無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微能源電源設(shè)計(jì)

呂常智 ，公茂果，潘家興（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東，266590）

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無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微能源電源設(shè)計(jì)

呂常智 ，公茂果，潘家興
（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東，266590）

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是無線網(wǎng)絡(luò)的多種表現(xiàn)形式之一。面對(duì)目前的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的續(xù)航難問題，本設(shè)計(jì)提出了一種利用微能源為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供供電的研究方案。本文采用壓電陶瓷片作為能量的主要來源，選擇采用專業(yè)的壓電能量采集芯片LTC-3588進(jìn)行構(gòu)建電源電路，設(shè)計(jì)了無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；微能源；能量采集；LTC3588

0　引言

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)是依據(jù)現(xiàn)代信息技術(shù)的科研成果而發(fā)展起來的一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，隨著微納米科學(xué)的快速發(fā)展，MEMS技術(shù)越來越趨向于微型化、集成化、實(shí)用化和自動(dòng)化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等低功耗設(shè)備發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍也越來越廣，伴隨著的是設(shè)備供電問題正成為其發(fā)展的瓶頸。如何在自然環(huán)境中提取有效電能，尤其是將自然界中普遍存在的機(jī)械振動(dòng)能量進(jìn)過轉(zhuǎn)換變?yōu)榭捎秒娔芤呀?jīng)成為目前國內(nèi)外研究的熱門。在過去的幾年，將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為可用電能的解決方案尚不完善，而且電路總體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，輸出的電壓質(zhì)量較差。本文使用高集成度的能量采集芯片LTC-3588設(shè)計(jì)出一款效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓質(zhì)量高的穩(wěn)壓電源，為無線終端供電。

1　微能源采集

圖1　.電壓輸出波形Fig.1 Output voltage waveform

圖2　電流輸出波形Fig.2 Output current waveform

近些年，對(duì)于微能量采集的研究越來越廣泛，市場(chǎng)上推出的產(chǎn)品也越來越豐富，主要分為壓電式、靜電式和電磁式三種；壓電陶瓷片有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)特性。利用壓電陶瓷片的正壓電效應(yīng)：根據(jù)極化原理，通常對(duì)壓電材料不斷的進(jìn)行施加壓力使其產(chǎn)生交變的電荷。基于壓電陶瓷片的發(fā)電原理將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為可用電能。本設(shè)計(jì)中以黃銅CW617N和壓電晶片P5-1作為材料，此壓電陶瓷片理論輸出電壓0V~35V，對(duì)壓電陶瓷片沿Z方向施加正弦作用力， 將100KΩ的負(fù)載電阻連接在2個(gè)電極上。圖1是為對(duì)該壓電陶瓷片進(jìn)行周期性按壓變形得到的電壓輸出波形。圖2為對(duì)該壓電陶瓷片進(jìn)行周期性按壓變形得到的電流輸出波形。

2　能量采集電源電路設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)外的研究成果中，能量采集裝置的設(shè)計(jì)大多還是采用舊的電荷捕獲電路，交流信號(hào)經(jīng)過整流、濾波、調(diào)壓和穩(wěn)壓后進(jìn)行儲(chǔ)存，但這樣的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而且在線路中的能量損耗較高，可攝取的有效能量很低。

本設(shè)計(jì)是利用人類活動(dòng)中產(chǎn)生的振動(dòng)行為作用在壓電發(fā)電片上會(huì)產(chǎn)生能量；采用凌力爾特公司的LTC-3588高效電能采集芯片進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，LTC-3588的輸入交流電壓為2.7V~20.0 V，可設(shè)定4種不同的電壓輸出:1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V，設(shè)定方法見表1所示；

表1　輸出電壓選定和靜態(tài)電流Table1. Output voltage’s select and the static current

圖3　能量收集和存儲(chǔ)電路Fig.3 Energy collection and storage circuit

圖4　輸出電壓波形Fig.4 Output voltage waveform

LTC-3588可以與壓電陶瓷片直接連接，能對(duì)壓電陶瓷片在受力形變時(shí)所產(chǎn)生的交變電壓進(jìn)行整流、濾波和存儲(chǔ)，而且內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓和限幅。LTC-3588共有11個(gè)引腳，當(dāng)D1置為高電平、D0置為低電平時(shí)，得到輸出電壓大小為3.3 V。能量采集和儲(chǔ)存電路如圖3所示。將采集到的能量儲(chǔ)存到電容中可以為負(fù)載提供電源；此電源可以取代燃料電池，有效收集利用人身周圍所能產(chǎn)生能量，進(jìn)一步節(jié)約資源，減少污染和提高能源利用率。

當(dāng)壓電陶瓷片輸出電壓為6V，負(fù)載很大時(shí)可視作電路開路，此時(shí)輸出電壓波形如圖4所示；電壓輸出可達(dá)到穩(wěn)定的3.36V，可以為后續(xù)負(fù)載提供可靠的電源。當(dāng)壓電陶瓷片輸出最大電壓為6V，負(fù)載為100Ω時(shí)，此時(shí)輸出電壓波形如圖5示；輸出電壓3.35V可維持的有效輸出可以達(dá)到40ms，能夠維持無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

當(dāng)壓電陶瓷片輸出最大電壓為12V，負(fù)載為100Ω時(shí)，此時(shí)輸出電壓波形如圖6示；輸出電壓3.35V可維持的有效輸出可以達(dá)到70ms，由此可知：壓電陶瓷片形變?cè)酱螅刹杉碾妷涸礁撸杉哪芰吭蕉啵瑑?chǔ)存的電能也越多，而且輸出電壓穩(wěn)定性越好。

3　無線節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

本論文的電源模塊的設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)為無線遙控平臺(tái)提供能源，無線模塊設(shè)計(jì)采用核心控制芯片是CC2531，無線通信通過ZigBee實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議。

3.1無線節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

圖5　輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveform

圖6　輸出電壓波形Fig.6 Output voltage waveform

CC2531是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠用較低的材料成本建立比較大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2531具有多種運(yùn)行模式，能夠滿足系統(tǒng)的超低功耗的要求。系統(tǒng)發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示；系統(tǒng)接收模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示；

圖7　發(fā)射模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Hardware structure diagram of launch module

圖8　接收模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Hardware structure diagram of receiving module

利用CC2531搭建無線節(jié)點(diǎn)的發(fā)射終端由基于LTC-3588設(shè)計(jì)的電源模塊供電。圖9為系統(tǒng)電源硬件的設(shè)計(jì)圖，

圖9　系統(tǒng)電源的原理圖Fig.9 The principle diagram of system power supply

3.2無線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要利用IAR Workbench V6.8作為集成開發(fā)環(huán)境，無線節(jié)點(diǎn)終端的軟件的設(shè)計(jì)流程如圖10、圖11所示；

圖10　發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.10 Software design chart of launcher

4　總結(jié)

本論文完成了能量發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)：壓電陶瓷片經(jīng)過振動(dòng)與壓力會(huì)產(chǎn)生壓電電能；能量采集模塊的設(shè)計(jì)：利用電能采集芯片LTC-3588進(jìn)行能量的收集和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電；主控模塊的設(shè)計(jì)：主控核心芯片CC2531的開發(fā)，使無線模塊的開發(fā)滿足設(shè)定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議，以便于降低生產(chǎn)成本。本設(shè)計(jì)利用人類活動(dòng)中在壓電陶瓷片上的振動(dòng)經(jīng)過轉(zhuǎn)換產(chǎn)生可利用的電能；采用了LTC-3588設(shè)計(jì)電路能實(shí)現(xiàn)電能的高效率收集；采集的能量代替燃料電池作為電源，解決了目前無線終端需要經(jīng)常更換電池和大量丟棄電池污染環(huán)境的問題。

參考文獻(xiàn)

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Wireless Network Node’s Micro-power Design

Lv Changzhi，Gong Maoguo，Pan Jiaxing
（Shandong university of science and technology institute of electrical and automation engineering Shandong，266590）

Abstract：Wireless sensor networks（WSNs）is one of the many forms of wireless networks.With today's wireless network node battery life problem this design presents the use of energy for the power supply of the wireless sensor network node research program.Using Piezoelectric ceramic plate as a main source of energy，this design used professional piezoelectric energy capture chip LTC-3588 to build power circuit and design the wireless network node terminal.

Keywords：Wireless network nodes ；Micro-energy；Energy harvesting；LTC3588

中圖分類號(hào)：TM919

作者簡(jiǎn)介

呂常智（1971-），男，副教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化，電力電子技術(shù)。

公茂果（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化，電力電子技術(shù)及其應(yīng)用。

圖11　接收端軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.11 Software design chart of receiver