無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)智能太陽能供電系統(tǒng)研究

郭水陽　索亞楠　程盼飛

【摘 要】提出了一種用于長期穩(wěn)定供電的智能太陽能采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽能電池板、鋰電池和控制電路組成。軟件系統(tǒng)利用EAD，用于鋰電池充電管理，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。當(dāng)陽光充分時(shí)它更傾向于使用太陽能，鋰電池是一種補(bǔ)充電源的條件，如陰，雨，夜。本系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電路充分利用太陽能的優(yōu)點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)某潆姺绞剑ＷC了鋰電池的超長壽命，縮短了電池充放電循環(huán)的頻率。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小功率設(shè)備，特別適用于戶外型無線傳感器節(jié)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)。

【關(guān)鍵詞】太陽能；MPPT；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)

【Abstract】A method for long-term stable supply of intelligent solar collection system.The system consists of solar panels，lithium batteries and a control circuit.The software system using EAD for lithium battery charge management，greatly improving the reliability and stability of the system.The light when it is fully Dangyang tend to use solar energy，lithium the battery is an additional power supply conditions，such as cloudy，rain，night.This system uses the maximum power point tracking（MPPT）circuit to make full use of the advantages of solar energy，using proper charge mode，to ensure the long life of the lithium battery，shorten the battery charge and discharge cycle frequency.The system can realize the small Power equipment，especially for outdoor wireless sensor nodes in the Internet of things.

【Key words】Solar energy；MPPT；Wireless sensor network；Internet of things

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今世界上繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，它被稱為未來十大新型技術(shù)之首。當(dāng)前，已經(jīng)廣泛運(yùn)用在物聯(lián)網(wǎng)上[1]，主要用在一定的區(qū)域內(nèi)協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測對象的信息。傳感器節(jié)點(diǎn)部署環(huán)境和實(shí)際應(yīng)用中的要求決定了節(jié)點(diǎn)電源大多數(shù)情況下不可能接入正常的電力系統(tǒng)供電。傳感器節(jié)點(diǎn)部署環(huán)境和實(shí)際應(yīng)用中的要求決定了節(jié)點(diǎn)電源大多數(shù)情況下不可能接入正常的電力系統(tǒng)供電。通常狀況下，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用的是一次性電池，每隔幾周就要更換。并且節(jié)點(diǎn)被布置在惡劣及復(fù)雜的環(huán)境中，進(jìn)一步增加了更換電池的成本。許多專家學(xué)者針對這一問題想到從節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境中采集能量并進(jìn)行有效的存儲，使節(jié)點(diǎn)具有能量補(bǔ)充能力從而有效地延長節(jié)點(diǎn)的生存周期。目前許多公司都用太陽能為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，但是當(dāng)遇到晚上、陰天以及雨天是太陽能無法為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。為了解決這個(gè)問題本文設(shè)計(jì)了一種在各種天氣狀況下都能穩(wěn)定、有效的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)智能太陽能供電系統(tǒng)。

1 智能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)智能太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1，其特征在于包括：太陽能電池板、迷你USB接口、鋰電池、MPPT模型、RS觸發(fā)器1、電壓比較器1、電壓比較器2、RS觸發(fā)器2、充電模型CN3063芯片、過電壓保護(hù)電路、DC/DC升壓電路、USB 接口，其中太陽能電池板與MPPT模型相連接，電壓比較器（2）驅(qū)動電力開關(guān)（2）連接向 B 端口，不與太陽能分支相連，與鋰電池分支相連為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，鋰電池與過電壓電流保護(hù)電路相連，避免鋰電池過度放電，過電壓電流保護(hù)電路與DC/DC升壓電路提高鋰電池的額定電壓，滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)所需電壓[2]，迷你USB和MPPT模型通過電力開關(guān)（1）與充電模型CN3063 芯片相連，其中過電壓保護(hù)電路為當(dāng)鋰電池輸出電壓、電流超過一定值時(shí)，鋰電池停止為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。太陽能電池板其特征在于：通過太陽能電池板將太陽光轉(zhuǎn)化為電能為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。太陽能電池板的作用為：通過太陽能電池板將太陽光轉(zhuǎn)化為電能為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。迷你USB接口是個(gè)備用接口，必要時(shí)為鋰電池充電。鋰電池的作用為：當(dāng)天氣處于多云、雨天時(shí)，太陽光不能給無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電時(shí)，鋰電池為其供電。

MPPT模型其特征在于：當(dāng)天氣狀況良好，采用太陽能電池板供電時(shí)，MPPT可以確保太陽能電池板以最大功率點(diǎn)運(yùn)行。

2 智能供電系統(tǒng)具體實(shí)施方式

天氣正常情況下，太陽能光照強(qiáng)度強(qiáng)，太陽能電池板1經(jīng)過MPPT模型2可以輸出最大功率滿足負(fù)荷需要，當(dāng)天氣狀況不正常，太陽能電池板1輸出功率不能滿足負(fù)荷需要，電壓比較器（2）7驅(qū)動電力開關(guān)（2）連接向B端口，不與太陽能分支相連，與鋰電池分支相連為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，在鋰電池3后面放置一個(gè)過電壓電流保護(hù)電路10，避免鋰電池3過度放電，接下來一個(gè)DC/DC升壓電路11提高鋰電池3的額定電壓，滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)所需電壓，電力開關(guān)（1）是一個(gè)單級投擲開關(guān)，用來控制鋰電池3的充電狀態(tài)，默認(rèn)狀態(tài)下是斷開的，意味著電池是不充電的，當(dāng)電池電壓不能滿足規(guī)定電壓時(shí)，電壓比較器（1）6觸發(fā)電力開關(guān)（1）閉合，且太陽能電池能滿足負(fù)載供電時(shí)，此時(shí)鋰電池立刻充電，很快在幾秒之內(nèi)充電開始，電池電壓迅速上升，改變電壓比較器（1）的狀態(tài)[3]，RS觸發(fā)器（1）5，可以保持鋰電池充電狀態(tài)，RS觸發(fā)器（2）8與RS觸發(fā)器（1）5作用相同，控制充電電流為CN3063芯片9，當(dāng)充電結(jié)束，CN3063芯片9變化到最低水平，關(guān)掉電力開關(guān)（1），不連接充電電路，開關(guān)狀態(tài)通過RS觸發(fā)器（2）8保持。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)智能太陽能供電系統(tǒng)中的最大功率跟蹤（MPPT）電路能夠充分利用太陽能，很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，有效保障了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)在復(fù)雜天氣情況下能保持穩(wěn)定供電。鋰電池能夠在天氣處于多云、雨天，太陽光不能給無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電時(shí)，為其供電，保障了無線傳感網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳理博，趙爭鳴，等.用于太陽能系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003.

[2]王高歌.關(guān)于儲能太陽能光伏光伏充電電池電路的分析與設(shè)計(jì)[J].太陽能學(xué)報(bào)，2009.

[3]趙異波，何湘寧.新型高頻開關(guān)充電電源研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2002（7）：25-27.

[責(zé)任編輯：田吉捷]