一種用于無線傳感網中節點供電的系統設計

趙家敏

(云南開放大學城市建設學院，云南昆明650223)

一種用于無線傳感網中節點供電的系統設計

趙家敏

(云南開放大學城市建設學院，云南昆明650223)

節點的能量消耗是限制無線傳感器網絡發展的主要因素之一，能量消耗不可避免，如何設計一種高效可循環的能量系統對于促進無線傳感器網絡發展具有重要的意義。在無線傳感器網絡節點上采用太陽能自供電技術可以有效地提高傳感器節點的使用壽命和降低能耗。通過對比分析，設計出一套基于太陽能發電的無線傳感器網絡節點的供電系統。經實驗測試，該系統具有可靠性高，節能效果好的優點，具有一定的推廣價值。

無線傳感器網絡;節點供電;太陽能

以物聯網為首的新一代計算機網絡的興起正在促使著無線傳感器網絡(WSN)的飛速發展。現在比較成型的無線傳感器網絡的組網技術主要包括：紅外、藍牙、ZigBee、WiFi。這些無線通信技術有一種共同點就是需要對所連的節點進行供電。由于無線傳感器網絡大多數情況下節點數量非常大，且多布置在例如原始森林，沙漠等環境相對惡劣的室外，這樣就造成了節點的能源瓶頸。一方面為了控制單個節點的成本使得不能夠攜帶大容量的電源，另一方面又不得不面對由于能量不足而造成的節點消耗。

為了解決這個問題，人們開始對節點進行自供電技術的設計和研發。可以使用在無線傳感器供電部分的主要有太陽電池、溫差電池、環境電磁波供電等。不過受到技術發展等現實性條件的限制，太陽電池自供電系統受到了大多數人的認可。

現有的太陽能供電方案主要包括以下幾種：

太陽能直接供電方案：本方案由太陽電池板和可充電的鋰電池組成，本方案結構簡單，但是會造成鋰電池的持續放電充電，經過多次充放電過程鋰電池儲電量明顯下降，造成使用壽命降低[1]。

超級電容方案：為了降低鋰電池的充放電頻率，在太陽電池板和鋰電池之間加入一塊超級電容。超級電容可以存儲一定的電量，等到鋰電池的電壓降低到一定值之后，超級電容會對鋰電池進行充電。這樣雖然最大限度地降低了鋰電池的充電頻率，但是歸根到底還是在使用鋰電池對傳感器節點進行供電，并沒有從源頭上解決問題[2]。

為了解決這一問題，本方案設計以太陽能板和鋰電池供電相結合的供電方式，最大限度地在供電系統中解放鋰電池，延長鋰電池的工作壽命，從而增加節點的使用周期，進而使得整個無線傳感器網絡更加穩定。

1　供電系統整體方案

本方案的設計思路為在供電的過程中盡可能地使用太陽電池板對節點進行供電。當有陽光照射的時候，通過太陽能板的電壓如果達到一定的閾值之后便直接進行太陽能板對節點進行供電，在條件允許的范圍內同樣可以分出一部分能量用于充電電池的充電。如果太陽能板的電壓不能夠對節點板進行供電則由電池對節點進行供電，這樣便實現了節點的連續性工作。為了實現預定的方案設計，主要需要以下幾個部分：

(1)電源部分：該部分包括太陽電池板和可充電電池。太陽電池板在系統中擔負著給可充電電池充電和為傳感器節點供電的雙重任務，其選取要考慮輸出功率能夠滿足電路的負載要求才可。可充電電池則要盡可能地選擇體積小、質量輕、充放電次數多的電池。

(2)電路部分：該部分包括切換開關電路、充電管理電路、放電保護電路和穩壓電路。切換開關電路主要負責太陽電池板直接供電和可充電電池供電兩種模式的選擇。充電管理電路則是負責通過檢測電池的電壓從而防止電池過度充電。放電保護電路則可以通過檢測電池電壓防止電池過度放電而造成的電池不可逆性的損害。無論是太陽電池板還是充電電池都不可能完全滿足節點的供電需求，如此一來就需要一個穩壓電路來進行節點電壓的調節，最大程度地保護節點。系統方案具體關系如圖1所示。

圖1　具體設計方案

2　電源部分的選擇方案

太陽電池板不僅要為節點供電，同時還要負責為電池充電，所以要有足夠的負載功率才能夠實現。本方案決定采用135mm×125mm×4mm的多晶硅發電太陽能板。該太陽能板的開路電壓可到達7.5 V，標稱電壓6 V，最大短路電流300 mA。經過實測，單板最大功率可達1.8 W。設計時采用兩塊太陽電池板并聯以組成電壓6 V，最大電流600 mA，功率3.5 W的太陽電池組。雖然安裝自動云臺可以最大限度地保證太陽光照角度，從而獲得最大的轉換率，但是自動云臺價格較高，且工作耗能。經過綜合考慮之后決定放棄自動云臺以獲得最大的效益。

充電電池則是選擇900 mAh的083035聚合物鋰電池。一方面鋰電池質量輕、充電效果好并且可以多次循環充放電，在循環充放電500次后仍舊可以保持80%的充電量。另一方面在傳感器節點進行接收數據時峰值電流為24 mA，發送數據時峰值電流為29 mA，傳感器節點工作電流為30 mA。為簡便計算，傳感器節點收發數據時工作電流按 60 mA計算，900 mAh/60 mA=15 h。故該電池可連續保證節點工作15 h，由于節點收發數據時間很短，大多情況下是處于休眠狀態。因此，此電池在滿電量情況下可單獨供電超過45天。

3　電路部分的設計方案

3.1切換開關電路

切換開關電路是設計的核心部分，通過切換開關電路可以實現鋰電池供電和太陽電池板供電相互切換的功能。切換開關電路采用8位串行逐次逼近式AD轉換芯片ADC0832和具有高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器AT89S52。具體的設計電路如圖2所示。

圖2　切換開關電路

在該電路上，我們假設在光照充足的情況下太陽電池板的輸出電壓為V0，那么在電阻R3上分得的電壓為V1。通過ADC0832把模擬量V1轉換成數字量，送往AT89S52進行分析。為了保證節點板的正常供電，考慮到電量在傳輸中的損耗，在系統設定當太陽電池板的輸出電壓不低于3.7 V時才使用。由分壓的過程可知：

即只有檢測到R3端的電壓V1不低于3 V的時候太陽電池板的輸出電壓才能夠達到3.7 V。R3端的電壓值V1源源不斷地經由 ADC0832變化為數字量，經過 P1.2口送到AT89S52進行分析。由于D0和D1口不能同時連接到P1.2口，所以把D0和D1連接在一起送到P1.2。AT89S52通過對所傳數字量進行分析后通過P0.7口控制一個繼電器，當電壓大于3 V時繼電器撥向太陽電池板方向，利用太陽電池板進行供電；當電壓小于3 V時繼電器撥向鋰電池方向，進行鋰電池供電。如此便實現了太陽電池板供電和鋰電池供電的選擇。

3.2充電管理電路

充電管理電路是太陽能自供電系統的常備電路，其主要功能是將收集到的能量有效地存儲到鋰電池中。同時充電管理電路還負責檢測鋰電池的電壓，當電壓低于預定值后才進行充電動作，當充電完成后實現斷電，以保護鋰電池不過度充電。充電管理電路如圖3所示。

圖3　充電管理電路

3.3放電保護電路

為了防止鋰電池過度放電造成鋰電池的不可逆損傷，在系統設計中添加了放電保護電路。傳統意義上的放電保護電路使用一路ADC來不斷地檢測電池電壓，但是ADC會在這個過程中不斷消耗電量，為了更加有效地節省能源，本設計采用理光R5421鋰電池保護芯片對鋰電池放電進行檢測保護。該芯片在一定條件下會切斷電池的充、放電動作，從而對鋰電池進行強有力的保護。保護電路圖如圖4所示。

圖4　放電保護電路

3.4穩壓電路

由于采用的太陽電池板的放電電壓為6 V，鋰電池的放電電壓為3.6～4.2 V，而節點板對于電壓要求較高，需要穩定為3.3V，所以需要在進入節點板之前通過一個穩壓電路。本設計中采用ASM1117對電路進行穩壓操作，具體的電路圖如圖5所示。

圖5　穩壓電路

4　結語

本文所設計的無線傳感器節點供電系統，實現了基于太陽能的自供電系統。本設計在現在常用的太陽能自供電設計的基礎上，增加了太陽電池板直接供電和可充電鋰電池供電的雙重供電模式，當太陽電池板的電壓達到一定閾值(本設計采用閾值為3.7 V)之后便由太陽電池板直接供電，當低于閾值時才由鋰電池供電。這樣的設計最大程度上降低了鋰電池的使用時間，從而延長節點的使用壽命。本設計的供電系統可以應用在大多數的野外環境，例如對大面積森林的信息采集，對大片農田的信息采集等。

[1]胡奇勛,段渭軍,王福豹.無線傳感器網絡節點太陽能電源系統設計[J].現代電子技術,2011(2):23-26.

[2]張強,楊濤.用于環境監測的自供電傳感器網絡[J].儀表技術與傳感器，2008(2):34-37.

Design of WSN node power supply system

ZHAO Jia-min
(School of Urban Construction,Yunnan Open University,Kunming Yunnan 650223,China)

The energy consumption of the node is one of the development limits of the wireless sensor network (WSN).Due to the inescapability of energy consumption,it is important to design an efficient and recyclable energy system to boost the development of the WSN.In the WSN nodes,solar-energy can effectively improve the node's life and reduce energy consumption.A system based on solar-energy was designed.The experiment results show that this system has good reliability and can save more energy with a certain value of popularization.

WSN;energy for node;solar-energy

TM 914

A

1002-087 X(2016)10-2071-03

2016-03-05

趙家敏(1976—)，男，云南省人，碩士，副教授，主要研究方向為建筑電氣設備。