無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)太陽(yáng)能電源系統設計

摘要：對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)而言，電源是系統的關(guān)鍵部分之一。在此提出一種收集環(huán)境中太陽(yáng)能為傳感器節點(diǎn)供能的電源系統。該系統采用了高效安全的充電控制技術(shù)，獨特的電池電壓監測電路，以及低功耗的DC-DC轉換電路。通過(guò)實(shí)驗驗證，基于此太陽(yáng)能電源的傳感器節點(diǎn)功耗動(dòng)態(tài)調整節性能好，生存周期顯著(zhù)增加。該系統可應用于各種戶(hù)外監測的節點(diǎn)，如環(huán)境監測，精細農業(yè)，森林防火等。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；傳感器節點(diǎn)；能量收集；太陽(yáng)能；DC—DC

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在環(huán)境監測、智能家居、交通運輸、精細農業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，越來(lái)越受到人們的重視。傳感器節點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的重要組成單元，通常散布于一定的區域內協(xié)作地實(shí)時(shí)監測、感知和采集各種環(huán)境和監測對象的信息。傳感器節點(diǎn)部署環(huán)境和實(shí)際應用中的要求決定了節點(diǎn)電源大多數情況下不可能接入正常的電力系統供電。例如Crossbow公司的MICAz節點(diǎn)如果采用3 000 mAh的電池設置在1％的工作周期，那么每隔17．35周就需要更換一次電池。此外由于節點(diǎn)常被布置在惡劣及復雜的環(huán)境中，進(jìn)一步增加了更換電池的成本。如何能穩定有效地為傳感器節點(diǎn)提供電源保證就成為傳感器節點(diǎn)設計的關(guān)鍵問(wèn)題。目前針對這一問(wèn)題的研究思路主要是如何從節點(diǎn)所處的環(huán)境中采集能量并進(jìn)行有效的存儲，使節點(diǎn)具有能量補充能力從而有效地延長(cháng)節點(diǎn)的生存周期。環(huán)境中具有各種豐富的能量，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、機械振動(dòng)能、聲能、電磁能等。目前，已有一些公司研究和開(kāi)發(fā)了利用環(huán)境能量為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )功能的系統。例如太陽(yáng)能收集模塊CBC-EVAL-08已成功應用在TI公司的超低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)eZ430-RF2500-SHE上為其提供能源。創(chuàng )業(yè)公司Perpetuum推出PMG7微型振動(dòng)發(fā)電機，能從一個(gè)100 mg振動(dòng)中產(chǎn)生高達5 mW／3．3 V的輸出功率。但是，目前的能量收集都具有一些局限性，如太陽(yáng)能收集模塊CBC—EVAL-08由于光伏薄膜電池收集能量較少且缺少備份能源僅能在有陽(yáng)光時(shí)工作；利用振動(dòng)能量使得節點(diǎn)的布置環(huán)境受限制即使在間歇性的振動(dòng)環(huán)境下，系統也無(wú)法穩定地連續工作。
通過(guò)對環(huán)境中的各種能量比較分析得出戶(hù)外的傳感器節點(diǎn)利用太陽(yáng)能供能不失為一種較好的選擇。本文提出一種基于太陽(yáng)能的節點(diǎn)電源系統設計，該系統能夠自動(dòng)管理充電過(guò)程并進(jìn)行有效的能量?jì)Υ?，通過(guò)對電池電壓的監測執行節能方案，以達到延長(cháng)節點(diǎn)生存周期的目的。此外由于節點(diǎn)上各種器件所需的電壓不一致，高效的DC—DC轉換也是必不可少的一環(huán)。

1 電源系統設計
電源單元是傳感器節點(diǎn)能源供給部分，它決定著(zhù)傳感器網(wǎng)絡(luò )的壽命，因此節點(diǎn)的電源設計非常重要。電源單元主要由電池、電源管理模塊及外圍電路構成。電源設計首先要考慮的是低功耗。由于負載的功耗與電壓的平方成正比，因此在保證系統可靠工作時(shí)盡量選用較低的工作電壓。傳感器、MCU、無(wú)線(xiàn)射頻模塊等節點(diǎn)組成部分都有低工作電壓選擇余地，如+3．3 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的電源系統。

在該系統中，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量通過(guò)充電控制單元被存儲在鋰電池中；供電管理單元通過(guò)對電池電壓的實(shí)時(shí)監測選擇合適的供能方案。由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì )逐漸降低，對ADC采樣等會(huì )造成影響。此外各種器件的工作電壓也不一致，為了保證系統可靠地工作，需要一個(gè)穩定的供電電壓。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轉換單元為節點(diǎn)上的負載提供穩定的電壓。
1．1 充電控制單元
充電控制單元連接著(zhù)太陽(yáng)能電池板和鋰電池，其功能主要是有效地將收集到的能量存儲在鋰電池中。本設計中太陽(yáng)能電池板選用80mm× 45mm的電池板，此電池板最大輸出功率時(shí)輸出電壓為5．5 V，電流為150 mA，轉換效率為16％。鋰電池沒(méi)有記憶效應，選用一款容量為2 000 mAh，工作電壓為3．7 V的鋰電池。該單元控制部分采用凌力爾特公司(Linear Technology Corporation)推出面向鋰離子電池的智能充電控制芯片LTC4070。該器件以其450 nA的工作電流，用以前不能使用的非常低電流、斷續或連續充電，對電池進(jìn)行充電和保護。該器件的功能非常適用于連續和斷續、低功率充電電源應用。LTC4070具有引腳可選的4．0V，4．1 V或4.2V設置，其1％準確度的電池浮置電壓允許用戶(hù)優(yōu)化電池容量和壽命之間的平衡。獨立的低電池電量和高電池電量監察狀態(tài)輸出表明電池已放電或充分充電。加上一個(gè)與負載串聯(lián)的外部PFET，該低電池電量狀態(tài)輸出實(shí)現了鎖斷功能，該功能自動(dòng)使系統負載與電池斷接，以保護電池免于深度放電。充電控制單元原理圖如圖2所示。

太陽(yáng)能電池板未對鋰電池進(jìn)行充電時(shí)為了減少LTC4070能量消耗添加三極管Q1，當Q1基極電壓下降時(shí)將LTC4070與鋰電池隔離。在正常充電模式下大部分電流通過(guò)Q1流向鋰電池。當VCC到達ADJ設置的浮點(diǎn)電壓時(shí)，LTC4070分流Q1中bc結的電流持續的減少電池充電電流直至0，并且Q1進(jìn)入飽和狀態(tài)。如果熱敏電阻T升高浮點(diǎn)電壓降低，LTC4070將分流更多的電流，Q1強制進(jìn)入反偏狀態(tài)直到電池電壓下降。ADJ引腳用于設置浮點(diǎn)電壓，當接至地時(shí)為4．0 V，接至VCC時(shí)為4．2 V，懸空時(shí)為4．1 V。當鋰電池電壓低于3．2 V時(shí)LBO拉高D1點(diǎn)亮，當鋰電池充電飽和后，HBO拉高，D2點(diǎn)亮。