可低占空比采集充放電數(shù)據(jù)的WSN節(jié)點(diǎn)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝少偉

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

可低占空比采集充放電數(shù)據(jù)的WSN節(jié)點(diǎn)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝少偉

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種WSN節(jié)點(diǎn)用低功耗光伏系統(tǒng).該系統(tǒng)采用CN3063及CN302鋰電池管理芯片進(jìn)行充放電控制及保護(hù)；并設(shè)有充放電數(shù)據(jù)采集接口，可通過WSN節(jié)點(diǎn)采集充放電數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控.其充放電數(shù)據(jù)采集電路可工作在低占空比狀態(tài)，降低了系統(tǒng)的功耗.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；光伏系統(tǒng)；鋰電池；數(shù)據(jù)采集

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其分布在室外環(huán)境時(shí)，較難通過電力線路獲取能量，因此，除電池供電外，光伏供電系統(tǒng)也成為其主要的供電方式.目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光伏系統(tǒng)側(cè)重于控制方式的研究，大部分不具備充放電數(shù)據(jù)采集功能[1-3]，無法對光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，不便于對故障進(jìn)行及時(shí)維修.而一些具有充放電數(shù)據(jù)采集功能的光伏系統(tǒng)，由于采用了單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[4-5]，增加了系統(tǒng)的功耗與成本.

針對上述問題，本文提出了一種具有充放電數(shù)據(jù)采集接口的光伏控制線路，其數(shù)據(jù)采集電路可工作在低占空比狀態(tài)，并可利用WSN節(jié)點(diǎn)的MCU資源(WSN節(jié)點(diǎn)的傳感功能較為單一，其MCU的口線等資源一般有較多的冗余)實(shí)現(xiàn)充放電數(shù)據(jù)的采集，降低了控制線路的功耗與成本.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

具有充放電數(shù)據(jù)采集接口的光伏控制線路主要由太陽能電池、充放電控制線路、可充電鋰電池、電壓與電流測量電路組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示. (1)鋰電池及太陽能電池選擇.選擇常用單節(jié)可充電鋰電池(Li-Lon)，其標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7 V，充電限制電壓為4.2 V，容量可根據(jù)負(fù)載進(jìn)行選擇.太陽能電池(Solar)工作電壓選擇5.0～5.5 V，開路電壓高于充電控制芯片允許電壓時(shí)可串接二極管降壓.短路電流根據(jù)鋰電池容量進(jìn)行選擇，如2 000 mA·h的電池容量，選擇200 mA的短路電流，陽光充足的情況下，十幾個(gè)小時(shí)可以充滿.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(2)充電控制.采用CN3063低功耗單節(jié)鋰電池充電管理芯片[6]，進(jìn)行實(shí)時(shí)充電控制及過充保護(hù).該芯片采用線性充電模式，紋波電流小，且具有涓流、恒流、恒壓多階段充電模式，能夠根據(jù)太陽能電池電流輸出能力自動調(diào)整充電電流；芯片充電時(shí)的典型工作電流為650 μA.當(dāng)太陽能電池與鋰電池的壓差小于20 mV時(shí)，進(jìn)入睡眠模式.電池的電流消耗小于3 μA，同時(shí)不需要另加阻流二極管.

(3)放電控制.采用CN302低功耗電池檢測芯片[7]，對鋰電池過度放電進(jìn)行保護(hù).芯片典型工作電流為9.5 μA，具有遲滯特性，與單一“過度放電閥值”芯片[2]相比，可解決電池電壓接近“過度放電閥值”時(shí)，頻繁開啟、關(guān)閉放電回路的問題.

(4)充放電電流測量.充、放電電流的測量有高端與低端二種測量模式.高端模式的電流取樣電阻接入控制線路的位置如圖1所示(R1、R2)；而低端模式的電流取樣電阻則需分別接入充、放電控制線路的地線回路，這時(shí)取樣電阻上的壓降會影響太陽能電池與鋰電池的電壓測量精度，同時(shí)會造成充電及放電控制線路、電壓及電流測量線路的電平不等位.因此本文采用高端電流測量模式.這時(shí)，如R1兩端的電壓接近太陽能電池的電壓，且R1兩端的壓降很小，用一般的運(yùn)放電路較難進(jìn)行測量，為此采用MAX4173高端電流測量芯片.該芯片典型工作電流為420 μA，具有±0.5%全量程精度，有20、50、100倍3種增益，與不同的取樣電阻配合，適合不同量程的電流測量.

(5)電池電壓測量.太陽能電池及鋰電池的最高電壓一般大于WSN節(jié)點(diǎn)MCU的ADC的測量范圍，需要電平轉(zhuǎn)換，常用的方式為電阻分壓.為降低功耗，宜采用高阻值的分壓電阻，如MΩ級的分壓電阻.但受ADC輸入阻抗的限制，分壓電阻不宜過高，如Zigbee片上系統(tǒng)CC2530的IO口用作ADC輸入時(shí)，其內(nèi)阻在197 kΩ左右[8]，采用10 kΩ的分壓電阻(與ADC并聯(lián)的電阻)就能引起5%的測量誤差.解決的方法是在分壓電阻與ADC之間增加一級由HT9274微功耗運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器，HT9274運(yùn)放工作電流為5 μA，偏置電流為1 pA.

(6)電壓電流測量線路的工作模式.由于采用了專用芯片對充、放電進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及保護(hù)，因此電壓、電流的測量可以在非實(shí)時(shí)的低占空比狀態(tài)下進(jìn)行，以降低系統(tǒng)的功耗.低占空比模式可以通過控制電壓電流測量線路中工作電源的通與斷實(shí)現(xiàn).

2 控制線路設(shè)計(jì)

2.1 充電控制線路

充電控制線路如圖2所示.CN3063的FB(8腳)與BAT(5腳)相連，其恒壓充電電壓值為4.2 V.TEMP(1腳)為溫度保護(hù)輸入端，太陽能電池短路電流較小時(shí)不用保護(hù)，可直接接地.R3為恒流充電電流值設(shè)定電阻，計(jì)算公式如下：

ICH=1800 V/R3.

(1)

圖2中R3取10 kΩ，恒流值為180 mA.

圖2 充電控制線路

表1 充電器指示狀態(tài)

CHRGDONE狀 態(tài)ONOFF正在充電OFFON充電結(jié)束脈沖脈沖鋰電池未接OFFOFF異常

2.2放電控制線路

放電控制線路如圖3所示.其上行閥值(放電開啟)、下行閥值(放電截止)的計(jì)算公式如下：

VBAT(hi)=1.211(R4+R5+R6)/R6;

(2)

VBAT(lo)=1.211(R4+R5+R6)/(R5+R6).

(3)

式中1.211 V為CN302的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓.R4+R5+R6總值的選擇原則是其流過的電流在5 μA～10 μA之間.上行閥值可設(shè)為鋰電池的工作電壓，如3.7 V，單節(jié)鋰電池的下行閥值常設(shè)為2.8 V，也可設(shè)置為略高于WNS節(jié)點(diǎn)正常工作電壓.按圖3中的參數(shù)計(jì)算：VBAT(hi)=3.7 V，VBAT(lo)=3.1 V.

圖3 放電控制線路

2.3 電壓、電流測量線路

2.3.1 電壓電流測量.圖4為電壓、電流測量線路，圖4中的參數(shù)按照CC2530的1.15 V ADC內(nèi)部基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì).分壓電阻根據(jù)ADC的測量范圍選定，并盡力接近ADC測量上限，太陽能電池電壓上限設(shè)為6 V，鋰電池電壓上限設(shè)為4.2 V.

U4選擇100倍增益的MAX4173H，與0.05 Ω的R1配合，充電電流200 mA時(shí)，輸出電壓Vic=1 V.

圖4 電壓電流測量線路

U5選擇20倍增益的MAX4173T (目的是對兩種增益的芯片都進(jìn)行測試，實(shí)際使用時(shí)建議采用100倍增益)，與0.5 Ω的R2配合，放電電流為100 mA時(shí)，輸出電壓Vid=1 V.

2.3.2 低占空比工作狀態(tài)控制.HT9274及U4、U5兩個(gè)MAX4173的總工作電流實(shí)測在1.2 mA之內(nèi)，當(dāng)WNS節(jié)點(diǎn)的MCU的IO口驅(qū)動足夠時(shí)，可直接用其IO口提供工作電源(與圖4中的各Vcc_IO端口直接相連)，如CC2530的IO口均可驅(qū)動(其中P1.0 和 P1.1具備 20 mA 的輸出驅(qū)動能力，其它IO口輸出均具備 4 mA 的驅(qū)動能力).如果IO口的驅(qū)動能力不夠，可采用圖3中Q1的方式進(jìn)行控制，柵極G由IO口驅(qū)動，源極S接WNS節(jié)點(diǎn)的MCU的工作電源端，漏極D接各Vcc_IO端口.

3 CC2530充放電數(shù)據(jù)采集接口實(shí)驗(yàn)

采用圖5所示的CC2530實(shí)驗(yàn)?zāi)K[9]進(jìn)行充放電數(shù)據(jù)采集接口實(shí)驗(yàn)，接口原理如圖6所示，包括2個(gè)充電狀態(tài)數(shù)據(jù)接口(CHRG與DONE)、1個(gè)放電狀態(tài)數(shù)據(jù)接口(LB)、4個(gè)充放電電壓及電流數(shù)據(jù)接口(Vc、Vd、Vic、Vid).HT9274及MAX4173的工作電壓由P1.2口線提供.D1、D2、D3用于CHRG、DONE、LB狀態(tài)指示，并由按鍵S1控制其指示狀態(tài)，按S1一次，D1、D2、D3指示狀態(tài)開啟10 s后自動關(guān)閉，以降低系統(tǒng)功耗.采集的數(shù)據(jù)通過CC2530的TXD、RXD串口發(fā)送到上位機(jī).圖7為串口助手接收到的充放電數(shù)據(jù).表2列出了充放電電壓及電流比對測量結(jié)果，在表2中，Vsc、Vbc、Icc、Idc為CC2530的測量顯示值，Vsn、Vbn、Icn、Idn為VC980+四位半萬用表測量值，以萬用表測量值為標(biāo)準(zhǔn)，滿度引用誤差優(yōu)于±0.5%.

圖5 數(shù)據(jù)采集接口實(shí)驗(yàn)實(shí)物照片

圖6 CC2530充放電數(shù)據(jù)采集接口原理圖

圖7 串口助手接收充放電數(shù)據(jù)

表2 充放電電壓及電流比對測量結(jié)果

Vs/VVb/VIc/mAId/mAVscVsnVbcVbnIccIcnIdcIdn600599542042031800179981000100045004998400399815001499580080034004005300299310001002060059793003008200199050050074003981200201210009852502489200196210010140500482100978100960

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的低功耗WSN節(jié)點(diǎn)用光伏系統(tǒng)，其充電控制電路的工作電流低于1 mA，非充電狀態(tài)時(shí)的線路損耗小于3 μA.放電控制線路的工作電流低于20 μA.電壓、電流測量線路的工作電流小于1.2 mA，可以工作在低占空比狀態(tài)，平均功耗可大大降低.充電放電數(shù)據(jù)可以根據(jù)WSN節(jié)點(diǎn)的MCU資源進(jìn)行選擇性采集；如只采集3個(gè)充放電狀態(tài)數(shù)據(jù)，也可以對光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常做出基本判斷.

[1]PARK C,CHOU P H.AmbiMax: Autonomous Energy Harvesting Platform for Multi-Supply Wireless Sensor Nodes[C]//Sensor & Ad Hoc Communications & Networks,Secon 06 IEEE Communications Society on.IEEE,2006:168-177.

[2]王小強(qiáng),歐陽駿,紀(jì)愛國.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012,12(3):56-58．

[3]王戰(zhàn)備.具有供電源自動切換功能的WSN節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)[J]科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(8):190-194.

[4]姜傳星.鋰電池在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]廣州：華南理工大學(xué),2012：21-28.

[5]張靜靜,趙澤,陳海明,等.EasiSolar:一種高效的太陽能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(9):1952-1960.

[6]上海如韻電子有限公司.CN3063數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2016-08-05].http://www.consonance-elec.com/pdf/技術(shù)說明書/DSC-CN3063.pdf.

[7]上海如韻電子有限公司.CN302數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2016-08-05].http://www.consonance-elec.com/pdf/技術(shù)說明書/DSC-CN302.pdf.

[8]Texas Instruments.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4--GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications [EB/OL].[2016-08-05].http://www.ti.com/lit/ug/swru191f/swru191f.pdf.

[9]深圳市億研電子有限公司.V4.1使用說明指南[EB/OL].[2016-08-05].www.sz-yy.taobao.com.

(責(zé)任編輯 鄧 穎)

The Design of a Photovoltaic System for WSN Nodes with Low Duty Cycle Capable of Acquiring Charging and Discharging Data

Xie Shaowei

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou,Zhejiang 310018)

A photovoltaic system for WSN nodes with a low power consumption is designed and implemented.The system uses CN3063 and CN302 lithium battery management chips to control and protect the charging and discharging process.The system has an interface to acquire charging and discharging data,which is collected through the WSN code.In this way,it achieves the remote monitoring of photovoltaic system.The charging and discharging data acquisition circuit can work under the low duty cycle mode,which effectively reduces the system’s power consumption..

wireless sensor network;photovoltaic system;lithium battery;charging and discharging data acquisition

2016-09-09

2014浙江省科技計(jì)劃公益技術(shù)研究項(xiàng)目(2014C33101)

謝少偉(1965- )，男，浙江紹興人，副教授，研究方向：傳感器及儀器儀表.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.09.09

TP274

A

1008-293X(2016)09-0043-04