基于NB-IoT 的无线传感器节点的太阳能供电系统设计

靳峰川,朱成杰

(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232000)

0 引言

户外设备的能源供电问题是否得到很好的解决,关系到传感器网络能否正常的运行。 太阳能作为一种可再生无污染易获得的清洁能源,越来越受到青睐[1]。 已有相关学者提出基于太阳能的供电系统,具有良好的输出特性和较高的效率[2]。 但是,控制较为复杂,成本较高,无法大规模灵活地应用到物联网系统中。 本文针对具体的传感器网络节点设计了一款基于太阳能的智能充电和监测系统,以STM32L0 为系统主控芯片,CN3791 为锂电池充电管理芯片,通过读取光照传感器数值,判断选择锂电池供电还是太阳能电池板供电,STM32L0 通过ADC 采集系统电路的重要节点电压数值,并通过NBIoT 将数据上传到云平台[3-4],供监测人员查看。

1 系统硬件框架设计

系统以STM32L0 单片机为控制核心,通过A/D 转换读取太阳能电池板和锂电池的电压,并由通信模组将数据上传到云端。 CN3791 电源管理芯片是一款可使用太阳能板供电的PWM 降压模式单节锂电池充电管理集成电路,独立对单节锂电池充电进行管理,具有外围元器件少、使用简单等特点。 芯片自带MPPT(最大功率追踪技术)功能,十分符合系统的设计需求,系统终端框架如图1 所示。

图1 终端框架

2 主体硬件电路设计

主体电路设计主要由电源管理芯片的外围电路,如图2 所示,LDO 电路以及DC-DC 电路组成。

图2 外围电路

2.1 电源管理芯片外围电路

芯片的MPPT 引脚为太阳能电池板最大功率点跟踪端口,端口电压被调制为1.205 V,配合电阻R1 和R3 组成分压网络,实现对最大功率点的追踪。 最大功率点的追踪方法为恒定电压法,最大功率点的电压Vmppt(单位:V)由下式(1)决定。

其中,R1 和R3 为电阻阻值,单位为Ω(欧姆)。

恒流充电电流ICH(单位:A)的计算公式为:

其中,R5 和R4 为电阻阻值,单位为Ω(欧姆)。

IC 对锂电池的充电模式分为涓流模式、恒压模式和恒流模式。 对于过度放电的锂电池,检测其电压低于恒压的电压66.5%时,IC 使用恒定充电电流值的17.5%对电池涓流充电,当电压达到2.8 V 时,转入恒流充电模式,最后进入恒压充电模式,当充电电流下降到恒流充电电流的16%时结束充电,完成一个周期。充电过程如图3 所示。

图3 充电过程

2.2 DC-DC 电路

DC-DC 电路将太阳能电池板的12 V 电压降为3.3 V 供给单片机使用。 当阳光充足时,系统使用该电路向单片机系统提供电能,电路原理如图4 所示。 LDO电路将锂电池的3.7 V 降低为3.3 V,该电路具有纹波小、反应快的特点。

图4 DC-DC 电路

2.3 转换电路

电路供电的转换电路,由N 沟道MOS 管组成开关电路,由单片机的引脚控制MOS 管的开断,实现切换电路的目的,如图5 所示。

图5 电路切换电路

3 软件设计

系统以STM32L0 为主控芯片,控制系统的电源供给方式和数据的处理。 当主控读取光照强度传感器,数值低于设定的阈值时,系统由锂电池供电;数值超出阈值时,系统将电源切换为太阳能电池板,同时向锂电池充电。 为监测系统的运行状态,主芯片通过ADC 模块读取太阳能电池板端口电压、锂电池端口电压以及向单片机端口供电的电压,并通过NB-IoT 将数据上传到云平台,供维护人员监测掌控系统的运行状态,软件流程如图6 所示。

图6 软件流程

4 系统测试

完成软硬件设计后,将设备接入云平台,便可以在手机端实时查看系统的运行数据,接收的数据如图7 所示。

图7 App 监控界面

在不同光照条件下,分别测量4.2 V/3 400 mAh 锂电池电压、太阳能电池板电压以及单片机VCC 电压在30 min 内的数据变化范围,如表1 所示。

表1 测试数据

5 结语

系统完成软硬件的设计,通过光照强度判断使用锂电池供电还是太阳能电池供电。 在不同光照条件下实验测试,太阳能电池板的电压输出值在6.1 V 到11.9 V 之间波动,晴朗天气下,输出电压峰值达到11.9 V,此时由太阳能电池板通过DC-DC 电路向系统电路供电,并向锂电池提供充电电源,当太阳能电池板无法向系统提供所需的电压时,系统由锂电池供电。 从实验数据可以看到,单片机的VCC 电压一直稳定在3.3 V左右,在正常工作电压范围内。 实验表明,系统可以稳定地向独立的传感器监测节点提供电源,具有成本低、性价比高等特点。