无线传感器网络节点太阳能电源系统设计.doc

1、无线传感器网络节点太阳能电源系统设计摘要：电源系统是无线传感器网络节点必不可少的部分，本文介绍应用太阳能给网络节点供电，是实现持续电力供应的可行方法之一。无线传感器网络节点太阳能供电系统由太阳能电池板、充电控制电路和锂电池组成，先由太阳能电池板采集光能再通过充电控制电路对锂电池进行充电管理。利用放电保护电路，最大限度地延长锂电池的寿命。由于电源能量来自太阳能，因此非常适合野外布置的无线传感器网络节点使用。引言随着电子技术的发展，无线传感器网络节点有着广泛的应用。传感器节点作为无线传感器网络的重要组成单元, 通常散布于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。而电源系统又是

2、无线传感器网络节点必不可少的部分，本文介绍应用太阳能给网络节点供电，是实现持续电力供应的可行方法之一，蓄电池是太阳能供电装置中的重要部件，需配有充放电保护电路，延长电池的使用寿命。无线传感器网络节点太阳能供电系统由太阳能电池板、充电控制电路和锂电池组成，采集光能并将其转换为电能存储在锂电池中。通过锂电池充电管理芯片组成充电控制电路对锂电池进行充电管理。利用超低功耗锂电池电压检测芯片组成放电保护电路，最大限度地延长锂电池的寿命。由于电源能量来自太阳能，因此非常适合野外布置的无线传感器网络数据采集节点使用一、太阳能介绍能源是人类生存发展必须具有的基本资源。从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源

3、、地下能源与天上能源等三个阶段。地上能源主要是植物能源，水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能源，到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源。随着世界经济的发展，进入21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增，能源短缺已成为人类社会面临的一个重大挑战，面对石油这些不可再生的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。太阳能作为新能源与可再生能源的重要组成部分，有着煤炭、石油、天然气等化石能源无法比拟的优点： (1)储量丰富：太阳能是取之不尽、用之不竭的。 (2)应用广泛：太阳能不存在分布的偏集性，只要有阳光的地方就可以就地利用，有利于解决偏远乡村、海岛等地区

4、的能源供应问题。 (3)绿色环保：太阳能利用过程中，不需要燃料、不产生噪声，没有废气、废水、废渣等的排放。 (4)经济性：虽然目前太阳能发电的成本仍为常规发电的几倍，但随着太阳能利用技术的发展，其利用成本已大大下降。一般来说，太阳能利用的初期投入成本比较高，但由于太阳能无污染、无噪声、取之不尽、分布广泛的特点，从长期来看，其使用成本要小的多。 鉴于以上优点，太阳能的开发利用具有巨大的市场前景，不仅能带来很好的社会和环境效益，还具有明显的经济效益二、太阳能供电系统工作原理太阳能供电系统工作原理：白天把光能转变为电能，并通过太阳能电源过充放电控制器将电能存储在蓄电池中，根据需要再供给各种直流负载使

5、用，如果配以逆变器，则可以向交流负载提供交流电力。太阳能电源可分为直流供电系统和交直流供电系统两种三、太阳能供电系统的基本组成一套基本的太阳能供电系统由太阳能电池板、过充放电控制器、逆变器和蓄电池构成。各部分的功能如下：1太阳能电池板太阳能电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。一般根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。2过充放电控制器控制器为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

6、如果用户使用直流负载，通过控制器还能为负载提供稳定的直流电（由于天气的原因，太阳能电池方阵发出的直流电压和电流不是很稳定）。3逆变器逆变器的作用是将太阳能电池和蓄电池提供的低压直流逆变成220V交流电，供交流负载使用。4蓄电池组蓄电池组是将太阳能电池直流电贮藏起来，供负载使用。白天太阳能电池给蓄电池充电，（同时太阳能电池还给负载供电），晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高。四、太阳能供电系统简介由于太阳能电池板的输出电压不稳定，传统的太阳能供电系统往往因为锂电池充放电管理不合理，导致锂电池使用寿命大大缩短。本文提出了一种基于太阳能的无线传感器网络节点供电

7、系统设计。该系统能够自动管理锂电池的充电过程并进行有效的能量储存，通过对电池电压的监测避免锂电池过度放电，达到延长锂电池寿命的目的。该系统中，太阳能电池板产生的能量通过充电管理电路被存储在锂电池中，同时对锂电池提供充电保护，防止过充；由于电池放电时其端电压会逐渐降低，因此需要放电保护电路对放电电压进行监测，当电池电压下降到一定程度时切断放电电路，避免锂电池过放电。由于电源单元本身应尽可能少地消耗电池能量，必须提高电源的转换效率，因此设计了一个具有高效率的转换电路，为节点上的负载提供稳定的电压。 电源单元是传感器节点能源供给部分，它决定着传感器网络的寿命，因此节点的电源设计非常重要。电源单元主要

8、由电池、电源管理模块及外围电路构成。电源设计首先要考虑的是低功耗。由于负载的功耗与电压的平方成正比，因此在保证系统可靠工作时尽量选用较低的工作电压。传感器、MCU、无线射频模块等节点组成部分都有低工作电压选择余地，如+33 V。综合考虑上述因素，提出如图1所示的电源系统。图1： 太阳能电池板 MCU的ADC通道 节点负载 DC-DC转换单元 供电控制单元 锂电池 充电控制单元 3.3V 5V有图可看出，太阳能电池板产生的能量通过充电控制单元被存储在蓄电池中；供电管理单元通过对电池电压的实时监测选择合适的供能方案。由于电池放电时其端电压会逐渐降低，对ADC采样等会造成影响。此外各种器件的工作电压

9、也不一致，为了保证系统可靠地工作，需要一个稳定的供电电压。由于电源单元本身应尽可能少地消耗电池能量，必须提高电源的转换效率，因此设计了一个具有高效率的DCDC转换单元为节点上的负载提供稳定的电压。五、电源系统设计（一）、太阳能电池板太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，但因制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。对于太阳能电池板，主要用来采集太阳能，选取时主要考虑太阳能板的最大输出电压和输出电流 一般给锂电池充电的电压要大于4.2太阳能板的输出电流决定了充电时间。常用的太阳能板主要有单晶

10、和多晶电池板两种，单晶板和多晶板的区别在于最高效率的单晶电池片比最高效率的多晶电池片效率高约。由于单晶的有刀角而并非完整的正方角在使用中远远低于多晶而且市场数量明显少于多晶 同功率的单晶电池板价格要比同功率的多晶板高些本文采用的是输出电压为输出电流为的单晶太阳能电池板尺寸为主要是考虑到野外安装时如果太阳能电池板的体积太大不容易安装（二）、充电控制单元 所谓的充电控制单元就是用来连接太阳能电池板和锂电池。其功能主要是有效地将收集到的能量存储在锂电池中，同时提供对锂电池充电过程中的过压过流保护，防止因过充对锂电池造成的损害,CN3063芯片可以用于太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片该芯片内部的

11、位模拟数字转换电路能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适用于太阳能电池等电流输出能力有限的靠电压源供电的锂电池充电的应用。充电控制单元如图二图2 充电控制单元电路图 当太阳能电池板输入电压大于低电压检测阈值和锂电池端电压时,CN3063开始对锂电池进行充电CHRG引脚输出低电平时,红色亮表示充电正在进行,当充满电后DONE引脚输出低电平时绿色亮表示充电完毕。3（三）、锂电池1、锂电池介绍锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：Li+

12、MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。2、锂电池的选择首先作为太阳能电源中的储能单元，选择锂电池主要是因为锂，原子序数3，原子量6.941，是最轻的碱金属元素。为了提升安全性及电压，科学家们发明了用石墨及钴酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子结构，形成了纳米等级的细小储存格子，可用来储存锂原子。这样一来，即使是电池外壳破裂，氧气进入，也会因氧分子太大，进不了这些细小的储存格，使得锂原子不会与氧气接触而避免爆炸。这就解决了太阳能露

13、天使用时储能单元不会被空气氧化，所以选择锂电池使得更好的储存太阳能。3、锂电池充电示意图（四）、放电保护电路和系统供电电路设计对于放电保护电路的设计，传统的放电保护电路是使用一路ADC来不断检测电池电压当电池电压降低到一定程度时切断放电电在理论上是很容易实现的。但是在某些网络节点中，系统软件设计时需要定时查询该路ADC的数值，这在一定程度上也增加了系统的功耗。电路分析：当电池端电压下降到过度放电低电压检测阈值时，LBO引脚输 出低电平,NMOS管截止,PMOS管栅极为高电平,PMOS管截止,放电回路被切断,起到了保护锂电池过度放电的作用当太阳能板自动对锂电池充电，充电电压达到高电压检测阈值时,

14、LBO输出高电平,NMOS管导通,PMOS管栅极为低电平,PMOS管导通,放电回路重新被打开,如果某节点软件设计时配置为上电后自动加入网络并进行数据采集，那么该节点将会自动加入到原来的网络中。锂电池过度放电低电压检测阈值计算公式如下其中RTH为该芯片设定的阈值,大小为1.135,LBI为引脚偏置电流范围为-100100,一般取即可。因为该芯片工作电流在1.8所以对于电阻和的选型需要注意应当选择阻值大一些的电阻。选用为2M为1M这样流过电阻的电流在级功耗很低。由于锂电池电压范围为3.64.2，如果选择的网络节点的工作电压为3.3，那么需要根据输入输出的电压差来选择适当的LDO芯片同时还需要考虑L

15、DO的静态电流和效率。供电系统供电系统有两个功能: 一是为了不使锂电池深度放电, 需要对其放电门限进行设置; 二是获取当前电池的电压以决定节点采取的功耗模式。对于放电门限的设置，选择了由MAX680 及MAX8211构成的锂电池放电门限，电路图如图所示根据以上电路可知, 当锂电池电压下降到由 R1 和 R5所决定的门限电压时,MAX8211就会截止MAX680的供电电压, 最后使IRF541处于关闭状态而断开供电电池与负载电路。IRF5 41 功率开关的导通电流小于0. 5 mA ,关闭漏电流仅为 8A 以下。该电路的启动门限 V u 和截止门限V1与外加电阻 R5 ,R6 和R7之间的关系可

16、由下式给出:R5 = R6 ( V 1 / 1. 1 5 - 1) R7 = 1. 15R5 / ( V u - V 1 )为了能够执行有效的电源管理,需要了解电池能量的储存情况,并根据任务需求和自身能量状态调整工作状态和通信策略。设计中采用L M4041 电压基准芯片,有微处理器采样其端电压,并计算电池的实际电压值以供程序处理,其原理图如图所示U4为LM4041-1. 2,该芯片为微功耗精密稳压管。电阻 RS负责提供稳压电流I L和负载电流I Q。RS的取值应满足流过稳压管的电流I Q不超过I Qmi n和I Q max。RS的计算公式如下:RS = ( V S - V R ) / ( I

17、L + I Q )式中:当V S取4. 2 V,V R 取1. 2 V,I L+ IQ约为120 A ,计算出RS取值约为27 k。在实现过程中, 使用ADC0测量稳定电压V Q ,选用电池供电电压作为ADC的参考电压V ref。当PC0置 0 时Q 3导通, A DC0的读数为A DC_Data。ADC_DATA与参考电压V ref的关系如下所示式中:VQ为固定值1. 2 V ; A D C_ FS为输入满量程的测量值,是一个常数如1 0 b的A D C为1 0 24。由式可以计算出V Ref也就得到电池的实际电压 5, 8（五）、电源输出模块MCU的工作电压一般为2.73.3V,传感器工作

18、电压有3V和5V。由于M CU与传感器所需电压不一致,而且锂电池的供电电压为3.74. 2V , 这就需要进行 DCDC装换。1、逆变器的工作原理逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为220V 50Hz正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压2、逆变器原理图3、各部分功能1) 输入电路： 为主逆变电路提供可确

19、保其正常工作的直流电压。 2) 输出电路： 对主逆变电路输出的交流电的质量（包括波形、频率、电压电流幅值相位等）进行修正、补偿、调理，使之能满足用户要求。 3) 控制电路： 为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，配合主逆变电路完成逆变功能。在逆变电路中，控制电路与主逆变电路同样重要。 4) 辅路电路： 将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。包括多种检测电路 5) 保护电路： 输入过电压、欠压保护；输出过电压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。 6) 主逆变电路： 由半导体开关器件组成的变换电路，分为隔离式和非隔离式两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔

20、离的；UPS、通信基础开关电流等是隔离式逆变电路。隔离式逆变电路还应包括逆变电压器。无论是隔离式或非隔离式主逆变电路，基本上都是由升压电路Buck和降压电路Boost两种电路不同拓扑形式组合而成。这些组合在隔离式逆变器主电路中就构成了单端式（正激式和反激式两种）、推挽式、半桥式和全桥式等。这些电路既可以组成单项逆变器，也可组合成三相逆变器。6本设计中选用LTC3537芯片。LTC3537 具有集成输出断接功能和LDO的2.2MHz、电流模式同步升压DCDC 转换器。该器件的升压型转换器内部600 mA开关可从启动时的 0.68V( 工作时为0.5V )至5V输入电压范围提供高达5.25V的输出

21、电压,非常适用于锂离子/ 聚合物或单节/ 多节碱性/ 镍氢金属电池应用。LTC3537的应用原理图如图所示。将LTC3537的MODE引脚置为低电平工作在PWM模式, ENBST和ENLDO置为高电平工作在正常状态,亦可置为低电平使其截止。两路输出分别为3. 3 V和5 V DC-DC转换电路根据太阳能电池和锂电池的工作状态, 电源的控制流程如图六、总结对于无线传感器网络节点，电源设计的优劣关乎系统成败,本文通过充电控制电路和放电保护电路来实现对太阳能电池板中的锂电池充放电的保护功能，延长锂电池的使用寿命，非常适合于应用在户外能被阳光照射的节点上, 如精细农业中布置在田间的节点, 环境监测中布置于野外的节点等无线传感器网络节点。word文档 可自由复制编辑