基于太阳能技术的WSN节点多电源设计研究

龚瑞昆， 邓朋浩， 张堪傲

(1. 华北理工大学电气工程学院，河北 唐山 063210；2. 华北理工大学冶金能源学院，河北唐山 063210)

无线技术的不断更新，WSN 以其覆盖范围广、低功耗以及自组织等性能为人们所应用，为水质监测的研究和发展提供了有利条件，但是WSN 的节点大部分都是采用干电池或者蓄电池供电[1]，生存周期较短。太阳能技术的发展，为解决传感器节点能源问题提供了新的手段。太阳能以其无噪声、无污染、无地域限制等优点迅速发展成为最有潜力的可再生能源。文献[1-2]中采用太阳能技术设计自供能的能量管理系统，文献[3]设计太阳电池板和锂电池的双电源系统。在不同的场合WSN 节点的电源部分常常采用不同的供电方式，单片机为主的电源控制系统因其方便性和抗干扰性强渐渐为人们所研究。

本文提出一种单片机为主控制器的多电源供电系统。该系统分为太阳能、锂电池以及储能电容三种供电方式，通过隔离电路对供电方式进行选择，太阳电池和储能电容优先供电，最大限度延长锂电池的使用寿命。

1 多电源供电系统总体框图

供电系统框图如图1 所示，主要由充电管理电路、储能电路、电池保护电路和电源输入隔离电路组成。

图1 供电系统框图

太阳电池板输出电压不稳定，对锂电池充放电管理不合理，因此充电管理电路使用高度集成的芯片CN3722 来进行充电管理，一方面对系统进行供电，一方面对锂电池进行充电，为了避免能量浪费，储能电路中的储能电容将多余的能量储存起来。CN3722 芯片通过对锂电池电压的监测，来避免锂电池被过度充电，而保护电路采用芯片CN301 来避免锂电池过度放电，进而起到保护锂电池的作用。电源输入隔离电路采用LTC4417 芯片智能监测判断充电优先级，DC-DC 电路采用GM2101 芯片集成电路将电源输入电压转换成节点所需电压。

2 系统单元电路设计

2.1 电池的选择

表1 所示为各种电池性能的比较。从表中可以看出，聚合物锂电池相比于其他种类的电池，负荷力要高一些，循环寿命长，自放电率符合低功耗的要求，而且其中没有有毒物质，不会造成环境污染，所以本设计采用聚合物锂电池，一般正常工作电压为3.6～4.2 V。

表1 可充电电池性能比较

2.2 太阳电池板的选取

选取太阳电池板时主要考虑太阳电池板的最大输出电压和电流，还有它的光电转换效率，负载的实际功率等因素，要因地制宜地选择符合当地天气情况的太阳电池板。根据转换效率的高低，太阳电池板可以分为单晶硅和双晶硅，单晶硅的稳定性较好，转换效率相比多晶硅也高一些，但是由于单晶的有刀角而非完整的正方角，制作成本较大，市场使用较少。

本文采用的是单晶电池板，考虑到野外使用时，电池板的体积不宜太大，选用尺寸为100 mm×100 mm。

2.3 充电管理电路模型设计

太阳电池板根据光电效应原理把太阳能转化成电能，通过充电管理电路对系统进行供电。充电管理电路由高度集成的芯片CN3722 构成，芯片性能优越，应用于很多电子设备。它不仅具有太阳电池最大功率点跟踪功能，还具有电池温度监测功能，以及封装外形小、无毒等优点。充电管理电路模型如图2 所示。

图2 充电管理电路模型

当太阳电池板把太阳能转换成电能，输入到芯片CN3722集成的电路，当输入电压大于锂电池端电压，CN3722 对锂电池进行充电。CHRG 引脚输出低电平发光二极管D2亮，表示正在对锂电池充电；DONE 引脚输出低电平发光二极管D1亮，表示充电完成。 芯片CN3722 中MPPT 管脚被调制在1.04 V，配合R8和R9形成对太阳电池最大功率点跟踪，可得公式：

同时还需要考虑一些外接元器件的参数设置。例如，补偿电容C14的数值根据电阻R15和R16设置为：肖特基二极管D3、D4和电感等元器件根据充电电流的大小选择型号；输出电压Vbat和R6、R7组成分压网络与FB 管脚形成反馈回路，输出电压公式为：

在TEMP 脚和GND 脚之间设置控制电路，接入热敏电阻R10，通过监测锂电池温度变化，执行禁止充电操作以此来避免对锂电池过度充电，实现保护作用。

锂电池的充电过程如图3 所示。充电过程分为三个阶段，分别为涓流充电、恒流充电、恒压充电。设置电压检测阈值为3 V，当电压低于阈值时，CN3722 芯片的FB 端检测到电压，对锂电池进行涓流充电，也就是预充电；充电一段时间后，电池电压达到阈值开始第二阶段恒流充电；随着对锂电池的充电，电池电压达到4.2 V 时，充电电流逐渐减小，自动调整为恒压充电模式。这里设置充电结束阈值为2.7 V，当电流减小到结束阈值时结束充电。第三阶段采用小电流主要是为了防止“虚充”。

图3 锂电池充电过程示意图

2.4 电池保护电路设计

保护电路的设计是为了防止锂电池过度放电，延长电池寿命，但是对保护电路本身的功耗也是有要求的，尽可能减少系统功耗。设计选用CN301 芯片组成的低功耗电池电压监测集成电路，搭建电路模型如图4 所示。它的基本工作原理是通过判断是否达到锂电池过度放电低电压阈值，来决定LBO 端的电平高低。当LBO 处于低电平，NMOS 管关断，PMOS 管的栅极电平拉高，电池到负载的放电回路被阻断，电池不能放电。

图4 保护电路模型

通过公式(3)可以利用下行阈值求出LBO 转变为低电平时的电池电压值，也就是电池过度放电的电压值，下行阈值设置为Vfth=1.14 V。从公式中可以看出R1和R2对电池电压影响很大，一般选择阻值比较大的，这里选择R1为200 kΩ，R2为100 kΩ。

2.5 储能电路

储能电路的工作原理主要是利用超级电容将电能储存起来，避免能量的浪费。系统采用HR-2R7-J407UY LR 型号的超级电容，额定电压为2.7 V，额定电容为400 F，它的储能过程不同于化学电源是物理变化，抗干扰能力强，生存周期也长。工作原理如图5 所示。

图5 超级电容工作原理

超级电容是依靠双电层和氧化还原假电容电荷存储电能，当超级电容器两端被加电压时，两个极板会分别存储正、负电荷，极板中间会形成一个电场，为平衡电解液的内电场，电解液中的正负电荷会向两边移动，如此形成双电场，这种电荷分布层叫做双电层，电容量非常大。当电容放电对系统供电时，电极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷因为外电场作用减弱而逐渐减少，逐渐恢复到原状态。由此可以看出，超级电容的储能和放电过程是物理变化的。

2.6 输入隔离电路和DC-DC 电路设计

电源输入隔离电路采用芯片LTC4417 构成的集成电路，它非常适用于三个电源输入的设计电路，通过引脚的分配来确定输入电源的优先级，其中V1 为最高优先级，V2 为次级，V3 为最低的优先级。本系统将太阳电池板设置为最高优先级电源输入，最大限度利用自然资源，储能电容为第二优先级，锂电池设置为最低优先级，尽可能减少电池的充放电，延长生存周期。

图6 所示为LTC4417 芯片的电源分级部分引脚示意图。当电源电压在OV 和UV 窗口之间时，称为有效电源即对系统进行供电的电源。这里太阳电池板输入电压为V1=5.5 V，超级电容输入电压为V2=5.5 V，锂电池正常工作输入电压为V3=3.7 V。通过对电源电压的监测来管理输入电源。

图6 LTC4417芯片部分引脚示意图

DC-DC 转换电路要根据系统电压的转换需求来设计。传感器节点工作电压一般为3.3 V,由输入隔离电路可知各电源的输入电压都大于3 V，所以需要设计降压型转换电路。此设计采用GM2101 芯片构成的集成电路，它是一种可以将输入电压转换为3.3 V 的高效同步降压转换器芯片，独创的FCOT 技术增加了转换效率，而且具有低噪声，输入范围宽等优点。

3 测试结果与分析

通过对充电管理电路的设计，在实验中监测太阳电池板对锂电池的充电情况，记录电压变化情况。图7 为CN3722 芯片集成电路焊接示意图，图8为芯片CN3722的PCB示意图。

图7 CN3722芯片集成电路焊接示意图

图8 CN3722芯片的PCB示意图

在实验中监测太阳电池板、超级电容和锂电池的电压变化，绘制成折线图，监测周期为24 h，如图9 所示。随着太阳光照强度的增强，太阳电池板电压逐渐增强，同时也开始对锂电池进行充电，起始锂电池电压为3.8 V，一直充电达到饱和状态4.2 V。到夜间7 点之后，基本无太阳光，太阳电池板无输出，停止对锂电池充电。到夜晚储能电路中超级电容进行放电，对系统进行供电。当电容放电到一定程度电压下降后，锂电池开始对系统进行供电。电容电压从0.7 V 升到4 V只用了一个小时左右，在整个实验期间，锂电池的使用时间相对其他电源来说非常短，充放电次数明显减少。

图9 电压变化曲线

4 结束语

以单片机为主控电路，设计为WSN 节点提供持续能量的多电源供电系统。利用太阳能技术，结合锂电池和超级电容设计集成电路，采用CN3722 芯片和太阳电池板，自动控制和管理锂电池的充放电，超级电容存贮多余的太阳能能量，太阳电池板和电容主要对系统进行供电，尽可能减少锂电池的充放电次数，延长生存周期。通过对三种电源电压的监测，可以得出该硬件电路在WSN 节点供电的测试中是行得通的，能达到延长锂电池使用年限的目标。而且该硬件抗干扰能力强，运行稳定，在无线传感器网络节点的开发和应用中具有很高的使用价值。