基于無(wú)源技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

摘要：電源在整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中具有極其重要的意義，為了滿(mǎn)足系統為微型傳感器節點(diǎn)供電的需求，本文設計了采用充電泵實(shí)現超低壓?jiǎn)?dòng)、雙電容蓄能的微弱能源采集電路。該電路能夠在低溫差條件下為蓄能電路積累能量，實(shí)現低溫差環(huán)境下的微弱能量采集，并能夠根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間歇性工作的特點(diǎn)，快速做好供電準備。實(shí)驗結果表明，系統具有能量收集效率高、傳輸距離較遠等優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能源供電的問(wèn)題，具備較高的實(shí)用價(jià)值。

引言

無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)是現代傳感器技術(shù)的重要研究?jì)热葜?，涉及到對溫度、光強、濕度等環(huán)境參數的監控等。其中，無(wú)線(xiàn)傳感器是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最基本的組成部分，具有數量多、分布廣、部署環(huán)境復雜等特點(diǎn)，其體積小，且自身攜帶的電池能量有限。由于普通電池的壽命有限，需要定期更換電池。這樣不僅工作量大，成本高，浪費也嚴重，而且對于大面積的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，和環(huán)境監測，電池的更換比較困難。因此，收集自然環(huán)境中的能量并轉換為電能，實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )的自供電，成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使用場(chǎng)合中有諸多形式的熱源，如果把這些熱源利用起來(lái)，就可以為一些低壓電產(chǎn)品提供能源。由于溫差發(fā)電時(shí)，常常出現轉換的能源低于1 V，甚至低于0.5 V的情況，此時(shí)就需采用充電泵或升壓式DC/DC轉換器。本文設計了基于溫差發(fā)電技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )電路，該電路采用充電泵S-882Z的微弱能源采集電路，能在0.3～0.35 V輸入電壓下工作，解決了超低壓?jiǎn)?dòng)問(wèn)題;采用雙電容蓄能與升壓式DC/DC轉換器配合等技術(shù)，為傳感器網(wǎng)絡(luò )提供可靠能量來(lái)源。

1 系統構成

該裝置主要由溫差發(fā)電片、能量收集存儲模塊、電源轉換電路、無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊組成，如圖1所示。

其中，溫差片發(fā)電的效率主要取決于熱端和冷端的溫度和溫差發(fā)電材料的品質(zhì)因數Z，而Z強烈地依賴(lài)于溫度，因而對于不同的工作溫度需要選取不同的材料。充電泵模塊將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓提升并穩定在5 V，給超級電容蓄能模塊充電。蓄能模塊由兩個(gè)容值不同的超級電容構成，按先充小電容、再充大電容的方式進(jìn)行蓄能，小電容向傳感器系統提供低功耗狀態(tài)和正常工作時(shí)所需電量，大電容充則用于支持傳感器系統進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)等功耗較大狀態(tài)所需電量。

升降壓模塊根據負載的需要，將電壓穩定在3.3 V輸出。電路采用兩級變壓和雙電容蓄能方式，在一定程度上降低了電能轉化效率，但大大提高了系統蓄能，并縮短了電路啟動(dòng)時(shí)間和充電間隔，為無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊提供了可靠能源。

2 能量收集存儲電路設計

2.1 超低工作電壓?jiǎn)?dòng)電路

溫差發(fā)電是將余熱、廢熱等低品位能源轉換為電能的一種有效方式，但溫差發(fā)電效率遠低于火力發(fā)電、水力發(fā)電、光伏發(fā)電等常見(jiàn)的發(fā)電方式。電路采用的TEG1—241系列溫差發(fā)電片，發(fā)電效率約為3%，當溫差為40℃，發(fā)電功率為800 mW。但在實(shí)際應用中，由于散熱材料和尺寸的限制，溫差常小于10℃，電壓低于1V，甚至低于0.5 V。

對于傳統的充電泵，如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統的DC/DC轉換器內部的電路不能正常工作。為了克服這一難點(diǎn)，系統采用精工電子有限公司推出的S-882Z超低電壓升壓的方案，該芯片采用了完全耗盡型SOI技術(shù)，能在0.3～0.35 V輸入超低電壓下工作，給微弱電壓電源的應用開(kāi)創(chuàng )了良好的條件。

使用該芯片可以將輸入工作電壓Vin的范圍擴展到0.3 V，并且對于輸入電壓在0.9 V以上(包括0.9 V)，但需較大輸出電流情況下激活的升壓式DC/DC轉換器來(lái)升壓，均可用S-882Z來(lái)啟動(dòng)升壓式DC/DC轉換器。所以，對于溫差片發(fā)電等超低電壓的應用而言，顯然具有實(shí)際意義。本系統采用S-882Z芯片的升壓穩壓電路如圖2所示。

其中，升壓電力存儲在外接的啟動(dòng)用電容器C4中，C4電壓大于0.3 V時(shí)S-882Z中振蕩電路開(kāi)始工作，并將轉換后的升壓電力緩慢充至C3，用于啟動(dòng)升壓DC/DC，合理選用C3、C4的容量可以實(shí)現升壓DC/DC的超低壓快速啟動(dòng)。D3是一個(gè)5 V穩壓二極管，當Vin大于5V時(shí)導通，用于保護升壓芯片U1輸入電壓不超過(guò)5 V。這種結構確保了溫差發(fā)電片在低溫差情況下能量的高效利用。

2.2 超級電容蓄能電路

系統采用超級電容作為系統的蓄能原件，將升壓后的電能儲存在超級電容內，并在需要時(shí)將能量送入系統。超級電容是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲能元件，存儲能量可達到靜電電容器的100倍以上，同時(shí)又具有比電池高出10～100倍的功率密度，具有充電速度快使用壽命長(cháng)、低溫性能優(yōu)越等特點(diǎn)。

電容在放電過(guò)程中能夠為系統提供的能量，即有效蓄能可表示為：

其中，U1是電容的放電閾值電壓，U2是電容的充電閾值電壓。放電時(shí)C越大，電容能夠提供的能量E也越大;充電時(shí)C越大，根據計算電容達到放電閾值電壓U1的時(shí)間也越長(cháng)。當電容C不變時(shí)，蓄能系統是無(wú)法同時(shí)實(shí)現縮短充電時(shí)間和提供更大能量?jì)蓚€(gè)目標的。根據傳感器系統大部分時(shí)間工作在低功耗狀態(tài)的特點(diǎn)，本文設計了雙電容蓄能模式，蓄能電路如圖3所示。

其中C22為小電容，C21為大電容.充電時(shí)，5 V輸入電壓經(jīng)防反充肖特基二極管D21和D22后首先為C22充電，當C22電壓大于放電閾值電壓U1后，C21才開(kāi)始充電。當C21未達到充電閾值電壓U2前，蓄能系統通過(guò)C22向外提供能量，當C21電壓超過(guò)U2后，蓄能系統向外提供的能量相當于6倍的C22。這種方式既能滿(mǎn)足傳感器系統在低功耗狀態(tài)下快速啟動(dòng)的需要，又為高功耗狀態(tài)提供了強大的能量后備。

3 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊設計

無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊包括微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊及傳感器模塊。由于溫差發(fā)電產(chǎn)生的能量較弱，因此系統無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)按照低功耗原則設計，無(wú)線(xiàn)處感器節點(diǎn)為間歇工作模式。無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)硬件電路如圖4所示。

微處理器模塊采用MSP430F149，該單片機是一種16位的混合信號處理器，具有一個(gè)12位8通道自帶采樣保持的模數轉換器(ADC)和6個(gè)通用8位I/O口，外部工作電壓典型參數為3.3 V。無(wú)線(xiàn)模塊選用CMT-20LP無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，其工作頻率為2.4 GHz，具有高可靠的數據傳輸速率，最高可達2 Mbps;其功耗低，發(fā)射模式下工作電流為30 mA，接收模式下工作電流為25 mA，休眠電流為2.2μA。CMT-20LP模塊采用線(xiàn)性調頻(CSS)調制方式，信號帶寬為22 MHz和80 MHz，內嵌無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片NA5TR1，增加了輸出PA(功率放大器)、輸入LNA(低噪聲放大器)、收發(fā)轉換控制電路，輸出已匹配到50 Ω，使用非常方便。

對于傳感器模塊選型，以環(huán)境溫度為例，傳感器模塊選用DS18B20溫度傳感器。獨特的單線(xiàn)接口方式使其在與微處理器連接時(shí)僅需一條接口線(xiàn)，即可實(shí)現微處理器與傳感器的雙向傳輸，節約了I/O口，測溫范圍為-55～125℃，固有測溫分辨率為0.062 5℃，工作電壓為3～5 V，測量結果以9～12位數字量方式串行傳送。在使用中無(wú)需任何外圍器件，因此可簡(jiǎn)化節點(diǎn)硬件設計，減小節點(diǎn)體積，提高可靠性。

由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中選用的微處理器模塊和傳感器模塊工作電壓均為3.3 V。該系統工作過(guò)程中電源供給來(lái)源于溫差發(fā)電片。充電泵模塊將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓提升并穩定在5 V，給超級電容蓄能充電。電容存儲的能量用于支持寬范圍升降壓芯片TPS63030(其輸入電壓為1.8～5.5 V)轉化為3.3 V電壓，為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)提供電源。

該裝置啟動(dòng)后工作電流為100 mA左右。傳感器節點(diǎn)一旦啟動(dòng)，長(cháng)期工作在低功耗狀態(tài);每次進(jìn)入典型工作狀態(tài)連續工作時(shí)間在10 s左右;每間隔10 min則進(jìn)入大功耗狀態(tài)一次，連續工作不少于20 s。能量供應模塊設計使用了一片TEG1-241發(fā)電片，溫差為10℃以上即可發(fā)電，平均輸出電壓0.6 V，輸出電流50 mA，采用0.02 F和1 F兩個(gè)超級電容蓄能，放電域值電壓為3 V，可充至以上。

電路由于各種原件損耗，系統整體轉化效能在80%左右。由電容能量轉換可得，小電容蓄能到3 V時(shí)需要3 s，此時(shí)，電路啟動(dòng)。如果電路工作在典型工作狀態(tài)，可知電容電壓至4.7 V時(shí)，系統工作時(shí)間理論值為25.8 s?？紤]到系統效能的因素，實(shí)際可工作時(shí)間在20 s左右。若系統一直處于低功耗狀態(tài)，雙電容充電至4.7 V的時(shí)間根據換算為375 s;當系統處于大功耗狀態(tài)時(shí)，工作時(shí)間理論值為32 s?？紤]到系統效能的因素，實(shí)際可工作時(shí)間在24 s左右。采用溫差片發(fā)電和超級電容蓄能的方式產(chǎn)生的功率大于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中溫度傳感器、單片機和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的功率，此時(shí)能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)工作需求。

結語(yǔ)

本文提供了一種基于溫差發(fā)電的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計方案，通過(guò)選擇低功耗單元芯片，設計硬件接口，構建了一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。實(shí)驗結果表明，該裝置具備啟動(dòng)時(shí)間短，對散熱要求不高，支持間歇大功率輸出的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射模塊傳送的距離可達100 m，可直接放置于發(fā)動(dòng)機排氣管、空調出風(fēng)口、冷熱水管等物體表面，實(shí)現微弱能源的采集和利用，能有效解決無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能源供電問(wèn)題，具備較高的實(shí)用價(jià)值。