基于CC2430的無線傳感器供電電源設(shè)計

王亭嶺，熊軍華，陳建明

（①華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011; ②北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，高電壓、大電流供電設(shè)備隨處可見，這些設(shè)備在母線承載電流過大或開關(guān)接觸電阻過大時，極易引起過高的溫升，若得不到及時解決將使絕緣部件性能降低，甚至導(dǎo)致?lián)舸斐蓯盒允鹿省Ｒ虼思皶r測量高壓母線接頭和高壓開關(guān)觸點溫度，為采取有效措施提供信息，將是電力系統(tǒng)安全運行的重要保障。

現(xiàn)在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了在無現(xiàn)場供電的情況下，利用單晶硅太陽能電池結(jié)合半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在高溫、高壓環(huán)境下為測溫和控制電路持續(xù)提供電能，實時進行數(shù)據(jù)采集和處理，理想的實現(xiàn)了高壓測溫一次設(shè)備和二次監(jiān)測設(shè)備的電隔離。重點解決了連續(xù)陰雨天時，設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象但太陽能電池不能正常啟動測溫傳感器的問題，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)及時啟動測溫電路，做到了實時故障監(jiān)測，保證系統(tǒng)安全可靠的運行。

1 測溫傳感器系統(tǒng)框圖

ZigBee是基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議，它的協(xié)議結(jié)構(gòu)由物理層(PHY)、介質(zhì)訪問層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層組成。ZigBee建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。這種網(wǎng)絡(luò)是中短距離、低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有射頻傳輸成本低、功耗低、快速組網(wǎng)自動配置、自動恢復(fù)等優(yōu)點[1]。該設(shè)計采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）、1個路由器（根據(jù)傳輸距離的遠(yuǎn)近來選擇）和多個傳感器節(jié)點（RFD）組成。無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)由測溫傳感器節(jié)點、路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及監(jiān)控中心組成，如圖1所示。

圖1 無線測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

無線測溫傳感器（RFD）用于采集溫度信息并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）；路由器負(fù)責(zé)RFD節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時負(fù)責(zé)環(huán)境溫度的采集，并及時發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于建立一個新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接收信息，發(fā)送控制命令；監(jiān)控中心（上位機）通過RS-232串口實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的通信。

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線測溫傳感器節(jié)點（RFD）由三部分組成：太陽能發(fā)電主回路、半導(dǎo)體溫差發(fā)電及升壓/穩(wěn)壓回路和ZigBee節(jié)點測溫與控制電路，如圖2所示。

圖2 測溫節(jié)點原理

2 太陽能發(fā)電主回路分析

太陽能發(fā)電模塊選用單晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽能電池，這種太陽能電池以高純度的單晶硅棒為原料，目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右。圖2中選用的單晶硅太陽能電池片，工作電流為100 mA，開路電壓為3 V，尺寸為36 mm×10 mm×1 mm。圖2中的超級電容即法拉電容，它是一種儲能元件，儲能過程是可逆的。一般法拉電容可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。法拉電容有很多優(yōu)勢：與電池相比，法拉電容在額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出；與傳統(tǒng)電容相比，同體積的法拉電容可以存儲更多的能量；法拉電容可以快速充電且可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池的壽命僅幾百個循環(huán)[2]。實驗測得，在弱光照射并帶負(fù)載（負(fù)載為CC2430芯片）時，100 mA-3 V的太陽能電池給30 F-2.5 V超級電容充電，充滿時大約需要1小時；在強光照射并帶負(fù)載時，100 mA-3 V的太陽能電池給30 F-2.5 V超級電容充電，只需5分鐘左右就可以啟動負(fù)載，15分鐘左右就能將電容充滿，實測負(fù)載的啟動電壓為1.81 V。不同光強照射下超級電容充電曲線如圖3所示。

3 半導(dǎo)體溫差模塊發(fā)電分析

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊是根據(jù)塞貝克效應(yīng)制成的，即把兩種半導(dǎo)體的接合端置于高溫，處于低溫環(huán)境的另一端就可得到電動勢[3]。將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體在熱端連接，則在冷端可得到一個電壓。一個 pn結(jié)所能產(chǎn)生的電動勢有限，將很多個這樣的 pn結(jié)串聯(lián)起來就可得到足夠的電壓，成為一個溫差發(fā)電模塊。

圖3 不同光強下的電容充電曲線

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來產(chǎn)生電能，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度是至關(guān)重要的。在設(shè)計中，由電氣設(shè)備的接線排直接作為熱面的加熱源，冷面加裝散熱片。電氣設(shè)備的接線排在出現(xiàn)發(fā)熱故障時，溫度可上升到333～393 K。

半導(dǎo)體溫差發(fā)電存在的突出問題是輸出電壓不穩(wěn)定，當(dāng)溫差較小時輸出電壓也很小。當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于25 K時，開路輸出電壓小于1 V，要保證后續(xù)單片機電路正常工作，必須采用升壓式充電泵或升壓式DC／DC轉(zhuǎn)換器。圖 2中采用 TI公司新近推出的一款超低輸入電壓同步DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61200。該IC的主要特點：效率高；根據(jù)輸入電壓的大小能自動轉(zhuǎn)換成升壓模式或降壓模式；靜態(tài)電流小（小于50 μA）；輸入電壓在0.5 V時，在滿負(fù)載時也能啟動工作；輸入工作電壓范圍寬，從 0.3～5.5 V。特別適合于太陽能電池、燃料電池、溫差或振動發(fā)電的供電條件的應(yīng)用。

圖2中選用兩塊半導(dǎo)體溫差模塊串聯(lián)而成，輸出電壓為1.2 V。有溫差時，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊對1 F-2.5 V超級電容進行小電流充電。實驗測得，溫差變化時充電電流在幾個毫安至十幾個毫安變化。當(dāng)1 F超級電容端電壓上升到0.75 V時，TPS61200升壓芯片開始工作，工作曲線如圖 4所示。當(dāng)1F超級電容跌到0.63時，TPS61200停止工作。經(jīng)過多次單獨對50 F超級電容脈沖充電，會使其電壓升到0.5 V左右。如果溫差很大，電壓提升的幅度會更大。

4 測溫節(jié)點主電路分析

圖2中，無線測溫節(jié)點核心部件采用Chipcon公司生產(chǎn)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片CC2430。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430芯片還具有電池容量監(jiān)測功能。CC2430一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，十分節(jié)省電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2430特別適合那些要求低功耗的應(yīng)用[4]。

圖4 TPS61200工作曲線

在RFD節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時電流損耗較大，CC2430工作時的開啟電壓在1.75～1.85 V之間（不同的芯片會有所不同），為了防止50 F超級電容驅(qū)動CC2430加入網(wǎng)絡(luò)時，電壓跌落到1.8 V以下，而RFD節(jié)點又沒有成功加入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計采用CC2430電池容量監(jiān)測功能。當(dāng)50 F超級電容端電壓上升到1.95 V時，RFD節(jié)點才允許加入網(wǎng)絡(luò)。實驗測得RFD節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)成功后，50 F超級電容端電壓從2.95 V跌到1.75 V時，可發(fā)送數(shù)據(jù)4 270次左右。最不利的情況下（連續(xù)陰雨天），50 F超級電容在2.95 V時，RFD節(jié)點以每分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)的頻率進行工作，可以連續(xù)工作3天左右。如果太陽能電池在效率下降而又發(fā)生故障時，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊將起主導(dǎo)作用，同樣可以驅(qū)動RFD節(jié)點正常工作，實現(xiàn)故障及時報警。

CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負(fù)載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進行調(diào)整。該設(shè)計采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要使用平衡/非平衡阻抗轉(zhuǎn)換電路(巴倫電路)，以達(dá)到最佳收發(fā)效果。通常，Zigbee的發(fā)射功率在0～+10 dBm，通信距離范圍為10 m，可擴大到約300 m，其發(fā)射功率利用設(shè)置的相應(yīng)服務(wù)原語進行控制。

溫度傳感器為TC77，它是SPI串行接口的數(shù)字硅溫度傳感器，特別適合于低功耗、低成本、低尺寸應(yīng)用。溫度數(shù)據(jù)由內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換得到，隨時可以轉(zhuǎn)換成13位的二進制補碼數(shù)字。與CPU之間的通信通過SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一個±12位的ADC，溫度分辨率為0.062 ℃，TC77可以精確到±1 ℃，工作電流僅250 μA。為了節(jié)省電能，溫度采集的間隙應(yīng)使TC77處于關(guān)斷模式，在關(guān)斷模式期間，TC77的電流消耗低于1μA，能最大限度的降低功耗。

5 測溫節(jié)點的軟件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處理信息的簡單辦法是RFD節(jié)點定時向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)通過串口上傳到監(jiān)控中心，實現(xiàn)溫度信息的及時采集。定時時間從幾秒至幾分鐘可調(diào)，定時時間越長RFD節(jié)點持續(xù)工作的可靠性越高。但定時時間加長后，溫度信息的采集就會滯后，影響故障信息的及時報警。為了兼顧可靠性和及時性的矛盾，對RFD節(jié)點的程序設(shè)計進行了優(yōu)化，設(shè)計采用溫差的變化來確定發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率。由于報警信息的內(nèi)容是溫度的差值，即電氣設(shè)備連接點的溫度減去環(huán)境溫度。單純使用電氣設(shè)備連接點的溫度不能客觀的反映設(shè)備是否發(fā)熱。在正常情況下，電氣設(shè)備連接點的溫度隨晝夜的變化較大，而溫差則變化較小。為了使RFD節(jié)點減少功耗，RFD節(jié)點只負(fù)責(zé)采集電氣設(shè)備連接點的溫度，環(huán)境溫度由置于室外的路由器采集。路由器由現(xiàn)場提供的直流電源供電，負(fù)責(zé)RFD節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時也負(fù)責(zé)環(huán)境溫度的采集，并及時發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)RFD節(jié)點的請求來決定是否將環(huán)境溫度發(fā)送到RFD節(jié)點。RFD節(jié)點獲取環(huán)境溫度并計算出溫差后，通過查表來確定是否發(fā)送溫差信息，并根據(jù)溫差變化的趨勢來決定發(fā)送溫差信息的頻率。RFD節(jié)點程序流程圖如圖5所示。

圖5 RFD節(jié)點程序流程

軟件部分需要解決的問題包括：溫度信息的采集；溫度信息的發(fā)送；RFD與協(xié)調(diào)器的無線通信；協(xié)調(diào)器與上位機的有線通信等。為了降低功耗，溫度采集的間隙應(yīng)使TC77處于關(guān)斷模式，在關(guān)斷模式期間，TC77的電流消耗低于1 μA。RFD節(jié)點發(fā)送完溫度信息后應(yīng)立即進入睡眠狀態(tài)，從而最大限度的降低功耗。針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和RFD節(jié)點，程序所用的協(xié)議棧是一樣的，所以都在一個工程中，主程序包含所有節(jié)點的初始化程序，利用條件編譯分別下載到不同的節(jié)點中[5]。

6 結(jié)語

基于CC2430的無線傳感器通過采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊結(jié)合太陽能電池所提供的電能，解決了變電站測溫現(xiàn)場供電不便的難題，同時也避免了電池供電需頻繁更換的繁瑣。基于ZigBee的無線測溫管理系統(tǒng)在鄭州某110 kV變電站進行測試的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：RFD與FFD的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)80m，F(xiàn)FD與PC通信距離可達(dá)10m（制作的RS-232數(shù)據(jù)線為10m），無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的時間小于1 s，RFD加入網(wǎng)絡(luò)的時間小于5s，PC機上的監(jiān)控信息刷新時間小于10s，達(dá)到廠家提出的實時監(jiān)控的要求。陰雨天時RFD節(jié)點可連續(xù)工作3天以上，晴天時RFD節(jié)點可持續(xù)工作。路由器和協(xié)調(diào)器由現(xiàn)場提供的直流電源供電。測試期間現(xiàn)場無故障，半導(dǎo)體溫差模塊的作用沒有顯現(xiàn)出來。變電站的電磁干擾對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)無影響。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是成功的。

[1] 呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2008:15-16.

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[3] 林玉蘭,呂迎陽.基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術(shù),2006(01):39-40.

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