無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統設計

摘要：ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統由太陽(yáng)能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，采集光能并將其轉換為電能存儲在鋰電池中。通過(guò)鋰電池充電管理芯片CN3063組成充電控制電路對鋰電池進(jìn)行充電管理。利用超低功耗鋰電池電壓檢測芯片CN301組成放電保護電路，最大限度地延長(cháng)鋰電池的壽命。由于電源能量來(lái)自太陽(yáng)能，因此非常適合野外布置的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據采集節點(diǎn)使用。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；鋰電池；充電管理芯片

引言
電源是嵌入式系統的重要組成部分，特別是對于野外布置的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，供電線(xiàn)路的鋪設難度較大，采用電池供電時(shí)需要定期更換電池，在一定程度上增加了系統維護的成本。太陽(yáng)能供電系統不僅解決了野外長(cháng)時(shí)間無(wú)人監護的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的供電問(wèn)題，而且還具有供電持久、環(huán)保節能和便于維護等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應用前景。
太陽(yáng)能供電系統設計的關(guān)鍵問(wèn)題是通過(guò)太陽(yáng)能電池板對鋰電池進(jìn)行充電，同時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測充電電壓和充電電流，避免因過(guò)充而導致鋰電池永久性損壞；此外還需要設計鋰電池放電保護電路，對放電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，防止過(guò)放電導致鋰電池損壞。

1 太陽(yáng)能供電系統簡(jiǎn)介
太陽(yáng)能供電系統主要由太陽(yáng)能電池板、可充電鋰電池、充電控制器和放電保護電路組成。由于太陽(yáng)能電池板的輸出電壓不穩定，傳統的太陽(yáng)能供電系統往往因為鋰電池充放電管理不合理，導致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽(yáng)能的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)供電系統設計。該系統能夠自動(dòng)管理鋰電池的充電過(guò)程并進(jìn)行有效的能量?jì)Υ?，通過(guò)對電池電壓的監測避免鋰電池過(guò)度放電，以達到延長(cháng)鋰電池壽命的目的。此外由于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)所需電壓為3．3 V，而鋰電池的工作電壓一般在3．6～4．2 V(正常放電電壓為3．7 V，充滿(mǎn)電時(shí)的電壓為4．2 V)，所以需要DC-DC轉換芯片產(chǎn)生所需要的工作電壓。
對于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)而言，首先要考慮的是低功耗。這里選用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530，其工作電壓是3．3 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的太陽(yáng)能供電系統總體示意圖。

該系統中，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量通過(guò)充電管理電路被存儲在鋰電池中，同時(shí)對鋰電池提供充電保護，防止過(guò)充；由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì )逐漸降低，因此需要放電保護電路對放電電壓進(jìn)行監測，當電池電壓下降到一定程度時(shí)切斷放電電路，避免鋰電池過(guò)放電。由于電源單元本身應盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉換效率，因此設計了一個(gè)具有高效率的DC-DC轉換電路，為節點(diǎn)上的負載提供穩定的電壓。

2 太陽(yáng)能供電系統單元電路設計
太陽(yáng)能發(fā)電系統各個(gè)單元電路的設計主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式實(shí)現。系統設計的思路是：首先估算系統總功耗，然后選擇合適的鋰電池，進(jìn)而根據鋰電池的容量來(lái)選擇所需的太陽(yáng)能電池板；根據太陽(yáng)能電池板和鋰電池的充電電壓、充電電流等參數，可以選擇合適的充電管理IC來(lái)設計充電控制電路；最后根據鋰電池輸出電壓和ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)所需的工作電壓來(lái)設計合適的DC-DC變換電路。
2．1 鋰電池的選取
ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在數據發(fā)送期間所需的峰值電流為29 mA，在數據接收期間所需的峰值電流為24 mA。通常情況下，每個(gè)ZigB ee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)會(huì )設計幾個(gè)傳感器。假設各種傳感器所需的工作電流為30 mA，那么數據發(fā)送期間所需要的總電流為59 mA，數據接收期間所需要的總電流為54 mA，為了討論問(wèn)題方便，總電流取60 mA，那么鋰電池可以選取容量為900 mAh。表面上看，900 mAh的鋰電池可以供該節點(diǎn)連續工作時(shí)間為：900 mAh／60 mA=15小時(shí)。
但是實(shí)際系統中，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)對數據的采集一般是定時(shí)采集，例如采集溫度數據，由于溫度變化減慢，所以可以定時(shí)采集，在此節點(diǎn)每小時(shí)工作50 s，其他時(shí)間都在休眠(休眠時(shí)工作電流在μA級，所以可以忽略不計)。
那么實(shí)際情況是：系統采用容量為900 mAh的鋰電池供電，節點(diǎn)工作電流為60 mA，每小時(shí)工作50 s，可以計算出容量為900 mAh的鋰電池可供節點(diǎn)工作時(shí)間為：1080小時(shí)=45天，即一個(gè)半月的時(shí)間。
當然上述討論也是一種典型情況，如果系統需要每小時(shí)使節點(diǎn)工作時(shí)間大于50 s，則每節鋰電池可以供節點(diǎn)工作的時(shí)間可能會(huì )縮短，這需要看具體的系統要求，但是一般情況下，選擇鋰電池時(shí)只需要能保證系統在充滿(mǎn)電后可以連續工作15～20天就可以滿(mǎn)足系統要求。這主要是考慮到我國部分南方地區在雨季可能連續半個(gè)月的時(shí)間不出太陽(yáng)，這時(shí)就需要考慮適當選取容量大一點(diǎn)的鋰電池。
本設計所選用的是容量為900 mAh的鋰電池，市場(chǎng)價(jià)在15～30元左右，該電池正常放電電壓為3．7 V，充滿(mǎn)電后電壓為4．2 V，一般正常丁作電壓為3．6～4．2 V。