楊世超，陶正蘇

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

微電子技術、計算機技術和通信技術等技術的發(fā)展和進步，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[1]，無線傳感器網(wǎng)絡應運而生。傳感器節(jié)點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的地方，無線節(jié)點的電池不能夠被隨時更換，這就要求節(jié)點能夠在有限的電源供電的條件下工作時間盡可能延長以延長網(wǎng)絡壽命，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)點本身就要具有低功耗設計技術，從而達到延長節(jié)點壽命的目的[2]。

1 系統(tǒng)結構設計

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要由數(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，構成了無線傳感器網(wǎng)絡。文中設計的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用圖1所示的系統(tǒng)結構。

圖1 無線傳感器節(jié)點結構框圖Fig.1 Structure diagram of WSN node

節(jié)點的數(shù)據(jù)采集模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數(shù)據(jù)轉換。數(shù)據(jù)采集部分可根據(jù)實際需要選定合適的傳感器。本設計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)絡節(jié)點系統(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，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，設計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)處理模塊負責控制整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務管理等。處理器模塊是無線傳感器節(jié)點的計算核心，所有的設備控制、任務調度、能量計算、功能協(xié)調、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)整合程序都將在這個模塊的支持下完成，處理器的選擇在節(jié)點設計中至關重要。本設計采用CC2430自帶的8051微處理器，它采用低功耗CMOS工藝生產，基于RISC結構，速度快，功耗低，性價比高。

數(shù)據(jù)傳輸模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信、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無線傳感器網(wǎng)絡能耗的主要部分，因此對這一模塊的選擇事關低功耗設計的全局。選擇無線收發(fā)芯片時應考慮以下幾點因素：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)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼等。本設計采用Chipcon公司一款兼容2.4 GHz IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)模塊CC2430，它具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強度和收發(fā)頻率可編程等特點。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250 kbps。本設計中單芯片CC2430集成了MCU和RF模塊，比單獨MCU+RF芯片的設計，不僅在價格方面比較低，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。本設計采用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)點小的特點。另外，結合生物信息檢測系統(tǒng)中如攪拌機的振動等產生的機械能，通過能量轉換裝置將其轉換成電能存貯起來。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。當振動產生的能量不足，自動實時切換到電池供電。另外，為方便上位機調試和檢修，還配備了USB供電接口。

2 電源模塊設計

2.1 電源模塊設計

電源模塊設計系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of power module design

振動能通過能量轉換電路，將振動能轉換成電能，然后通過儲能電路儲存，再經過DC－DC升壓電路進入到智能電源管理電路。系統(tǒng)默認選擇振動產生的能量，當振動產生的能力不足時，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，所以設計了DC－DC升壓電路，經過升壓電路，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，因此設計了LDO電源電路。通過LDO電源電路，3.7 V輸入電壓變?yōu)?.3 V。

2.2 基于壓電材料的振動能量轉換

振動源采用壓電晶體，利用其壓電效應實現(xiàn)機械振動能到電能的轉換，可以利用正壓電效應發(fā)電。由于壓電材料產生的是低交流電壓、極其微弱的電流，產生的電流是瞬間和交替的，它以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應[3]。因此需要設計壓電發(fā)電電源電路，對壓電發(fā)電裝置產生的電能進行能量轉換和存儲。

壓電晶體充電等效電路如圖3所示。L1是匹配電路的初級電感，I1是流入初級電感的電流，L2是次級電感，I2是流出次級電感的電流，M為互感，C2為次級電容，Iin是流入整流電路的電流，Vin是整流前C2兩端電壓，I是流入儲能電容的電流，Vrest是儲能電容兩端點電壓，Cst為總儲能電容，由于Cst的值遠遠大于C2，因此Vrest在每個充電周期里是固定不變的。從能量源的角度出發(fā)，壓電材料等效為交流電流源Ip和等效電容Cp并聯(lián)。

圖3 壓電材料充電等效電路Fig.3 Charging equivalent circuit of piezoelectric material

2.3 能量轉換電路設計

通常使用的電源電壓是直流電，而壓電振子輸出的是一種交流電，不能直接作為供電電源，這就需要設計相關的整流濾波電路，將壓電材料振動產生的交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，經濾波得到平滑的直流電壓。

本系統(tǒng)采用能量利用效率較高的橋式全波整流電路，如圖4所示。D3～D6構成橋式整流電路，4個二極管輪流工作，Vac正半周時，D4和 D6導通；Vac負半周時，D3和 D5導通。當 I2對C2（圖 3）進行充電時，C2兩端電壓上升，C2兩端電壓升高到Vrest時，整流二極管導通，C2兩端電壓被鉗位到Vrest，I2通過整流二極管對Cst進行充電；當整流二極管均截止時，C2對前端進行放電。但此時輸出的電壓是脈動的，含有較大的紋波，必須通過濾波加以消除，才能得到平滑的直流電壓。該電路中采用470 μF電容進行濾波，保證電路中電壓和電流的穩(wěn)定。當輸出電壓在一定范圍內變化時，該電路具有很好的穩(wěn)壓性能[4]。

2.4 儲能電路設計

超級電容作為一種新型的電力儲能元件，既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)勢，又像電池一樣具有較大的電荷儲存能力。同時，超級電容還具有循環(huán)壽命長、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、免維護等優(yōu)點。

圖4 整流濾波電路Fig.4 Circuit of bridge rectifier

本系統(tǒng)采用SU2400P－0027V－1RS超級電容設計了儲能模塊，其額定容量為300 F，額定電壓為2.7 V，具有較高的功率比、能量比和較低的等效串聯(lián)電阻，其工作原理如圖5所示。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，形成雙電荷分布層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3 V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應將減少。由此可以看出，超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學反應的可充電電池是不同的。

圖5 超級電容工作原理Fig.5 Diagram of super capacitor

2.5 DC-DC 升壓電路

DC－DC升壓電路選擇 MC34063，其性價比高，效率高。如圖6所示，輸入電壓 Vin是 2.5～40 V，輸出電壓V1是5 V。

圖6 DC－DC升壓電路Fig.6 DC－DC step－up circuit

2.6 智能電源管理電路設計

智能電源管理電路選用芯片MAX1555[5]，首先針對外接電源與鋰電池電源的實時電壓狀態(tài)自動選擇供電方式；其次，完成對系統(tǒng)內3.7 V 2 200 mAh的鋰電池的充電任務。如圖7所示，當外接USB接口默認選用USB電源。如果沒有USB提供電源時，當振動能量足夠，此時V1等于5 V，一邊為系統(tǒng)提供電能，一面為鋰電池充電；當振動能量太小時，MAX1555 4腳自動關閉，與5腳相連的鋰電池自動供電，實現(xiàn)了振動能量和鋰電池之前的無縫切換。

圖7 智能電源管理電路Fig.7 Intelligent power management circuit

2.7 LDO電源電路模塊

LDO電路選擇 ADP3300－3.3[6]，其輸入電壓 System load的范圍是3.2～12 V，輸出電壓是3.3 V，如圖8所示。

圖8 LDO電源電路模塊Fig.8 Block diagram of LDO power supply circuit

3 低功耗設計

微處理器有一種較為通用的電源管理機制，在該機制中將系統(tǒng)的功耗模式分為3種：常規(guī)模式、空閑模式和省電模式。其中，常規(guī)模式的功耗最高，空閑模式的功耗次之，省電模式功耗最低。系統(tǒng)完成初始化后即進入低功耗工作模式狀態(tài)，進入低功耗模式后，電流僅達到幾個μA。 一旦有允許的中斷請求，CPU將在大約10 μs的時間內被喚醒進入活動模式，執(zhí)行中斷服務程序。執(zhí)行完畢，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。系統(tǒng)在空閑模式下依然要啟動定時器，如果在定時器到期之前收到外部觸發(fā)信號，系統(tǒng)將回到常規(guī)模式并取消定時器；如果沒有收到外部的觸發(fā)信號，系統(tǒng)將保持在休眠模式并且系統(tǒng)會在定時器到期后進入省電模式，以便更進一步地降低功耗。系統(tǒng)中斷流程如圖9所示。

4 結束語

本文針對生物信息檢測系統(tǒng)，利用振動產生的能量，結合可充電鋰電池，為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點永久提供能量。該系統(tǒng)經過硬件測試，運行穩(wěn)定，工作良好，不僅能自動對供電方式進行選擇，而且可以完成對鋰電池的充電功能。同時，系統(tǒng)軟件提供的睡眠喚醒機制與通信協(xié)議相匹配，能夠保證在無線傳感器網(wǎng)絡可靠通信的基礎上，進一步滿足低功耗系統(tǒng)需求。系統(tǒng)結構簡單，成本低，節(jié)點壽命長，可靠性高，有較高的實用價值。

圖9 系統(tǒng)中斷流程圖Fig.9 Flow chart of system interrupt

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]趙澤，黃希，崔莉.無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點技術[R].北京：中國科學院計算機技術研究所，2008.

[3]王佩紅，戴旭涵，方東明，等.微型電磁式振動能量采集器的設計和電磁特性仿真研究[J].合肥工業(yè)大學學報，2008，31（4）：518-526.WANG Pei-hong，DAI Xu-han，F(xiàn)ANG Dong-ming.The design of micro-electromagnetic vibration energy harvesting device design and simulation of electromagnetic properties[J].Hefei University of Technology Journal，2008，31（4）:518-526.

[4]童詩白.模擬電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社，1980.

[5]Maxim Integrated Products.SOT23 Dual-input USB/AC adapter 1-cell Li+battery charers[EB/OL].[2011-11-06]http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1551-MAX1555.pdf.

[6]Analog Devices.High accuracy anycap 50mA low dropout linear regulator[EB/OL].（2010-10-01）[2011-11-06]http://www.farnell.com/datasheets/83912.pdf.