水質監測無線傳感器網絡節點雙電源設計

陳 巖，譚 婷，高 峰，王克棟，郭 宏

(1.北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京100048;2.昆山諾金傳感技術有限公司，江蘇 昆山215300)

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)以其覆蓋范圍廣、自組織網絡能力強、實時性好、應用可移植等特點為水質監測的數字化、自動化、智能化提供了有利條件［1］，但是無線傳感器網絡的傳感器節點大部分都是采用干電池或蓄電池來供電，因此，節點在使用過程中需頻繁地對電池進行人為的維護與替換，這樣導致節點工作的不連續性和節點成本高等問題。

隨著太陽能技術的越來越成熟，太陽能電池板以其安全可靠、無噪聲、無污染、無地域限制、維護簡單［2～4］等優點迅速發展成最有潛力的可再生能源，基于太陽能技術的無線傳感器網絡節點的供電系統的研究是解決了無線傳感器網絡節點中供電困難的一大突破。對此，本設計提出了基于TI 公司生產的專用于太陽能充電管理集成電路BQ24650 芯片，自動控制和管理太陽能電池板對于鋰電池的充電，微處理器控制太陽能電池板和鋰電池分別對負載供電，由于鋰電池輸出電壓的范圍為10.8 ～12.6 V，設計DC/DC 模塊轉換為水質監測節點所需的電壓。

1 節點電源總體設計

電源模塊的總體設計結構框圖如圖1 所示，太陽能電池對鋰電池進行充電，鋰電池的放電電路以IAP15F2K612S2 單片機為微處理器，根據鋰電池的放電電壓監測結果，放電控制電路通過DC/DC 轉換模塊再向負載供電，以避免鋰電池的欠壓放電;為了進一步利用太陽能，當太陽能光照充足且鋰電池無需充電時，可通過放電控制太陽能板直接通過DC/DC 轉換模塊再向負載供電，放電控制電路主要由MOS管和外圍電阻構成［5～8］。

圖1 電源模塊的總體設計Fig 1 Overall design of power module

2 鋰電池充電電路設計

2.1 電路原理

采用BQ24650 設計的鋰電池組電路可實現對三節鋰電池的充電，工作電源為太陽能電池板，芯片TS 引腳監測電池組通過分壓電阻器后的分壓值，分壓值與芯片內部設置的電壓閾值進行比較，以確定充電是否繼續，溫度是否正常。

BQ24650 是一種高度集成的開關模式電池充電控制器，具有可編程動態的最大功率跟蹤點，適用于5 ～28 V 的太陽能電池板［9］。其中，BQ24650 對電池的充電周期包括預充電、恒流充電和恒壓充電3 個階段。預充電階段在安裝電池并加上電源后且預充電時間固定為30 min，預充電電流為恒流充電電流的1/10;30 min 后進入恒流充電階段，恒流充電階段電池兩端的電壓低于恒壓VRECH。當充電電壓達到VRECH時進入恒壓充電階段。在整個工作溫度和工作范圍內，恒壓的精度為±0.5%，恒流的精度為±3%。當鋰電池電壓低于BQ24650 設定的內部限值時，BQ24650會自動重新啟動充電周期;當太陽能電池板的輸出電壓下降至鋰電池電壓以下時，BQ24650 自動進入地靜態電流休眠模式。

2.2 充電電路設計

本文設計的充電電路如圖2。

1)輸入電壓調節

本設計的輸入電壓由太陽能電池板提供，太陽能電池板在V－I 或V－P 曲線上有一個獨特的點，稱為最大功率點。整個光伏系統以最高效運作產生其最大輸出功率。BQ24650 采用恒壓運算法來跟蹤太陽能電池板的最大功率點，如果太陽能電池板的輸出功率因光強變弱而下降時，該芯片通過自動降低充電電流來維持充電電壓的恒定，保持太陽能電池板工作在最大功率點;如果出現BQ24650 的MPPSET 引腳的電壓低于1.2 V 情況，充電電流則自動降低，若太陽能電池板確實不能提供足夠的輸出功率，充電電流可自動降為0。最大功率點電壓VMPPT為

圖2 充電電路Fig 2 Charging circuit

此外，MPPSET 引腳還被用作充電使能控制端，當VMPPT＜75 mV時，充電停止;當VMPPT＞175 mV 時，恢復充電。

2)電池電壓調節

BQ24650 使用高精度電壓調節器來調節充電電壓，引腳VFB 端設置一個2.1 V 的反饋參考電壓，充電電壓的范圍為2.1 ～26.0 V，調節電壓VBAT的公式為

3)電池電流調節

BQ24650 進行恒流階段充電時的電流由連接在引腳SRP 與SRN 之間的電阻RSR確定，引腳SRP 與SRN 之間的差動電壓固定在40 mV，因此，充電電流Icharge的計算公式為

通過RSR還可以設置預充電電流和終止充電時電流，其值均為0.1 Icharge。

BQ24650 還可以通過與引腳STAT1 和STAT2 相連的紅色LED 指示燈和綠色的LED 指示燈來直觀地反映充電狀態:充電進行時，STAT1 腳置低且STAT2 腳置高，此時紅色指示燈亮;充電完成時，STAT1 腳置高且STAT2 腳置低，此時綠色指示燈亮。若出現故障，則STAT1 與STAT2 腳均置高，指示燈均不亮。

3 放電控制電路

放電控制電路包括電源切換電路和鋰電池的放電電路。

電源切換電路主要是進行太陽能板和鋰電池的切換，當單片機檢測出太陽能光照充足且鋰電池無需充電時，可通過放電控制太陽能板直接通過DC/DC 轉換模塊再向負載供電;否則，就由鋰電池供電［10］。

鋰電池在放電過程中為了避免過放而造成對鋰電池使用壽命的影響，通常對鋰電池兩端電壓進行檢測，當兩端電壓小于放電終止電壓時，則切斷放電回路，停止為負載供電。此處放電終止電壓為9.6 V。

4 DC/DC 電路設計

水質監測MCU 的工作電壓為5V，射頻芯片CC2530 的工作電壓為3.3 V，傳感器節點電路中的pH 值、電導率信號調理電路中需要使用±12，±5 V 電壓，而三節鋰電池的工作電壓一般為11.1 ～12.6 V。由此可見，三節鋰電池的輸出電壓穩定在12 V 左右，所以，可以直接將鋰電池輸出的電壓進行DC/DC 變換，以滿足水質監測節點不同工作電壓的需要。本方案選用的芯片為LT3580 是一種PWM DC/DC 的轉換器，包含一個內部的2 A，42 V 開關，可以通過配置使LT3580 成為一個升壓SEPIC 或者反相變換器。當輸入電壓為5 V 時，LT3580 可以產生12 V/500 mA 或者－12 V/350 mA［11］。本設計中采用LT3580 芯片產生±12，±5 V 電壓。

當輸入電壓為2.6 ～12 V 時，LT3580 可以穩定輸出5 V;當輸入電壓為5 V 時，可以穩定輸出12 V;當輸入電壓為12 V 時，可以穩定輸出－12 V;當輸入電壓為12 V 時，可以穩定輸出－5 V。

MIC5205 是一種高性能的低壓差線性穩壓器，它包含一個可以通過CMOS 電平或者TTL 電平匹配的使能控制端，當關閉時，芯片功耗幾乎為零［12］。當輸入電壓保持在4.3 ～16 V 時，MIC5205 可以有穩定的3.3 V 電壓輸出。

5 測試結果與分析

本設計太陽能電池板的規格最大功率為20 W，峰值電壓18.6 V，開路電壓21.8 V，短路電流1.18 A。鋰電池組使用6 節3 串2 并12.6 V，4600 mAh，考慮鋰電池的充電時間和充電方式，設置預充電電流和終止時電流為0.1 Icharge=200 mA，充電電流為Icharge=2A，充電電壓為12 V。

設太陽能電池的輸出端即BQ24650 的輸入端為BQ24650 的輸出端即鋰電池充電電壓，鋰電池初始充電電壓為6.7 V，測試結果如圖3、圖4 所示，可見充電240 min后，紅燈滅，綠燈亮，充電結束。

由圖可知，BQ24650 先對鋰電池進行預充電，再恒流充電，最后恒壓充電。

對太陽能電池，BQ24650 和鋰電池組以及DC/DC 模塊進行電壓監測，以早上8 點，時間間隔為2 h 一周的電壓監測，太陽能電池、鋰電池組、DC—DC 模塊的電壓變化如圖5。

圖3 充電電壓與時間的關系曲線Fig 3 Curve of relationship between charging voltage and time

圖4 充電電流與時間的關系曲線Fig 4 Curve of relationship between charging current and time

圖5 測試電壓結果Fig 5 Test voltage result

由圖可知雖然鋰電池的電壓隨太陽能電池板的變化改變，但輸出的電壓是穩定不變的。符合本設計輸出電壓為±12，±5，3.3 V 要求。鋰電池的充電時間一般為3 ～4 h，由圖可知在中午12 點之間鋰電池的電壓就已經達到12 V，下午陽光充足的條件下無需鋰電池給負載供電，由太陽能電池板給負載供電，當太陽能光照減弱太陽能電池板電壓低于5 V 以下時，斷開太陽能供電開關由鋰電池供電，鋰電池電壓低于9.6 V 時斷開供電開關。

6 結 論

本文提出并設計實現了基于太陽能和鋰電池雙電源供電的水質監測節點的電源系統，將太陽能與鋰電池充分結合，運用BQ24650 芯片和IAP15F2K612S2 微處理器，自動控制和管理太陽能電池板和鋰電池的充放電。

由太陽能電池板與鋰電池組成的雙電源供電系統與原本的直接由鋰電池單電源供電系統相比較，該系統能穩定輸出水質監測節點需要的±12，±5，±3.3 V 的電壓，且直接提高了鋰電池的使用壽命，原本由鋰電池供電的時間直接縮減為原來的50%，減少了鋰電池頻繁的充放電時間，且延長了整個節點的工作使用年限。

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