一種基于無線傳感器網絡的生物信息檢測系統節點電源設計

楊世超，陶正蘇

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

微電子技術、計算機技術和通信技術等技術的發展和進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發展，使其在微小體積內部集成數據采集、數據處理和無線通信等多種功能[1]，無線傳感器網絡應運而生。傳感器節點通常是微型的嵌入式系統，一般是通過攜帶有限的電池供電，因此處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。大多數工作在野外或者人員不宜到達的地方，無線節點的電池不能夠被隨時更換，這就要求節點能夠在有限的電源供電的條件下工作時間盡可能延長以延長網絡壽命，除采用大容量電池以及像太陽能這樣自己供電的方案之外，節點本身就要具有低功耗設計技術，從而達到延長節點壽命的目的[2]。

1 系統結構設計

無線傳感器網絡節點主要由數據采集模塊、數據處理模塊、數據無線通信模塊以及電源模塊組成。按照一定的通信協議，構成了無線傳感器網絡。文中設計的無線傳感器網絡節點采用圖1所示的系統結構。

圖1 無線傳感器節點結構框圖Fig.1 Structure diagram of WSN node

節點的數據采集模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換。數據采集部分可根據實際需要選定合適的傳感器。本設計是針對生物信息檢測系統，需要測定溫度、濕度、振動、pH值等。作為傳感器網絡節點系統的重要組成部分之一，傳感器的功耗對系統的功耗也是有重要影響的。在選擇傳感器時，要優先選擇有源式傳感器，如壓電式傳感器，或者選擇耗電量小的傳感器，盡量避免選用功耗大的如磁電式、電容式等傳感器。例如，設計采用的溫度傳感器是DS18B20，用于測量物體表面溫度或空氣溫度，它體功耗低，體積小，外圍電路簡單，可以在保證系統可靠的情況下降低了系統功耗。

數據處理模塊負責控制整個節點的數據處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等。處理器模塊是無線傳感器節點的計算核心，所有的設備控制、任務調度、能量計算、功能協調、通信協議和數據整合程序都將在這個模塊的支持下完成，處理器的選擇在節點設計中至關重要。本設計采用CC2430自帶的8051微處理器，它采用低功耗CMOS工藝生產，基于RISC結構，速度快，功耗低，性價比高。

數據傳輸模塊負責與其他節點進行無線通信、交換控制消息和收發采集數據，其中無線通信損耗的能量占了整個無線傳感器網絡能耗的主要部分，因此對這一模塊的選擇事關低功耗設計的全局。選擇無線收發芯片時應考慮以下幾點因素：功耗、發射功率、接收靈敏度、收發芯片所需的外圍元件數量、芯片成本、數據傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼等。本設計采用Chipcon公司一款兼容2.4 GHz IEEE802.15.4標準的無線收發模塊CC2430，它具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強度和收發頻率可編程等特點。而且外接天線，可確保短距離通信的有效性和可靠性，其最大收發速率為250 kbps。本設計中單芯片CC2430集成了MCU和RF模塊，比單獨MCU+RF芯片的設計，不僅在價格方面比較低，而且在功耗和節能上都降低很多優勢十分明顯。

節點的電源管理非常重要。由圖1可以看出，數據采集模塊、數據處理模塊和數據無線通信模塊等系統能量來源都是由電源模塊提供。本設計采用3.7 V可充電鋰電池ICR18650，該電池能量密度高，體積小，適合傳感器節點小的特點。另外，結合生物信息檢測系統中如攪拌機的振動等產生的機械能，通過能量轉換裝置將其轉換成電能存貯起來。然后通過動態電源管理，一方面給系統供電，另一方面可以給鋰電池充電。當振動產生的能量不足，自動實時切換到電池供電。另外，為方便上位機調試和檢修，還配備了USB供電接口。

2 電源模塊設計

2.1 電源模塊設計

電源模塊設計系統框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊系統框圖Fig.2 Block diagram of power module design

振動能通過能量轉換電路，將振動能轉換成電能，然后通過儲能電路儲存，再經過DC－DC升壓電路進入到智能電源管理電路。系統默認選擇振動產生的能量，當振動產生的能力不足時，自動切換到鋰電池供電。儲能電路正常工作電壓是2.7 V，而智能電源管理電路正常工作電壓是5 V，所以設計了DC－DC升壓電路，經過升壓電路，2.7 V輸入電壓變為5 V輸出，使智能電源管理電路能夠正常工作；可充電鋰電池正常工作電壓是3.7 V，系統工作電壓主要是3.3 V，因此設計了LDO電源電路。通過LDO電源電路，3.7 V輸入電壓變為3.3 V。

2.2 基于壓電材料的振動能量轉換

振動源采用壓電晶體，利用其壓電效應實現機械振動能到電能的轉換，可以利用正壓電效應發電。由于壓電材料產生的是低交流電壓、極其微弱的電流，產生的電流是瞬間和交替的，它以不規則的隨機突發形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應[3]。因此需要設計壓電發電電源電路，對壓電發電裝置產生的電能進行能量轉換和存儲。

壓電晶體充電等效電路如圖3所示。L1是匹配電路的初級電感，I1是流入初級電感的電流，L2是次級電感，I2是流出次級電感的電流，M為互感，C2為次級電容，Iin是流入整流電路的電流，Vin是整流前C2兩端電壓，I是流入儲能電容的電流，Vrest是儲能電容兩端點電壓，Cst為總儲能電容，由于Cst的值遠遠大于C2，因此Vrest在每個充電周期里是固定不變的。從能量源的角度出發，壓電材料等效為交流電流源Ip和等效電容Cp并聯。

圖3 壓電材料充電等效電路Fig.3 Charging equivalent circuit of piezoelectric material

2.3 能量轉換電路設計

通常使用的電源電壓是直流電，而壓電振子輸出的是一種交流電，不能直接作為供電電源，這就需要設計相關的整流濾波電路，將壓電材料振動產生的交流電壓變為脈動的直流電壓，經濾波得到平滑的直流電壓。

本系統采用能量利用效率較高的橋式全波整流電路，如圖4所示。D3～D6構成橋式整流電路，4個二極管輪流工作，Vac正半周時，D4和 D6導通；Vac負半周時，D3和 D5導通。當 I2對C2（圖 3）進行充電時，C2兩端電壓上升，C2兩端電壓升高到Vrest時，整流二極管導通，C2兩端電壓被鉗位到Vrest，I2通過整流二極管對Cst進行充電；當整流二極管均截止時，C2對前端進行放電。但此時輸出的電壓是脈動的，含有較大的紋波，必須通過濾波加以消除，才能得到平滑的直流電壓。該電路中采用470 μF電容進行濾波，保證電路中電壓和電流的穩定。當輸出電壓在一定范圍內變化時，該電路具有很好的穩壓性能[4]。

2.4 儲能電路設計

超級電容作為一種新型的電力儲能元件，既具有靜電電容器的高放電功率優勢，又像電池一樣具有較大的電荷儲存能力。同時，超級電容還具有循環壽命長、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、免維護等優點。

圖4 整流濾波電路Fig.4 Circuit of bridge rectifier

本系統采用SU2400P－0027V－1RS超級電容設計了儲能模塊，其額定容量為300 F，額定電壓為2.7 V，具有較高的功率比、能量比和較低的等效串聯電阻，其工作原理如圖5所示。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，形成雙電荷分布層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態（通常為3 V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態。隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應將減少。由此可以看出，超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩定的，與利用化學反應的可充電電池是不同的。

圖5 超級電容工作原理Fig.5 Diagram of super capacitor

2.5 DC-DC 升壓電路

DC－DC升壓電路選擇 MC34063，其性價比高，效率高。如圖6所示，輸入電壓 Vin是 2.5～40 V，輸出電壓V1是5 V。

圖6 DC－DC升壓電路Fig.6 DC－DC step－up circuit

2.6 智能電源管理電路設計

智能電源管理電路選用芯片MAX1555[5]，首先針對外接電源與鋰電池電源的實時電壓狀態自動選擇供電方式；其次，完成對系統內3.7 V 2 200 mAh的鋰電池的充電任務。如圖7所示，當外接USB接口默認選用USB電源。如果沒有USB提供電源時，當振動能量足夠，此時V1等于5 V，一邊為系統提供電能，一面為鋰電池充電；當振動能量太小時，MAX1555 4腳自動關閉，與5腳相連的鋰電池自動供電，實現了振動能量和鋰電池之前的無縫切換。

圖7 智能電源管理電路Fig.7 Intelligent power management circuit

2.7 LDO電源電路模塊

LDO電路選擇 ADP3300－3.3[6]，其輸入電壓 System load的范圍是3.2～12 V，輸出電壓是3.3 V，如圖8所示。

圖8 LDO電源電路模塊Fig.8 Block diagram of LDO power supply circuit

3 低功耗設計

微處理器有一種較為通用的電源管理機制，在該機制中將系統的功耗模式分為3種：常規模式、空閑模式和省電模式。其中，常規模式的功耗最高，空閑模式的功耗次之，省電模式功耗最低。系統完成初始化后即進入低功耗工作模式狀態，進入低功耗模式后，電流僅達到幾個μA。 一旦有允許的中斷請求，CPU將在大約10 μs的時間內被喚醒進入活動模式，執行中斷服務程序。執行完畢，系統返回到中斷前的狀態，繼續低功耗模式。系統在空閑模式下依然要啟動定時器，如果在定時器到期之前收到外部觸發信號，系統將回到常規模式并取消定時器；如果沒有收到外部的觸發信號，系統將保持在休眠模式并且系統會在定時器到期后進入省電模式，以便更進一步地降低功耗。系統中斷流程如圖9所示。

4 結束語

本文針對生物信息檢測系統，利用振動產生的能量，結合可充電鋰電池，為無線傳感器網絡節點永久提供能量。該系統經過硬件測試，運行穩定，工作良好，不僅能自動對供電方式進行選擇，而且可以完成對鋰電池的充電功能。同時，系統軟件提供的睡眠喚醒機制與通信協議相匹配，能夠保證在無線傳感器網絡可靠通信的基礎上，進一步滿足低功耗系統需求。系統結構簡單，成本低，節點壽命長，可靠性高，有較高的實用價值。

圖9 系統中斷流程圖Fig.9 Flow chart of system interrupt

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]趙澤，黃希，崔莉.無線傳感器網絡的節點技術[R].北京：中國科學院計算機技術研究所，2008.

[3]王佩紅，戴旭涵，方東明，等.微型電磁式振動能量采集器的設計和電磁特性仿真研究[J].合肥工業大學學報，2008，31（4）：518-526.WANG Pei-hong，DAI Xu-han，FANG Dong-ming.The design of micro-electromagnetic vibration energy harvesting device design and simulation of electromagnetic properties[J].Hefei University of Technology Journal，2008，31（4）:518-526.

[4]童詩白.模擬電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社，1980.

[5]Maxim Integrated Products.SOT23 Dual-input USB/AC adapter 1-cell Li+battery charers[EB/OL].[2011-11-06]http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1551-MAX1555.pdf.

[6]Analog Devices.High accuracy anycap 50mA low dropout linear regulator[EB/OL].（2010-10-01）[2011-11-06]http://www.farnell.com/datasheets/83912.pdf.