劉芳，陳向春，劉偉

(1.陸軍軍官學(xué)院裝甲兵系, 合肥 230031；2.淮北鐵運(yùn)處林渙機(jī)輛段)

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)

劉芳1，陳向春1，劉偉2

(1.陸軍軍官學(xué)院裝甲兵系, 合肥 230031；2.淮北鐵運(yùn)處林渙機(jī)輛段)

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。

溫差發(fā)電；無線傳感器；超級(jí)電容；微弱能源

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，而且對于大面積的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說,和環(huán)境監(jiān)測,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[1-2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用場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[3-4]；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。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

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，因而對于不同的工作溫度需要選取不同的材料[5-7]。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[8-11]。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1 V，甚至低于0.5 V。

圖3 蓄能電路

對于傳統(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[3]。

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5 V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。

圖2 采用S882Z芯片的升壓穩(wěn)壓電路

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)[5-7]。

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)，5V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。

圖4 無線節(jié)點(diǎn)硬件電路

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2.2 μA。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，測溫范圍為-55～125 ℃，固有測溫分辨率為0.062 5 ℃，工作電壓為3～5 V，測量結(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[8-10]。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?？紤]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

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劉芳(碩士研究生)，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化檢測技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；陳向春(講師)，研究方向?yàn)檠b備測試及軍事計(jì)量技術(shù)研究工作；劉偉(工程師)，研究方向?yàn)闁|風(fēng)系列機(jī)車車檢研究工作。

Design of Wireless Sensor Network Node Based on Passive Technology

Liu Fang1, Chen Xiangchun1, Liu Wei2

(1.Army Officer Academy, Hefei 230031,China;2. The Vehicle Segment of Huaibei Mining Group)

The power supply is very important in the whole wireless sensor network system.In order to meet the requirements of power supply for micro sensor nodes, this paper designs weak energy acquisition circuit using the charge pump to realize ultra low pressure start and double-capacitor energy storage. The circuit can provide energy storage for the energy accumulation circuit in the condition of low temperature difference,realize weak energy acquisition, and make preparations for power supply according to the characteristics of intermittent work of wireless sensor network nodes. Experimental results show that the system has high efficiency of energy collection and long transmission distance.It solves effectively the power supply problem of wireless sensor network nodes,and has high practical value.

thermoelectric power generation;wireless sensor;super capacitor; weak energy

TP212

A

2014-02-27)