摘要：對于無線傳感器網絡節點而言，電源是系統的關鍵部分之一。在此提出一種收集環境中太陽能為傳感器節點供能的電源系統。該系統采用了安全的充電控制技術，*的電池電壓監測電路，以及低功耗的DC-DC轉換電路。通過實驗驗證，基于此太陽能電源的傳感器節點功耗動態調整節性能好，生存周期顯著增加。該系統可應用于各種戶外監測的節點，如環境監測，精細農業，森林防火等。
　　
　　引言
　　
　　無線傳感器網絡在環境監測、智能家居、交通運輸、精細農業等領域具有廣泛的應用前景，越來越受到人們的重視。傳感器節點作為無線傳感器網絡的重要組成單元，通常散布于一定的區域內協作地實時監測、感知和采集各種環境和監測對象的信息。傳感器節點部署環境和實際應用中的要求決定了節點電源大多數情況下不可能接入正常的電力系統供電。例如Crossbow公司的MICAz節點如果采用3000mAh的電池設置在1%的工作周期，那么每隔17．35周就需要更換一次電池。此外由于節點常被布置在惡劣及復雜的環境中，進一步增加了更換電池的成本。如何能穩定有效地為傳感器節點提供電源保證就成為傳感器節點設計的關鍵問題。目前針對這一問題的研究思路主要是如何從節點所處的環境中采集能量并進行有效的存儲，使節點具有能量補充能力從而有效地延長節點的生存周期。環境中具有各種豐富的能量，如太陽能、風能、熱能、機械振動能、聲能、電磁能等。目前，已有一些公司研究和開發了利用環境能量為無線傳感器網絡功能的系統。例如太陽能收集模塊CBC-EVAL-08已成功應用在TI公司的超低功耗無線傳感器網絡節點eZ430-RF2500-SHE上為其提供能源。創業公司Perpetuum推出PMG7微型振動發電機，能從一個100mg振動中產生高達5mW/3．3V的輸出功率。但是，目前的能量收集都具有一些局限性，如太陽能收集模塊CBC—EVAL-08由于光伏薄膜電池收集能量較少且缺少備份能源僅能在有陽光時工作；利用振動能量使得節點的布置環境受限制即使在間歇性的振動環境下，系統也無法穩定地連續工作。
　　
　　通過對環境中的各種能量比較分析得出戶外的傳感器節點利用太陽能供能不失為一種較好的選擇。本文提出一種基于太陽能的節點電源系統設計，該系統能夠自動管理充電過程并進行有效的能量儲存，通過對電池電壓的監測執行節能方案，以達到延長節點生存周期的目的。此外由于節點上各種器件所需的電壓不一致，的DC—DC轉換也是*的一環。
　　
　　1、電源系統設計
　　
　　電源單元是傳感器節點能源供給部分，它決定著傳感器網絡的壽命，因此節點的電源設計非常重要。電源單元主要由電池、電源管理模塊及外圍電路構成。電源設計首先要考慮的是低功耗。由于負載的功耗與電壓的平方成正比，因此在保證系統可靠工作時盡量選用較低的工作電壓。傳感器、MCU、無線射頻模塊等節點組成部分都有低工作電壓選擇余地，如+3．3V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的電源系統。
　　在該系統中，太陽能電池板產生的能量通過充電控制單元被存儲在鋰電池中；供電管理單元通過對電池電壓的實時監測選擇合適的供能方案。由于電池放電時其端電壓會逐漸降低，對ADC采樣等會造成影響。此外各種器件的工作電壓也不一致，為了保證系統可靠地工作，需要一個穩定的供電電壓。由于電源單元本身應盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉換效率，因此設計了一個具有率的DC—DC轉換單元為節點上的負載提供穩定的電壓。
　　
　　1．1充電控制單元
　　
　　充電控制單元連接著太陽能電池板和鋰電池，其功能主要是有效地將收集到的能量存儲在鋰電池中。本設計中太陽能電池板選用80mm×45mm的電池板，此電池板zui大輸出功率時輸出電壓為5．5V，電流為150mA，轉換效率為16%。鋰電池沒有記憶效應，選用一款容量為2000mAh，工作電壓為3．7V的鋰電池。該單元控制部分采用凌力爾特公司（LinearTechnologyCorporation）推出面向鋰離子電池的智能充電控制芯片LTC4070。該器件以其450nA的工作電流，用以前不能使用的非常低電流、斷續或連續充電，對電池進行充電和保護。該器件的功能非常適用于連續和斷續、低功率充電電源應用。LTC4070具有引腳可選的4．0V，4．1V或4.2V設置，其1%準確度的電池浮置電壓允許用戶優化電池容量和壽命之間的平衡。獨立的低電池電量和高電池電量監察狀態輸出表明電池已放電或充分充電。加上一個與負載串聯的外部PFET，該低電池電量狀態輸出實現了鎖斷功能，該功能自動使系統負載與電池斷接，以保護電池免于深度放電。充電控制單元原理圖如圖2所示。　　
　　太陽能電池板未對鋰電池進行充電時為了減少LTC4070能量消耗添加三極管Q1，當Q1基極電壓下降時將LTC4070與鋰電池隔離。在正常充電模式下大部分電流通過Q1流向鋰電池。當VCC到達ADJ設置的浮點電壓時，LTC4070分流Q1中bc結的電流持續的減少電池充電電流直至0，并且Q1進入飽和狀態。如果熱敏電阻T升高浮點電壓降低，LTC4070將分流更多的電流，Q1強制進入反偏狀態直到電池電壓下降。ADJ引腳用于設置浮點電壓，當接至地時為4．0V，接至VCC時為4．2V，懸空時為4．1V。當鋰電池電壓低于3．2V時LBO拉高D1點亮，當鋰電池充電飽和后，HBO拉高，D2點亮。
　　
　　1．2供電管理單元
　　
　　供電管理單元具有2方面的功能：一是為了不使鋰電池深度放電，需要對其放電門限進行設置；二是獲取當前電池的電壓以決定節點采取的功耗模式。
　　
　　由MAX680及MAX8211構成的鋰電池放電門限設置電路如下圖3所示。　　
　　在該電路中，當鋰電池電壓下降到由R1和R5所決定的門限電壓時，MAX8211就會截止MAX680的供電電壓，zui后使IRF541處于關閉狀態而斷開供電電池與負載電路。IRF541功率開關的導通電流小于0．5mA，關閉漏電流僅為8μA以下。該電路的啟動門限Vu和截止門限V1與外加電阻R5，R6和R7之間的關系可由下式給出：　　
　　為了能夠執行有效的電源管理，需要了解電池能量的儲存情況，并根據任務需求和自身能量狀態調整工作狀態和通信策略。設計中采用LM4041電壓基準芯片，有微處理器采樣其端電壓，并計算電池的實際電壓值以供程序處理，其原理圖如圖4所示。　　
　　U4為LM4041—1．2，該芯片為微功耗精密穩壓管。電阻Rs負責提供穩壓電流IL和負載電流IQ。Rs的取值應滿足流過穩壓管的電流IQ不超過IQmin和IQmax。Rs的計算公式如下：
　　式中：當VS取4．2V，VR取1．2V，IL+IQ約為120A，計算出Rs取值約為27kΩ。在實現過程中，使用ADC0測量穩定電壓VQ，選用電池供電電壓作為ADC的參考電壓Vref。當PC0置“0”時Q3導通，ADC0的讀數為ADC_Data。ADC_Data與參考電壓Vref的關系如式（4）所示：　　
　　式中：VQ為固定值1．2V；ADC_FS為輸入滿量程的測量值，是一個常數如10b的ADC為1024。由式可以計算出Vref也就得到電池的實際電壓。
　　
　　1．3電源輸出模塊
　　
　　MCU的工作電壓一般為2．7～3．3V，傳感器工作電壓有3V和5V。由于MCU與傳感器所需電壓不一致，而且鋰電池的供電電壓為3．7～4．2V，這就需要進行DC-DC裝換。本方案中選用凌特公司的LTC3537芯片。LTC3537具有集成輸出斷接功能和LD0的2．2MHz、電流模式同步升壓型DC/DC轉換器。該器件的升壓型轉換器內部600mA開關可從啟動時的0．68V（工作時為0．5V）至5V輸入電壓范圍提供高達5．25V的輸出電壓，非常適用于鋰離子/聚合物或單節/多節堿性/鎳氫金屬電池應用。LTC3537的應用原理圖如圖5所示。　　
　　將LTC3537的MODE引腳置為低電平工作在PWM模式，ENBST和ENLDO置為高電平工作在正常狀態，亦可置為低電平使其截止。兩路輸出分別為3．3V和5V。
　　
　　2、電源控制流程
　　
　　根據太陽能電池和鋰電池的工作狀態，電源的控制流程如圖6所示
　　
　　3、實驗與分析
　　
　　本設計節點及電源組裝如圖7所示，實驗中采用Micaz節點作為負載節點，將其工作周期設為2%，進行供電實驗。　　
　　在實驗中對太陽能電池板和鋰電池電壓進行監測，監測間隔為2h，所得數據如圖8所示。實驗開始時間為正午12點，系統啟動時鋰電池為3．7V，太陽能電池板達到zui高輸出電壓5．1V，此后鋰電池一直進行充電，直至達到飽和電壓4．2V。進入下午隨著太陽光逐漸減弱，太陽能電池板的輸出電壓逐漸降低。黃昏后太陽能電池板基本無輸出并被截斷，此時節點進入低功耗模式僅靠鋰電池供電，這時采用低功耗方案減少能量消耗，鋰電池在黎明時電壓降至zui低僅3．75V。此后隨著太陽光的逐漸增強，鋰電池又進入充電狀態，在正時午達到zui大值，并按上述過程循環。　　
　　4、結語
　　
　　本文提出并初步實現了一種利用太陽能供能的無線傳感器網絡節點電源系統。實驗結果表明本設計的電源系統由于具有補充能量的途徑，并結合能量管理、能量轉移技術提高了能量利用效率，從而有效地延長了節點的生存周期。本設計可以應用在戶外能被陽光照射的節點上，如精細農業中布置在田間的節點，環境監測中布置于野外的節點等。