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(1. 天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院, 天津 300387；2.天津工業(yè)大學 天津市光電檢測技術與系統(tǒng)重點實驗室)

磁耦合諧振技術的無線可充電SenCar節(jié)點設計*

劉書語1,2，林志貴1,2，周軼恒1,2，劉立峰1,2

(1. 天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院, 天津 300387；2.天津工業(yè)大學 天津市光電檢測技術與系統(tǒng)重點實驗室)

結合磁耦合諧振技術，設計了一款基于磁耦合諧振的無線可充電SenCar節(jié)點。通過攜帶大能量電池，SenCar節(jié)點為網絡普通節(jié)點進行充電?；谀K化設計思想，給出SenCar節(jié)點軟硬件設計，使其具有能量傳輸功能同時，能夠監(jiān)測本身及其網絡節(jié)點能量信息，為后續(xù)網絡能量管理奠定基礎。實驗結果表明，本文設計的SenCar節(jié)點滿足設計要求。

WSNs； WRSNs；磁耦合諧振；SenCar節(jié)點

引 言

自從Marin Soljacic的研究團隊[1]基于磁耦合諧振原理實現(xiàn)相距2 m的發(fā)送線圈和接收線圈傳能，隔空點亮了連接在接收端的一盞60 W的燈泡以來，磁耦合諧振無線傳能技術得到廣泛關注。在此之前能量問題一直制約著無線傳感器網絡(WSNs)的應用與發(fā)展，磁耦合諧振的無線傳能技術為解決WSNs的能量問題提供了新的途徑。

利用磁耦合諧振為WSNs網絡節(jié)點充電，構成無線可充電傳感器網絡(WRSNs)。WRSNs中為普通節(jié)點提供能量的SenCar節(jié)點的設計直接關系到充電效率，以及網絡能量平衡。關于WRSNs能量補給及分配，目前集中在理論分析中[2-4]，對于實際WRSNs網絡可充電節(jié)點和SenCar節(jié)點研究與設計相對較少。Griffin B等[5]采用無人飛行器(UAV)為地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點進行無線充電，UAV采用磁耦合諧振技術，充電工作頻率為189 kHz，充電距離為150～400 mm，傳感器節(jié)點接收到的平均功率為4.43 W，效率為5%～40%。UAV可看作為SenCar節(jié)點，但UAV沒有能量檢測、獲取網絡節(jié)點剩余能量以及網絡能量管理功能。本文利用磁耦合諧振無線傳能技術，結合WSNs網絡節(jié)點能量需求，設計一款基于磁耦合諧振的無線可充電SenCar節(jié)點，為WRSNs能量管理奠定基礎。

1 節(jié)點設計方案

1.1 設計要求

SenCar節(jié)點是一個可充電的移動節(jié)點，可以在WRSNs中靈活移動,與傳感器節(jié)點進行無線通信，同時通過基于磁耦合諧振無線傳能方式為傳感器節(jié)點補充能量。具體設計要求如下：采用鋰電池供電，容量不低于3 500 mAh，其充電電流不得大于0.8 A，充電電壓不得高于+24 V；正常工作溫度范圍為-40～85 ℃；支持的最高時鐘頻率不得低于100 MHz；磁耦合開關頻率為50～100 kHz，兩線圈距離25～200 mm,傳輸效率為8%～75%，當有新的傳感器節(jié)點申請加入網絡，能自動將其加入。SenCar節(jié)點控制模塊與無線通信傳輸模塊和電量監(jiān)測模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，從而獲取相應節(jié)點的傳感器信息、遙控器控制信息以及高能電池的能量信息。模塊之間應采用相應的通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)可靠有效地進行傳輸。

1.2 設計方案

SenCar節(jié)點設計方案體現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面。硬件方面按功能劃分主要包括：控制模塊、無線通信傳輸模塊、無線能量傳輸模塊、電機驅動模塊、信息顯示模塊、電壓轉換模塊、電源模塊、充電模塊，如圖1所示。軟件方面按實現(xiàn)的功能劃分主要分為：電量監(jiān)測程序、信息顯示程序、無線數(shù)據(jù)通信程序、遙控器程序、小車移動控制程序、無線能量傳輸控制程序這6部分，其中無線數(shù)據(jù)通信程序又分為節(jié)點無線通信程序和遙控器無線通信程序兩部分，如圖2所示。

圖1 SenCar節(jié)點模塊組成示意圖

圖2 SenCar節(jié)點軟件設計程序模塊組成圖

2 硬件設計

2.1 無線能量轉換模塊

基于磁耦合諧振的SenCar節(jié)點能量轉換模塊的系統(tǒng)框圖如圖3所示，其主要由兩路+12.6 V電源、增強驅動信號負載能力電路、H橋控制電路、LC串聯(lián)振蕩電路以及兩路互補帶死區(qū)時間的PWM信號構成。能量轉換模塊的原理圖如圖4所示，該模塊通過LX1、C35、C36構成的LC振蕩電路，確定無線能量傳輸?shù)闹C振頻率?？刂颇K輸出兩路該頻率的PWM波HIN和LIN，將兩路PWM波同時輸入U12和U13，并通過圖4中電源+12.6V_1、D10、D15、C30、C31、C37、C38構成兩路自舉電路，提高HIN和LIN的負載能力，控制VT1～VT4構成橋式控制電路，實現(xiàn)無線能量的傳輸。

圖3 SenCar節(jié)點能量轉換模塊的系統(tǒng)框圖

2.2 控制模塊

控制模塊主要由穩(wěn)壓電路、USB轉串口電路、MCU最小系統(tǒng)組成。MCU最小系統(tǒng)采用ARM Cortex-M4內核的Kinetis 60系列芯片。穩(wěn)壓電路采用具有低壓差輸出、輸出電壓精度高、高電源抑制比的TLV70225芯片[6]，將+5 V電壓固定降壓至+3.3 V輸出，為MCU正常工作提供電源。

2.3 電壓轉換模塊

電壓轉換模塊主要是將高能電池電壓進行降壓至+7.5 V和+12.6 V。隨著SenCar節(jié)點正常工作，電池電壓會持續(xù)降低，且降壓電路輸入和輸出的壓差太小會導致輸出電壓不穩(wěn)定。因此，在保證輸出的電壓滿足無線能量傳輸模塊正常工作、且電池不進入過放狀態(tài)的情況下，選定另一路的輸出電壓為+12.6 V[7]。

圖4 SenCar節(jié)點能量轉換模塊原理圖

2.4 電機驅動模塊

電機驅動模塊主要由電壓轉換電路、信號隔離電路、電機H橋控制電路組成。電機驅動模塊的電壓轉換電路原理如圖5所示。電壓轉換電路主要分為將電壓轉換模塊輸出的+7.5 V電壓通過U6升壓至+12 V電路，以及+7.5 V電壓通過U7降壓輸出+3.3 V電路這兩部分。當S2閉合，電壓轉換模塊輸出的+7.5 V電壓流入電機驅動模塊的電壓轉換電路，進行電壓轉換。信號隔離電路采用具有典型的CMOS型三態(tài)緩沖門的74HC245芯片[8]。

圖5 電機驅動模塊的電壓轉換電路原理圖

電機驅動電路的H橋控制電路如圖6所示。

圖6 電機驅動模塊的H橋控制電路原理圖

通過U9、U10芯片提升信號的負載能力，然后將增強負載能力后的兩路信號輸送至由Q1～Q4四個MOS管組成的H橋電路的兩端，實現(xiàn)對電機的正反轉控制。

2.5 能量監(jiān)測模塊

SenCar節(jié)點的電量監(jiān)測模塊原理圖如圖7所示，電量監(jiān)測芯片采用DS2438芯片[9]，通過穩(wěn)壓管IN4734將VDD引腳電壓穩(wěn)定在+5.6 V，減小輸入電源電壓的波動，同時防止電池電壓輸入過大，燒壞芯片。R58主要用于降低輸入電流的大小，保證D28功率不超過額定功率1 W，C69旁路電容主要用于去除輸入電壓中的噪聲。

2.6 充電模塊

SenCar節(jié)點充電模塊主要分為充電電路部分和電源部分。電源部分主要采用DIODES公司的ZMR500芯片。充電電路部分采用德州儀器的BQ2954充電管理芯片[10]，BQ2954最大鋰離子充電管理IC使用靈活的脈沖寬度調制調節(jié)器來控制充電期間的電壓和電流。

圖7 SenCar節(jié)點電量監(jiān)測模塊原理圖

3 軟件設計

3.1 電量監(jiān)測程序設計

電量監(jiān)測程序對SeCar節(jié)點自身高能電池的當前狀況進行監(jiān)測，包括高能電池當前電壓值、高能電池充放電電流大小、當前電池溫度三方面信息。電量監(jiān)測程序流程圖如圖8所示。

圖8 電量監(jiān)測程序流程圖

3.2 無線能量傳輸控制程序

無線能量傳輸控制程序主要為無線能量傳輸提供一定頻率的PWM驅動信號，同時控制無線傳輸模塊電源的開啟與關閉。當節(jié)點補充完能量，SenCar節(jié)點自動將無線能量傳輸控制引腳拉高，電壓轉換模塊不再為無線能量傳輸模塊提供電源，小車停止能量傳輸，同時關閉定時器輸出，無線能量傳輸控制程序流程圖如圖9所示。

3.3 無線數(shù)據(jù)通信程序設計

SenCar節(jié)點的節(jié)點無線通信部分主要用于獲取傳感器節(jié)點的傳感器信息。節(jié)點無線通信部分初始化自身硬件配置和Z-Stack協(xié)議棧[11]，隨后啟動ZigBee網絡，等待傳感器節(jié)點加入網絡，當傳感器節(jié)點成功加入后，為傳感器節(jié)點分配短地址，隨后傳感器節(jié)點發(fā)送自身傳感器信息至SenCar節(jié)點，SenCar節(jié)點的節(jié)點通信部分將接收到信息，并通過自身串口發(fā)送至控制模塊，其流程如圖10所示。

圖9 無線能量傳輸控制程序流程圖

圖10 節(jié)點無線通信程序流程圖

3.4 SenCar節(jié)點移動控制程序

SenCar節(jié)點控制程序主要控制SenCar節(jié)點的舵機和電機，當SenCar節(jié)點向右轉動時，控制舵機PWM信號的高電平寬度設置為1.3 ms，當SenCar節(jié)點向左轉動時，控制舵機PWM信號的高電平寬度設置為1.7 ms，因此需要定時器，具體流程如圖11所示。

圖11 SenCar節(jié)點移動控程序流程圖

4 測試結果及分析

4.1 實驗平臺

基于SenCar節(jié)點的硬件設計和軟件設計，構建了SenCar節(jié)點，便于SenCar節(jié)點各個模塊進行功能測試，搭建的無線可充電傳感網絡實驗平臺如圖12所示，由可充電的移動SenCar節(jié)點和具有能量補充功能的傳感器節(jié)點組成，對節(jié)點進行一對一的能量補充。

4.2 電壓轉換模塊測試

電壓測試結果如表1所列。從測試的結果可以看到，轉換目標電壓為+7.5 V那部分測試，結果基本穩(wěn)定在+7.57 V左右，與目標值相差+0.07 V；轉換目標電壓為+12.6 V那部分測試，結果基本穩(wěn)定在+12.7 V，與目標值相差+0.17 V。實測基準電壓為+1.284 V左右，與芯片手冊數(shù)據(jù)一致。

圖12 無線可充電傳感網絡實驗平臺

次 數(shù)實測電壓值1/V(目標值+7．5V)實測電壓值2/V(目標值+12．6V)1+7．57+12．782+7．57+12．773+7．58+12．774+7．57+12．775+7．57+12．786+7．57+12．787+7．57+12．77

4.3 電量監(jiān)測模塊測試

電量監(jiān)測模塊所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)如表2所列。從表2中可以看出，在兩位精度內，電量監(jiān)測模塊采集的電壓與實際測量電壓一致，而監(jiān)測的電流數(shù)據(jù)誤差在±13 mV之間。這可能是由于DS2438內部集成的是10位A/D轉換器，測得理論的最小電流為12.22 mA，導致了測量精度的理論誤差在±12.22 mA之內，同時儀器測量過程也有誤差疊加。

表2 電量監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際測量對比

4.4 通信部分測試

圖13 節(jié)點通信部分接收到數(shù)據(jù)幀信息

接收到的數(shù)據(jù)幀如圖13所示。圖中任意一行數(shù)據(jù)為{0xEE，0xCC，0x00，0x00，0x00，0x79，0x6F，0x00，0x00，0x00，0x00，0x01，0x0B，0x0A，0x00，0x05，0x01，0x00，0xB8，0x02，0x00，0x01，0x03，0x00，0x00，0x04，0x00，0xAA，0x05，0x00，0xE6，0x3F，0xFF}。其中，0xEE、0xCC為幀頭，0x00標識為ZigBee網絡，網絡地址為0x796F，第8～11字節(jié)表示發(fā)送信息的目的節(jié)點，則該節(jié)點為根節(jié)點，其網絡地址為0x00，第12字節(jié)0x01表明該節(jié)點已經成功加入網絡，0x0B表示為ZigBee通信物理信道，中心頻率為2.401 GHz，0x0A為ZigBee通信端口，0x05表示發(fā)送5個傳感器的信息，0x01表示主電池信息，0xB8表示當前傳感器節(jié)點主電池的剩余容量為0.691 1 Ahr，0x02表示發(fā)送的是備用電池電量信息，0xE5表示當前備用電池的剩余容量為0.860 1 Ahr，0x01表示發(fā)送結露信息，第24字節(jié)0x01表示節(jié)點有露水，第31字節(jié)為校驗碼，第32字節(jié)定義為數(shù)據(jù)幀尾，固定為0xFF。

4.5 無線能量傳輸模塊功能測試

測試不同距離下無線能量傳輸?shù)男剩詡鬏斁嚯x為橫坐標，傳輸效率與接收功率為縱坐標，得到接收功率、傳輸效率、傳輸距離之間的關系，如圖14所示?？梢钥闯觯瑐鬏斝逝c接收功率隨著傳輸距離的增大而減少，距離在20～200 mm內，無線能量傳輸效率在8%～83%之內，滿足無線能量傳輸效率的設計要求，接收功率在0.197 8～9.827 6 W。當傳輸距離在80 mm內時，接收功率與傳輸效率隨著距離的增大下降幅度較大，當傳輸距離大于80 mm時，接收功率與傳輸效率隨著距離的增大，下降趨勢趨于平緩。

圖14 傳輸距離、傳輸效率、接收功率關系圖

結 語

[1] A Kurs,A Karalis,R Moffattm,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science, 2007,317(5834):83-86.

[2] 劉創(chuàng),王珺,吳涵.無線可充電傳感器網絡的移動充電問題研究[J].計算機技術與發(fā)展,2016,26(3):162-167.

[3] Guo Songtao,Wang Cong,Yang Yuanyuan.Joint mobile data gathering and energy provisioning in wireless rechargeable sensor networks [J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2014,13(12):2836-2852．

[4] Madhja A,Nikoletseas S,Raptis T P.Efficient, distributed coordination of multiple mobile chargers in sensor networks[C]//16th ACM International Conference on Modeling, Analysis & Simulation of Wireless and Mobile Systems,Spain:Barcelona,2013:101-108.

[5] Griffin B,Detweiler C.Resonant wireless power transfer to ground sensors from a UAV[C]//IEEE International Conference on Robotics&Automation(ICRA),Mongolia:Saint Paul, 2012:2660-2665.

[6] TEXAS INSTRUMENT.TLV702 LOW-Dropout Regulator[EB/OL]. [2017-05].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv702.pdf.

[7] TEXAS INSTRUMENTS.LM22680 42V,2A Step-Down Voltage Regulator WithFeatures[EB/OL].[2017-05].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm22680-q1.pdf.

[8] 王力,薛紅喜.多路開關狀態(tài)檢測[J].電子設計工程,2011,19(14): 111-113.

[9] Maxim Integrated.DS2438Smart_Battery_Monitor[EB/OL].[2017-05].http://www.datasheets..maximintegrated.com/en/ds/DS2438.pdf.

[10] 張平.一種電池管理電路的分析[J].電子制作, 2014(10):59-60.

[11] 曾寶國.基于TI Z-STACK的智能小車調度系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術,2012,35(14):16-18.

劉書語(本科)，研究興趣為嵌入式系統(tǒng)；林志貴(副教授)，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設計及應用、無線傳感網絡等。

Wireless Rechargeable SenCar Node Design Based on Magnetic Technology

LiuShuyu1,2,LinZhigui1,2,ZhouYiheng1,2,LiuLifeng1,2

(1.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and Systems,Tianjin Polytechnic University)

In the paper,a wireless rechargeable SenCar node using magnetic coupling resonance is designed.Nodes of the WRSNs are charged by the SenCar node through carrying a large energy battery.Based on the idea of modular,the hardware and software of the SenCar node are designed,which not only can transmit the energy,but also is able to monitor itself energy and network nodes energy at the same time.The experiment results show that the SenCar nodes designed in the paper meet the design requirement.

WSNs;WRSNs;magnetic coupling resonance;SenCar node

TP393

: A

2017-05-11)

國家自然科學基金項目(61372011); 大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目(201610058052)。