基于太阳能的无线传感器网络节点供电系统设计

王战备

(陕西理工学院物理与电信工程学院，陕西汉中723003)

无线传感器网络节点通常以随机方式部署在野外或复杂环境中，承担着一定区域内的协同感知、采集环境或监测对象信息的功能.对于无线传感器网络节点而言，获得持续的电源供给是其正常工作的重要保障.受部署方式及工作环境限制，野外环境中的无线传感器网络节点一般难以通过电力系统获得持续的电源供给，大多采用容量有限的电池供电，这就使得无线传感器网络节点在工作过程中要定期更换电池，严重影响无线传感器网络工作的连续性，同时也增加了网络维护的难度及成本.因此设计性能稳定、成本低廉、能为无线传感器网络提供持续能量供给的电源系统就成为当务之急.近几年，随着太阳能光伏技术的不断发展，基于太阳能设计无线传感器网络电源系统已成为当前研究的主要方向.

胡奇勋［1］等设计无线传感器网络节点太阳能供电系统，该系统仅实现了基于太阳能的电池充电及电池充放电管理功能，并利用DC-DC变换电路将电池输出转换为5 V和3.3 V节点工作电源.杨志勇［2］等设计无线传感器网络节点电源系统，该供电系统设计思路与胡奇勋等人设计思路的基本相同，不同点在于输出为5V、12V工作电源.张强［3］等设计传感器网络节点自供电系统，该供电系统在太阳能电池板与充电电池之间配置一定容量的超级电容，在电池电压不足时由电容为电池充电，该供电系统还是采用电池为节点供电，仅做了电池充电过程的优化设计.张静静［4］等设计基于太阳能的传感器网络节点系统，该节点系统中供电部分采用超级电容供电与电池供电相结合的方式，利用MPPT控制太阳能以最大输出功率为电容充电，并在不同条件下，分别由电容和电池为传感器节点提供工作电压，将超级电容中所储电能作为节点电源的有效补充.

本文提出一种基于太阳能的无线传感器网络节点供电系统，该系统在实现基于太阳能的电池充电、电池充放电保护等功能的基础上，能够自动检测并分析太阳能电池板实时输出电压，并可在输出电压达到预设值时，自动将系统供电源由充电电池切换为太阳能电池板，经降压稳压处理后，为无线传感器网络节点提供持续稳定的工作电源.该系统能在负载能力允许的情况下，合理地利用太阳能电池电量，尽量减小充电电池充放电时间，延长电池使用寿命，最大限度延长网络生存时间.

1 供电系统方案设计

供电系统作为无线传感器网络节点的能量供应系统，是保证无线传感器网络节点正常工作的首要条件.本设计中的无线传感器网络节点供电系统由太阳能电池板、充电锂电池、充电管理电路、放电保护电路、切换开关电路、降压稳压电路等组成，供电系统方案如图1所示.

图1 供电系统方案

太阳能电池板经光照产生的电量既为锂电池充电，又可作为节点供电来源;太阳电池板必须选择适当，以保证其输出功率能够满足负载要求.充电池管理电路和放电保护电路主要完成锂电池的充、放电管理，防止因过压、过流、过放电等对锂电池造成损害，采用充、放电管理芯片设计.切换开关电路是本系统设计的重点，主要功能是实时检测太阳能电池输出电压值，经A/D变换后送往单片机，由单片机分析比较太阳能电池板实时输出电压值与设定阈值的大小关系，并控制太阳能供电回路或电池供电回路通断，从而完成太阳能供电与电池供电的自动切换功能.降压稳压电路主要是将太阳能电池板输出电压或电池输出电压经降压、稳压处理后为无线传感器网络节点提供稳定的工作电源，采用低压差线性稳压器(LDO)设计.

2 供电源选择

本系统中供电源包括太阳能电池板和充电电池，太阳能电池板不仅要为充电电池提供充电电量，同时还要作为系统供电源，因此其必须选择适当，以保证它有充分的负载能力.本系统中太阳能电池板采用115 mm×51 mm单晶硅太阳能电池板，该电池板最大输出电压5 V，最大输出电流150 mA，单板最大功率0.75 W.设计时将4块太阳能电池板并联组成一个最大输出电压5 V，最大输出电流600 mA，最大输出功率3 W的太阳能电池组.考虑到太阳能电池板输出电压和电流受光照影响较大，为保证太阳能电池板持续稳定输出，将太阳能电池组安装在自动云台上，它可使太阳能电池板按照时钟规律转动，不断调整对日角度，尽可能接受太阳直射，最大限度保证太阳能电池板持续稳定输出.锂电池选用电池容量为2000 mAh的充电锂电池，该电池正常放电电压为3.7 V，充满电后电压为4.2 V，正常工作电压为3.6～4.2 V.

由文献［5］可知，无线传感器网络节点在一个工作周期中的平均电流约为13 mA，工作电压3.3 V时，其平均功耗约为40 mW;若太阳能电池以0.2 C/h的充电速度为电池充电，则最大充电电流消耗为400 mAh，因此本设计选择太阳能电池板理论上可满足系统的负载要求.

3 系统电路设计

3.1 充电管理电路设计

充电管理电路采用上海如韵电子的充电管理芯片CN3065，该芯片内部预置一个8位A/D转换电路，能根据输入电源的电流输出能力自动调整充电电流，很适合基于太阳能电池板等电流输出能力有限的电源应用［6］.充电管理电路原理如图2所示.

3.2 放电保护电路设计

放电保护电路采用理光R5421锂电池保护芯片，该芯片主要用于电池的充、放电状态监测电路，在特定条件下可关断充、放电回路，能有效防止由于过放、过充及短路等对电池造成的损坏［7］.电池放电保护电路如图3所示.

当测到电池电压超过4.2 V时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使场效应管FET2由导通转为关断，从而切断了充电回路，电池可以通过该二极管VD2对外部负载进行放电.电池放电过程中，当检测到电池电压低于2.3 V时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使场效应管FET1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用，同时充电电路可通过二极管VD1对电池进行充电.由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时R5421会进入低功耗状态，整个保护电路电流小于0.1 μA.

3.3 切换开关设计

切换开关是本系统的核心，用以实现太阳能电池板供电与电池供电的切换控制功能，采用8位串行逐次逼近式AD转换芯片ADC0832和低功耗、高性能CMOS 8位微控制器AT89S52设计.电路原理如图4所示.

在太阳光照射情况下，太阳能电池板输出电压值V0，经分压在R3上产生电压V1，ADC0832将V1转换为数字量后送往AT89S52分析处理.因太阳能电池板输出电压随太阳光照不断变换，为保证太阳能电池板输出电压能够满足节点的正常要求，系统中设定只有当太阳能电池板输出电压不低于3.6 V时，才能将供电源由充电电池切换为太阳能电池板.由分压过程可知:

即当R3上电压值不低于2.9 V时，太阳能电池板输出电压值才不低于3.6 V.ADC0832不断将R3上的电压转变为数字量，经P1.2口送往AT89S52分析判定，因DO和DI不能同时有效，设计时将DO和DI合并为一条数据线后接单片机P1.2口.AT89S52利用P0.7口控制由三极管Q1组成5 V继电器驱动电路，当R3上电压值大于2.9 V时，驱动控制继电器常开触点闭合，常闭触点断开，接通太阳能电池供电回路;当R3上电压值低于2.9 V时，驱动控制继电器常闭触点闭合，常开触点断开，接通充电电池供电回路，从而实现太阳能电池板供电与电池供电的自动切换.该电路中AT89S52、ADC0832、继电器所需5 V工作电源(VCC)由充电电池经直流升压稳压器GS1662组成的DC-DC电路产生，受篇幅限制，本文未给出详细电路图.切换开关控制软件流程如图5所示.

3.4 降压稳压电路设计

无线传感器网络节点工作电压通常取值为3.3 V.太阳能电池板输出电压随光照强度变化在0～5 V变化，本设计中设定太阳能电池板工作电压为3.6～5 V;充电电池工作电压为3.6～4.2 V，均与节点工作电压不匹配，因此采取降压稳压措施予以处理.本设计中采用低压差线性稳压器(LDO)RT9193－33PB设计降压稳压电路.

RT9193－33PB是一种高纹波抑制比的LDO，输入电压2.5～5.5 V时，输出电压在1.5～5.0 V之间可调，稳压精度2%，最大输出电流200 mA.利用RT9193－33PB可将太阳能电池板或充电电池输出电压转换为稳定的3.3 V输出，为无线传感器网络节点提供稳定的工作电源.降压稳压电路原理图如图6所示.

4 系统测试

以集成温度传感器DS18B20的CC2530无线传感器网络节点为测试负载，测试基于两节点间定时温度采集数据传输过程，定时时长30 min，测试持续5 d(晴天无雨)，环境温度25℃ ～36℃.主要测试了不同时间点太阳能电池板输出、充电电池输出、供电系统输出等电压变化情况及开关切换功能.图7为其中24 h测试数据分布(其余数据分布规律与此相似).

实验测试中，安装在云台上的太阳能电池板能够根据时钟运行规律转动，接受太阳光直射.在夏季晴天光照环境下，从11:00～16:00，太阳能电池板输出电压较为稳定，输出电压值基本维持在4.7～5 V之间，最高输出电压达到4.968 V;锂电池充满电后最高电压为4.201 V，测试过程中锂电池电压基本维持在4.0～4.2 V之间;供电系统输出为3.3 V左右，稳定度较高，平均偏差小于3%;供电源开关切换过程响应迅速、状态持续平稳.

图7 主要测试数据

5 结语

本文所设计的无线传感器网络节点供电系统，实现了基于太阳能的电池充电及充放电保护等功能;能在太阳能电池板输出电压达到设定阈值时，将系统供电源由充电电池切换为太阳能电池板;通过必要的降压稳压措施，将供电源输出转换为稳定输出，为无线传感器网络节点提供符合要求的工作电源.该系统在充分考虑太阳能电池板负载能力的情况下，将太阳电池板作为系统电源的有效补充，可使系统能在适合条件下自动选择系统供电源，达到对用太阳能电池板与充电电池的合理有效使用.该系统可为无线传感器网络节点提供持续稳定的电源供给，最大限度延长网络节点生存时间，可用于农业信息监测、自然环境监测等野外环境下的无线传感器网络应用场合.

［1］胡奇勋，段渭军，王福豹.无线传感器网络节点太阳能电源系统设计［J］.现代电子技术，2011，34(6):199－202.

［2］杨志勇，王卫星.无线传感器网络节点电源系统设计［J］.通信电源技术，2008，25(6):63－64.

［3］张强，杨涛.用于环境监测的自供电传感器网络［J］.仪表技术与传感器，2008，(2):34－37.

［4］张静静，赵泽，陈海明，等.一种高效的太阳能传感器网络节点系统设计与实现［J］.仪器仪表学报，2012，33(9):1952－1958.

［5］王淑珍，周益明，陈娜娜，等.ZigBee无线网络技术在景观灌溉系统中的应用设计［J］.电子技术应用，2010，(5):155－158.

［6］王小强，欧阳骏，纪爱国.无线传感器网络节点太阳能供电系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012，(3):56－59.

［7］杜伟洪.理光R5421锂电保护芯片的应用［J］.电子产品与技术，2004，(10):75－76.