無線網絡節點的微能源電源設計

呂常智 ，公茂果，潘家興（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東，266590）

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無線網絡節點的微能源電源設計

呂常智 ，公茂果，潘家興
（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東，266590）

摘要：無線傳感器網絡（WSNs）是無線網絡的多種表現形式之一。面對目前的無線網絡節點的續航難問題，本設計提出了一種利用微能源為無線傳感網絡節點提供供電的研究方案。本文采用壓電陶瓷片作為能量的主要來源，選擇采用專業的壓電能量采集芯片LTC-3588進行構建電源電路，設計了無線網絡節點終端。

關鍵詞：無線網絡節點；微能源；能量采集；LTC3588

0　引言

微機電系統（MEMS）技術是依據現代信息技術的科研成果而發展起來的一個多學科交叉的前沿領域，隨著微納米科學的快速發展，MEMS技術越來越趨向于微型化、集成化、實用化和自動化。無線傳感器網絡和微機電系統（MEMS）等低功耗設備發展迅速，應用范圍也越來越廣，伴隨著的是設備供電問題正成為其發展的瓶頸。如何在自然環境中提取有效電能，尤其是將自然界中普遍存在的機械振動能量進過轉換變為可用電能已經成為目前國內外研究的熱門。在過去的幾年，將機械振動能量轉換為可用電能的解決方案尚不完善，而且電路總體結構較復雜，輸出的電壓質量較差。本文使用高集成度的能量采集芯片LTC-3588設計出一款效率高、結構簡單、輸出電壓質量高的穩壓電源，為無線終端供電。

1　微能源采集

圖1　.電壓輸出波形Fig.1 Output voltage waveform

圖2　電流輸出波形Fig.2 Output current waveform

近些年，對于微能量采集的研究越來越廣泛，市場上推出的產品也越來越豐富，主要分為壓電式、靜電式和電磁式三種；壓電陶瓷片有正壓電效應和負壓電效應特性。利用壓電陶瓷片的正壓電效應：根據極化原理，通常對壓電材料不斷的進行施加壓力使其產生交變的電荷。基于壓電陶瓷片的發電原理將機械振動能量轉化為可用電能。本設計中以黃銅CW617N和壓電晶片P5-1作為材料，此壓電陶瓷片理論輸出電壓0V~35V，對壓電陶瓷片沿Z方向施加正弦作用力， 將100KΩ的負載電阻連接在2個電極上。圖1是為對該壓電陶瓷片進行周期性按壓變形得到的電壓輸出波形。圖2為對該壓電陶瓷片進行周期性按壓變形得到的電流輸出波形。

2　能量采集電源電路設計

目前國內外的研究成果中，能量采集裝置的設計大多還是采用舊的電荷捕獲電路，交流信號經過整流、濾波、調壓和穩壓后進行儲存，但這樣的設計較為復雜，而且在線路中的能量損耗較高，可攝取的有效能量很低。

本設計是利用人類活動中產生的振動行為作用在壓電發電片上會產生能量；采用凌力爾特公司的LTC-3588高效電能采集芯片進行電源設計，LTC-3588的輸入交流電壓為2.7V~20.0 V，可設定4種不同的電壓輸出:1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V，設定方法見表1所示；

表1　輸出電壓選定和靜態電流Table1. Output voltage’s select and the static current

圖3　能量收集和存儲電路Fig.3 Energy collection and storage circuit

圖4　輸出電壓波形Fig.4 Output voltage waveform

LTC-3588可以與壓電陶瓷片直接連接，能對壓電陶瓷片在受力形變時所產生的交變電壓進行整流、濾波和存儲，而且內部并聯穩壓器進行穩壓和限幅。LTC-3588共有11個引腳，當D1置為高電平、D0置為低電平時，得到輸出電壓大小為3.3 V。能量采集和儲存電路如圖3所示。將采集到的能量儲存到電容中可以為負載提供電源；此電源可以取代燃料電池，有效收集利用人身周圍所能產生能量，進一步節約資源，減少污染和提高能源利用率。

當壓電陶瓷片輸出電壓為6V，負載很大時可視作電路開路，此時輸出電壓波形如圖4所示；電壓輸出可達到穩定的3.36V，可以為后續負載提供可靠的電源。當壓電陶瓷片輸出最大電壓為6V，負載為100Ω時，此時輸出電壓波形如圖5示；輸出電壓3.35V可維持的有效輸出可以達到40ms，能夠維持無線網絡節點完成數據發送。

當壓電陶瓷片輸出最大電壓為12V，負載為100Ω時，此時輸出電壓波形如圖6示；輸出電壓3.35V可維持的有效輸出可以達到70ms，由此可知：壓電陶瓷片形變越大，可采集的電壓越高，采集的能量越多，儲存的電能也越多，而且輸出電壓穩定性越好。

3　無線節點模塊設計

本論文的電源模塊的設計主要是實現為無線遙控平臺提供能源，無線模塊設計采用核心控制芯片是CC2531，無線通信通過ZigBee實現點對點通信協議。

3.1無線節點硬件電路設計

圖5　輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveform

圖6　輸出電壓波形Fig.6 Output voltage waveform

CC2531是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠用較低的材料成本建立比較大的網絡節點。CC2531具有多種運行模式，能夠滿足系統的超低功耗的要求。系統發射模塊結構框圖如圖7所示；系統接收模塊結構框圖如圖8所示；

圖7　發射模塊硬件結構框圖Fig.7 Hardware structure diagram of launch module

圖8　接收模塊硬件結構框圖Fig.8 Hardware structure diagram of receiving module

利用CC2531搭建無線節點的發射終端由基于LTC-3588設計的電源模塊供電。圖9為系統電源硬件的設計圖，

圖9　系統電源的原理圖Fig.9 The principle diagram of system power supply

3.2無線節點軟件設計

軟件設計主要利用IAR Workbench V6.8作為集成開發環境，無線節點終端的軟件的設計流程如圖10、圖11所示；

圖10　發射端軟件設計流程圖Fig.10 Software design chart of launcher

4　總結

本論文完成了能量發生模塊的設計：壓電陶瓷片經過振動與壓力會產生壓電電能；能量采集模塊的設計：利用電能采集芯片LTC-3588進行能量的收集和存儲，實現為負載供電；主控模塊的設計：主控核心芯片CC2531的開發，使無線模塊的開發滿足設定的點對點通信協議，以便于降低生產成本。本設計利用人類活動中在壓電陶瓷片上的振動經過轉換產生可利用的電能；采用了LTC-3588設計電路能實現電能的高效率收集；采集的能量代替燃料電池作為電源，解決了目前無線終端需要經常更換電池和大量丟棄電池污染環境的問題。

參考文獻

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［6］ CC2531. Datasheet［Z］.Texas Insruments， 2010

Wireless Network Node’s Micro-power Design

Lv Changzhi，Gong Maoguo，Pan Jiaxing
（Shandong university of science and technology institute of electrical and automation engineering Shandong，266590）

Abstract：Wireless sensor networks（WSNs）is one of the many forms of wireless networks.With today's wireless network node battery life problem this design presents the use of energy for the power supply of the wireless sensor network node research program.Using Piezoelectric ceramic plate as a main source of energy，this design used professional piezoelectric energy capture chip LTC-3588 to build power circuit and design the wireless network node terminal.

Keywords：Wireless network nodes ；Micro-energy；Energy harvesting；LTC3588

中圖分類號：TM919

作者簡介

呂常智（1971-），男，副教授，研究生導師，主要研究方向為電力系統及其自動化，電力電子技術。

公茂果（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統及其自動化，電力電子技術及其應用。

圖11　接收端軟件設計流程圖Fig.11 Software design chart of receiver