賈 濱

（河北建筑工程學院電氣工程學院，河北張家口075000）

0 引 言

嵌入式計算機技術、傳感器技術、無線通信技術和信息處理技術的高速發(fā)展推動了無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）的發(fā)展，無線傳感器節(jié)點作為無線傳感網的重要組成部分，可以采集并處理其網絡覆蓋范圍內的被檢測對象的實時信息并傳送給觀察者，在國防軍事、工業(yè)控制、智能建筑、智能交通、環(huán)境檢測、搶險救災等領域有潛在的應用.由于大多數的節(jié)點工作在野外無人值守的區(qū)域，并且采用干電池為自身供電，能量有限，一旦電池沒電，更換非常困難，所以傳感器節(jié)點的能量供應問題就成為研究無線傳感網的一個瓶頸，因此，為了達到網絡的可持續(xù)行，本文設計了一種無線傳感器節(jié)點太陽能供電模塊，延長了節(jié)點的工作壽命，進而延長了整個WSN的工作壽命.

1 現有節(jié)點供電方式存在的問題

1.1 現有節(jié)點常用供電方式及存在問題

傳統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點通常是采用干電池對節(jié)點供電，而對于某些特定應用中，由于節(jié)點的功耗比較大，電能消耗的很快，傳統(tǒng)的干電池只能維持一兩個月甚至是幾天，節(jié)點的電能耗盡會直接導致傳感器網絡的癱瘓.另一方面，無線傳感網往往是由成百上千的傳感器節(jié)點構成，節(jié)點往往工作在環(huán)境惡劣的區(qū)域，更換電池不但工作量大，而且由于環(huán)境的原因也十分困難，因此，本文設計了一種利用環(huán)境能量無污染、可再生的能源為傳感器節(jié)點供電.

干電池供電節(jié)點一般的使用壽命約1年左右，如果采取低功耗及節(jié)能措施，可增加節(jié)點壽命約半年，這樣，采用干電池供電的節(jié)點的平均使用壽命約1年半至2年.直流電源供電要受到地理位置，監(jiān)測區(qū)域的限制，如果監(jiān)測環(huán)境在復雜的野外，無法使用直流電源供電，直流電源供電線路的開銷也是比較大的，對于大規(guī)模節(jié)點監(jiān)測區(qū)域都使用直流電源供電是不合適的.

1.2 采用太陽能光伏板及鋰離子電池作為供電模塊

為了增加節(jié)點壽命，本文設計實現了以太陽能板與可充電鋰離子電池混合供電的方式為節(jié)點供電，光伏板與鋰離子電池通過防倒流電路及防過沖電路橋接，防止過沖對電池使用壽命的影響，通過防倒流可有效組織鋰離子電池中的電流倒流到光伏板.陽光充足時，節(jié)點采用太陽能板給節(jié)點供電，供電同時對鋰離子電池實現充電，夜間或陽光不足時，節(jié)點采用鋰離子電池為節(jié)點供電.充滿電的鋰離子電池電壓為3.6－3.7V，可持續(xù)為節(jié)點供電平均時間為3年半（采取低功耗與節(jié)能算法的基礎上）.晝夜交替可實現電池的充放電，有效的解決了節(jié)點電能的補給問題，并很大程度上提高了節(jié)點的壽命.

節(jié)點生能器件和儲能器件的選取

（1）太陽能光伏板

本設計所選取的太陽能光伏板的尺寸為128＊118mm，厚度3mm，重量在60－70克之間，其效率大概為17%.其電壓為5V，電流為400MA，功率為2W.

（2）鋰離子電池：本設計選取了兩種型號的鋰離子電池，即帶過充過放保護的18650鈷酸鋰電池和氧化鎳鈷錳鋰電池，其中18650的充放電次數在600次以上，其標準電壓為3.6－3.7V，最高充電電流為0.36A，放電電流為3.6A，電池的容量為2600MAH，尺寸為長65mm，直徑18mm；氧化鎳鈷錳鋰電池其標準電壓為3.7V，最高充電電流為0.20A，放電電流為1.0A，電池的容量為1000MAH，尺寸為長47mm，寬24mm，厚度10mm.這兩款電池均含有充電保護板，但是為了便于觀察鋰電池的狀態(tài)，本設計添加了一個外接的鋰離子電池專用的充電保護板，該保護板充電狀態(tài)和充電結束狀態(tài)雙指示輸出；紅燈充電狀態(tài)；綠燈亮同時停止充電狀態(tài)；紅燈閃爍，綠燈常亮電池沒有接好.在太陽能光伏板和鋰離子電池之間還需添加肖特基二極管，以防止夜間光伏電池不發(fā)電，并防止倒送電所導致的光伏板發(fā)熱［61～63］.

2 太陽能供電模塊的設計

如圖1－1為無線傳感器節(jié)點的能量消耗示意圖.

圖1 －1 無線傳感器節(jié)點的能量消耗示意圖

太陽能光伏板將太陽能轉化為傳感器節(jié)點所能利用的電能，電能在太陽能光伏板、鋰離子電池和節(jié)點之間流動［60］：在陽光充足的情況下，太陽能板將采集到的光能轉化成為電能，在為無線傳感器節(jié)點供電的同時，為鋰離子電池充電.如圖中的箭頭1；箭頭2代表在多云的天氣情況下，太陽能板只能單獨為無線傳感器節(jié)點供電，而沒有多余的電能存儲到鋰離子電池中；當陰天的時候，太陽能板采集到得能量不足以為節(jié)點供電，此時，就需要儲存在鋰離子電池中的電能作為補充，二者共同為節(jié)點供電，如箭頭3；當下雨天或者是夜晚等太陽能無法獲取能量的情況下，需要完全依靠鋰離子電池為節(jié)點供電，如箭頭4所示.

3 結 論

本文所設計的太陽能供電模塊，既綠色環(huán)保，又節(jié)約了能源，為無線傳感器節(jié)點長壽命工作提供了保障.

［1］項新建.具有能量獲取能力的低功耗ZigBee無線傳感器網絡節(jié)點設計［J］.2010年全國科學儀器自主創(chuàng)新及應用技術研討論文，2010，4（2）

［2］高永豐，張高飛，王曉峰，尤政.應用于無線傳感器節(jié)點的微小型復合能源收集系統(tǒng)［J］.納米技術與精密工程，2012，7（4）

［3］白雪峰，李沛，厲紅.風光互補LED路燈系統(tǒng)的設計［J］.中國電力教育，2011，3（3）

［4］楊琦，魏賓.風光互補獨立供電系統(tǒng)設計與分析［J］.陜西電力，2009，37（1）

［5］王小強，歐陽駿，紀愛國.無線傳感器網絡節(jié)點太陽能供電系統(tǒng)設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012，4

［6］SU Bo，LI Yan－qiu，YU Hong－yun，SHANG Yong－h(huán)ong.The Wireless Sensor Node Harvesting Energy from Environment.［J］.傳感技術學報，2008，21（9）