无线传感网络节点智能太阳能供电系统研究

郭水阳　索亚楠　程盼飞

【摘 要】提出了一种用于长期稳定供电的智能太阳能采集系统。该系统由太阳能电池板、锂电池和控制电路组成。软件系统利用EAD，用于锂电池充电管理，大大提高了系统的可靠性和稳定性。当阳光充分时它更倾向于使用太阳能，锂电池是一种补充电源的条件，如阴，雨，夜。本系统采用最大功率点跟踪（MPPT）电路充分利用太阳能的优点，采用适当的充电方式，保证了锂电池的超长寿命，缩短了电池充放电循环的频率。该系统可实现小功率设备，特别适用于户外型无线传感器节点在物联网。

【关键词】太阳能；MPPT；无线传感器网络；物联网

【Abstract】A method for long-term stable supply of intelligent solar collection system.The system consists of solar panels，lithium batteries and a control circuit.The software system using EAD for lithium battery charge management，greatly improving the reliability and stability of the system.The light when it is fully Dangyang tend to use solar energy，lithium the battery is an additional power supply conditions，such as cloudy，rain，night.This system uses the maximum power point tracking（MPPT）circuit to make full use of the advantages of solar energy，using proper charge mode，to ensure the long life of the lithium battery，shorten the battery charge and discharge cycle frequency.The system can realize the small Power equipment，especially for outdoor wireless sensor nodes in the Internet of things.

【Key words】Solar energy；MPPT；Wireless sensor network；Internet of things

0 引言

无线传感网络是当今世界上继互联网之后的第二大网络，它被称为未来十大新型技术之首。当前，已经广泛运用在物联网上[1]，主要用在一定的区域内协作地实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息。传感器节点部署环境和实际应用中的要求决定了节点电源大多数情况下不可能接入正常的电力系统供电。传感器节点部署环境和实际应用中的要求决定了节点电源大多数情况下不可能接入正常的电力系统供电。通常状况下，无线传感网络节点用的是一次性电池，每隔几周就要更换。并且节点被布置在恶劣及复杂的环境中，进一步增加了更换电池的成本。许多专家学者针对这一问题想到从节点所处的环境中采集能量并进行有效的存储，使节点具有能量补充能力从而有效地延长节点的生存周期。目前许多公司都用太阳能为无线传感网络节点供电，但是当遇到晚上、阴天以及雨天是太阳能無法为无线传感网络节点供电。为了解决这个问题本文设计了一种在各种天气状况下都能稳定、有效的无线传感网络节点智能太阳能供电系统。

1 智能供电系统结构

无线传感网络节点智能太阳能供电系统结构图如图1，其特征在于包括：太阳能电池板、迷你USB接口、锂电池、MPPT模型、RS触发器1、电压比较器1、电压比较器2、RS触发器2、充电模型CN3063芯片、过电压保护电路、DC/DC升压电路、USB 接口，其中太阳能电池板与MPPT模型相连接，电压比较器（2）驱动电力开关（2）连接向 B 端口，不与太阳能分支相连，与锂电池分支相连为无线传感网络节点供电，锂电池与过电压电流保护电路相连，避免锂电池过度放电，过电压电流保护电路与DC/DC升压电路提高锂电池的额定电压，满足无线传感网络所需电压[2]，迷你USB和MPPT模型通过电力开关（1）与充电模型CN3063 芯片相连，其中过电压保护电路为当锂电池输出电压、电流超过一定值时，锂电池停止为无线传感网络节点供电。太阳能电池板其特征在于：通过太阳能电池板将太阳光转化为电能为无线传感网络节点供电。太阳能电池板的作用为：通过太阳能电池板将太阳光转化为电能为无线传感网络节点供电。迷你USB接口是个备用接口，必要时为锂电池充电。锂电池的作用为：当天气处于多云、雨天时，太阳光不能给无线传感网络节点供电时，锂电池为其供电。

MPPT模型其特征在于：当天气状况良好，采用太阳能电池板供电时，MPPT可以确保太阳能电池板以最大功率点运行。

2 智能供电系统具体实施方式

天气正常情况下，太阳能光照强度强，太阳能电池板1经过MPPT模型2可以输出最大功率满足负荷需要，当天气状况不正常，太阳能电池板1输出功率不能满足负荷需要，电压比较器（2）7驱动电力开关（2）连接向B端口，不与太阳能分支相连，与锂电池分支相连为无线传感网络节点供电，在锂电池3后面放置一个过电压电流保护电路10，避免锂电池3过度放电，接下来一个DC/DC升压电路11提高锂电池3的额定电压，满足无线传感网络所需电压，电力开关（1）是一个单级投掷开关，用来控制锂电池3的充电状态，默认状态下是断开的，意味着电池是不充电的，当电池电压不能满足规定电压时，电压比较器（1）6触发电力开关（1）闭合，且太阳能电池能满足负载供电时，此时锂电池立刻充电，很快在几秒之内充电开始，电池电压迅速上升，改变电压比较器（1）的状态[3]，RS触发器（1）5，可以保持锂电池充电状态，RS触发器（2）8与RS触发器（1）5作用相同，控制充电电流为CN3063芯片9，当充电结束，CN3063芯片9变化到最低水平，关掉电力开关（1），不连接充电电路，开关状态通过RS触发器（2）8保持。

3 结论

本文设计的无线传感网节点智能太阳能供电系统中的最大功率跟踪（MPPT）电路能够充分利用太阳能，很大程度上提高了系统的可靠性，有效保障了无线传感网络节点供电系统在复杂天气情况下能保持稳定供电。锂电池能够在天气处于多云、雨天，太阳光不能给无线传感网络节点供电时，为其供电，保障了无线传感网络供电系统的可靠性与稳定性。

【参考文献】

[1]吴理博，赵争鸣，等.用于太阳能系统的智能控制器[J].清华大学学报（自然科学版），2003.

[2]王高歌.关于储能太阳能光伏光伏充电电池电路的分析与设计[J].太阳能学报，2009.

[3]赵异波，何湘宁.新型高频开关充电电源研究[J].电源技术应用，2002（7）：25-27.

[责任编辑：田吉捷]