趙家敏

(云南開(kāi)放大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，云南昆明650223)

一種用于無(wú)線傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)供電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙家敏

(云南開(kāi)放大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，云南昆明650223)

節(jié)點(diǎn)的能量消耗是限制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要因素之一，能量消耗不可避免，如何設(shè)計(jì)一種高效可循環(huán)的能量系統(tǒng)對(duì)于促進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展具有重要的意義。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上采用太陽(yáng)能自供電技術(shù)可以有效地提高傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命和降低能耗。通過(guò)對(duì)比分析，設(shè)計(jì)出一套基于太陽(yáng)能發(fā)電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)具有可靠性高，節(jié)能效果好的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣價(jià)值。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn)供電;太陽(yáng)能

以物聯(lián)網(wǎng)為首的新一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的興起正在促使著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的飛速發(fā)展?，F(xiàn)在比較成型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)主要包括：紅外、藍(lán)牙、ZigBee、WiFi。這些無(wú)線通信技術(shù)有一種共同點(diǎn)就是需要對(duì)所連的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)情況下節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常大，且多布置在例如原始森林，沙漠等環(huán)境相對(duì)惡劣的室外，這樣就造成了節(jié)點(diǎn)的能源瓶頸。一方面為了控制單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本使得不能夠攜帶大容量的電源，另一方面又不得不面對(duì)由于能量不足而造成的節(jié)點(diǎn)消耗。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們開(kāi)始對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自供電技術(shù)的設(shè)計(jì)和研發(fā)。可以使用在無(wú)線傳感器供電部分的主要有太陽(yáng)電池、溫差電池、環(huán)境電磁波供電等。不過(guò)受到技術(shù)發(fā)展等現(xiàn)實(shí)性條件的限制，太陽(yáng)電池自供電系統(tǒng)受到了大多數(shù)人的認(rèn)可。

現(xiàn)有的太陽(yáng)能供電方案主要包括以下幾種：

太陽(yáng)能直接供電方案：本方案由太陽(yáng)電池板和可充電的鋰電池組成，本方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是會(huì)造成鋰電池的持續(xù)放電充電，經(jīng)過(guò)多次充放電過(guò)程鋰電池儲(chǔ)電量明顯下降，造成使用壽命降低[1]。

超級(jí)電容方案：為了降低鋰電池的充放電頻率，在太陽(yáng)電池板和鋰電池之間加入一塊超級(jí)電容。超級(jí)電容可以存儲(chǔ)一定的電量，等到鋰電池的電壓降低到一定值之后，超級(jí)電容會(huì)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。這樣雖然最大限度地降低了鋰電池的充電頻率，但是歸根到底還是在使用鋰電池對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，并沒(méi)有從源頭上解決問(wèn)題[2]。

為了解決這一問(wèn)題，本方案設(shè)計(jì)以太陽(yáng)能板和鋰電池供電相結(jié)合的供電方式，最大限度地在供電系統(tǒng)中解放鋰電池，延長(zhǎng)鋰電池的工作壽命，從而增加節(jié)點(diǎn)的使用周期，進(jìn)而使得整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定。

1　供電系統(tǒng)整體方案

本方案的設(shè)計(jì)思路為在供電的過(guò)程中盡可能地使用太陽(yáng)電池板對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。當(dāng)有陽(yáng)光照射的時(shí)候，通過(guò)太陽(yáng)能板的電壓如果達(dá)到一定的閾值之后便直接進(jìn)行太陽(yáng)能板對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，在條件允許的范圍內(nèi)同樣可以分出一部分能量用于充電電池的充電。如果太陽(yáng)能板的電壓不能夠?qū)?jié)點(diǎn)板進(jìn)行供電則由電池對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，這樣便實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的連續(xù)性工作。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的方案設(shè)計(jì)，主要需要以下幾個(gè)部分：

(1)電源部分：該部分包括太陽(yáng)電池板和可充電電池。太陽(yáng)電池板在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著給可充電電池充電和為傳感器節(jié)點(diǎn)供電的雙重任務(wù)，其選取要考慮輸出功率能夠滿足電路的負(fù)載要求才可?？沙潆婋姵貏t要盡可能地選擇體積小、質(zhì)量輕、充放電次數(shù)多的電池。

(2)電路部分：該部分包括切換開(kāi)關(guān)電路、充電管理電路、放電保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路。切換開(kāi)關(guān)電路主要負(fù)責(zé)太陽(yáng)電池板直接供電和可充電電池供電兩種模式的選擇。充電管理電路則是負(fù)責(zé)通過(guò)檢測(cè)電池的電壓從而防止電池過(guò)度充電。放電保護(hù)電路則可以通過(guò)檢測(cè)電池電壓防止電池過(guò)度放電而造成的電池不可逆性的損害。無(wú)論是太陽(yáng)電池板還是充電電池都不可能完全滿足節(jié)點(diǎn)的供電需求，如此一來(lái)就需要一個(gè)穩(wěn)壓電路來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)，最大程度地保護(hù)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)方案具體關(guān)系如圖1所示。

圖1　具體設(shè)計(jì)方案

2　電源部分的選擇方案

太陽(yáng)電池板不僅要為節(jié)點(diǎn)供電，同時(shí)還要負(fù)責(zé)為電池充電，所以要有足夠的負(fù)載功率才能夠?qū)崿F(xiàn)。本方案決定采用135mm×125mm×4mm的多晶硅發(fā)電太陽(yáng)能板。該太陽(yáng)能板的開(kāi)路電壓可到達(dá)7.5 V，標(biāo)稱電壓6 V，最大短路電流300 mA。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，單板最大功率可達(dá)1.8 W。設(shè)計(jì)時(shí)采用兩塊太陽(yáng)電池板并聯(lián)以組成電壓6 V，最大電流600 mA，功率3.5 W的太陽(yáng)電池組。雖然安裝自動(dòng)云臺(tái)可以最大限度地保證太陽(yáng)光照角度，從而獲得最大的轉(zhuǎn)換率，但是自動(dòng)云臺(tái)價(jià)格較高，且工作耗能。經(jīng)過(guò)綜合考慮之后決定放棄自動(dòng)云臺(tái)以獲得最大的效益。

充電電池則是選擇900 mAh的083035聚合物鋰電池。一方面鋰電池質(zhì)量輕、充電效果好并且可以多次循環(huán)充放電，在循環(huán)充放電500次后仍舊可以保持80%的充電量。另一方面在傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時(shí)峰值電流為24 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)峰值電流為29 mA，傳感器節(jié)點(diǎn)工作電流為30 mA。為簡(jiǎn)便計(jì)算，傳感器節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)工作電流按 60 mA計(jì)算，900 mAh/60 mA=15 h。故該電池可連續(xù)保證節(jié)點(diǎn)工作15 h，由于節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間很短，大多情況下是處于休眠狀態(tài)。因此，此電池在滿電量情況下可單獨(dú)供電超過(guò)45天。

3　電路部分的設(shè)計(jì)方案

3.1切換開(kāi)關(guān)電路

切換開(kāi)關(guān)電路是設(shè)計(jì)的核心部分，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)電路可以實(shí)現(xiàn)鋰電池供電和太陽(yáng)電池板供電相互切換的功能。切換開(kāi)關(guān)電路采用8位串行逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0832和具有高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器AT89S52。具體的設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2　切換開(kāi)關(guān)電路

在該電路上，我們假設(shè)在光照充足的情況下太陽(yáng)電池板的輸出電壓為V0，那么在電阻R3上分得的電壓為V1。通過(guò)ADC0832把模擬量V1轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送往AT89S52進(jìn)行分析。為了保證節(jié)點(diǎn)板的正常供電，考慮到電量在傳輸中的損耗，在系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)太陽(yáng)電池板的輸出電壓不低于3.7 V時(shí)才使用。由分壓的過(guò)程可知：

即只有檢測(cè)到R3端的電壓V1不低于3 V的時(shí)候太陽(yáng)電池板的輸出電壓才能夠達(dá)到3.7 V。R3端的電壓值V1源源不斷地經(jīng)由 ADC0832變化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò) P1.2口送到AT89S52進(jìn)行分析。由于D0和D1口不能同時(shí)連接到P1.2口，所以把D0和D1連接在一起送到P1.2。AT89S52通過(guò)對(duì)所傳數(shù)字量進(jìn)行分析后通過(guò)P0.7口控制一個(gè)繼電器，當(dāng)電壓大于3 V時(shí)繼電器撥向太陽(yáng)電池板方向，利用太陽(yáng)電池板進(jìn)行供電；當(dāng)電壓小于3 V時(shí)繼電器撥向鋰電池方向，進(jìn)行鋰電池供電。如此便實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池板供電和鋰電池供電的選擇。

3.2充電管理電路

充電管理電路是太陽(yáng)能自供電系統(tǒng)的常備電路，其主要功能是將收集到的能量有效地存儲(chǔ)到鋰電池中。同時(shí)充電管理電路還負(fù)責(zé)檢測(cè)鋰電池的電壓，當(dāng)電壓低于預(yù)定值后才進(jìn)行充電動(dòng)作，當(dāng)充電完成后實(shí)現(xiàn)斷電，以保護(hù)鋰電池不過(guò)度充電。充電管理電路如圖3所示。

圖3　充電管理電路

3.3放電保護(hù)電路

為了防止鋰電池過(guò)度放電造成鋰電池的不可逆損傷，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中添加了放電保護(hù)電路。傳統(tǒng)意義上的放電保護(hù)電路使用一路ADC來(lái)不斷地檢測(cè)電池電壓，但是ADC會(huì)在這個(gè)過(guò)程中不斷消耗電量，為了更加有效地節(jié)省能源，本設(shè)計(jì)采用理光R5421鋰電池保護(hù)芯片對(duì)鋰電池放電進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)。該芯片在一定條件下會(huì)切斷電池的充、放電動(dòng)作，從而對(duì)鋰電池進(jìn)行強(qiáng)有力的保護(hù)。保護(hù)電路圖如圖4所示。

圖4　放電保護(hù)電路

3.4穩(wěn)壓電路

由于采用的太陽(yáng)電池板的放電電壓為6 V，鋰電池的放電電壓為3.6～4.2 V，而節(jié)點(diǎn)板對(duì)于電壓要求較高，需要穩(wěn)定為3.3V，所以需要在進(jìn)入節(jié)點(diǎn)板之前通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓電路。本設(shè)計(jì)中采用ASM1117對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)壓操作，具體的電路圖如圖5所示。

圖5　穩(wěn)壓電路

4　結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于太陽(yáng)能的自供電系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在現(xiàn)在常用的太陽(yáng)能自供電設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加了太陽(yáng)電池板直接供電和可充電鋰電池供電的雙重供電模式，當(dāng)太陽(yáng)電池板的電壓達(dá)到一定閾值(本設(shè)計(jì)采用閾值為3.7 V)之后便由太陽(yáng)電池板直接供電，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)才由鋰電池供電。這樣的設(shè)計(jì)最大程度上降低了鋰電池的使用時(shí)間，從而延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。本設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)可以應(yīng)用在大多數(shù)的野外環(huán)境，例如對(duì)大面積森林的信息采集，對(duì)大片農(nóng)田的信息采集等。

[1]胡奇勛,段渭軍,王福豹.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(2):23-26.

[2]張強(qiáng),楊濤.用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的自供電傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(2):34-37.

Design of WSN node power supply system

ZHAO Jia-min
(School of Urban Construction,Yunnan Open University,Kunming Yunnan 650223,China)

The energy consumption of the node is one of the development limits of the wireless sensor network (WSN).Due to the inescapability of energy consumption,it is important to design an efficient and recyclable energy system to boost the development of the WSN.In the WSN nodes,solar-energy can effectively improve the node's life and reduce energy consumption.A system based on solar-energy was designed.The experiment results show that this system has good reliability and can save more energy with a certain value of popularization.

WSN;energy for node;solar-energy

TM 914

A

1002-087 X(2016)10-2071-03

2016-03-05

趙家敏(1976—)，男，云南省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榻ㄖ姎庠O(shè)備。