无线网络节点的微能源电源设计

吕常智 ，公茂果，潘家兴（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东，266590）



无线网络节点的微能源电源设计

吕常智 ，公茂果，潘家兴
（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东，266590）

摘要：无线传感器网络（WSNs）是无线网络的多种表现形式之一。面对目前的无线网络节点的续航难问题，本设计提出了一种利用微能源为无线传感网络节点提供供电的研究方案。本文采用压电陶瓷片作为能量的主要来源，选择采用专业的压电能量采集芯片LTC-3588进行构建电源电路，设计了无线网络节点终端。

关键词：无线网络节点；微能源；能量采集；LTC3588

0　引言

微机电系统（MEMS）技术是依据现代信息技术的科研成果而发展起来的一个多学科交叉的前沿领域，随着微纳米科学的快速发展，MEMS技术越来越趋向于微型化、集成化、实用化和自动化。无线传感器网络和微机电系统（MEMS）等低功耗设备发展迅速，应用范围也越来越广，伴随着的是设备供电问题正成为其发展的瓶颈。如何在自然环境中提取有效电能，尤其是将自然界中普遍存在的机械振动能量进过转换变为可用电能已经成为目前国内外研究的热门。在过去的几年，将机械振动能量转换为可用电能的解决方案尚不完善，而且电路总体结构较复杂，输出的电压质量较差。本文使用高集成度的能量采集芯片LTC-3588设计出一款效率高、结构简单、输出电压质量高的稳压电源，为无线终端供电。

1　微能源采集

图1　.电压输出波形Fig.1 Output voltage waveform

图2　电流输出波形Fig.2 Output current waveform

近些年，对于微能量采集的研究越来越广泛，市场上推出的产品也越来越丰富，主要分为压电式、静电式和电磁式三种；压电陶瓷片有正压电效应和负压电效应特性。利用压电陶瓷片的正压电效应：根据极化原理，通常对压电材料不断的进行施加压力使其产生交变的电荷。基于压电陶瓷片的发电原理将机械振动能量转化为可用电能。本设计中以黄铜CW617N和压电晶片P5-1作为材料，此压电陶瓷片理论输出电压0V~35V，对压电陶瓷片沿Z方向施加正弦作用力， 将100KΩ的负载电阻连接在2个电极上。图1是为对该压电陶瓷片进行周期性按压变形得到的电压输出波形。图2为对该压电陶瓷片进行周期性按压变形得到的电流输出波形。

2　能量采集电源电路设计

目前国内外的研究成果中，能量采集装置的设计大多还是采用旧的电荷捕获电路，交流信号经过整流、滤波、调压和稳压后进行储存，但这样的设计较为复杂，而且在线路中的能量损耗较高，可摄取的有效能量很低。

本设计是利用人类活动中产生的振动行为作用在压电发电片上会产生能量；采用凌力尔特公司的LTC-3588高效电能采集芯片进行电源设计，LTC-3588的输入交流电压为2.7V~20.0 V，可设定4种不同的电压输出:1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V，设定方法见表1所示；

表1　输出电压选定和静态电流Table1. Output voltage’s select and the static current

图3　能量收集和存储电路Fig.3 Energy collection and storage circuit

图4　输出电压波形Fig.4 Output voltage waveform

LTC-3588可以与压电陶瓷片直接连接，能对压电陶瓷片在受力形变时所产生的交变电压进行整流、滤波和存储，而且内部并联稳压器进行稳压和限幅。LTC-3588共有11个引脚，当D1置为高电平、D0置为低电平时，得到输出电压大小为3.3 V。能量采集和储存电路如图3所示。将采集到的能量储存到电容中可以为负载提供电源；此电源可以取代燃料电池，有效收集利用人身周围所能产生能量，进一步节约资源，减少污染和提高能源利用率。

当压电陶瓷片输出电压为6V，负载很大时可视作电路开路，此时输出电压波形如图4所示；电压输出可达到稳定的3.36V，可以为后续负载提供可靠的电源。当压电陶瓷片输出最大电压为6V，负载为100Ω时，此时输出电压波形如图5示；输出电压3.35V可维持的有效输出可以达到40ms，能够维持无线网络节点完成数据发送。

当压电陶瓷片输出最大电压为12V，负载为100Ω时，此时输出电压波形如图6示；输出电压3.35V可维持的有效输出可以达到70ms，由此可知：压电陶瓷片形变越大，可采集的电压越高，采集的能量越多，储存的电能也越多，而且输出电压稳定性越好。

3　无线节点模块设计

本论文的电源模块的设计主要是实现为无线遥控平台提供能源，无线模块设计采用核心控制芯片是CC2531，无线通信通过ZigBee实现点对点通信协议。

3.1无线节点硬件电路设计

图5　输出电压波形Fig.5 Output voltage waveform

图6　输出电压波形Fig.6 Output voltage waveform

CC2531是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够用较低的材料成本建立比较大的网络节点。CC2531具有多种运行模式，能够满足系统的超低功耗的要求。系统发射模块结构框图如图7所示；系统接收模块结构框图如图8所示；

图7　发射模块硬件结构框图Fig.7 Hardware structure diagram of launch module

图8　接收模块硬件结构框图Fig.8 Hardware structure diagram of receiving module

利用CC2531搭建无线节点的发射终端由基于LTC-3588设计的电源模块供电。图9为系统电源硬件的设计图，

图9　系统电源的原理图Fig.9 The principle diagram of system power supply

3.2无线节点软件设计

软件设计主要利用IAR Workbench V6.8作为集成开发环境，无线节点终端的软件的设计流程如图10、图11所示；

图10　发射端软件设计流程图Fig.10 Software design chart of launcher

4　总结

本论文完成了能量发生模块的设计：压电陶瓷片经过振动与压力会产生压电电能；能量采集模块的设计：利用电能采集芯片LTC-3588进行能量的收集和存储，实现为负载供电；主控模块的设计：主控核心芯片CC2531的开发，使无线模块的开发满足设定的点对点通信协议，以便于降低生产成本。本设计利用人类活动中在压电陶瓷片上的振动经过转换产生可利用的电能；采用了LTC-3588设计电路能实现电能的高效率收集；采集的能量代替燃料电池作为电源，解决了目前无线终端需要经常更换电池和大量丢弃电池污染环境的问题。

参考文献

［1］ 张亚婷，丑修建，郭涛.振动驱动微能源技术研究进展［J］，MEMS与传感器，2012 （04）： 242-243

［2］ 邓冠前，陶利民，陈仲生.基于压电陶瓷的自供电关键技术分析［J］， 兵工自动化，2008 （5）：67-69

［3］徐文青.采用振动能量技术的稳压电源设计［D］，山东理工大学学报，2014 （28） 5：20-22

［4］林伟，卿辉.基于新型电源供电的无线传感网络节点设计［J］，压电与声光，2011 （3）：498-500

［5］ LTC-3588. Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply［R］.Linear Tecnology， 2010

［6］ CC2531. Datasheet［Z］.Texas Insruments， 2010

Wireless Network Node’s Micro-power Design

Lv Changzhi，Gong Maoguo，Pan Jiaxing
（Shandong university of science and technology institute of electrical and automation engineering Shandong，266590）

Abstract：Wireless sensor networks（WSNs）is one of the many forms of wireless networks.With today's wireless network node battery life problem this design presents the use of energy for the power supply of the wireless sensor network node research program.Using Piezoelectric ceramic plate as a main source of energy，this design used professional piezoelectric energy capture chip LTC-3588 to build power circuit and design the wireless network node terminal.

Keywords：Wireless network nodes ；Micro-energy；Energy harvesting；LTC3588

中图分类号：TM919

作者简介

吕常智（1971-），男，副教授，研究生导师，主要研究方向为电力系统及其自动化，电力电子技术。

公茂果（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化，电力电子技术及其应用。

图11　接收端软件设计流程图Fig.11 Software design chart of receiver