基于CC2430的无线传感器供电电源设计

王亭岭，熊军华，陈建明

（①华北水利水电学院，河南 郑州 450011; ②北京航空航天大学，北京 100191）

0 引言

在电力系统中，高电压、大电流供电设备随处可见，这些设备在母线承载电流过大或开关接触电阻过大时，极易引起过高的温升，若得不到及时解决将使绝缘部件性能降低，甚至导致击穿，造成恶性事故。因此及时测量高压母线接头和高压开关触点温度，为采取有效措施提供信息，将是电力系统安全运行的重要保障。

现在研究无线传感器网络节点设备的基础上，提出了在无现场供电的情况下，利用单晶硅太阳能电池结合半导体温差发电技术在高温、高压环境下为测温和控制电路持续提供电能，实时进行数据采集和处理，理想的实现了高压测温一次设备和二次监测设备的电隔离。重点解决了连续阴雨天时，设备出现发热现象但太阳能电池不能正常启动测温传感器的问题，利用半导体温差发电技术及时启动测温电路，做到了实时故障监测，保证系统安全可靠的运行。

1 测温传感器系统框图

ZigBee是基于IEEE 802.15.4的无线通信协议，它的协议结构由物理层(PHY)、介质访问层(MAC)、网络层(NWK)、应用层组成。ZigBee建立在IEEE 802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。这种网络是中短距离、低速率无线传感器网络，具有射频传输成本低、功耗低、快速组网自动配置、自动恢复等优点[1]。该设计采用ZigBee星形网络拓扑结构，由1个网络协调器（FFD）、1个路由器（根据传输距离的远近来选择）和多个传感器节点（RFD）组成。无线测温传感器网络由测温传感器节点、路由器、网络协调器及监控中心组成，如图1所示。

图1 无线测温传感器网络的构成

无线测温传感器（RFD）用于采集温度信息并发送给网络协调器（FFD）；路由器负责RFD节点与网络协调器间的数据转发，同时负责环境温度的采集，并及时发送到网络协调器；网络协调器用于建立一个新的无线传感器网络，接收信息，发送控制命令；监控中心（上位机）通过RS-232串口实现与网络协调器的通信。

基于ZigBee网络的无线测温传感器节点（RFD）由三部分组成：太阳能发电主回路、半导体温差发电及升压/稳压回路和ZigBee节点测温与控制电路，如图2所示。

图2 测温节点原理

2 太阳能发电主回路分析

太阳能发电模块选用单晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，这种太阳能电池以高纯度的单晶硅棒为原料，目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右。图2中选用的单晶硅太阳能电池片，工作电流为100 mA，开路电压为3 V，尺寸为36 mm×10 mm×1 mm。图2中的超级电容即法拉电容，它是一种储能元件，储能过程是可逆的。一般法拉电容可以反复充放电数十万次。法拉电容有很多优势：与电池相比，法拉电容在额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出；与传统电容相比，同体积的法拉电容可以存储更多的能量；法拉电容可以快速充电且可以反复循环数十万次，而电池的寿命仅几百个循环[2]。实验测得，在弱光照射并带负载（负载为CC2430芯片）时，100 mA-3 V的太阳能电池给30 F-2.5 V超级电容充电，充满时大约需要1小时；在强光照射并带负载时，100 mA-3 V的太阳能电池给30 F-2.5 V超级电容充电，只需5分钟左右就可以启动负载，15分钟左右就能将电容充满，实测负载的启动电压为1.81 V。不同光强照射下超级电容充电曲线如图3所示。

3 半导体温差模块发电分析

半导体温差发电模块是根据塞贝克效应制成的，即把两种半导体的接合端置于高温，处于低温环境的另一端就可得到电动势[3]。将p型半导体和n型半导体在热端连接，则在冷端可得到一个电压。一个 pn结所能产生的电动势有限，将很多个这样的 pn结串联起来就可得到足够的电压，成为一个温差发电模块。

图3 不同光强下的电容充电曲线

半导体温差发电模块主要利用其冷面和热面之间的温差来产生电能，因此如何获得热源以及如何降低冷面的温度是至关重要的。在设计中，由电气设备的接线排直接作为热面的加热源，冷面加装散热片。电气设备的接线排在出现发热故障时，温度可上升到333～393 K。

半导体温差发电存在的突出问题是输出电压不稳定，当温差较小时输出电压也很小。当温差发电模块冷、热面温差小于25 K时，开路输出电压小于1 V，要保证后续单片机电路正常工作，必须采用升压式充电泵或升压式DC／DC转换器。图 2中采用 TI公司新近推出的一款超低输入电压同步DC/DC转换器TPS61200。该IC的主要特点：效率高；根据输入电压的大小能自动转换成升压模式或降压模式；静态电流小（小于50 μA）；输入电压在0.5 V时，在满负载时也能启动工作；输入工作电压范围宽，从 0.3～5.5 V。特别适合于太阳能电池、燃料电池、温差或振动发电的供电条件的应用。

图2中选用两块半导体温差模块串联而成，输出电压为1.2 V。有温差时，半导体温差发电模块对1 F-2.5 V超级电容进行小电流充电。实验测得，温差变化时充电电流在几个毫安至十几个毫安变化。当1 F超级电容端电压上升到0.75 V时，TPS61200升压芯片开始工作，工作曲线如图 4所示。当1F超级电容跌到0.63时，TPS61200停止工作。经过多次单独对50 F超级电容脉冲充电，会使其电压升到0.5 V左右。如果温差很大，电压提升的幅度会更大。

4 测温节点主电路分析

图2中，无线测温节点核心部件采用Chipcon公司生产的2.4 GHz射频系统单芯片CC2430。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430芯片还具有电池容量监测功能。CC2430一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，十分节省电能。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2430特别适合那些要求低功耗的应用[4]。

图4 TPS61200工作曲线

在RFD节点加入网络时电流损耗较大，CC2430工作时的开启电压在1.75～1.85 V之间（不同的芯片会有所不同），为了防止50 F超级电容驱动CC2430加入网络时，电压跌落到1.8 V以下，而RFD节点又没有成功加入网络，设计采用CC2430电池容量监测功能。当50 F超级电容端电压上升到1.95 V时，RFD节点才允许加入网络。实验测得RFD节点加入网络成功后，50 F超级电容端电压从2.95 V跌到1.75 V时，可发送数据4 270次左右。最不利的情况下（连续阴雨天），50 F超级电容在2.95 V时，RFD节点以每分钟发送一次数据的频率进行工作，可以连续工作3天左右。如果太阳能电池在效率下降而又发生故障时，半导体温差发电模块将起主导作用，同样可以驱动RFD节点正常工作，实现故障及时报警。

CC2430的射频信号采用差分方式，其最佳差分负载阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配电路需要根据这一数值进行调整。该设计采用50欧姆单极子天线，由于CC2430的射频端口是差分形式具有两个端口，而天线是单端口，因此需要使用平衡/非平衡阻抗转换电路(巴伦电路)，以达到最佳收发效果。通常，Zigbee的发射功率在0～+10 dBm，通信距离范围为10 m，可扩大到约300 m，其发射功率利用设置的相应服务原语进行控制。

温度传感器为TC77，它是SPI串行接口的数字硅温度传感器，特别适合于低功耗、低成本、低尺寸应用。温度数据由内部温度敏感元件转换得到，随时可以转换成13位的二进制补码数字。与CPU之间的通信通过SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一个±12位的ADC，温度分辨率为0.062 ℃，TC77可以精确到±1 ℃，工作电流仅250 µA。为了节省电能，温度采集的间隙应使TC77处于关断模式，在关断模式期间，TC77的电流消耗低于1μA，能最大限度的降低功耗。

5 测温节点的软件设计

无线传感器网络处理信息的简单办法是RFD节点定时向网络协调器发送数据，网络协调器再将数据通过串口上传到监控中心，实现温度信息的及时采集。定时时间从几秒至几分钟可调，定时时间越长RFD节点持续工作的可靠性越高。但定时时间加长后，温度信息的采集就会滞后，影响故障信息的及时报警。为了兼顾可靠性和及时性的矛盾，对RFD节点的程序设计进行了优化，设计采用温差的变化来确定发送数据的频率。由于报警信息的内容是温度的差值，即电气设备连接点的温度减去环境温度。单纯使用电气设备连接点的温度不能客观的反映设备是否发热。在正常情况下，电气设备连接点的温度随昼夜的变化较大，而温差则变化较小。为了使RFD节点减少功耗，RFD节点只负责采集电气设备连接点的温度，环境温度由置于室外的路由器采集。路由器由现场提供的直流电源供电，负责RFD节点与协调器之间的数据转发，同时也负责环境温度的采集，并及时发送到网络协调器。网络协调器根据RFD节点的请求来决定是否将环境温度发送到RFD节点。RFD节点获取环境温度并计算出温差后，通过查表来确定是否发送温差信息，并根据温差变化的趋势来决定发送温差信息的频率。RFD节点程序流程图如图5所示。

图5 RFD节点程序流程

软件部分需要解决的问题包括：温度信息的采集；温度信息的发送；RFD与协调器的无线通信；协调器与上位机的有线通信等。为了降低功耗，温度采集的间隙应使TC77处于关断模式，在关断模式期间，TC77的电流消耗低于1 μA。RFD节点发送完温度信息后应立即进入睡眠状态，从而最大限度的降低功耗。针对网络协调器和RFD节点，程序所用的协议栈是一样的，所以都在一个工程中，主程序包含所有节点的初始化程序，利用条件编译分别下载到不同的节点中[5]。

6 结语

基于CC2430的无线传感器通过采用半导体温差发电模块结合太阳能电池所提供的电能，解决了变电站测温现场供电不便的难题，同时也避免了电池供电需频繁更换的繁琐。基于ZigBee的无线测温管理系统在郑州某110 kV变电站进行测试的相关数据如下：RFD与FFD的通信距离最远可达80m，FFD与PC通信距离可达10m（制作的RS-232数据线为10m），无线传感器网络建立的时间小于1 s，RFD加入网络的时间小于5s，PC机上的监控信息刷新时间小于10s，达到厂家提出的实时监控的要求。阴雨天时RFD节点可连续工作3天以上，晴天时RFD节点可持续工作。路由器和协调器由现场提供的直流电源供电。测试期间现场无故障，半导体温差模块的作用没有显现出来。变电站的电磁干扰对无线传感器网络管理系统无影响。测试结果表明，所设计的无线传感器网络管理系统是成功的。

[1] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008:15-16.

[2] 邓梅根,张治安.双电层电容器材料最新研究进展[J].炭素技术,2003(04):25-30.

[3] 林玉兰,吕迎阳.基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置[J].电源技术,2006(01):39-40.

[4] 刘任庆,刘莉娜.基于ZigBee技术的工业无线温度变送器的设计和实现[J].通信技术,2009,42(06):188-190.

[5] 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007:34-35.