一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生物信息檢測系統節點(diǎn)電源設計

摘要：針對電源系統需要為系統中微處理器、傳感器、信號調理電路、無(wú)線(xiàn)通訊模塊等提供工作電源的目的，提出一種生物信息檢測系統中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)節點(diǎn)的電源設計方案。除了通過(guò)內部3．7 V鋰電池，振動(dòng)產(chǎn)生的機械能也可以用來(lái)提供能量。系統工作過(guò)程中能自動(dòng)時(shí)供電方式進(jìn)行選擇，并完成對鋰電池的充電任務(wù)。節點(diǎn)采用帶有8051內校的CC2430無(wú)線(xiàn)射頻芯片，通過(guò)有效的動(dòng)態(tài)電源管理和喚醒休眠機制的軟件設計，針對生物信息檢測系統實(shí)現了一種低功耗的能量自供給的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)電源設計。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)；電源系統；動(dòng)態(tài)電源管理；能量自供給

微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內部集成數據采集、數據處理和無(wú)線(xiàn)通信等多種功能，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應運而生。傳感器節點(diǎn)通常是微型的嵌入式系統，一般是通過(guò)攜帶有限的電池供電，因此處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。大多數工作在野外或者人員不宜到達的地方，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的電池不能夠被隨時(shí)更換，這就要求節點(diǎn)能夠在有限的電源供電的條件下工作時(shí)間盡可能延長(cháng)以延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命，除采用大容量電池以及像太陽(yáng)能這樣自己供電的方案之外，節點(diǎn)本身就要具有低功耗設計技術(shù)，從而達到延長(cháng)節點(diǎn)壽命的目的。

1 系統結構設計
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要由數據采集模塊、數據處理模塊、數據無(wú)線(xiàn)通信模塊以及電源模塊組成。按照一定的通信協(xié)議，構成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。文中設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用圖1所示的系統結構。

節點(diǎn)的數據采集模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換。數據采集部分可根據實(shí)際需要選定合適的傳感器。本設計是針對生物信息檢測系統，需要測定溫度、濕度、振動(dòng)、pH值等。作為傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)系統的重要組成部分之一，傳感器的功耗對系統的功耗也是有重要影響的。在選擇傳感器時(shí)，要優(yōu)先選擇有源式傳感器，如壓電式傳感器，或者選擇耗電量小的傳感器，盡量避免選用功耗大的如磁電式、電容式等傳感器。例如，設計采用的溫度傳感器是DS18B20，用于測量物體表面溫度或空氣溫度，它體功耗低，體積小，外圍電路簡(jiǎn)單，可以在保證系統可靠的情況下降低了系統功耗。
數據處理模塊負責控制整個(gè)節點(diǎn)的數據處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等。處理器模塊是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的計算核心，所有的設備控制、任務(wù)調度、能量計算、功能協(xié)調、通信協(xié)議和數據整合程序都將在這個(gè)模塊的支持下完成，處理器的選擇在節點(diǎn)設計中至關(guān)重要。本設計采用CC2430自帶的8051微處理器，它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結構，速度快，功耗低，性?xún)r(jià)比高。
數據傳輸模塊負責與其他節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信、交換控制消息和收發(fā)采集數據，其中無(wú)線(xiàn)通信損耗的能量占了整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能耗的主要部分，因此對這一模塊的選擇事關(guān)低功耗設計的全局。選擇無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片時(shí)應考慮以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數量、芯片成本、數據傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。本設計采用Chipcon公司一款兼容2．4 GHz IEEE802．15．4標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC2430，它具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強度和收發(fā)頻率可編程等特點(diǎn)。而且外接天線(xiàn)，可確保短距離通信的有效性和可靠性，其最大收發(fā)速率為250kbps。本設計中單芯片CC2430集成了MCU和RF模塊，比單獨MCU+RF芯片的設計，不僅在價(jià)格方面比較低，而且在功耗和節能上都降低很多優(yōu)勢十分明顯。
節點(diǎn)的電源管理非常重要。由圖1可以看出，數據采集模塊、數據處理模塊和數據無(wú)線(xiàn)通信模塊等系統能量來(lái)源都是由電源模塊提供。本設計采用3．7 V可充電鋰電池ICR18650，該電池能量密度高，體積小，適合傳感器節點(diǎn)小的特點(diǎn)。另外，結合生物信息檢測系統中如攪拌機的振動(dòng)等產(chǎn)生的機械能，通過(guò)能量轉換裝置將其轉換成電能存貯起來(lái)。然后通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理，一方面給系統供電，另一方面可以給鋰電池充電。當振動(dòng)產(chǎn)生的能量不足，自動(dòng)實(shí)時(shí)切換到電池供電。另外，為方便上位機調試和檢修，還配備了USB供電接口。

2 電源模塊設計
2．1 電源模塊設計
電源模塊設計系統框圖如圖2所示。

振動(dòng)能通過(guò)能量轉換電路，將振動(dòng)能轉換成電能，然后通過(guò)儲能電路儲存，再經(jīng)過(guò)DC-DC升壓電路進(jìn)入到智能電源管理電路。系統默認選擇振動(dòng)產(chǎn)生的能量，當振動(dòng)產(chǎn)生的能力不足時(shí)，自動(dòng)切換到鋰電池供電。儲能電路正常工作電壓是2．7 V，而智能電源管理電路正常工作電壓是5 V，所以設計了DC-DC升壓電路，經(jīng)過(guò)升壓電路，2．7 V輸入電壓變?yōu)? V輸出，使智能電源管理電路能夠正常工作；可充電鋰電池正常工作電壓是3．7 V，系統工作電壓主要是3．3 V，因此設計了LDO電源電路。通過(guò)LDO電源電路，3．7V輸入電壓變?yōu)?．3V。