無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )電源智能控制系統方案

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種由傳感器節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò )，能夠實(shí)時(shí)地監測、感知和采集節點(diǎn)部署區的觀(guān)察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象)，并對這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最終發(fā)送給觀(guān)察者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在軍事偵察、環(huán)境監測、醫療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )大部分是采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣。而且數量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最重要的設計準則之一。在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)有些模塊不工作或者處于休眠狀態(tài)時(shí)，就可以將其供電電路斷開(kāi)以節約用電，當有指令將其喚醒時(shí)，則接通其供電電路以保證系統的正常工作。這樣便可有效節約電能，延長(cháng)電池的供電時(shí)間和使用壽命，同時(shí)也保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的工作質(zhì)量，延長(cháng)了使用壽命。

1 系統電源模塊硬件設計

本系統電源模塊主要對電源檢測、電源開(kāi)關(guān)智能控制以及電源轉換進(jìn)行了設計。電路系統硬件構成框圖如圖1所示。

本電源系統各部分主要實(shí)現的功能如下：供電電源由2塊12V的鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，為系統提供24V的直流電壓；電池檢測模塊主要是通過(guò)對供電電源的輸出電壓進(jìn)行取樣，以獲取蓄電池的電量消耗信息，實(shí)時(shí)對電池充電以保證整個(gè)系統正常穩定的工作；電源各路開(kāi)關(guān)控制模塊主要是根據系統負載的工作狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制決定是否為該負載供電，以此來(lái)降低待機功耗，延長(cháng)電池的使用時(shí)間；電源變換模塊主要用模塊DC-DC轉換器作為構建單元實(shí)現電源電壓的轉換為負載提供合適的電壓。

1.1 電池檢測模塊電路設計

電池檢測模塊通過(guò)對供電電源輸出電壓取樣來(lái)判斷蓄電池的電量是否充足。在此將電源輸出電壓劃分為：25V以上為電池電量滿(mǎn)狀態(tài)、24.2～25 V為電池電量充足狀態(tài)、23.5～24.2 V為電池正常工作狀態(tài)、22.8～23.5 V為電池電量不足但尚能工作狀態(tài)、22.8V以下為電池不能正常工作狀態(tài)5個(gè)狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)讀取來(lái)判斷電池能否正常為整個(gè)系統供電，決定是否為電池充電，以保證整個(gè)系統的正常運行。該模塊電路結構如圖2所示。

該模塊電路主要由低壓差線(xiàn)性調壓器(LMlll7)、取樣電阻(R1，R2，R3，R4，R5)、電壓比較器(LMl39)、反相器(74HC04)以及編碼器(74HCl48)構成。低壓差線(xiàn)性調壓器LMlll7提供3.3V的基準電壓，與取樣電阻所獲得的取樣電壓輸入電壓比較器LMl39進(jìn)行比較，再由電壓比較器輸出的高低電平，經(jīng)過(guò)反相器74HC04輸入到編碼器74HCl48中進(jìn)行編碼，通過(guò)編碼器輸出的二進(jìn)制碼來(lái)反映電池電量信息。

電池電壓取樣電阻網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)取樣電阻的組合對電池的輸出電壓進(jìn)行分壓取樣，各電阻端點(diǎn)對應的電池電壓狀態(tài)值分別為：R2對應22.8V，R3對應23.5V，R4對應24.2V，R5對應25V。當電池輸出的電壓值等于各個(gè)電阻設定的狀態(tài)值時(shí)，則該電阻端取樣電壓為3.3V；當電池輸出的電壓值大于各個(gè)電阻設定的狀態(tài)值時(shí)，則該電阻端取樣電壓大于3.3V；當電池輸出的電壓值小于各個(gè)電阻設定的狀態(tài)值時(shí)，則該電阻端取樣電壓小于3.3V。取樣電阻R1，R2，R3，R4，R5的取值可由下面的方程組求得：

解得：

編碼器74HCl48低電平有效，所以在比較器LMl39的后面又接了反相器74HC04，編碼器輸入/輸出的二進(jìn)制碼(真值表)與電池電壓的關(guān)系如表1所示。

1.2 電源各路開(kāi)關(guān)控制模塊電路設計

該電源系統各支路的開(kāi)關(guān)控制主要由場(chǎng)效應管構成的開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現。實(shí)現該功能的電路結構如圖3所示。

場(chǎng)效應管選擇了增強型P溝道場(chǎng)效應管IRF9640和增強型N溝道場(chǎng)效應管VN2222L。以場(chǎng)效應管IRF9640作為開(kāi)關(guān)管來(lái)控制電路的通和斷，以場(chǎng)效應管VN2222L作為開(kāi)關(guān)控制管來(lái)控制場(chǎng)效應管IRF9640的開(kāi)和關(guān)。當控制信號輸入端輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)電路導通；當控制信號輸入端輸入低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)電路斷開(kāi)。經(jīng)過(guò)試驗測得：當控制信號電壓從0V逐漸上升到1.8V時(shí)開(kāi)關(guān)導通；當電壓從高電平(如3.3V)逐漸下降到1.8V時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。此開(kāi)關(guān)電路的性能如圖4所示。

1.3 電源轉換模塊電路設計

電源轉換電路芯片主要選用的是金升陽(yáng)公司的DC/DC模塊電源并配以78系列三端穩壓電源。

DC/DC模塊電源產(chǎn)品特點(diǎn)有：寬電壓輸入(2：1～4：1)，效率高達85%，高低溫特性好，能滿(mǎn)足工業(yè)級產(chǎn)品技術(shù)要求，工作溫度：-40～+85℃，隔離電壓1500V DC，雙輸出，金屬屏蔽封裝，國際標準引腳方式，MTBF>1000000h。

為了確保在滿(mǎn)負載條件仍能很好地保持在最佳的工作狀態(tài)，需要外加電容，為了進(jìn)一步減少輸人/輸出紋波，可將輸出電容Cout電容值適當加大或選用串聯(lián)等效阻抗值小的電容器，但電容值不能太大。DC/DC模塊電源VRA2412D的輸入/輸出外接電容分別選擇了100μF的電容，WRA2405CS的輸入輸出外接電容分別選擇了22μF和100μF的電容；78系列三端穩壓電源據典型電路應用輸入輸出外接電容分別選擇了0.33μF和0.1μF的電容。

2 結 語(yǔ)

闡述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本概念，分析了電源模塊對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )整個(gè)系統能否安全可靠工作的至關(guān)重要性，詳細介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )電源系統的構成以及各模塊的電路結構和功能的實(shí)現過(guò)程，并通過(guò)實(shí)驗調試證明其性能達到了預定的性能要求。