磁耦合諧振技術(shù)的無線可充電SenCar節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

，，，

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

磁耦合諧振技術(shù)的無線可充電SenCar節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

劉書語(yǔ)1,2，林志貴1,2，周軼恒1,2，劉立峰1,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

結(jié)合磁耦合諧振技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于磁耦合諧振的無線可充電SenCar節(jié)點(diǎn)。通過攜帶大能量電池，SenCar節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電?；谀K化設(shè)計(jì)思想，給出SenCar節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)，使其具有能量傳輸功能同時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)本身及其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量信息，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)能量管理奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的SenCar節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。

WSNs； WRSNs；磁耦合諧振；SenCar節(jié)點(diǎn)

引 言

自從Marin Soljacic的研究團(tuán)隊(duì)[1]基于磁耦合諧振原理實(shí)現(xiàn)相距2 m的發(fā)送線圈和接收線圈傳能，隔空點(diǎn)亮了連接在接收端的一盞60 W的燈泡以來，磁耦合諧振無線傳能技術(shù)得到廣泛關(guān)注。在此之前能量問題一直制約著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的應(yīng)用與發(fā)展，磁耦合諧振的無線傳能技術(shù)為解決WSNs的能量問題提供了新的途徑。

利用磁耦合諧振為WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電，構(gòu)成無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)(WRSNs)。WRSNs中為普通節(jié)點(diǎn)提供能量的SenCar節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到充電效率，以及網(wǎng)絡(luò)能量平衡。關(guān)于WRSNs能量補(bǔ)給及分配，目前集中在理論分析中[2-4]，對(duì)于實(shí)際WRSNs網(wǎng)絡(luò)可充電節(jié)點(diǎn)和SenCar節(jié)點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)相對(duì)較少。Griffin B等[5]采用無人飛行器(UAV)為地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)進(jìn)行無線充電，UAV采用磁耦合諧振技術(shù)，充電工作頻率為189 kHz，充電距離為150～400 mm，傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的平均功率為4.43 W，效率為5%～40%。UAV可看作為SenCar節(jié)點(diǎn)，但UAV沒有能量檢測(cè)、獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量以及網(wǎng)絡(luò)能量管理功能。本文利用磁耦合諧振無線傳能技術(shù)，結(jié)合WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量需求，設(shè)計(jì)一款基于磁耦合諧振的無線可充電SenCar節(jié)點(diǎn)，為WRSNs能量管理奠定基礎(chǔ)。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

SenCar節(jié)點(diǎn)是一個(gè)可充電的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，可以在WRSNs中靈活移動(dòng),與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，同時(shí)通過基于磁耦合諧振無線傳能方式為傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量。具體設(shè)計(jì)要求如下：采用鋰電池供電，容量不低于3 500 mAh，其充電電流不得大于0.8 A，充電電壓不得高于+24 V；正常工作溫度范圍為-40～85 ℃；支持的最高時(shí)鐘頻率不得低于100 MHz；磁耦合開關(guān)頻率為50～100 kHz，兩線圈距離25～200 mm,傳輸效率為8%～75%，當(dāng)有新的傳感器節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，能自動(dòng)將其加入。SenCar節(jié)點(diǎn)控制模塊與無線通信傳輸模塊和電量監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而獲取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的傳感器信息、遙控器控制信息以及高能電池的能量信息。模塊之間應(yīng)采用相應(yīng)的通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)可靠有效地進(jìn)行傳輸。

1.2 設(shè)計(jì)方案

SenCar節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)在硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件方面按功能劃分主要包括：控制模塊、無線通信傳輸模塊、無線能量傳輸模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、信息顯示模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、充電模塊，如圖1所示。軟件方面按實(shí)現(xiàn)的功能劃分主要分為：電量監(jiān)測(cè)程序、信息顯示程序、無線數(shù)據(jù)通信程序、遙控器程序、小車移動(dòng)控制程序、無線能量傳輸控制程序這6部分，其中無線數(shù)據(jù)通信程序又分為節(jié)點(diǎn)無線通信程序和遙控器無線通信程序兩部分，如圖2所示。

圖1 SenCar節(jié)點(diǎn)模塊組成示意圖

圖2 SenCar節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)程序模塊組成圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線能量轉(zhuǎn)換模塊

基于磁耦合諧振的SenCar節(jié)點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換模塊的系統(tǒng)框圖如圖3所示，其主要由兩路+12.6 V電源、增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)負(fù)載能力電路、H橋控制電路、LC串聯(lián)振蕩電路以及兩路互補(bǔ)帶死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)構(gòu)成。能量轉(zhuǎn)換模塊的原理圖如圖4所示，該模塊通過LX1、C35、C36構(gòu)成的LC振蕩電路，確定無線能量傳輸?shù)闹C振頻率?？刂颇K輸出兩路該頻率的PWM波HIN和LIN，將兩路PWM波同時(shí)輸入U(xiǎn)12和U13，并通過圖4中電源+12.6V_1、D10、D15、C30、C31、C37、C38構(gòu)成兩路自舉電路，提高HIN和LIN的負(fù)載能力，控制VT1～VT4構(gòu)成橋式控制電路，實(shí)現(xiàn)無線能量的傳輸。

圖3 SenCar節(jié)點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換模塊的系統(tǒng)框圖

2.2 控制模塊

控制模塊主要由穩(wěn)壓電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、MCU最小系統(tǒng)組成。MCU最小系統(tǒng)采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的Kinetis 60系列芯片。穩(wěn)壓電路采用具有低壓差輸出、輸出電壓精度高、高電源抑制比的TLV70225芯片[6]，將+5 V電壓固定降壓至+3.3 V輸出，為MCU正常工作提供電源。

2.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊

電壓轉(zhuǎn)換模塊主要是將高能電池電壓進(jìn)行降壓至+7.5 V和+12.6 V。隨著SenCar節(jié)點(diǎn)正常工作，電池電壓會(huì)持續(xù)降低，且降壓電路輸入和輸出的壓差太小會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。因此，在保證輸出的電壓滿足無線能量傳輸模塊正常工作、且電池不進(jìn)入過放狀態(tài)的情況下，選定另一路的輸出電壓為+12.6 V[7]。

圖4 SenCar節(jié)點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換模塊原理圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由電壓轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)隔離電路、電機(jī)H橋控制電路組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電壓轉(zhuǎn)換電路原理如圖5所示。電壓轉(zhuǎn)換電路主要分為將電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出的+7.5 V電壓通過U6升壓至+12 V電路，以及+7.5 V電壓通過U7降壓輸出+3.3 V電路這兩部分。當(dāng)S2閉合，電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出的+7.5 V電壓流入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電壓轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。信號(hào)隔離電路采用具有典型的CMOS型三態(tài)緩沖門的74HC245芯片[8]。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的H橋控制電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的H橋控制電路原理圖

通過U9、U10芯片提升信號(hào)的負(fù)載能力，然后將增強(qiáng)負(fù)載能力后的兩路信號(hào)輸送至由Q1～Q4四個(gè)MOS管組成的H橋電路的兩端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

2.5 能量監(jiān)測(cè)模塊

SenCar節(jié)點(diǎn)的電量監(jiān)測(cè)模塊原理圖如圖7所示，電量監(jiān)測(cè)芯片采用DS2438芯片[9]，通過穩(wěn)壓管IN4734將VDD引腳電壓穩(wěn)定在+5.6 V，減小輸入電源電壓的波動(dòng)，同時(shí)防止電池電壓輸入過大，燒壞芯片。R58主要用于降低輸入電流的大小，保證D28功率不超過額定功率1 W，C69旁路電容主要用于去除輸入電壓中的噪聲。

2.6 充電模塊

SenCar節(jié)點(diǎn)充電模塊主要分為充電電路部分和電源部分。電源部分主要采用DIODES公司的ZMR500芯片。充電電路部分采用德州儀器的BQ2954充電管理芯片[10]，BQ2954最大鋰離子充電管理IC使用靈活的脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)器來控制充電期間的電壓和電流。

圖7 SenCar節(jié)點(diǎn)電量監(jiān)測(cè)模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電量監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

電量監(jiān)測(cè)程序?qū)eCar節(jié)點(diǎn)自身高能電池的當(dāng)前狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括高能電池當(dāng)前電壓值、高能電池充放電電流大小、當(dāng)前電池溫度三方面信息。電量監(jiān)測(cè)程序流程圖如圖8所示。

圖8 電量監(jiān)測(cè)程序流程圖

3.2 無線能量傳輸控制程序

無線能量傳輸控制程序主要為無線能量傳輸提供一定頻率的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)控制無線傳輸模塊電源的開啟與關(guān)閉。當(dāng)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充完能量，SenCar節(jié)點(diǎn)自動(dòng)將無線能量傳輸控制引腳拉高，電壓轉(zhuǎn)換模塊不再為無線能量傳輸模塊提供電源，小車停止能量傳輸，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器輸出，無線能量傳輸控制程序流程圖如圖9所示。

3.3 無線數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計(jì)

SenCar節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)無線通信部分主要用于獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器信息。節(jié)點(diǎn)無線通信部分初始化自身硬件配置和Z-Stack協(xié)議棧[11]，隨后啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)成功加入后，為傳感器節(jié)點(diǎn)分配短地址，隨后傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身傳感器信息至SenCar節(jié)點(diǎn)，SenCar節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)通信部分將接收到信息，并通過自身串口發(fā)送至控制模塊，其流程如圖10所示。

圖9 無線能量傳輸控制程序流程圖

圖10 節(jié)點(diǎn)無線通信程序流程圖

3.4 SenCar節(jié)點(diǎn)移動(dòng)控制程序

SenCar節(jié)點(diǎn)控制程序主要控制SenCar節(jié)點(diǎn)的舵機(jī)和電機(jī)，當(dāng)SenCar節(jié)點(diǎn)向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制舵機(jī)PWM信號(hào)的高電平寬度設(shè)置為1.3 ms，當(dāng)SenCar節(jié)點(diǎn)向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制舵機(jī)PWM信號(hào)的高電平寬度設(shè)置為1.7 ms，因此需要定時(shí)器，具體流程如圖11所示。

圖11 SenCar節(jié)點(diǎn)移動(dòng)控程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于SenCar節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)建了SenCar節(jié)點(diǎn)，便于SenCar節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊進(jìn)行功能測(cè)試，搭建的無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示，由可充電的移動(dòng)SenCar節(jié)點(diǎn)和具有能量補(bǔ)充功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一對(duì)一的能量補(bǔ)充。

4.2 電壓轉(zhuǎn)換模塊測(cè)試

電壓測(cè)試結(jié)果如表1所列。從測(cè)試的結(jié)果可以看到，轉(zhuǎn)換目標(biāo)電壓為+7.5 V那部分測(cè)試，結(jié)果基本穩(wěn)定在+7.57 V左右，與目標(biāo)值相差+0.07 V；轉(zhuǎn)換目標(biāo)電壓為+12.6 V那部分測(cè)試，結(jié)果基本穩(wěn)定在+12.7 V，與目標(biāo)值相差+0.17 V。實(shí)測(cè)基準(zhǔn)電壓為+1.284 V左右，與芯片手冊(cè)數(shù)據(jù)一致。

圖12 無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

次 數(shù)實(shí)測(cè)電壓值1/V(目標(biāo)值+7．5V)實(shí)測(cè)電壓值2/V(目標(biāo)值+12．6V)1+7．57+12．782+7．57+12．773+7．58+12．774+7．57+12．775+7．57+12．786+7．57+12．787+7．57+12．77

4.3 電量監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試

電量監(jiān)測(cè)模塊所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)如表2所列。從表2中可以看出，在兩位精度內(nèi)，電量監(jiān)測(cè)模塊采集的電壓與實(shí)際測(cè)量電壓一致，而監(jiān)測(cè)的電流數(shù)據(jù)誤差在±13 mV之間。這可能是由于DS2438內(nèi)部集成的是10位A/D轉(zhuǎn)換器，測(cè)得理論的最小電流為12.22 mA，導(dǎo)致了測(cè)量精度的理論誤差在±12.22 mA之內(nèi)，同時(shí)儀器測(cè)量過程也有誤差疊加。

表2 電量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量對(duì)比

4.4 通信部分測(cè)試

圖13 節(jié)點(diǎn)通信部分接收到數(shù)據(jù)幀信息

接收到的數(shù)據(jù)幀如圖13所示。圖中任意一行數(shù)據(jù)為{0xEE，0xCC，0x00，0x00，0x00，0x79，0x6F，0x00，0x00，0x00，0x00，0x01，0x0B，0x0A，0x00，0x05，0x01，0x00，0xB8，0x02，0x00，0x01，0x03，0x00，0x00，0x04，0x00，0xAA，0x05，0x00，0xE6，0x3F，0xFF}。其中，0xEE、0xCC為幀頭，0x00標(biāo)識(shí)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)地址為0x796F，第8～11字節(jié)表示發(fā)送信息的目的節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)地址為0x00，第12字節(jié)0x01表明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成功加入網(wǎng)絡(luò)，0x0B表示為ZigBee通信物理信道，中心頻率為2.401 GHz，0x0A為ZigBee通信端口，0x05表示發(fā)送5個(gè)傳感器的信息，0x01表示主電池信息，0xB8表示當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)主電池的剩余容量為0.691 1 Ahr，0x02表示發(fā)送的是備用電池電量信息，0xE5表示當(dāng)前備用電池的剩余容量為0.860 1 Ahr，0x01表示發(fā)送結(jié)露信息，第24字節(jié)0x01表示節(jié)點(diǎn)有露水，第31字節(jié)為校驗(yàn)碼，第32字節(jié)定義為數(shù)據(jù)幀尾，固定為0xFF。

4.5 無線能量傳輸模塊功能測(cè)試

測(cè)試不同距離下無線能量傳輸?shù)男剩詡鬏斁嚯x為橫坐標(biāo)，傳輸效率與接收功率為縱坐標(biāo)，得到接收功率、傳輸效率、傳輸距離之間的關(guān)系，如圖14所示?？梢钥闯觯瑐鬏斝逝c接收功率隨著傳輸距離的增大而減少，距離在20～200 mm內(nèi)，無線能量傳輸效率在8%～83%之內(nèi)，滿足無線能量傳輸效率的設(shè)計(jì)要求，接收功率在0.197 8～9.827 6 W。當(dāng)傳輸距離在80 mm內(nèi)時(shí)，接收功率與傳輸效率隨著距離的增大下降幅度較大，當(dāng)傳輸距離大于80 mm時(shí)，接收功率與傳輸效率隨著距離的增大，下降趨勢(shì)趨于平緩。

圖14 傳輸距離、傳輸效率、接收功率關(guān)系圖

結(jié) 語(yǔ)

[1] A Kurs,A Karalis,R Moffattm,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science, 2007,317(5834):83-86.

[2] 劉創(chuàng),王珺,吳涵.無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)充電問題研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2016,26(3):162-167.

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劉書語(yǔ)(本科)，研究興趣為嵌入式系統(tǒng)；林志貴(副教授)，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等。

Wireless Rechargeable SenCar Node Design Based on Magnetic Technology

LiuShuyu1,2,LinZhigui1,2,ZhouYiheng1,2,LiuLifeng1,2

(1.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and Systems,Tianjin Polytechnic University)

In the paper,a wireless rechargeable SenCar node using magnetic coupling resonance is designed.Nodes of the WRSNs are charged by the SenCar node through carrying a large energy battery.Based on the idea of modular,the hardware and software of the SenCar node are designed,which not only can transmit the energy,but also is able to monitor itself energy and network nodes energy at the same time.The experiment results show that the SenCar nodes designed in the paper meet the design requirement.

WSNs;WRSNs;magnetic coupling resonance;SenCar node

TP393

: A

2017-05-11)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61372011); 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(201610058052)。