太陽能供電的無線傳感系統的設計

杭州電子科技大學射頻電路與系統教育部重點實驗室 黃清春

1.引言

無線傳感網絡是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用范圍。傳感網絡的節點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通訊模塊、電源模塊構成。其中電源模塊決定著該節點的生命周期的長短[1]，目前，一般用高性能的電池作為電源，然而電池用完需要更換，這會增加系統的維護成本。太陽能供電不僅解決了野外長時間無人監護的網絡節點的供電問題，還具有供電持久，節能環保的優點，具有良好的應用前景[2]。本文設計了一種高效的太陽能供電電源，用來給無線節點供電，以保證該系統能夠長時間工作，而不需要更換電池。經過整機測試，該電源成功運用在由Atmega16A，nRF905和SHT11組成的無線傳感系統中，經測試，系統能夠正常可靠工作。

2.系統硬件電路設計

本文中太陽能供電的無線傳感系統：由電源部分、傳感器部分、無線收發部分、處理器部分構成。電源部分為整個系統供電[3]；傳感器部分用來測量溫濕度；收發部分用來進行無線數據的收發；處理器部分用來控制傳感器部分，收發部分，以及對數據進行處理。接受部分把接收到的數據傳給PC機終端。系統電路的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

3.無線收發模塊nRF905

nRF905是挪威Nordic公司的產品。該芯片采用1.9～3.6V供電，具有433/868/915MHz三波段載波頻率。具有特有的ShockBurst信號發射模式和發射信號載波監測功能，可有效避免數據沖突，能夠很容易地通過SPI接口進行編程配置。電流消耗很低，在發射功率為-10dBm時，發射電流為11mA，接收電流為12.5mA，nRF905特別突出的優點是：該模塊電路設計簡單，需要的外圍器件少，不工作時可以進入休眠狀態，功耗很低。

4.溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生產的具有I2C總線接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器。測溫范圍：-40～123℃，精度為0.5℃，測濕范圍：0～100%RH，精度為3%RH；電流消耗極低，測量時為550μ A，平均為28μA。在測量結束后，SHT11會自動轉入休眠模式，以便節能，非常適合低功耗的場合。

5.供電部分設計

5.1 太陽能電池板的選擇

太陽能電池板主要分為單晶硅和雙晶硅兩種，單晶硅太陽板的轉換效率比較高，但是加工工藝要求高，價格也高，多晶硅太陽能電池的轉化效率低，成本較低，出于成本考慮，選擇多晶硅的太陽能電池板。由于選用的電源管理芯片BQ25504的輸入功率范圍在0～300mW之間，輸入電壓在0～5.5V，所以可以選用300mW，輸出電壓為2V，短路電流為150mA，尺寸為6cm×6cm的多晶硅太陽能電池板。

5.2 鋰電池的選擇

鋰電池的選取取決于系統的總功耗及要持續工作的時間，nRF905以最大功率發射時的工作電流為30mA，接收時的工作電流為12.5mA；微控制器Atmega16A工作在1MHz時，正常工作的電流為1.1mA；SHT11測量溫度、濕度時消耗的電流：測量時550μA，平均為28μA；總體消耗的電流約為33mA。采用的鋰電池的容量為2400mAh，額定電壓為3.7V，在不給鋰電池充電的理想情況下，可以計算出系統能夠連續工作的時間為：2400mAh/33mA=72小時，由于系統軟件設定的是系統每隔1小時測量一次溫度和濕度，假定測量一次系統工作2分鐘，則可以計算出在不給電池充電的情況下該系統理論上可以連續工作大約90天。本文所選的鋰電池2400mAh，3.7V，其充滿電后的電壓為4.2V，放電電壓的最低值為2.45V，不能夠使鋰電池過度充電和過度放電，否則會縮短電池的使用壽命，甚至使電池報廢。

圖2 電源模塊具體電路

5.3 電池管理電路

電池管理電路連接著太陽能板，鋰電池，和負載電路，如圖2所示。電池管理電路功能：過壓保護，欠壓保護，電池狀態良好監測。本文采用的是美國TI公司生產的超低功耗帶電池管理功能的升壓變換器BQ25504，該芯片可管理各種能源產生的mW，甚至μW的電源，比如太陽能，熱能，電磁能，機械震動能等。主要性能如下：330nA的靜態電流；超過80%的高轉換效率；最大功率跟蹤技術；電池充電和放電保護；電池狀態良好指示器。該芯片特別適用在太陽能供電系統中。

設定欠壓閾值VBAT_UV=2.83V，過壓閾值VBAT_OV=4.2V，電池工作電壓范圍VBAT_OK_PROG=3.45V，VBAT_OK_HYST=3.96V。根據BQ25504的域值設定公式[4]可以得到R3=5.6M，R4=4.4M，R5=5.6M，R6=4.3M，R7=3.1M，R8=5.6M，R9=1.3M當把電池充電到4.1V，接上負載電路，進行放電試驗，經過實際測量發現當BQ25504管腳VBAT的電壓為3.5V，VSTOR管腳電壓為0，即停止電池對外放電。接通電源，通過BQ25504對鋰電池進行充電，充電前VBAT為3.45V，VSTOR為3.50V，VBAT_ OK為0，實際測量發現當鋰電池電壓充到3.97V時，VBAT_OK輸出由0變為3.97V，充電到4.2V時，電池電壓就不再上升。在充電過程中，BQ25504的VSTOR管腳的電壓略高VBAT0.05V，當達到VBAT_OV時，兩者相等；在放電過程中，BQ25504的VBAT管腳的電壓略高VSTOR 0.02V。

綜上可知，實際的VBAT_UV=2.93V，VBAT_OV=4.2V，VBAT_OK_PROG=3.5V，VBAT_OK_HYST=3.97V，它們與理論計算值有著大約100mV左右的偏差。實際值和理論計算值的偏差在5%之內，這是符合預期的。當電池電壓VBAT小于VBAT_OK_PROG時，此時VBAT_OK輸出低電平0，NMOS管截止，PMOS管也截止，停止對負載供電，當鋰電池電壓從VBAT_OK_PROG逐漸上升到3.60V時，VBAT_OK輸出高電平，此時NMOS管導通，PMOS管的柵極為低電平，PMOS管也導通，可以對負載電路供電，直到電池電壓降為3.5V為止。2012年10月和11月，將該系統放到室外進行測試，運行2個月沒有問題，在晴天經過8個小時左右，就可將電池電壓從3.5V充到4.2V。這兩月陰天較多，但是中間也有陽光，電池電壓最低時為3.75V。至今該系統仍在正常工作。

6.結束語

該系統所測室外溫濕度值與溫濕度計相比，溫度平均有0.5℃的偏差，濕度有5%RH偏差，測量精度達到了一般應用要求，由于能源來自太陽能，該系統能夠長久使用。如果在陰雨天較多的地區使用，可以采用更大容量的鋰電池或者用多個電池輪流供電。

[1]啜保昌，張巧杰，趙燕東.光伏供電系統在無線傳感網絡中的應用[J].計算機測量與控制，2010，18(1)：146-149.

[2]Ko Ko Win，Xinhui Wu，Souvik Dasgupta.efficient solar energy harvester for wireless sensor nodes[C].Beijing，China：IEEE International Conference on Communication Systems，2010：289-294.

[3]王鋼，林火養，石林.溫室大棚太陽能供電系統的設計[J].農機化研究，2006，(8)109-103.

[4]美國德州儀器.BQ25504_icpdf.pdf[DB/OL].http：//www.ti.com/product/bq25504，2012-10-18.