基于CC2430的無線傳感器供電電源設計

王亭嶺，熊軍華，陳建明

（①華北水利水電學院，河南 鄭州 450011; ②北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

在電力系統中，高電壓、大電流供電設備隨處可見，這些設備在母線承載電流過大或開關接觸電阻過大時，極易引起過高的溫升，若得不到及時解決將使絕緣部件性能降低，甚至導致擊穿，造成惡性事故。因此及時測量高壓母線接頭和高壓開關觸點溫度，為采取有效措施提供信息，將是電力系統安全運行的重要保障。

現在研究無線傳感器網絡節點設備的基礎上，提出了在無現場供電的情況下，利用單晶硅太陽能電池結合半導體溫差發電技術在高溫、高壓環境下為測溫和控制電路持續提供電能，實時進行數據采集和處理，理想的實現了高壓測溫一次設備和二次監測設備的電隔離。重點解決了連續陰雨天時，設備出現發熱現象但太陽能電池不能正常啟動測溫傳感器的問題，利用半導體溫差發電技術及時啟動測溫電路，做到了實時故障監測，保證系統安全可靠的運行。

1 測溫傳感器系統框圖

ZigBee是基于IEEE 802.15.4的無線通信協議，它的協議結構由物理層(PHY)、介質訪問層(MAC)、網絡層(NWK)、應用層組成。ZigBee建立在IEEE 802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。這種網絡是中短距離、低速率無線傳感器網絡，具有射頻傳輸成本低、功耗低、快速組網自動配置、自動恢復等優點[1]。該設計采用ZigBee星形網絡拓撲結構，由1個網絡協調器（FFD）、1個路由器（根據傳輸距離的遠近來選擇）和多個傳感器節點（RFD）組成。無線測溫傳感器網絡由測溫傳感器節點、路由器、網絡協調器及監控中心組成，如圖1所示。

圖1 無線測溫傳感器網絡的構成

無線測溫傳感器（RFD）用于采集溫度信息并發送給網絡協調器（FFD）；路由器負責RFD節點與網絡協調器間的數據轉發，同時負責環境溫度的采集，并及時發送到網絡協調器；網絡協調器用于建立一個新的無線傳感器網絡，接收信息，發送控制命令；監控中心（上位機）通過RS-232串口實現與網絡協調器的通信。

基于ZigBee網絡的無線測溫傳感器節點（RFD）由三部分組成：太陽能發電主回路、半導體溫差發電及升壓/穩壓回路和ZigBee節點測溫與控制電路，如圖2所示。

圖2 測溫節點原理

2 太陽能發電主回路分析

太陽能發電模塊選用單晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池是當前開發得最快的一種太陽能電池，這種太陽能電池以高純度的單晶硅棒為原料，目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右。圖2中選用的單晶硅太陽能電池片，工作電流為100 mA，開路電壓為3 V，尺寸為36 mm×10 mm×1 mm。圖2中的超級電容即法拉電容，它是一種儲能元件，儲能過程是可逆的。一般法拉電容可以反復充放電數十萬次。法拉電容有很多優勢：與電池相比，法拉電容在額定電壓范圍內可以被充電至任意電位，且可以完全放出；與傳統電容相比，同體積的法拉電容可以存儲更多的能量；法拉電容可以快速充電且可以反復循環數十萬次，而電池的壽命僅幾百個循環[2]。實驗測得，在弱光照射并帶負載（負載為CC2430芯片）時，100 mA-3 V的太陽能電池給30 F-2.5 V超級電容充電，充滿時大約需要1小時；在強光照射并帶負載時，100 mA-3 V的太陽能電池給30 F-2.5 V超級電容充電，只需5分鐘左右就可以啟動負載，15分鐘左右就能將電容充滿，實測負載的啟動電壓為1.81 V。不同光強照射下超級電容充電曲線如圖3所示。

3 半導體溫差模塊發電分析

半導體溫差發電模塊是根據塞貝克效應制成的，即把兩種半導體的接合端置于高溫，處于低溫環境的另一端就可得到電動勢[3]。將p型半導體和n型半導體在熱端連接，則在冷端可得到一個電壓。一個 pn結所能產生的電動勢有限，將很多個這樣的 pn結串聯起來就可得到足夠的電壓，成為一個溫差發電模塊。

圖3 不同光強下的電容充電曲線

半導體溫差發電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來產生電能，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度是至關重要的。在設計中，由電氣設備的接線排直接作為熱面的加熱源，冷面加裝散熱片。電氣設備的接線排在出現發熱故障時，溫度可上升到333～393 K。

半導體溫差發電存在的突出問題是輸出電壓不穩定，當溫差較小時輸出電壓也很小。當溫差發電模塊冷、熱面溫差小于25 K時，開路輸出電壓小于1 V，要保證后續單片機電路正常工作，必須采用升壓式充電泵或升壓式DC／DC轉換器。圖 2中采用 TI公司新近推出的一款超低輸入電壓同步DC/DC轉換器TPS61200。該IC的主要特點：效率高；根據輸入電壓的大小能自動轉換成升壓模式或降壓模式；靜態電流?。ㄐ∮?0 μA）；輸入電壓在0.5 V時，在滿負載時也能啟動工作；輸入工作電壓范圍寬，從 0.3～5.5 V。特別適合于太陽能電池、燃料電池、溫差或振動發電的供電條件的應用。

圖2中選用兩塊半導體溫差模塊串聯而成，輸出電壓為1.2 V。有溫差時，半導體溫差發電模塊對1 F-2.5 V超級電容進行小電流充電。實驗測得，溫差變化時充電電流在幾個毫安至十幾個毫安變化。當1 F超級電容端電壓上升到0.75 V時，TPS61200升壓芯片開始工作，工作曲線如圖 4所示。當1F超級電容跌到0.63時，TPS61200停止工作。經過多次單獨對50 F超級電容脈沖充電，會使其電壓升到0.5 V左右。如果溫差很大，電壓提升的幅度會更大。

4 測溫節點主電路分析

圖2中，無線測溫節點核心部件采用Chipcon公司生產的2.4 GHz射頻系統單芯片CC2430。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430芯片還具有電池容量監測功能。CC2430一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，十分節省電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2430特別適合那些要求低功耗的應用[4]。

圖4 TPS61200工作曲線

在RFD節點加入網絡時電流損耗較大，CC2430工作時的開啟電壓在1.75～1.85 V之間（不同的芯片會有所不同），為了防止50 F超級電容驅動CC2430加入網絡時，電壓跌落到1.8 V以下，而RFD節點又沒有成功加入網絡，設計采用CC2430電池容量監測功能。當50 F超級電容端電壓上升到1.95 V時，RFD節點才允許加入網絡。實驗測得RFD節點加入網絡成功后，50 F超級電容端電壓從2.95 V跌到1.75 V時，可發送數據4 270次左右。最不利的情況下（連續陰雨天），50 F超級電容在2.95 V時，RFD節點以每分鐘發送一次數據的頻率進行工作，可以連續工作3天左右。如果太陽能電池在效率下降而又發生故障時，半導體溫差發電模塊將起主導作用，同樣可以驅動RFD節點正常工作，實現故障及時報警。

CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據這一數值進行調整。該設計采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要使用平衡/非平衡阻抗轉換電路(巴倫電路)，以達到最佳收發效果。通常，Zigbee的發射功率在0～+10 dBm，通信距離范圍為10 m，可擴大到約300 m，其發射功率利用設置的相應服務原語進行控制。

溫度傳感器為TC77，它是SPI串行接口的數字硅溫度傳感器，特別適合于低功耗、低成本、低尺寸應用。溫度數據由內部溫度敏感元件轉換得到，隨時可以轉換成13位的二進制補碼數字。與CPU之間的通信通過SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一個±12位的ADC，溫度分辨率為0.062 ℃，TC77可以精確到±1 ℃，工作電流僅250 μA。為了節省電能，溫度采集的間隙應使TC77處于關斷模式，在關斷模式期間，TC77的電流消耗低于1μA，能最大限度的降低功耗。

5 測溫節點的軟件設計

無線傳感器網絡處理信息的簡單辦法是RFD節點定時向網絡協調器發送數據，網絡協調器再將數據通過串口上傳到監控中心，實現溫度信息的及時采集。定時時間從幾秒至幾分鐘可調，定時時間越長RFD節點持續工作的可靠性越高。但定時時間加長后，溫度信息的采集就會滯后，影響故障信息的及時報警。為了兼顧可靠性和及時性的矛盾，對RFD節點的程序設計進行了優化，設計采用溫差的變化來確定發送數據的頻率。由于報警信息的內容是溫度的差值，即電氣設備連接點的溫度減去環境溫度。單純使用電氣設備連接點的溫度不能客觀的反映設備是否發熱。在正常情況下，電氣設備連接點的溫度隨晝夜的變化較大，而溫差則變化較小。為了使RFD節點減少功耗，RFD節點只負責采集電氣設備連接點的溫度，環境溫度由置于室外的路由器采集。路由器由現場提供的直流電源供電，負責RFD節點與協調器之間的數據轉發，同時也負責環境溫度的采集，并及時發送到網絡協調器。網絡協調器根據RFD節點的請求來決定是否將環境溫度發送到RFD節點。RFD節點獲取環境溫度并計算出溫差后，通過查表來確定是否發送溫差信息，并根據溫差變化的趨勢來決定發送溫差信息的頻率。RFD節點程序流程圖如圖5所示。

圖5 RFD節點程序流程

軟件部分需要解決的問題包括：溫度信息的采集；溫度信息的發送；RFD與協調器的無線通信；協調器與上位機的有線通信等。為了降低功耗，溫度采集的間隙應使TC77處于關斷模式，在關斷模式期間，TC77的電流消耗低于1 μA。RFD節點發送完溫度信息后應立即進入睡眠狀態，從而最大限度的降低功耗。針對網絡協調器和RFD節點，程序所用的協議棧是一樣的，所以都在一個工程中，主程序包含所有節點的初始化程序，利用條件編譯分別下載到不同的節點中[5]。

6 結語

基于CC2430的無線傳感器通過采用半導體溫差發電模塊結合太陽能電池所提供的電能，解決了變電站測溫現場供電不便的難題，同時也避免了電池供電需頻繁更換的繁瑣?；赯igBee的無線測溫管理系統在鄭州某110 kV變電站進行測試的相關數據如下：RFD與FFD的通信距離最遠可達80m，FFD與PC通信距離可達10m（制作的RS-232數據線為10m），無線傳感器網絡建立的時間小于1 s，RFD加入網絡的時間小于5s，PC機上的監控信息刷新時間小于10s，達到廠家提出的實時監控的要求。陰雨天時RFD節點可連續工作3天以上，晴天時RFD節點可持續工作。路由器和協調器由現場提供的直流電源供電。測試期間現場無故障，半導體溫差模塊的作用沒有顯現出來。變電站的電磁干擾對無線傳感器網絡管理系統無影響。測試結果表明，所設計的無線傳感器網絡管理系統是成功的。

[1] 呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2008:15-16.

[2] 鄧梅根,張治安.雙電層電容器材料最新研究進展[J].炭素技術,2003(04):25-30.

[3] 林玉蘭,呂迎陽.基于半導體溫差發電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術,2006(01):39-40.

[4] 劉任慶,劉莉娜.基于ZigBee技術的工業無線溫度變送器的設計和實現[J].通信技術,2009,42(06):188-190.

[5] 李文仲,段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2007:34-35.