一种用于无线传感网中节点供电的系统设计

赵家敏

(云南开放大学城市建设学院，云南昆明650223)

一种用于无线传感网中节点供电的系统设计

赵家敏

(云南开放大学城市建设学院，云南昆明650223)

节点的能量消耗是限制无线传感器网络发展的主要因素之一，能量消耗不可避免，如何设计一种高效可循环的能量系统对于促进无线传感器网络发展具有重要的意义。在无线传感器网络节点上采用太阳能自供电技术可以有效地提高传感器节点的使用寿命和降低能耗。通过对比分析，设计出一套基于太阳能发电的无线传感器网络节点的供电系统。经实验测试，该系统具有可靠性高，节能效果好的优点，具有一定的推广价值。

无线传感器网络;节点供电;太阳能

以物联网为首的新一代计算机网络的兴起正在促使着无线传感器网络(WSN)的飞速发展。现在比较成型的无线传感器网络的组网技术主要包括：红外、蓝牙、ZigBee、WiFi。这些无线通信技术有一种共同点就是需要对所连的节点进行供电。由于无线传感器网络大多数情况下节点数量非常大，且多布置在例如原始森林，沙漠等环境相对恶劣的室外，这样就造成了节点的能源瓶颈。一方面为了控制单个节点的成本使得不能够携带大容量的电源，另一方面又不得不面对由于能量不足而造成的节点消耗。

为了解决这个问题，人们开始对节点进行自供电技术的设计和研发。可以使用在无线传感器供电部分的主要有太阳电池、温差电池、环境电磁波供电等。不过受到技术发展等现实性条件的限制，太阳电池自供电系统受到了大多数人的认可。

现有的太阳能供电方案主要包括以下几种：

太阳能直接供电方案：本方案由太阳电池板和可充电的锂电池组成，本方案结构简单，但是会造成锂电池的持续放电充电，经过多次充放电过程锂电池储电量明显下降，造成使用寿命降低[1]。

超级电容方案：为了降低锂电池的充放电频率，在太阳电池板和锂电池之间加入一块超级电容。超级电容可以存储一定的电量，等到锂电池的电压降低到一定值之后，超级电容会对锂电池进行充电。这样虽然最大限度地降低了锂电池的充电频率，但是归根到底还是在使用锂电池对传感器节点进行供电，并没有从源头上解决问题[2]。

为了解决这一问题，本方案设计以太阳能板和锂电池供电相结合的供电方式，最大限度地在供电系统中解放锂电池，延长锂电池的工作寿命，从而增加节点的使用周期，进而使得整个无线传感器网络更加稳定。

1　供电系统整体方案

本方案的设计思路为在供电的过程中尽可能地使用太阳电池板对节点进行供电。当有阳光照射的时候，通过太阳能板的电压如果达到一定的阈值之后便直接进行太阳能板对节点进行供电，在条件允许的范围内同样可以分出一部分能量用于充电电池的充电。如果太阳能板的电压不能够对节点板进行供电则由电池对节点进行供电，这样便实现了节点的连续性工作。为了实现预定的方案设计，主要需要以下几个部分：

(1)电源部分：该部分包括太阳电池板和可充电电池。太阳电池板在系统中担负着给可充电电池充电和为传感器节点供电的双重任务，其选取要考虑输出功率能够满足电路的负载要求才可。可充电电池则要尽可能地选择体积小、质量轻、充放电次数多的电池。

(2)电路部分：该部分包括切换开关电路、充电管理电路、放电保护电路和稳压电路。切换开关电路主要负责太阳电池板直接供电和可充电电池供电两种模式的选择。充电管理电路则是负责通过检测电池的电压从而防止电池过度充电。放电保护电路则可以通过检测电池电压防止电池过度放电而造成的电池不可逆性的损害。无论是太阳电池板还是充电电池都不可能完全满足节点的供电需求，如此一来就需要一个稳压电路来进行节点电压的调节，最大程度地保护节点。系统方案具体关系如图1所示。

图1　具体设计方案

2　电源部分的选择方案

太阳电池板不仅要为节点供电，同时还要负责为电池充电，所以要有足够的负载功率才能够实现。本方案决定采用135mm×125mm×4mm的多晶硅发电太阳能板。该太阳能板的开路电压可到达7.5 V，标称电压6 V，最大短路电流300 mA。经过实测，单板最大功率可达1.8 W。设计时采用两块太阳电池板并联以组成电压6 V，最大电流600 mA，功率3.5 W的太阳电池组。虽然安装自动云台可以最大限度地保证太阳光照角度，从而获得最大的转换率，但是自动云台价格较高，且工作耗能。经过综合考虑之后决定放弃自动云台以获得最大的效益。

充电电池则是选择900 mAh的083035聚合物锂电池。一方面锂电池质量轻、充电效果好并且可以多次循环充放电，在循环充放电500次后仍旧可以保持80%的充电量。另一方面在传感器节点进行接收数据时峰值电流为24 mA，发送数据时峰值电流为29 mA，传感器节点工作电流为30 mA。为简便计算，传感器节点收发数据时工作电流按 60 mA计算，900 mAh/60 mA=15 h。故该电池可连续保证节点工作15 h，由于节点收发数据时间很短，大多情况下是处于休眠状态。因此，此电池在满电量情况下可单独供电超过45天。

3　电路部分的设计方案

3.1切换开关电路

切换开关电路是设计的核心部分，通过切换开关电路可以实现锂电池供电和太阳电池板供电相互切换的功能。切换开关电路采用8位串行逐次逼近式AD转换芯片ADC0832和具有高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器AT89S52。具体的设计电路如图2所示。

图2　切换开关电路

在该电路上，我们假设在光照充足的情况下太阳电池板的输出电压为V0，那么在电阻R3上分得的电压为V1。通过ADC0832把模拟量V1转换成数字量，送往AT89S52进行分析。为了保证节点板的正常供电，考虑到电量在传输中的损耗，在系统设定当太阳电池板的输出电压不低于3.7 V时才使用。由分压的过程可知：

即只有检测到R3端的电压V1不低于3 V的时候太阳电池板的输出电压才能够达到3.7 V。R3端的电压值V1源源不断地经由 ADC0832变化为数字量，经过 P1.2口送到AT89S52进行分析。由于D0和D1口不能同时连接到P1.2口，所以把D0和D1连接在一起送到P1.2。AT89S52通过对所传数字量进行分析后通过P0.7口控制一个继电器，当电压大于3 V时继电器拨向太阳电池板方向，利用太阳电池板进行供电；当电压小于3 V时继电器拨向锂电池方向，进行锂电池供电。如此便实现了太阳电池板供电和锂电池供电的选择。

3.2充电管理电路

充电管理电路是太阳能自供电系统的常备电路，其主要功能是将收集到的能量有效地存储到锂电池中。同时充电管理电路还负责检测锂电池的电压，当电压低于预定值后才进行充电动作，当充电完成后实现断电，以保护锂电池不过度充电。充电管理电路如图3所示。

图3　充电管理电路

3.3放电保护电路

为了防止锂电池过度放电造成锂电池的不可逆损伤，在系统设计中添加了放电保护电路。传统意义上的放电保护电路使用一路ADC来不断地检测电池电压，但是ADC会在这个过程中不断消耗电量，为了更加有效地节省能源，本设计采用理光R5421锂电池保护芯片对锂电池放电进行检测保护。该芯片在一定条件下会切断电池的充、放电动作，从而对锂电池进行强有力的保护。保护电路图如图4所示。

图4　放电保护电路

3.4稳压电路

由于采用的太阳电池板的放电电压为6 V，锂电池的放电电压为3.6～4.2 V，而节点板对于电压要求较高，需要稳定为3.3V，所以需要在进入节点板之前通过一个稳压电路。本设计中采用ASM1117对电路进行稳压操作，具体的电路图如图5所示。

图5　稳压电路

4　结语

本文所设计的无线传感器节点供电系统，实现了基于太阳能的自供电系统。本设计在现在常用的太阳能自供电设计的基础上，增加了太阳电池板直接供电和可充电锂电池供电的双重供电模式，当太阳电池板的电压达到一定阈值(本设计采用阈值为3.7 V)之后便由太阳电池板直接供电，当低于阈值时才由锂电池供电。这样的设计最大程度上降低了锂电池的使用时间，从而延长节点的使用寿命。本设计的供电系统可以应用在大多数的野外环境，例如对大面积森林的信息采集，对大片农田的信息采集等。

[1]胡奇勋,段渭军,王福豹.无线传感器网络节点太阳能电源系统设计[J].现代电子技术,2011(2):23-26.

[2]张强,杨涛.用于环境监测的自供电传感器网络[J].仪表技术与传感器，2008(2):34-37.

Design of WSN node power supply system

ZHAO Jia-min
(School of Urban Construction,Yunnan Open University,Kunming Yunnan 650223,China)

The energy consumption of the node is one of the development limits of the wireless sensor network (WSN).Due to the inescapability of energy consumption,it is important to design an efficient and recyclable energy system to boost the development of the WSN.In the WSN nodes,solar-energy can effectively improve the node's life and reduce energy consumption.A system based on solar-energy was designed.The experiment results show that this system has good reliability and can save more energy with a certain value of popularization.

WSN;energy for node;solar-energy

TM 914

A

1002-087 X(2016)10-2071-03

2016-03-05

赵家敏(1976—)，男，云南省人，硕士，副教授，主要研究方向为建筑电气设备。