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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-05-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


摘要:對(duì)于而言,的關(guān)鍵部分之一。在此提出一種收集環(huán)境中供能的。該采用了高效安全的充電控制技術(shù),獨(dú)特的電池電壓監(jiān)測(cè)電路,以及低功耗的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,基于此功耗動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)性能好,生存周期顯著增加。該系統(tǒng)可應(yīng)用于各種戶(hù)外監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn),如環(huán)境監(jiān)測(cè),精細(xì)農(nóng)業(yè),森林防火等。
關(guān)鍵詞:傳感器;傳感器節(jié)點(diǎn);能量收集;;DC—DC

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/162090.htm

0 引言
傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、交通運(yùn)輸、精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,越來(lái)越受到人們的重視。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成單元,通常散布于一定的區(qū)域內(nèi)協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)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。例如Crossbow公司的MICAz節(jié)點(diǎn)如果采用3 000 mAh的電池設(shè)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(jié)點(diǎn)常被布置在惡劣及復(fù)雜的環(huán)境中,進(jìn)一步增加了更換電池的成本。如何能穩(wěn)定有效地為傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源保證就成為傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。目前針對(duì)這一問(wèn)題的研究思路主要是如何從節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境中采集能量并進(jìn)行有效的存儲(chǔ),使節(jié)點(diǎn)具有能量補(bǔ)充能力從而有效地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存周期。環(huán)境中具有各種豐富的能量,如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械振動(dòng)能、聲能、電磁能等。目前,已有一些公司研究和開(kāi)發(fā)了利用環(huán)境能量為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的系統(tǒng)。例如太陽(yáng)能收集模塊CBC-EVAL-08已成功應(yīng)用在TI公司的超低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)eZ430-RF2500-SHE上為其提供能源。創(chuàng)業(yè)公司Perpetuum推出PMG7微型振動(dòng)發(fā)電機(jī),能從一個(gè)100 mg振動(dòng)中產(chǎn)生高達(dá)5 mW/3.3 V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(yáng)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(yáng)光時(shí)工作;利用振動(dòng)能量使得節(jié)點(diǎn)的布置環(huán)境受限制即使在間歇性的振動(dòng)環(huán)境下,系統(tǒng)也無(wú)法穩(wěn)定地連續(xù)工作。
通過(guò)對(duì)環(huán)境中的各種能量比較分析得出戶(hù)外的傳感器節(jié)點(diǎn)利用太陽(yáng)能供能不失為一種較好的選擇。本文提出一種基于太陽(yáng)能的節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠自動(dòng)管理充電過(guò)程并進(jìn)行有效的能量?jī)?chǔ)存,通過(guò)對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)執(zhí)行節(jié)能方案,以達(dá)到延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)生存周期的目的。此外由于節(jié)點(diǎn)上各種器件所需的電壓不一致,高效的DC—DC轉(zhuǎn)換也是必不可少的一環(huán)。

1 電源系統(tǒng)
電源單元是傳感器節(jié)點(diǎn)能源供給部分,它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命,因此節(jié)點(diǎn)的電源設(shè)計(jì)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(gòu)成。電源設(shè)計(jì)首先要考慮的是低功耗。由于負(fù)載的功耗與電壓的平方成正比,因此在保證系統(tǒng)可靠工作時(shí)盡量選用較低的工作電壓。傳感器、MCU、無(wú)線(xiàn)射頻模塊等節(jié)點(diǎn)組成部分都有低工作電壓選擇余地,如+3.3 V。綜合考慮上述因素,提出如圖1所示的電源系統(tǒng)。

c.JPG


在該系統(tǒng)中,太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量通過(guò)充電控制單元被存儲(chǔ)在鋰電池中;供電管理單元通過(guò)對(duì)電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)選擇合適的供能方案。由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì)逐漸降低,對(duì)ADC采樣等會(huì)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(tǒng)可靠地工作,需要一個(gè)穩(wěn)定的供電電壓。由于電源單元本身應(yīng)盡可能少地消耗電池能量,必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率,因此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高效率的DC—DC轉(zhuǎn)換單元為節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。
1.1 充電控制單元
充電控制單元連接著太陽(yáng)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(chǔ)在鋰電池中。本設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能電池板選用80mm× 45mm的電池板,此電池板最大輸出功率時(shí)輸出電壓為5.5 V,電流為150 mA,轉(zhuǎn)換效率為16%。鋰電池沒(méi)有記憶效應(yīng),選用一款容量為2 000 mAh,工作電壓為3.7 V的鋰電池。該單元控制部分采用凌力爾特公司(Linear Technology Corporation)推出面向鋰離子電池的智能充電控制芯片LTC4070。該器件以其450 nA的工作電流,用以前不能使用的非常低電流、斷續(xù)或連續(xù)充電,對(duì)電池進(jìn)行充電和保護(hù)。該器件的功能非常適用于連續(xù)和斷續(xù)、低功率充電電源應(yīng)用。LTC4070具有引腳可選的4.0V,4.1 V或4.2V設(shè)置,其1%準(zhǔn)確度的電池浮置電壓允許用戶(hù)優(yōu)化電池容量和壽命之間的平衡。獨(dú)立的低電池電量和高電池電量監(jiān)察狀態(tài)輸出表明電池已放電或充分充電。加上一個(gè)與負(fù)載串聯(lián)的外部PFET,該低電池電量狀態(tài)輸出實(shí)現(xiàn)了鎖斷功能,該功能自動(dòng)使系統(tǒng)負(fù)載與電池?cái)嘟?,以保護(hù)電池免于深度放電。充電控制單元原理圖如圖2所示。

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太陽(yáng)能電池板未對(duì)鋰電池進(jìn)行充電時(shí)為了減少LTC4070能量消耗添加三極管Q1,當(dāng)Q1基極電壓下降時(shí)將LTC4070與鋰電池隔離。在正常充電模式下大部分電流通過(guò)Q1流向鋰電池。當(dāng)VCC到達(dá)ADJ設(shè)置的浮點(diǎn)電壓時(shí),LTC4070分流Q1中bc結(jié)的電流持續(xù)的減少電池充電電流直至0,并且Q1進(jìn)入飽和狀態(tài)。如果熱敏電阻T升高浮點(diǎn)電壓降低,LTC4070將分流更多的電流,Q1強(qiáng)制進(jìn)入反偏狀態(tài)直到電池電壓下降。ADJ引腳用于設(shè)置浮點(diǎn)電壓,當(dāng)接至地時(shí)為4.0 V,接至VCC時(shí)為4.2 V,懸空時(shí)為4.1 V。當(dāng)鋰電池電壓低于3.2 V時(shí)LBO拉高D1點(diǎn)亮,當(dāng)鋰電池充電飽和后,HBO拉高,D2點(diǎn)亮。


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