一種基于無線傳感器網絡的生物信息檢測系統(tǒng)節(jié)點電源設計

摘要：針對電源系統(tǒng)需要為系統(tǒng)中微處理器、傳感器、信號調理電路、無線通訊模塊等提供工作電源的目的，提出一種生物信息檢測系統(tǒng)中無線傳感器網絡(WSN)節(jié)點的電源設計方案。除了通過內部3．7 V鋰電池，振動產生的機械能也可以用來提供能量。系統(tǒng)工作過程中能自動時供電方式進行選擇，并完成對鋰電池的充電任務。節(jié)點采用帶有8051內校的CC2430無線射頻芯片，通過有效的動態(tài)電源管理和喚醒休眠機制的軟件設計，針對生物信息檢測系統(tǒng)實現了一種低功耗的能量自供給的無線傳感器節(jié)點電源設計。
關鍵詞：無線傳感器節(jié)點；電源系統(tǒng)；動態(tài)電源管理；能量自供給

微電子技術、計算機技術和通信技術等技術的發(fā)展和進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)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，無線傳感器網絡應運而生。傳感器節(jié)點通常是微型的嵌入式系統(tǒng)，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(jié)點的電池不能夠被隨時更換，這就要求節(jié)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(jié)點本身就要具有低功耗設計技術，從而達到延長節(jié)點壽命的目的。

1 系統(tǒng)結構設計
無線傳感器網絡節(jié)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(xié)議，構成了無線傳感器網絡。文中設計的無線傳感器網絡節(jié)點采用圖1所示的系統(tǒng)結構。

節(jié)點的數據采集模塊負責監(jiān)測區(qū)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(tǒng)，需要測定溫度、濕度、振動、pH值等。作為傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)的重要組成部分之一，傳感器的功耗對系統(tǒng)的功耗也是有重要影響的。在選擇傳感器時，要優(yōu)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(tǒng)可靠的情況下降低了系統(tǒng)功耗。
數據處理模塊負責控制整個節(jié)點的數據處理操作、路由協(xié)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(jié)點的計算核心，所有的設備控制、任務調度、能量計算、功能協(xié)調、通信協(xié)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(jié)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(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)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(fā)芯片時應考慮以下幾點因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)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(fā)模塊CC2430，它具有工作電壓低、能耗低、體積小、輸出強度和收發(fā)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(fā)速率為250kbps。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(jié)能上都降低很多優(yōu)勢十分明顯。
節(jié)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(tǒng)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(jié)點小的特點。另外，結合生物信息檢測系統(tǒng)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(tài)電源管理，一方面給系統(tǒng)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(tǒng)框圖如圖2所示。

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(tǒng)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?yōu)? 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(tǒng)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，3．7V輸入電壓變?yōu)?．3V。