無線傳感網絡節點智能太陽能供電系統研究

郭水陽　索亞楠　程盼飛

【摘 要】提出了一種用于長期穩定供電的智能太陽能采集系統。該系統由太陽能電池板、鋰電池和控制電路組成。軟件系統利用EAD，用于鋰電池充電管理，大大提高了系統的可靠性和穩定性。當陽光充分時它更傾向于使用太陽能，鋰電池是一種補充電源的條件，如陰，雨，夜。本系統采用最大功率點跟蹤（MPPT）電路充分利用太陽能的優點，采用適當的充電方式，保證了鋰電池的超長壽命，縮短了電池充放電循環的頻率。該系統可實現小功率設備，特別適用于戶外型無線傳感器節點在物聯網。

【關鍵詞】太陽能；MPPT；無線傳感器網絡；物聯網

【Abstract】A method for long-term stable supply of intelligent solar collection system.The system consists of solar panels，lithium batteries and a control circuit.The software system using EAD for lithium battery charge management，greatly improving the reliability and stability of the system.The light when it is fully Dangyang tend to use solar energy，lithium the battery is an additional power supply conditions，such as cloudy，rain，night.This system uses the maximum power point tracking（MPPT）circuit to make full use of the advantages of solar energy，using proper charge mode，to ensure the long life of the lithium battery，shorten the battery charge and discharge cycle frequency.The system can realize the small Power equipment，especially for outdoor wireless sensor nodes in the Internet of things.

【Key words】Solar energy；MPPT；Wireless sensor network；Internet of things

0 引言

無線傳感網絡是當今世界上繼互聯網之后的第二大網絡，它被稱為未來十大新型技術之首。當前，已經廣泛運用在物聯網上[1]，主要用在一定的區域內協作地實時監測、感知和采集各種環境和監測對象的信息。傳感器節點部署環境和實際應用中的要求決定了節點電源大多數情況下不可能接入正常的電力系統供電。傳感器節點部署環境和實際應用中的要求決定了節點電源大多數情況下不可能接入正常的電力系統供電。通常狀況下，無線傳感網絡節點用的是一次性電池，每隔幾周就要更換。并且節點被布置在惡劣及復雜的環境中，進一步增加了更換電池的成本。許多專家學者針對這一問題想到從節點所處的環境中采集能量并進行有效的存儲，使節點具有能量補充能力從而有效地延長節點的生存周期。目前許多公司都用太陽能為無線傳感網絡節點供電，但是當遇到晚上、陰天以及雨天是太陽能無法為無線傳感網絡節點供電。為了解決這個問題本文設計了一種在各種天氣狀況下都能穩定、有效的無線傳感網絡節點智能太陽能供電系統。

1 智能供電系統結構

無線傳感網絡節點智能太陽能供電系統結構圖如圖1，其特征在于包括：太陽能電池板、迷你USB接口、鋰電池、MPPT模型、RS觸發器1、電壓比較器1、電壓比較器2、RS觸發器2、充電模型CN3063芯片、過電壓保護電路、DC/DC升壓電路、USB 接口，其中太陽能電池板與MPPT模型相連接，電壓比較器（2）驅動電力開關（2）連接向 B 端口，不與太陽能分支相連，與鋰電池分支相連為無線傳感網絡節點供電，鋰電池與過電壓電流保護電路相連，避免鋰電池過度放電，過電壓電流保護電路與DC/DC升壓電路提高鋰電池的額定電壓，滿足無線傳感網絡所需電壓[2]，迷你USB和MPPT模型通過電力開關（1）與充電模型CN3063 芯片相連，其中過電壓保護電路為當鋰電池輸出電壓、電流超過一定值時，鋰電池停止為無線傳感網絡節點供電。太陽能電池板其特征在于：通過太陽能電池板將太陽光轉化為電能為無線傳感網絡節點供電。太陽能電池板的作用為：通過太陽能電池板將太陽光轉化為電能為無線傳感網絡節點供電。迷你USB接口是個備用接口，必要時為鋰電池充電。鋰電池的作用為：當天氣處于多云、雨天時，太陽光不能給無線傳感網絡節點供電時，鋰電池為其供電。

MPPT模型其特征在于：當天氣狀況良好，采用太陽能電池板供電時，MPPT可以確保太陽能電池板以最大功率點運行。

2 智能供電系統具體實施方式

天氣正常情況下，太陽能光照強度強，太陽能電池板1經過MPPT模型2可以輸出最大功率滿足負荷需要，當天氣狀況不正常，太陽能電池板1輸出功率不能滿足負荷需要，電壓比較器（2）7驅動電力開關（2）連接向B端口，不與太陽能分支相連，與鋰電池分支相連為無線傳感網絡節點供電，在鋰電池3后面放置一個過電壓電流保護電路10，避免鋰電池3過度放電，接下來一個DC/DC升壓電路11提高鋰電池3的額定電壓，滿足無線傳感網絡所需電壓，電力開關（1）是一個單級投擲開關，用來控制鋰電池3的充電狀態，默認狀態下是斷開的，意味著電池是不充電的，當電池電壓不能滿足規定電壓時，電壓比較器（1）6觸發電力開關（1）閉合，且太陽能電池能滿足負載供電時，此時鋰電池立刻充電，很快在幾秒之內充電開始，電池電壓迅速上升，改變電壓比較器（1）的狀態[3]，RS觸發器（1）5，可以保持鋰電池充電狀態，RS觸發器（2）8與RS觸發器（1）5作用相同，控制充電電流為CN3063芯片9，當充電結束，CN3063芯片9變化到最低水平，關掉電力開關（1），不連接充電電路，開關狀態通過RS觸發器（2）8保持。

3 結論

本文設計的無線傳感網節點智能太陽能供電系統中的最大功率跟蹤（MPPT）電路能夠充分利用太陽能，很大程度上提高了系統的可靠性，有效保障了無線傳感網絡節點供電系統在復雜天氣情況下能保持穩定供電。鋰電池能夠在天氣處于多云、雨天，太陽光不能給無線傳感網絡節點供電時，為其供電，保障了無線傳感網絡供電系統的可靠性與穩定性。

【參考文獻】

[1]吳理博，趙爭鳴，等.用于太陽能系統的智能控制器[J].清華大學學報（自然科學版），2003.

[2]王高歌.關于儲能太陽能光伏光伏充電電池電路的分析與設計[J].太陽能學報，2009.

[3]趙異波，何湘寧.新型高頻開關充電電源研究[J].電源技術應用，2002（7）：25-27.

[責任編輯：田吉捷]