；開路電壓7 V，短路電流650 mA的太陽能電池板，尺寸為16.5 cm×16.5 cm。

2.2.2 路設(shè)計

節(jié)點電源模塊電路原理圖如圖4所示。由于太陽能電池板的輸出電壓隨光照強(qiáng)度的不同在0～7.5 V之間波動，無法直接利用，所以采用BQ24210芯片對太陽能電池板轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行收集。

圖4 傳感器節(jié)點電源模塊原理圖

BQ24210是一款單輸入、單節(jié)鋰離子電池充電器，允許在對電池充電的同時對負(fù)載供電，最大電壓輸入電壓20 V，并具有過壓保護(hù)功能，最高可對外提供800 mA的充電電流[7]。BQ24210具有閾值可調(diào)的輸入電壓調(diào)制循環(huán)電路，從而可對輸入功率進(jìn)行動態(tài)管理，適用于充電電源電壓經(jīng)常變化的應(yīng)用。此外BQ24210可以按照預(yù)充電、恒流充電以及恒壓充電3個過程對電池進(jìn)行充電管理，從而延長鋰電池壽命。采集電路、鋰離子電池的輸出電壓并不能直接被系統(tǒng)使用，所以要選用高效率的DC-DC開關(guān)電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓[8]。節(jié)點選用TPS62203、TPS62156分別為CC2530、MHP01提供3.3 V、5 V的供電電壓，它們的效率可達(dá)90%以上。由于CC2530需要采集傳感器以及電池電壓，節(jié)點選用LM4132為CC2530片內(nèi)ADC提供2.5 V外部參考電壓。節(jié)點選用DW01+芯片對鋰電池進(jìn)行保護(hù)，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 電池保護(hù)模塊原理圖

DW01+是一個單塊鋰電池保護(hù)電路，具有高精度的電壓檢測與時間延遲電路。能夠避免鋰電池過充、過放以及電流過大，從而延長電池壽命，避免電池?fù)p壞。在電池兩端并聯(lián)分壓電阻，利用CC2530內(nèi)置ADC采集電池電壓，估算出系統(tǒng)的剩余電量。節(jié)點將根據(jù)任務(wù)需求和自身剩余電量調(diào)整工作狀態(tài)以及通信策略，實現(xiàn)有效的電源管理，保障整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行[9]。

2.3 通信電路

節(jié)點選用的通信芯片是CC2530，其原理圖如圖6所示。

圖6 通信模塊原理圖

CC2530是符合 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的工作在2.4GHz頻段的 ZigBee 無線射頻收發(fā)芯片。它具有業(yè)界領(lǐng)先的 RF收發(fā)器，并內(nèi)置了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 MCU以及8 路輸入可配置分辨率的12 位ADC[10]，。此外CC2530具有多種電源模式，非常適合超低功耗系統(tǒng)的需求。

為了便于調(diào)試與應(yīng)用維護(hù)，在傳感器節(jié)點上增加了與計算機(jī)通信的USB轉(zhuǎn)串口電路，此部分電路僅在調(diào)試、維護(hù)時使用，當(dāng)節(jié)點工作時可以將其與電源斷開，以節(jié)省電能，其原理圖如圖7所示。

圖7 USB轉(zhuǎn)串口電路原理圖

3 軟件設(shè)計

節(jié)點的軟件流程如圖8所示，節(jié)點啟動后會加入指定的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，加入網(wǎng)絡(luò)后節(jié)點會根據(jù)預(yù)定的采樣周期向匯聚節(jié)點發(fā)送采集到的信息，當(dāng)信息發(fā)送成功后，節(jié)點會收到應(yīng)答幀并判斷應(yīng)答幀是否含有配置信息，若有則按要求更新節(jié)點的工作狀態(tài)，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一次采樣時間的到來。

4 測試與結(jié)果分析

為了測試極端情況下節(jié)點的續(xù)航能力，向傳感器中寫入”111111111111” 12位串行指令，將傳感器的四塊微熱板溫度加熱至最高，節(jié)點的采樣發(fā)送周期設(shè)為100s。然后對傳感器節(jié)點的鋰電池電壓進(jìn)行監(jiān)測，測試環(huán)境如圖9所示。

測試時間自7:00開始，鋰電池起始電壓為3.78 V,節(jié)點的電源模塊在給整個節(jié)點供電的同時給鋰電池充電,至13:30時電池電壓已達(dá)到最大值4.18 V，電池電量充滿,電壓維持穩(wěn)定。至19:00以后完全沒有光照,由鋰電池對傳感器節(jié)點供電,至次日5:00時,電池電壓降至4.05 V,此時已有陽光，但由于光照不足，光能轉(zhuǎn)化的電量僅僅能夠滿足傳感器節(jié)點供電的需求，而沒有多余的電量對鋰電池充電,所以直至7:00鋰電池電壓變化不大，自此之后進(jìn)入下一個充電循環(huán)，整個過程的電壓變化曲線如圖10所示。

如圖10所示，太陽能電池板在開路狀態(tài)下和接入電路的閉合狀態(tài)下所測得的輸出電壓曲線存在一定的差別，產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要有兩方面原因，一方面是受太陽能電池板自身內(nèi)阻的影響，另一方面是由于受到BQ24210芯片內(nèi)部電壓調(diào)制電路的影響。隨后在完全沒有光照的條件下，對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的續(xù)航能力進(jìn)行了測試，鋰電池由起始電壓4.18 V，經(jīng)過80 h連續(xù)放電，電壓降至3.29 V，滿足了預(yù)先的設(shè)計需求。同時，實際測試中發(fā)現(xiàn)，在類似陰雨天氣、傍晚、黎明等光照不足的條件下，電源模塊仍可以輸出少量電能，這部分電能根據(jù)光強(qiáng)的不同，可以不同程度的減少電池電量的消耗，所以整個節(jié)點在實際工作中，即使遭遇連陰天氣，其持續(xù)的工作時間也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述極端情況下的理論計算值。

圖8 傳感器節(jié)點軟件流程圖

圖9 測試環(huán)境

圖10 節(jié)點電池電壓變化曲線

5 結(jié)束語

本文在課題組多年對微熱板式氣體傳感器研究的基礎(chǔ)上，選用最新研制的陣列式氣體傳感器芯片，設(shè)計了一個由太陽能供電的用于氣體監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，解決了此類氣體傳感器由于需要加熱，功耗大，無法達(dá)到自供電的問題。此節(jié)點可以布設(shè)在需要對氣體進(jìn)行實時監(jiān)測的場所。陣列式氣體傳感器有4塊微熱板，可以根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境選擇特定的氣敏材料，滿足不同環(huán)境下對氣體的監(jiān)測的需求。節(jié)點的電源模塊，可以汲取太陽能滿足節(jié)點的供電需求，從而可以長期工作而不用更換電池，發(fā)揮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

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Novel Gas Sensor Network Node Powered by Solar Cell

HE Rong-zhe，TANG Zhen-an

(School of Electronic Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

For problem of the power consumption of the traditional semiconductorgas sensor is usually high，and it is hard for the network node to be self-powered, a novel gas sensor network node powered by solar cell was designed in this paper. An integrated micro-hotplate (MHP) gas sensor designed by our research group was used as the node’s sensor, while the industry-leading CC2530 was used as the processor and wireless communication module. Besides, the BQ24210 and some DC-DC switch chips produced by TI were used to design the power module of the node. The measurement results show that the node achieves the goal of being self-powered, and needs no maintainer to change the battery periodically. The node can work for long term steadily.

sensor network; micro-hotplate; solar;self-powered;communication; node

2014-12-11 收修改稿日期：2015-06-27

TP216

A

1002-1841(2015)09-0063-04

何榮哲(1987—)，碩士研究生，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究。E-mail：herongzhe@163.com