微型溫差電池的無線傳感器節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在全球面臨能源緊缺、氣候變暖等嚴(yán)重問題的情況下，人類為了生存和發(fā)展轉(zhuǎn)而去尋找和利用清潔能源技術(shù)。清潔能源包括太陽能、風(fēng)能、熱能、振動(dòng)能、海洋能，以及其他能量如人體動(dòng)能、生化能等能量。隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)和生活的方方面面。無線通信網(wǎng)已經(jīng)逐步發(fā)展到能為任何人和物件之間隨時(shí)、隨地通信的物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模極速擴(kuò)大，但與此同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)的總體的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展問題也越來越突出。與此同時(shí)，為了滿足人類生活的需要，越來越多的傳感器需要被安放在人跡罕至或者環(huán)境惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)惡劣的環(huán)境決定了人們無法使用化學(xué)電池為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，因?yàn)樵谶@些地區(qū)更換化學(xué)電池往往是一件不太可能的事情。正因?yàn)檫@些原因，本文才想到采用可再生能源(動(dòng)態(tài)能源)為無線通信節(jié)點(diǎn)供能來解決這些問題。

　　本文提出了一套微型溫差發(fā)電器供給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微型溫差發(fā)電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實(shí)現(xiàn)了可以從低至80mV的能量源采集能量，并利用外圍電路實(shí)現(xiàn)對能量源的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并結(jié)合能量緩沖器在必要時(shí)存儲(chǔ)能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)了微型溫差能量的有效采集和利用。該系統(tǒng)通過高效的能量收集和有效的能量管理實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)，同時(shí)也順應(yīng)了現(xiàn)在我國通信行業(yè)綠色無線電的發(fā)展要求。

　　1.基于微型溫差發(fā)電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)模型

　　為了滿足微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求，本文設(shè)計(jì)了如下的無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射端的系統(tǒng)架構(gòu)，如下圖1所示。

　　圖1微型溫差發(fā)電器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射端架構(gòu)

　　由圖1可知，微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射端結(jié)構(gòu)由溫差電能收集器、具有MPPT功能的升壓電路、能量緩沖器和系統(tǒng)負(fù)載(無線傳感器節(jié)點(diǎn))組成。溫差電能收集器是由熱電轉(zhuǎn)換芯片組成的，可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場所的大小和所需電能的多少?zèng)Q定熱電轉(zhuǎn)換芯片表面積大小和疊加的層數(shù)，用以滿足不同的應(yīng)用環(huán)境。

　　電源管理集成電路主要是由最大功率點(diǎn)跟蹤模塊(MPPT)、電能輸出接口、充電器(DC-DC升壓模塊)、能量緩沖器構(gòu)成。其中能量緩沖器電路由儲(chǔ)能電容、比較器電路和穩(wěn)壓器電路構(gòu)成。負(fù)載主要包括處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。

　　由圖1可知，在微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，電源能量管理電路(Power Management Integrated Circuit， PMIC)是極其重要的一環(huán)，它所包含的電路功能多而重要，是微型溫差發(fā)電器能量采集系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

　　2.電源能量管理控制電路(PMIC)設(shè)計(jì)方案

　　2.1電源能量管理控制電路(PMIC)整體設(shè)計(jì)方案

　　在本文中電源管理控制電路主要包含了如下功能，最大功率點(diǎn)跟蹤、DC-DC升壓轉(zhuǎn)換和能量緩沖。

　　如圖2所示，基于微型溫差發(fā)電器的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)的能量采集和管電路主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和儲(chǔ)能電容器以及它們相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。超低電壓升壓轉(zhuǎn)換和管理芯片BQ25504，低功耗多功能電壓比較器MIC841N和線性穩(wěn)壓輸出芯片TPS78001一起構(gòu)成了微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫差能量采集和管理使用的多重功能。

　　圖2系統(tǒng)溫差能量采集和應(yīng)用電路原理圖