基于无源技术的无线传感器网络节点设计 传感器, 间歇性, 技术, 网络, 无线

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摘要：电源在整个无线传感器网络系统中具有极其重要的意义，为了满足系统为微型传感器节点供电的需求，本文设计了采用充电泵实现超低压启动、双电容蓄能的微弱能源采集电路。该电路能够在低温差条件下为蓄能电路积累能量，实现低温差环境下的微弱能量采集，并能够根据无线传感器网络节点间歇性工作的特点，快速做好供电准备。实验结果表明，系统具有能量收集效率高、传输距离较远等优点，有效地解决了无线传感网络节点能源供电的问题，具备较高的实用价值。
引言
无源无线传感器技术是现代传感器技术的重要研究内容之一，涉及到对温度、光强、湿度等环境参数的监控等。其中，无线传感器是无线传感器网络最基本的组成部分，具有数量多、分布广、部署环境复杂等特点，其体积小，且自身携带的电池能量有限。由于普通电池的寿命有限，需要定期更换电池。这样不仅工作量大，成本高，浪费也严重，而且对于大面积的无线传感器网络来说，和环境监测，电池的更换比较困难。因此，收集自然环境中的能量并转换为电能，实现传感器网络的自供电，成为目前研究的热点之一。
无线传感器网络节点使用场合中有诸多形式的热源，如果把这些热源利用起来，就可以为一些低压电产品提供能源。由于温差发电时，常常出现转换的能源低于1 V，甚至低于0.5 V的情况，此时就需采用充电泵或升压式DC/DC转换器。本文设计了基于温差发电技术的无线传感器网络电路，该电路采用充电泵S-882Z的微弱能源采集电路，能在0.3～0.35 V输入电压下工作，解决了超低压启动问题;采用双电容蓄能与升压式DC/DC转换器配合等技术，为传感器网络提供可靠能量来源。
1 系统构成
该装置主要由温差发电片、能量收集存储模块、电源转换电路、无线节点模块组成，如图1所示。
基于无源技术的无线传感器网络节点设计
其中，温差片发电的效率主要取决于热端和冷端的温度和温差发电材料的品质因数Z，而Z强烈地依赖于温度，因而对于不同的工作温度需要选取不同的材料。充电泵模块将温差发电片产生的电压提升并稳定在5 V，给超级电容蓄能模块充电。蓄能模块由两个容值不同的超级电容构成，按先充小电容、再充大电容的方式进行蓄能，小电容向传感器系统提供低功耗状态和正常工作时所需电量，大电容充则用于支持传感器系统进行无线数据收发等功耗较大状态所需电量。
升降压模块根据负载的需要，将电压稳定在3.3 V输出。电路采用两级变压和双电容蓄能方式，在一定程度上降低了电能转化效率，但大大提高了系统蓄能，并缩短了电路启动时间和充电间隔，为无线节点模块提供了可靠能源。
2 能量收集存储电路设计
2.1 超低工作电压启动电路
温差发电是将余热、废热等低品位能源转换为电能的一种有效方式，但温差发电效率远低于火力发电、水力发电、光伏发电等常见的发电方式。电路采用的TEG1—241系列温差发电片，发电效率约为3%，当温差为40℃，发电功率为800 mW。但在实际应用中，由于散热材料和尺寸的限制，温差常小于10℃，电压低于1V，甚至低于0.5 V。
对于传统的充电泵，如果输入电压降到0.6 V以下，则传统的DC/DC转换器内部的电路不能正常工作。为了克服这一难点，系统采用精工电子有限公司推出的S-882Z超低电压升压的方案，该芯片采用了完全耗尽型SOI技术，能在0.3～0.35 V输入超低电压下工作，给微弱电压电源的应用开创了良好的条件。
使用该芯片可以将输入工作电压Vin的范围扩展到0.3 V，并且对于输入电压在0.9 V以上(包括0.9 V)，但需较大输出电流情况下激活的升压式DC/DC转换器来升压，均可用S-882Z来启动升压式DC/DC转换器。所以，对于温差片发电等超低电压的应用而言，显然具有实际意义。本系统采用S-882Z芯片的升压稳压电路如图2所示。
基于无源技术的无线传感器网络节点设计
其中，升压电力存储在外接的启动用电容器C4中，C4电压大于0.3 V时S-882Z中振荡电路开始工作，并将转换后的升压电力缓慢充至C3，用于启动升压DC/DC，合理选用C3、C4的容量可以实现升压DC/DC的超低压快速启动。D3是一个5 V稳压二极管，当Vin大于5V时导通，用于保护升压芯片U1输入电压不超过5 V。这种结构确保了温差发电片在低温差情况下能量的高效利用。
2.2 超级电容蓄能电路
系统采用超级电容作为系统的蓄能原件，将升压后的电能储存在超级电容内，并在需要时将能量送入系统。超级电容是一种介于静电电容器与电池之间的新型储能元件，存储能量可达到静电电容器的100倍以上，同时又具有比电池高出10～100倍的功率密度，具有充电速度快使用寿命长、低温性能优越等特点。
电容在放电过程中能够为系统提供的能量，即有效蓄能可表示为：
基于无源技术的无线传感器网络节点设计
其中，U1是电容的放电阈值电压，U2是电容的充电阈值电压。放电时C越大，电容能够提供的能量E也越大;充电时C越大，根据计算电容达到放电阈值电压U1的时间也越长。当电容C不变时，蓄能系统是无法同时实现缩短充电时间和提供更大能量两个目标的。根据传感器系统大部分时间工作在低功耗状态的特点，本文设计了双电容蓄能模式，蓄能电路如图3所示。
基于无源技术的无线传感器网络节点设计
其中C22为小电容，C21为大电容.充电时，5 V输入电压经防反充肖特基二极管D21和D22后首先为C22充电，当C22电压大于放电阈值电压U1后，C21才开始充电。当C21未达到充电阈值电压U2前，蓄能系统通过C22向外提供能量，当C21电压超过U2后，蓄能系统向外提供的能量相当于6倍的C22。这种方式既能满足传感器系统在低功耗状态下快速启动的需要，又为高功耗状态提供了强大的能量后备。
3 无线节点模块设计
无线节点模块包括微处理器模块、无线传输模块及传感器模块。由于温差发电产生的能量较弱，因此系统无线传感器网络节点按照低功耗原则设计，无线处感器节点为间歇工作模式。无线节点硬件电路如图4所示。
基于无源技术的无线传感器网络节点设计
微处理器模块采用MSP430F149，该单片机是一种16位的混合信号处理器，具有一个12位8通道自带采样保持的模数转换器(ADC)和6个通用8位I/O口，外部工作电压典型参数为3.3 V。无线模块选用CMT-20LP无线收发模块，其工作频率为2.4 GHz，具有高可靠的数据传输速率，最高可达2 Mbps;其功耗低，发射模式下工作电流为30 mA，接收模式下工作电流为25 mA，休眠电流为2.2μA。CMT-20LP模块采用线性调频(CSS)调制方式，信号带宽为22 MHz和80 MHz，内嵌无线收发器芯片NA5TR1，增加了输出PA(功率放大器)、输入LNA(低噪声放大器)、收发转换控制电路，输出已匹配到50 Ω，使用非常方便。
对于传感器模块选型，以环境温度为例，传感器模块选用DS18B20温度传感器。独特的单线接口方式使其在与微处理器连接时仅需一条接口线，即可实现微处理器与传感器的双向传输，节约了I/O口，测温范围为-55～125℃，固有测温分辨率为0.062 5℃，工作电压为3～5 V，测量结果以9～12位数字量方式串行传送。在使用中无需任何外围器件，因此可简化节点硬件设计，减小节点体积，提高可靠性。
由于无线传感网络节点中选用的微处理器模块和传感器模块工作电压均为3.3 V。该系统工作过程中电源供给来源于温差发电片。充电泵模块将温差发电片产生的电压提升并稳定在5 V，给超级电容蓄能充电。电容存储的能量用于支持宽范围升降压芯片TPS63030(其输入电压为1.8～5.5 V)转化为3.3 V电压，为无线传感网络节点提供电源。
该装置启动后工作电流为100 mA左右。传感器节点一旦启动，长期工作在低功耗状态;每次进入典型工作状态连续工作时间在10 s左右;每间隔10 min则进入大功耗状态一次，连续工作不少于20 s。能量供应模块设计使用了一片TEG1-241发电片，温差为10℃以上即可发电，平均输出电压0.6 V，输出电流50 mA，采用0.02 F和1 F两个超级电容蓄能，放电域值电压为3 V，可充至以上。
电路由于各种原件损耗，系统整体转化效能在80%左右。由电容能量转换可得，小电容蓄能到3 V时需要3 s，此时，电路启动。如果电路工作在典型工作状态，可知电容电压至4.7 V时，系统工作时间理论值为25.8 s。考虑到系统效能的因素，实际可工作时间在20 s左右。若系统一直处于低功耗状态，双电容充电至4.7 V的时间根据换算为375 s;当系统处于大功耗状态时，工作时间理论值为32 s。考虑到系统效能的因素，实际可工作时间在24 s左右。采用温差片发电和超级电容蓄能的方式产生的功率大于无线传感网络节点中温度传感器、单片机和无线收发模块的功率，此时能满足无线节点工作需求。
结语
本文提供了一种基于温差发电的无线传感网络节点设计方案，通过选择低功耗单元芯片，设计硬件接口，构建了一个完整的无线传感网络节点。实验结果表明，该装置具备启动时间短，对散热要求不高，支持间歇大功率输出的优点。发射模块传送的距离可达100 m，可直接放置于发动机排气管、空调出风口、冷热水管等物体表面，实现微弱能源的采集和利用，能有效解决无线传感网络节点能源供电问题，具备较高的实用价值。