基于QI標準的無線充電傳感器網絡節點設計

宋一杰，趙 晴，楊凱文

（1.華北計算機系統工程研究所 北京 100083；2.北京六所新華科電子技術有限公司 北京 100083）

無線傳感器網絡主要是由傳感器節點組成，能量問題是節點設計中遇到的最大挑戰[1-3]。節點的體積通常要求小巧、輕便，因此電池體積受到制約，所以節點電池能夠攜帶的能量有限。如果電池電量耗盡，更換電池的成本和工作量非常巨大，直接增加無線傳感器網絡的運行和維護成本。

無線充電傳感器網絡節點可以很好地解決節點設計過程中遇到的能量問題。無線充電傳感器網絡節點通過搭載能量接收裝置，通過電磁感應接收電磁波能量并轉換成電能存儲下來[4-5]。傳感器電路板連接能量接收裝置后就構成一個完整的無線充電傳感器網絡節點。該節點可以連接不同的射頻通信模塊實現不同協議下的射頻通信。

1 系統設計

1.1 系統結構

無線充電傳感器網絡節點主要由3部分組成：無線充電發射模塊、無線充電接收模塊和傳感器節點。無線充電發射模塊負責把5 V直流電輸入轉換成交流電加在發射線圈兩端，使周圍產生電磁場。無線充電接收模塊主要通過接收線圈與發射線圈產生耦合，通過電磁感應將電磁波能量轉換成電能，并給鋰電池進行充電。傳感器節點主要負責感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過無線通信網絡將所感知的信息傳送至管理中心。整個系統的結構如圖1所示。

圖1 無線充電傳感器網絡節點系統結構Fig.1 System structure of wireless charging sensor network node

1.2 無線充電發射模塊

無線充電發射模塊主要由控制電路、逆變電路和發射線圈組成。逆變電路主要負責將直流輸入逆變為交流輸出并加在發射線圈兩端；發射線圈用來產生交變的電磁場并，通過電磁場傳輸能量；控制電路負責控制整個電路的工作狀態，包括輸出的大小、通斷、充電狀態指示等。

任何符合QI標準的無線充電器都能作為本系統的無線充電發射模塊使用[6]。

1.3 無線充電接收模塊

無線充電接收模塊主要由控制電路、整流電路和接收線圈組成。接收線圈用來與發射線圈產生耦合，通過電磁場傳輸能量，并將電磁波能量轉換為交流電能；整流電路負責將交流電轉化為直流電并存儲到充電鋰電池中。控制電路負責監測和管理充電過程。無線充電接收模塊的電路如圖2所示。

充電分為預充電、快速充電（恒流）、恒壓充電3個階段。如果鋰電池過度放電，預充電階段充電電路輸出小電流逐步提高電池電壓，直到該電池可以正常充放電（正常電池會快速跳過此階段）；快速充電階段充電電路輸出最大電流為負載恒流充電，直至負載電池電壓提升至4.2 V；恒壓充電階段充電電流逐漸減小，直至充滿電池電量。

圖2 無線充電接收模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of wireless charging receiver

1.4 傳感器節點電路

傳感器節點由MCU、無線收發模塊和傳感器組成。傳感器主要負責感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過MCU對信息進行處理，并通過無線收發模塊將所感知的信息傳送至管理中心。傳感器節點的結構如圖3所示。

圖3 無線傳感器網絡節點結構Fig.3 The structure of wireless sensor network node

傳感器節點根據需要監測的對象和信息選取相應的傳感器（如監測溫度則選用溫度傳感器）。CC2530包括一個加強型的8051核和一個射頻收發模塊。加強型8051核作為微控制單元（MCU）負責管理和分配節點中的資源，接收傳感器信息，并通過射頻收發模塊發送至管理中心。

1.5 供電保護

供電保護電路分為兩部分：鋰電池保護電路和傳感器節點保護電路。

1.5.1 鋰電池保護電路

由于現在大部分的鋰電池都自帶過充、過放保護電路，因此無線充電只需要增加過流保護即可。管腳ILIM通過電阻R4接地，可以通過調整R4阻值大小來改變無線充電的最大輸出電流Im。他們之間的運算關系如下：

1.5.2 傳感器節點保護電路

BQ51050的輸出電壓為4.2V，充電鋰電池的最高放電電壓也為4.2 V，但是CC2530的供電電壓為3.3 V。直接供電會導致CC2530工作狀態不穩定，甚至有可能燒毀芯片，因此在供電電路中加入低壓差線性穩壓器TLV70033來達到降壓和穩壓的作用。

1.6 PCB設計

由于被監測對象和無線通信方式的不同，傳感器節點經常需要搭載不同的傳感器和無線通信模塊，因此傳感器節點部分的PCB會頻繁變更。但是無線充電模塊PCB相對固定，一旦設計定型，便不再需要頻繁更改。因此在PCB設計時，將無線充電接收模塊和傳感器節點分開設計，通過預留接口進行模塊化組裝。

為了滿足無線充電傳感器節點的便攜性要求，節點的PCB設計應該盡量控制板子的尺寸。除了選擇小封裝的集成芯片和電阻電容之外，PCB板的層數也可以影響板子最終的大小，因而本文確定用兩層板來進行節點的PCB設計。

1.6.1 無線充電接收器PCB設計

無線充電接收器的PCB結構如圖4所示。

圖4 無線充電接收器PCB結構Fig.4 Designed PCB of wireless charging receiver

1.6.2 傳感器節點PCB設計

傳感器節點的PCB結構如圖5所示。

圖5 傳感器節點PCB結構Fig.5 Designed PCB of sensor network node

2 系統測試

用一塊完全放電的可充電鋰電池EB595675LU作為無線充電接收器的負載，將CC2530電路板VCC、GND分別與無線充電接收器的V33OUT、GND相連，利用萬用表的直流檔測量流過電池的電流，用示波器觀察電池兩端的電壓。通過測試得到的數據如表1所示：

表1 測試數據Tab.1 Test data

通過以上數據可以發現，對鋰電池進行無線充電，與有線充電的電池充電特性基本相同。在充電的過程中，傳感器節點依然可以正常工作。在恒流充電階段，最大充電電流可以達到1安培。通過實驗可證明，基于QI標準的無線充電技術，無論是充電效率、充電時間還是系統穩定性，都已經可以滿足大多數移動設備的需求。以此為無線傳感器網絡節點不出能量，不僅方便快捷，而且安全可靠。

3 結束語

可無線充電的傳感器網絡節點可以很好地解決無線傳感器網絡設計和應用過程中遇到的能量瓶頸，降低無線傳感網絡的運行和維護成本，極大的延長節點的使用壽命。無線充電在無線傳感網絡中的應用，不僅有較高的應用價值，還為無線傳感網絡的發展開辟了新的方向。

[1]杜曉通.無線傳感網絡技術與工程應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]Vidhyapriya R，Vanathi P T.Conserving energy in wireless sensor networks[J].IEEE Potentials，2007，26（5）：37-42.

[3]Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance[J].Science，2007，317（5834）:83-86.

[4]孫軒．非接觸式手機充電平臺的設計[D]．杭州：浙江大學，2010.

[5]邱繼艷，張建峽．無接觸電能傳輸系統傳輸效率分析[J]．實驗室研究與探索，2011，30（6）：59-62.QIU Ji-yan，ZHANG Jian-xia.Transmission efficiency analysisi ofcontactless powertransfersystem[J].Research and Exploration in Laboratory，2011，30（6）:59-62.

[6]Wireless Power Consortium.Wireless Power Transfer System Description[EB/OL].[2013-12-2].http://www，wirelesspowerconsortium，com/downloads/wireless-power-specificationpart-1，html.