無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點太陽能供電系統(tǒng)設計

摘要：ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，采集光能并將其轉換為電能存儲在鋰電池中。通過鋰電池充電管理芯片CN3063組成充電控制電路對鋰電池進行充電管理。利用超低功耗鋰電池電壓檢測芯片CN301組成放電保護電路，最大限度地延長鋰電池的壽命。由于電源能量來自太陽能，因此非常適合野外布置的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集節(jié)點使用。
關鍵詞：太陽能；鋰電池；充電管理芯片

引言
電源是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，特別是對于野外布置的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點來說，供電線路的鋪設難度較大，采用電池供電時需要定期更換電池，在一定程度上增加了系統(tǒng)維護的成本。太陽能供電系統(tǒng)不僅解決了野外長時間無人監(jiān)護的網(wǎng)絡節(jié)點的供電問題，而且還具有供電持久、環(huán)保節(jié)能和便于維護等優(yōu)點，具有良好的應用前景。
太陽能供電系統(tǒng)設計的關鍵問題是通過太陽能電池板對鋰電池進行充電，同時需要實時檢測充電電壓和充電電流，避免因過充而導致鋰電池永久性損壞；此外還需要設計鋰電池放電保護電路，對放電電壓進行實時監(jiān)測，防止過放電導致鋰電池損壞。

1 太陽能供電系統(tǒng)簡介
太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、可充電鋰電池、充電控制器和放電保護電路組成。由于太陽能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)往往因為鋰電池充放電管理不合理，導致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽能的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)能夠自動管理鋰電池的充電過程并進行有效的能量儲存，通過對電池電壓的監(jiān)測避免鋰電池過度放電，以達到延長鋰電池壽命的目的。此外由于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點所需電壓為3．3 V，而鋰電池的工作電壓一般在3．6～4．2 V(正常放電電壓為3．7 V，充滿電時的電壓為4．2 V)，所以需要DC-DC轉換芯片產(chǎn)生所需要的工作電壓。
對于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點而言，首先要考慮的是低功耗。這里選用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530，其工作電壓是3．3 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的太陽能供電系統(tǒng)總體示意圖。

該系統(tǒng)中，太陽能電池板產(chǎn)生的能量通過充電管理電路被存儲在鋰電池中，同時對鋰電池提供充電保護，防止過充；由于電池放電時其端電壓會逐漸降低，因此需要放電保護電路對放電電壓進行監(jiān)測，當電池電壓下降到一定程度時切斷放電電路，避免鋰電池過放電。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高效率的DC-DC轉換電路，為節(jié)點上的負載提供穩(wěn)定的電壓。

2 太陽能供電系統(tǒng)單元電路設計
太陽能發(fā)電系統(tǒng)各個單元電路的設計主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式實現(xiàn)。系統(tǒng)設計的思路是：首先估算系統(tǒng)總功耗，然后選擇合適的鋰電池，進而根據(jù)鋰電池的容量來選擇所需的太陽能電池板；根據(jù)太陽能電池板和鋰電池的充電電壓、充電電流等參數(shù)，可以選擇合適的充電管理IC來設計充電控制電路；最后根據(jù)鋰電池輸出電壓和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點所需的工作電壓來設計合適的DC-DC變換電路。
2．1 鋰電池的選取
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需的峰值電流為29 mA，在數(shù)據(jù)接收期間所需的峰值電流為24 mA。通常情況下，每個ZigB ee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點會設計幾個傳感器。假設各種傳感器所需的工作電流為30 mA，那么數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需要的總電流為59 mA，數(shù)據(jù)接收期間所需要的總電流為54 mA，為了討論問題方便，總電流取60 mA，那么鋰電池可以選取容量為900 mAh。表面上看，900 mAh的鋰電池可以供該節(jié)點連續(xù)工作時間為：900 mAh／60 mA=15小時。
但是實際系統(tǒng)中，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點對數(shù)據(jù)的采集一般是定時采集，例如采集溫度數(shù)據(jù)，由于溫度變化減慢，所以可以定時采集，在此節(jié)點每小時工作50 s，其他時間都在休眠(休眠時工作電流在μA級，所以可以忽略不計)。
那么實際情況是：系統(tǒng)采用容量為900 mAh的鋰電池供電，節(jié)點工作電流為60 mA，每小時工作50 s，可以計算出容量為900 mAh的鋰電池可供節(jié)點工作時間為：1080小時=45天，即一個半月的時間。
當然上述討論也是一種典型情況，如果系統(tǒng)需要每小時使節(jié)點工作時間大于50 s，則每節(jié)鋰電池可以供節(jié)點工作的時間可能會縮短，這需要看具體的系統(tǒng)要求，但是一般情況下，選擇鋰電池時只需要能保證系統(tǒng)在充滿電后可以連續(xù)工作15～20天就可以滿足系統(tǒng)要求。這主要是考慮到我國部分南方地區(qū)在雨季可能連續(xù)半個月的時間不出太陽，這時就需要考慮適當選取容量大一點的鋰電池。
本設計所選用的是容量為900 mAh的鋰電池，市場價在15～30元左右，該電池正常放電電壓為3．7 V，充滿電后電壓為4．2 V，一般正常丁作電壓為3．6～4．2 V。