基于無源技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
摘要:電源在整個(gè)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(jì)了采用充電泵實(shí)現(xiàn)超低壓啟動(dòng)、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(jià)值。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/308115.htm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(duì)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(duì)于大面積的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說,和環(huán)境監(jiān)測(cè),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(chǎng)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(shí),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(shí)就需采用充電泵或升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。本文設(shè)計(jì)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(dòng)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(chǔ)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(duì)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(jí)電容蓄能模塊充電。蓄能模塊由兩個(gè)容值不同的超級(jí)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(shí)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(jí)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(dòng)時(shí)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(chǔ)電路設(shè)計(jì)
2.1 超低工作電壓啟動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。所以,對(duì)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(chǔ)在外接的啟動(dòng)用電容器C4中,C4電壓大于0.3 V時(shí)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(dòng)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(dòng)。D3是一個(gè)5 V穩(wěn)壓二極管,當(dāng)Vin大于5V時(shí)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(jí)電容蓄能電路
系統(tǒng)采用超級(jí)電容作為系統(tǒng)的蓄能原件,將升壓后的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容內(nèi),并在需要時(shí)將能量送入系統(tǒng)。超級(jí)電容是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件,存儲(chǔ)能量可達(dá)到靜電電容器的100倍以上,同時(shí)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(shí)C越大,電容能夠提供的能量E也越大;充電時(shí)C越大,根據(jù)計(jì)算電容達(dá)到放電閾值電壓U1的時(shí)間也越長。當(dāng)電容C不變時(shí),蓄能系統(tǒng)是無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)縮短充電時(shí)間和提供更大能量兩個(gè)目標(biāo)的。根據(jù)傳感器系統(tǒng)大部分時(shí)間工作在低功耗狀態(tài)的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)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(shí),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(dòng)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(jì)
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(jì),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(hào)處理器,具有一個(gè)12位8通道自帶采樣保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和6個(gè)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(hào)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(duì)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(shí)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(cè)溫范圍為-55~125℃,固有測(cè)溫分辨率為0.062 5℃,工作電壓為3~5 V,測(cè)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(jì),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(jí)電容蓄能充電。電容存儲(chǔ)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(dòng)后工作電流為100 mA左右。傳感器節(jié)點(diǎn)一旦啟動(dòng),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(shí)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(jì)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(gè)超級(jí)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(shí)需要3 s,此時(shí),電路啟動(dòng)。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(shí),系統(tǒng)工作時(shí)間理論值為25.8 s。考慮到系統(tǒng)效能的因素,實(shí)際可工作時(shí)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(shí)間根據(jù)換算為375 s;當(dāng)系統(tǒng)處于大功耗狀態(tài)時(shí),工作時(shí)間理論值為32 s??紤]到系統(tǒng)效能的因素,實(shí)際可工作時(shí)間在24 s左右。采用溫差片發(fā)電和超級(jí)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(shí)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(jì)方案,通過選擇低功耗單元芯片,設(shè)計(jì)硬件接口,構(gòu)建了一個(gè)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(dòng)時(shí)間短,對(duì)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(dòng)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(jià)值。
評(píng)論