太陽能供電的無線傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通訊模塊、電源模塊構(gòu)成。其中電源模塊決定著該節(jié)點(diǎn)的生命周期的長短，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(huì)增加系統(tǒng)的維護(hù)成本。太陽能供電不僅解決了野外長時(shí)間無人監(jiān)護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問題，還具有供電持久，節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)了一種高效的太陽能供電電源，用來給無線節(jié)點(diǎn)供電，以保證該系統(tǒng)能夠長時(shí)間工作，而不需要更換電池。經(jīng)過整機(jī)測(cè)試，該電源成功運(yùn)用在由Atmega16A,nRF905和SHT11組成的無線傳感系統(tǒng)中，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠正常可靠工作。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文中太陽能供電的無線傳感系統(tǒng)：由電源部分、傳感器部分、無線收發(fā)部分、處理器部分構(gòu)成。電源部分為整個(gè)系統(tǒng)供電;傳感器部分用來測(cè)量溫濕度;收發(fā)部分用來進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的收發(fā);處理器部分用來控制傳感器部分，收發(fā)部分，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。接受部分把接收到的數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)終端。系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.無線收發(fā)模塊nRF905

nRF905是挪威Nordic公司的產(chǎn)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(hào)發(fā)射模式和發(fā)射信號(hào)載波監(jiān)測(cè)功能，可有效避免數(shù)據(jù)沖突，能夠很容易地通過SPI接口進(jìn)行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10dBm時(shí)，發(fā)射電流為11mA,接收電流為12.5mA,nRF905特別突出的優(yōu)點(diǎn)是：該模塊電路設(shè)計(jì)簡單，需要的外圍器件少，不工作時(shí)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，功耗很低。

4.溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。測(cè)溫范圍：-40~123℃，精度為0.5℃，測(cè)濕范圍：0~100%RH,精度為3%RH;電流消耗極低，測(cè)量時(shí)為550μA,平均為28μA.在測(cè)量結(jié)束后，SHT11會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，以便節(jié)能，非常適合低功耗的場(chǎng)合。

5.供電部分設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換效率比較高，但是加工工藝要求高，價(jià)格也高，多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)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(tǒng)的總功耗及要持續(xù)工作的時(shí)間，nRF905以最大功率發(fā)射時(shí)的工作電流為30mA,接收時(shí)的工作電流為12.5mA;微控制器Atmega16A工作在1MHz時(shí)，正常工作的電流為1.1mA;SHT11測(cè)量溫度、濕度時(shí)消耗的電流：測(cè)量時(shí)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(jì)算出系統(tǒng)能夠連續(xù)工作的時(shí)間為：2400mAh/33mA=72小時(shí)，由于系統(tǒng)軟件設(shè)定的是系統(tǒng)每隔1小時(shí)測(cè)量一次溫度和濕度，假定測(cè)量一次系統(tǒng)工作2分鐘，則可以計(jì)算出在不給電池充電的情況下該系統(tǒng)理論上可以連續(xù)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(huì)縮短電池的使用壽命，甚至使電池報(bào)廢。

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(fù)載電路，如圖2所示。電池管理電路功能：過壓保護(hù)，欠壓保護(hù)，電池狀態(tài)良好監(jiān)測(cè)。本文采用的是美國TI公司生產(chǎn)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(chǎn)生的mW,甚至μW的電源，比如太陽能，熱能，電磁能，機(jī)械震動(dòng)能等。主要性能如下：

330nA的靜態(tài)電流;超過80%的高轉(zhuǎn)換效率;最大功率跟蹤技術(shù);電池充電和放電保護(hù);電池狀態(tài)良好指示器。該芯片特別適用在太陽能供電系統(tǒng)中。

設(shè)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(jù)BQ25504的域值設(shè)定公式可以得到R3=5.6M,R4=4.4M,R5=5.6M,R6=4.3M,R7=3.1M,R8=5.6M,R9=1.3M當(dāng)把電池充電到4.1V,接上負(fù)載電路，進(jìn)行放電試驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)BQ25504管腳VBAT的電壓為3.5V,VSTOR管腳電壓為0,即停止電池對(duì)外放電。接通電源，通過BQ25504對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，充電前VBAT為3.45V,VSTOR為3.50V,VBATOK為0,實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋰電池電壓充到3.97V時(shí)，VBAT_OK輸出由0變?yōu)?.97V,充電到4.2V時(shí)，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(dāng)達(dá)到VBAT_OV時(shí)，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(shí)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(jì)算值有著大約100mV左右的偏差。實(shí)際值和理論計(jì)算值的偏差在5%之內(nèi)，這是符合預(yù)期的。當(dāng)電池電壓VBAT小于VBAT_OK_PROG時(shí)，此時(shí)VBAT_OK輸出低電平0,NMOS管截止，PMOS管也截止，停止對(duì)負(fù)載供電，當(dāng)鋰電池電壓從VBAT_OK_PROG逐漸上升到3.60V時(shí)，VBAT_OK輸出高電平，此時(shí)NMOS管導(dǎo)通，PMOS管的柵極為低電平，PMOS管也導(dǎo)通，可以對(duì)負(fù)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(tǒng)放到室外進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)行2個(gè)月沒有問題，在晴天經(jīng)過8個(gè)小時(shí)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(shí)為3.75V.至今該系統(tǒng)仍在正常工作。

6.結(jié)束語

該系統(tǒng)所測(cè)室外溫濕度值與溫濕度計(jì)相比，溫度平均有0 . 5℃的偏差，濕度有5%RH偏差，測(cè)量精度達(dá)到了一般應(yīng)用要求，由于能源來自太陽能，該系統(tǒng)能夠長久使用。如果在陰雨天較多的地區(qū)使用，可以采用更大容量的鋰電池或者用多個(gè)電池輪流供電。