基于無源技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

摘要：電源在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有極其重要的意義，為了滿足系統(tǒng)為微型傳感器節(jié)點(diǎn)供電的需求，本文設(shè)計了采用充電泵實(shí)現(xiàn)超低壓啟動、雙電容蓄能的微弱能源采集電路。該電路能夠在低溫差條件下為蓄能電路積累能量，實(shí)現(xiàn)低溫差環(huán)境下的微弱能量采集，并能夠根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間歇性工作的特點(diǎn)，快速做好供電準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有能量收集效率高、傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能源供電的問題，具備較高的實(shí)用價值。

引言

無源無線傳感器技術(shù)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一，涉及到對溫度、光強(qiáng)、濕度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控等。其中，無線傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的組成部分，具有數(shù)量多、分布廣、部署環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，其體積小，且自身攜帶的電池能量有限。由于普通電池的壽命有限，需要定期更換電池。這樣不僅工作量大，成本高，浪費(fèi)也嚴(yán)重，而且對于大面積的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，和環(huán)境監(jiān)測，電池的更換比較困難。因此，收集自然環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自供電，成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用場合中有諸多形式的熱源，如果把這些熱源利用起來，就可以為一些低壓電產(chǎn)品提供能源。由于溫差發(fā)電時，常常出現(xiàn)轉(zhuǎn)換的能源低于1 V，甚至低于0.5 V的情況，此時就需采用充電泵或升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。本文設(shè)計了基于溫差發(fā)電技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電路，該電路采用充電泵S-882Z的微弱能源采集電路，能在0.3～0.35 V輸入電壓下工作，解決了超低壓啟動問題;采用雙電容蓄能與升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器配合等技術(shù)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供可靠能量來源。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該裝置主要由溫差發(fā)電片、能量收集存儲模塊、電源轉(zhuǎn)換電路、無線節(jié)點(diǎn)模塊組成，如圖1所示。

其中，溫差片發(fā)電的效率主要取決于熱端和冷端的溫度和溫差發(fā)電材料的品質(zhì)因數(shù)Z，而Z強(qiáng)烈地依賴于溫度，因而對于不同的工作溫度需要選取不同的材料。充電泵模塊將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓提升并穩(wěn)定在5 V，給超級電容蓄能模塊充電。蓄能模塊由兩個容值不同的超級電容構(gòu)成，按先充小電容、再充大電容的方式進(jìn)行蓄能，小電容向傳感器系統(tǒng)提供低功耗狀態(tài)和正常工作時所需電量，大電容充則用于支持傳感器系統(tǒng)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)收發(fā)等功耗較大狀態(tài)所需電量。

升降壓模塊根據(jù)負(fù)載的需要，將電壓穩(wěn)定在3.3 V輸出。電路采用兩級變壓和雙電容蓄能方式，在一定程度上降低了電能轉(zhuǎn)化效率，但大大提高了系統(tǒng)蓄能，并縮短了電路啟動時間和充電間隔，為無線節(jié)點(diǎn)模塊提供了可靠能源。

2 能量收集存儲電路設(shè)計

2.1 超低工作電壓啟動電路

溫差發(fā)電是將余熱、廢熱等低品位能源轉(zhuǎn)換為電能的一種有效方式，但溫差發(fā)電效率遠(yuǎn)低于火力發(fā)電、水力發(fā)電、光伏發(fā)電等常見的發(fā)電方式。電路采用的TEG1—241系列溫差發(fā)電片，發(fā)電效率約為3%，當(dāng)溫差為40℃，發(fā)電功率為800 mW。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于散熱材料和尺寸的限制，溫差常小于10℃，電壓低于1V，甚至低于0.5 V。

對于傳統(tǒng)的充電泵，如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路不能正常工作。為了克服這一難點(diǎn)，系統(tǒng)采用精工電子有限公司推出的S-882Z超低電壓升壓的方案，該芯片采用了完全耗盡型SOI技術(shù)，能在0.3～0.35 V輸入超低電壓下工作，給微弱電壓電源的應(yīng)用開創(chuàng)了良好的條件。

使用該芯片可以將輸入工作電壓Vin的范圍擴(kuò)展到0.3 V，并且對于輸入電壓在0.9 V以上(包括0.9 V)，但需較大輸出電流情況下激活的升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器來升壓，均可用S-882Z來啟動升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。所以，對于溫差片發(fā)電等超低電壓的應(yīng)用而言，顯然具有實(shí)際意義。本系統(tǒng)采用S-882Z芯片的升壓穩(wěn)壓電路如圖2所示。

其中，升壓電力存儲在外接的啟動用電容器C4中，C4電壓大于0.3 V時S-882Z中振蕩電路開始工作，并將轉(zhuǎn)換后的升壓電力緩慢充至C3，用于啟動升壓DC/DC，合理選用C3、C4的容量可以實(shí)現(xiàn)升壓DC/DC的超低壓快速啟動。D3是一個5 V穩(wěn)壓二極管，當(dāng)Vin大于5V時導(dǎo)通，用于保護(hù)升壓芯片U1輸入電壓不超過5 V。這種結(jié)構(gòu)確保了溫差發(fā)電片在低溫差情況下能量的高效利用。

2.2 超級電容蓄能電路

系統(tǒng)采用超級電容作為系統(tǒng)的蓄能原件，將升壓后的電能儲存在超級電容內(nèi)，并在需要時將能量送入系統(tǒng)。超級電容是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲能元件，存儲能量可達(dá)到靜電電容器的100倍以上，同時又具有比電池高出10～100倍的功率密度，具有充電速度快使用壽命長、低溫性能優(yōu)越等特點(diǎn)。

電容在放電過程中能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供的能量，即有效蓄能可表示為：

其中，U1是電容的放電閾值電壓，U2是電容的充電閾值電壓。放電時C越大，電容能夠提供的能量E也越大;充電時C越大，根據(jù)計算電容達(dá)到放電閾值電壓U1的時間也越長。當(dāng)電容C不變時，蓄能系統(tǒng)是無法同時實(shí)現(xiàn)縮短充電時間和提供更大能量兩個目標(biāo)的。根據(jù)傳感器系統(tǒng)大部分時間工作在低功耗狀態(tài)的特點(diǎn)，本文設(shè)計了雙電容蓄能模式，蓄能電路如圖3所示。

其中C22為小電容，C21為大電容.充電時，5 V輸入電壓經(jīng)防反充肖特基二極管D21和D22后首先為C22充電，當(dāng)C22電壓大于放電閾值電壓U1后，C21才開始充電。當(dāng)C21未達(dá)到充電閾值電壓U2前，蓄能系統(tǒng)通過C22向外提供能量，當(dāng)C21電壓超過U2后，蓄能系統(tǒng)向外提供的能量相當(dāng)于6倍的C22。這種方式既能滿足傳感器系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)下快速啟動的需要，又為高功耗狀態(tài)提供了強(qiáng)大的能量后備。

3 無線節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計

無線節(jié)點(diǎn)模塊包括微處理器模塊、無線傳輸模塊及傳感器模塊。由于溫差發(fā)電產(chǎn)生的能量較弱，因此系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照低功耗原則設(shè)計，無線處感器節(jié)點(diǎn)為間歇工作模式。無線節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖4所示。

微處理器模塊采用MSP430F149，該單片機(jī)是一種16位的混合信號處理器，具有一個12位8通道自帶采樣保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和6個通用8位I/O口，外部工作電壓典型參數(shù)為3.3 V。無線模塊選用CMT-20LP無線收發(fā)模塊，其工作頻率為2.4 GHz，具有高可靠的數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá)2 Mbps;其功耗低，發(fā)射模式下工作電流為30 mA，接收模式下工作電流為25 mA，休眠電流為2.2μA。CMT-20LP模塊采用線性調(diào)頻(CSS)調(diào)制方式，信號帶寬為22 MHz和80 MHz，內(nèi)嵌無線收發(fā)器芯片NA5TR1，增加了輸出PA(功率放大器)、輸入LNA(低噪聲放大器)、收發(fā)轉(zhuǎn)換控制電路，輸出已匹配到50 Ω，使用非常方便。

對于傳感器模塊選型，以環(huán)境溫度為例，傳感器模塊選用DS18B20溫度傳感器。獨(dú)特的單線接口方式使其在與微處理器連接時僅需一條接口線，即可實(shí)現(xiàn)微處理器與傳感器的雙向傳輸，節(jié)約了I/O口，測溫范圍為-55～125℃，固有測溫分辨率為0.062 5℃，工作電壓為3～5 V，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。在使用中無需任何外圍器件，因此可簡化節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計，減小節(jié)點(diǎn)體積，提高可靠性。

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中選用的微處理器模塊和傳感器模塊工作電壓均為3.3 V。該系統(tǒng)工作過程中電源供給來源于溫差發(fā)電片。充電泵模塊將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓提升并穩(wěn)定在5 V，給超級電容蓄能充電。電容存儲的能量用于支持寬范圍升降壓芯片TPS63030(其輸入電壓為1.8～5.5 V)轉(zhuǎn)化為3.3 V電壓，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供電源。

該裝置啟動后工作電流為100 mA左右。傳感器節(jié)點(diǎn)一旦啟動，長期工作在低功耗狀態(tài);每次進(jìn)入典型工作狀態(tài)連續(xù)工作時間在10 s左右;每間隔10 min則進(jìn)入大功耗狀態(tài)一次，連續(xù)工作不少于20 s。能量供應(yīng)模塊設(shè)計使用了一片TEG1-241發(fā)電片，溫差為10℃以上即可發(fā)電，平均輸出電壓0.6 V，輸出電流50 mA，采用0.02 F和1 F兩個超級電容蓄能，放電域值電壓為3 V，可充至以上。

電路由于各種原件損耗，系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)化效能在80%左右。由電容能量轉(zhuǎn)換可得，小電容蓄能到3 V時需要3 s，此時，電路啟動。如果電路工作在典型工作狀態(tài)，可知電容電壓至4.7 V時，系統(tǒng)工作時間理論值為25.8 s?？紤]到系統(tǒng)效能的因素，實(shí)際可工作時間在20 s左右。若系統(tǒng)一直處于低功耗狀態(tài)，雙電容充電至4.7 V的時間根據(jù)換算為375 s;當(dāng)系統(tǒng)處于大功耗狀態(tài)時，工作時間理論值為32 s?？紤]到系統(tǒng)效能的因素，實(shí)際可工作時間在24 s左右。采用溫差片發(fā)電和超級電容蓄能的方式產(chǎn)生的功率大于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中溫度傳感器、單片機(jī)和無線收發(fā)模塊的功率，此時能滿足無線節(jié)點(diǎn)工作需求。

結(jié)語

本文提供了一種基于溫差發(fā)電的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案，通過選擇低功耗單元芯片，設(shè)計硬件接口，構(gòu)建了一個完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置具備啟動時間短，對散熱要求不高，支持間歇大功率輸出的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射模塊傳送的距離可達(dá)100 m，可直接放置于發(fā)動機(jī)排氣管、空調(diào)出風(fēng)口、冷熱水管等物體表面，實(shí)現(xiàn)微弱能源的采集和利用，能有效解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能源供電問題，具備較高的實(shí)用價值。