基于QI标准的无线充电传感器网络节点设计

宋一杰，赵 晴，杨凯文

（1.华北计算机系统工程研究所 北京 100083；2.北京六所新华科电子技术有限公司 北京 100083）

无线传感器网络主要是由传感器节点组成，能量问题是节点设计中遇到的最大挑战[1-3]。节点的体积通常要求小巧、轻便，因此电池体积受到制约，所以节点电池能够携带的能量有限。如果电池电量耗尽，更换电池的成本和工作量非常巨大，直接增加无线传感器网络的运行和维护成本。

无线充电传感器网络节点可以很好地解决节点设计过程中遇到的能量问题。无线充电传感器网络节点通过搭载能量接收装置，通过电磁感应接收电磁波能量并转换成电能存储下来[4-5]。传感器电路板连接能量接收装置后就构成一个完整的无线充电传感器网络节点。该节点可以连接不同的射频通信模块实现不同协议下的射频通信。

1 系统设计

1.1 系统结构

无线充电传感器网络节点主要由3部分组成：无线充电发射模块、无线充电接收模块和传感器节点。无线充电发射模块负责把5 V直流电输入转换成交流电加在发射线圈两端，使周围产生电磁场。无线充电接收模块主要通过接收线圈与发射线圈产生耦合，通过电磁感应将电磁波能量转换成电能，并给锂电池进行充电。传感器节点主要负责感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过无线通信网络将所感知的信息传送至管理中心。整个系统的结构如图1所示。

图1 无线充电传感器网络节点系统结构Fig.1 System structure of wireless charging sensor network node

1.2 无线充电发射模块

无线充电发射模块主要由控制电路、逆变电路和发射线圈组成。逆变电路主要负责将直流输入逆变为交流输出并加在发射线圈两端；发射线圈用来产生交变的电磁场并，通过电磁场传输能量；控制电路负责控制整个电路的工作状态，包括输出的大小、通断、充电状态指示等。

任何符合QI标准的无线充电器都能作为本系统的无线充电发射模块使用[6]。

1.3 无线充电接收模块

无线充电接收模块主要由控制电路、整流电路和接收线圈组成。接收线圈用来与发射线圈产生耦合，通过电磁场传输能量，并将电磁波能量转换为交流电能；整流电路负责将交流电转化为直流电并存储到充电锂电池中。控制电路负责监测和管理充电过程。无线充电接收模块的电路如图2所示。

充电分为预充电、快速充电（恒流）、恒压充电3个阶段。如果锂电池过度放电，预充电阶段充电电路输出小电流逐步提高电池电压，直到该电池可以正常充放电（正常电池会快速跳过此阶段）；快速充电阶段充电电路输出最大电流为负载恒流充电，直至负载电池电压提升至4.2 V；恒压充电阶段充电电流逐渐减小，直至充满电池电量。

图2 无线充电接收模块原理图Fig.2 Schematic diagram of wireless charging receiver

1.4 传感器节点电路

传感器节点由MCU、无线收发模块和传感器组成。传感器主要负责感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过MCU对信息进行处理，并通过无线收发模块将所感知的信息传送至管理中心。传感器节点的结构如图3所示。

图3 无线传感器网络节点结构Fig.3 The structure of wireless sensor network node

传感器节点根据需要监测的对象和信息选取相应的传感器（如监测温度则选用温度传感器）。CC2530包括一个加强型的8051核和一个射频收发模块。加强型8051核作为微控制单元（MCU）负责管理和分配节点中的资源，接收传感器信息，并通过射频收发模块发送至管理中心。

1.5 供电保护

供电保护电路分为两部分：锂电池保护电路和传感器节点保护电路。

1.5.1 锂电池保护电路

由于现在大部分的锂电池都自带过充、过放保护电路，因此无线充电只需要增加过流保护即可。管脚ILIM通过电阻R4接地，可以通过调整R4阻值大小来改变无线充电的最大输出电流Im。他们之间的运算关系如下：

1.5.2 传感器节点保护电路

BQ51050的输出电压为4.2V，充电锂电池的最高放电电压也为4.2 V，但是CC2530的供电电压为3.3 V。直接供电会导致CC2530工作状态不稳定，甚至有可能烧毁芯片，因此在供电电路中加入低压差线性稳压器TLV70033来达到降压和稳压的作用。

1.6 PCB设计

由于被监测对象和无线通信方式的不同，传感器节点经常需要搭载不同的传感器和无线通信模块，因此传感器节点部分的PCB会频繁变更。但是无线充电模块PCB相对固定，一旦设计定型，便不再需要频繁更改。因此在PCB设计时，将无线充电接收模块和传感器节点分开设计，通过预留接口进行模块化组装。

为了满足无线充电传感器节点的便携性要求，节点的PCB设计应该尽量控制板子的尺寸。除了选择小封装的集成芯片和电阻电容之外，PCB板的层数也可以影响板子最终的大小，因而本文确定用两层板来进行节点的PCB设计。

1.6.1 无线充电接收器PCB设计

无线充电接收器的PCB结构如图4所示。

图4 无线充电接收器PCB结构Fig.4 Designed PCB of wireless charging receiver

1.6.2 传感器节点PCB设计

传感器节点的PCB结构如图5所示。

图5 传感器节点PCB结构Fig.5 Designed PCB of sensor network node

2 系统测试

用一块完全放电的可充电锂电池EB595675LU作为无线充电接收器的负载，将CC2530电路板VCC、GND分别与无线充电接收器的V33OUT、GND相连，利用万用表的直流档测量流过电池的电流，用示波器观察电池两端的电压。通过测试得到的数据如表1所示：

表1 测试数据Tab.1 Test data

通过以上数据可以发现，对锂电池进行无线充电，与有线充电的电池充电特性基本相同。在充电的过程中，传感器节点依然可以正常工作。在恒流充电阶段，最大充电电流可以达到1安培。通过实验可证明，基于QI标准的无线充电技术，无论是充电效率、充电时间还是系统稳定性，都已经可以满足大多数移动设备的需求。以此为无线传感器网络节点不出能量，不仅方便快捷，而且安全可靠。

3 结束语

可无线充电的传感器网络节点可以很好地解决无线传感器网络设计和应用过程中遇到的能量瓶颈，降低无线传感网络的运行和维护成本，极大的延长节点的使用寿命。无线充电在无线传感网络中的应用，不仅有较高的应用价值，还为无线传感网络的发展开辟了新的方向。

[1]杜晓通.无线传感网络技术与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]Vidhyapriya R，Vanathi P T.Conserving energy in wireless sensor networks[J].IEEE Potentials，2007，26（5）：37-42.

[3]Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance[J].Science，2007，317（5834）:83-86.

[4]孙轩．非接触式手机充电平台的设计[D]．杭州：浙江大学，2010.

[5]邱继艳，张建峡．无接触电能传输系统传输效率分析[J]．实验室研究与探索，2011，30（6）：59-62.QIU Ji-yan，ZHANG Jian-xia.Transmission efficiency analysisi ofcontactless powertransfersystem[J].Research and Exploration in Laboratory，2011，30（6）:59-62.

[6]Wireless Power Consortium.Wireless Power Transfer System Description[EB/OL].[2013-12-2].http://www，wirelesspowerconsortium，com/downloads/wireless-power-specificationpart-1，html.