一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物信息檢測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

摘要：針對電源系統(tǒng)需要為系統(tǒng)中微處理器、傳感器、信號調(diào)理電路、無線通訊模塊等提供工作電源的目的，提出一種生物信息檢測系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)節(jié)點(diǎn)的電源設(shè)計(jì)方案。除了通過內(nèi)部3．7 V鋰電池，振動產(chǎn)生的機(jī)械能也可以用來提供能量。系統(tǒng)工作過程中能自動時(shí)供電方式進(jìn)行選擇，并完成對鋰電池的充電任務(wù)。節(jié)點(diǎn)采用帶有8051內(nèi)校的CC2430無線射頻芯片，通過有效的動態(tài)電源管理和喚醒休眠機(jī)制的軟件設(shè)計(jì)，針對生物信息檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種低功耗的能量自供給的無線傳感器節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器節(jié)點(diǎn)；電源系統(tǒng)；動態(tài)電源管理；能量自供給

微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)部集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是微型的嵌入式系統(tǒng)，一般是通過攜帶有限的電池供電，因此處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。大多數(shù)工作在野外或者人員不宜到達(dá)的地方，無線節(jié)點(diǎn)的電池不能夠被隨時(shí)更換，這就要求節(jié)點(diǎn)能夠在有限的電源供電的條件下工作時(shí)間盡可能延長以延長網(wǎng)絡(luò)壽命，除采用大容量電池以及像太陽能這樣自己供電的方案之外，節(jié)點(diǎn)本身就要具有低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，從而達(dá)到延長節(jié)點(diǎn)壽命的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)無線通信模塊以及電源模塊組成。按照一定的通信協(xié)議，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。文中設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集部分可根據(jù)實(shí)際需要選定合適的傳感器。本設(shè)計(jì)是針對生物信息檢測系統(tǒng)，需要測定溫度、濕度、振動、pH值等。作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，傳感器的功耗對系統(tǒng)的功耗也是有重要影響的。在選擇傳感器時(shí)，要優(yōu)先選擇有源式傳感器，如壓電式傳感器，或者選擇耗電量小的傳感器，盡量避免選用功耗大的如磁電式、電容式等傳感器。例如，設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是DS18B20，用于測量物體表面溫度或空氣溫度，它體功耗低，體積小，外圍電路簡單，可以在保證系統(tǒng)可靠的情況下降低了系統(tǒng)功耗。
數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等。處理器模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)整合程序都將在這個(gè)模塊的支持下完成，處理器的選擇在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用CC2430自帶的8051微處理器，它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結(jié)構(gòu)，速度快，功耗低，性價(jià)比高。
數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，其中無線通信損耗的能量占了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分，因此對這一模塊的選擇事關(guān)低功耗設(shè)計(jì)的全局。選擇無線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。本設(shè)計(jì)采用Chipcon公司一款兼容2．4 GHz IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)模塊CC2430，它具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強(qiáng)度和收發(fā)頻率可編程等特點(diǎn)。而且外接天線，可確保短距離通信的有效性和可靠性，其最大收發(fā)速率為250kbps。本設(shè)計(jì)中單芯片CC2430集成了MCU和RF模塊，比單獨(dú)MCU+RF芯片的設(shè)計(jì)，不僅在價(jià)格方面比較低，而且在功耗和節(jié)能上都降低很多優(yōu)勢十分明顯。
節(jié)點(diǎn)的電源管理非常重要。由圖1可以看出，數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)無線通信模塊等系統(tǒng)能量來源都是由電源模塊提供。本設(shè)計(jì)采用3．7 V可充電鋰電池ICR18650，該電池能量密度高，體積小，適合傳感器節(jié)點(diǎn)小的特點(diǎn)。另外，結(jié)合生物信息檢測系統(tǒng)中如攪拌機(jī)的振動等產(chǎn)生的機(jī)械能，通過能量轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成電能存貯起來。然后通過動態(tài)電源管理，一方面給系統(tǒng)供電，另一方面可以給鋰電池充電。當(dāng)振動產(chǎn)生的能量不足，自動實(shí)時(shí)切換到電池供電。另外，為方便上位機(jī)調(diào)試和檢修，還配備了USB供電接口。

2 電源模塊設(shè)計(jì)
2．1 電源模塊設(shè)計(jì)
電源模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

振動能通過能量轉(zhuǎn)換電路，將振動能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過儲能電路儲存，再經(jīng)過DC-DC升壓電路進(jìn)入到智能電源管理電路。系統(tǒng)默認(rèn)選擇振動產(chǎn)生的能量，當(dāng)振動產(chǎn)生的能力不足時(shí)，自動切換到鋰電池供電。儲能電路正常工作電壓是2．7 V，而智能電源管理電路正常工作電壓是5 V，所以設(shè)計(jì)了DC-DC升壓電路，經(jīng)過升壓電路，2．7 V輸入電壓變?yōu)? V輸出，使智能電源管理電路能夠正常工作；可充電鋰電池正常工作電壓是3．7 V，系統(tǒng)工作電壓主要是3．3 V，因此設(shè)計(jì)了LDO電源電路。通過LDO電源電路，3．7V輸入電壓變?yōu)?．3V。