基于NB-IoT 的無線傳感器節點的太陽能供電系統設計

靳峰川,朱成杰

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院,安徽 淮南 232000)

0 引言

戶外設備的能源供電問題是否得到很好的解決,關系到傳感器網絡能否正常的運行。 太陽能作為一種可再生無污染易獲得的清潔能源,越來越受到青睞[1]。 已有相關學者提出基于太陽能的供電系統,具有良好的輸出特性和較高的效率[2]。 但是,控制較為復雜,成本較高,無法大規模靈活地應用到物聯網系統中。 本文針對具體的傳感器網絡節點設計了一款基于太陽能的智能充電和監測系統,以STM32L0 為系統主控芯片,CN3791 為鋰電池充電管理芯片,通過讀取光照傳感器數值,判斷選擇鋰電池供電還是太陽能電池板供電,STM32L0 通過ADC 采集系統電路的重要節點電壓數值,并通過NBIoT 將數據上傳到云平臺[3-4],供監測人員查看。

1 系統硬件框架設計

系統以STM32L0 單片機為控制核心,通過A/D 轉換讀取太陽能電池板和鋰電池的電壓,并由通信模組將數據上傳到云端。 CN3791 電源管理芯片是一款可使用太陽能板供電的PWM 降壓模式單節鋰電池充電管理集成電路,獨立對單節鋰電池充電進行管理,具有外圍元器件少、使用簡單等特點。 芯片自帶MPPT(最大功率追蹤技術)功能,十分符合系統的設計需求,系統終端框架如圖1 所示。

圖1 終端框架

2 主體硬件電路設計

主體電路設計主要由電源管理芯片的外圍電路,如圖2 所示,LDO 電路以及DC-DC 電路組成。

圖2 外圍電路

2.1 電源管理芯片外圍電路

芯片的MPPT 引腳為太陽能電池板最大功率點跟蹤端口,端口電壓被調制為1.205 V,配合電阻R1 和R3 組成分壓網絡,實現對最大功率點的追蹤。 最大功率點的追蹤方法為恒定電壓法,最大功率點的電壓Vmppt(單位:V)由下式(1)決定。

其中,R1 和R3 為電阻阻值,單位為Ω(歐姆)。

恒流充電電流ICH(單位:A)的計算公式為:

其中,R5 和R4 為電阻阻值,單位為Ω(歐姆)。

IC 對鋰電池的充電模式分為涓流模式、恒壓模式和恒流模式。 對于過度放電的鋰電池,檢測其電壓低于恒壓的電壓66.5%時,IC 使用恒定充電電流值的17.5%對電池涓流充電,當電壓達到2.8 V 時,轉入恒流充電模式,最后進入恒壓充電模式,當充電電流下降到恒流充電電流的16%時結束充電,完成一個周期。充電過程如圖3 所示。

圖3 充電過程

2.2 DC-DC 電路

DC-DC 電路將太陽能電池板的12 V 電壓降為3.3 V 供給單片機使用。 當陽光充足時,系統使用該電路向單片機系統提供電能,電路原理如圖4 所示。 LDO電路將鋰電池的3.7 V 降低為3.3 V,該電路具有紋波小、反應快的特點。

圖4 DC-DC 電路

2.3 轉換電路

電路供電的轉換電路,由N 溝道MOS 管組成開關電路,由單片機的引腳控制MOS 管的開斷,實現切換電路的目的,如圖5 所示。

圖5 電路切換電路

3 軟件設計

系統以STM32L0 為主控芯片,控制系統的電源供給方式和數據的處理。 當主控讀取光照強度傳感器,數值低于設定的閾值時,系統由鋰電池供電;數值超出閾值時,系統將電源切換為太陽能電池板,同時向鋰電池充電。 為監測系統的運行狀態,主芯片通過ADC 模塊讀取太陽能電池板端口電壓、鋰電池端口電壓以及向單片機端口供電的電壓,并通過NB-IoT 將數據上傳到云平臺,供維護人員監測掌控系統的運行狀態,軟件流程如圖6 所示。

圖6 軟件流程

4 系統測試

完成軟硬件設計后,將設備接入云平臺,便可以在手機端實時查看系統的運行數據,接收的數據如圖7 所示。

圖7 App 監控界面

在不同光照條件下,分別測量4.2 V/3 400 mAh 鋰電池電壓、太陽能電池板電壓以及單片機VCC 電壓在30 min 內的數據變化范圍,如表1 所示。

表1 測試數據

5 結語

系統完成軟硬件的設計,通過光照強度判斷使用鋰電池供電還是太陽能電池供電。 在不同光照條件下實驗測試,太陽能電池板的電壓輸出值在6.1 V 到11.9 V 之間波動,晴朗天氣下,輸出電壓峰值達到11.9 V,此時由太陽能電池板通過DC-DC 電路向系統電路供電,并向鋰電池提供充電電源,當太陽能電池板無法向系統提供所需的電壓時,系統由鋰電池供電。 從實驗數據可以看到,單片機的VCC 電壓一直穩定在3.3 V左右,在正常工作電壓范圍內。 實驗表明,系統可以穩定地向獨立的傳感器監測節點提供電源,具有成本低、性價比高等特點。