无线传感器网络节点太阳能供电系统设计

无线传感器网络节点太阳能供电系统设计

关键词：太阳能；锂电池；充电管理芯片

时间：2012-05-18 13:59:14 来源：单片机与嵌入式系统

作者：王小强，欧阳骏，纪爱国

引言

电源是嵌入式系统的重要组成部分，特别是对于野外布置的无线传感器网络节点来说，供电线路的铺设难度较大，采用电池供电时需要定期更换电池，在一定程度上增加了系统维护的成本。太阳能供电系统不仅解决了野外长时间无人监护的网络节点的供电问题，而且还具有供电持久、环保节能和便于维护等优点，具有良好的应用前景。

太阳能供电系统设计的关键问题是通过太阳能电池板对锂电池进行充电，同时需要实时检测充电电压和充电电流，避免因过充而导致锂电池永久性损坏；此外还需要设计锂电池放电保护电路，对放电电压进行实时监测，防止过放电导致锂电池损坏。

1 太阳能供电系统简介

太阳能供电系统主要由太阳能电池板、可充电锂电池、充电控制器和放电保护电路组成。由于太阳能电池板的输出电压不稳定，传统的太阳能供电系统往往因为锂电池充放电管理不合理，导致锂电池使用寿命大大缩短。本文提出了一种基于太阳能的ZigBee无线传感器网络节点供电系统设计。该系统能够自动管理锂电池的充电过程并进行有效的能量储存，通过对电池电压的监测避免锂电池过度放电，以达到延长锂电池寿命的目的。此外由于ZigBee 无线传感器网络节点所需电压为3．3 V，而锂电池的工作电压一般在3．6～4．2 V(正常放电电压为3．7 V，充满电时的电压为4．2 V)，所以需要DC-DC转换芯片产生所需要的工作电压。

对于ZigBee无线传感器网络节点而言，首先要考虑的是低功耗。这里选用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007协议的SoC芯片CC2530，其工作电压是3．3 V。综合考虑上述因素，提出如图1所示的太阳能供电系统总体示意图。

该系统中，太阳能电池板产生的能量通过充电管理电路被存储在锂电池中，同时对锂电池提供充电保护，防止过充；由于电池放电时其端电压会逐渐降低，因此需要放电保护电路对放电电压进行监测，当电池电压下降到一定程度时切断放电电路，避免锂电池过放电。由于电源单元本身应尽可能少地消耗电池能量，必须提高电源的转换效率，因此设计了一个具有高效率的DC-DC转换电路，为节点上的负载提供稳定的电压。

2 太阳能供电系统单元电路设计

太阳能发电系统各个单元电路的设计主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式实现。系统设计的思路是：首先估算系统总功耗，然后选择合适的锂电池，进而根据锂电池的容量来选择所需的太阳能电池板；根据太阳能电池板和锂电池的充电电压、充电电流等参数，可以选择合适的充电管理IC来设计充电控制电路；最后根据锂电池输出电压和ZigBee无线传感器网络节点所需的工作电压来设计合适的DC-DC变换电路。

2．1 锂电池的选取

ZigBee无线传感器网络节点在数据发送期间所需的峰值电流为29 mA，在数据接收期间所需的峰值电流为24 mA。通常情况下，每个ZigB ee无线传感器网络节点会设计几个传感器。假设各种传感器所需的工作电流为30 mA，那么数据发送期间所需要的总电流为59 mA，数据接收期间所需要的总电流为54 mA，为了讨论问题方便，总电流取60 mA，那么锂电池可以选取容量为900 mAh。表面上看，900 mAh的锂电池可以供该节点连续工作时间为：900 mAh／60 mA=15小时。

但是实际系统中，ZigBee无线传感器网络节点对数据的采集一般是定时采集，例如采集温度数据，由于温度变化减慢，所以可以定时采集，在此节点每小时工作50 s，其他时间都在休眠(休眠时工作电流在μA级，所以可以忽略不计)。

那么实际情况是：系统采用容量为900 mAh的锂电池供电，节点工作电流为60 mA，每小时工作50 s，可以计算出容量为900 mAh的锂电池可供节点工作时间为：1080小时=45天，即一个半月的时间。

当然上述讨论也是一种典型情况，如果系统需要每小时使节点工作时间大于50 s，则每节锂电池可以供节点工作的时间可能会缩短，这需要看具体的系统要求，但是一般情况下，选择锂电池时只需要能保证系统在充满电后可以连续工作15～20天就可以满足系统要求。这主要是考虑到我国部分南方地区在雨季可能连续半个月的时间不出太阳，这时就需要考虑

适当选取容量大一点的锂电池。

本设计所选用的是容量为900 mAh的锂电池，市场价在15～30元左右，该电池正常放电电压为3.7 V，充满电后电压为4.2 V，一般正常丁作电压为3.6～4.2 V。

2．2 太阳能板的选取

选取太阳能电池板时主要考虑太阳能板的最大输出电压和输出电流。一般给锂电池充电的电压要大于4．2 V，太阳能板的输出电流决定了充电时间。常用的太阳能板主要有单晶和多晶电池板两种，单晶板和多晶板的区别在于最高效率的单晶电池片比最高效率的多晶电池片效率高约1％。由于单晶的有刀角而并非完整的正方角，在使用中远远低于多晶，而且市场数量明显少于多晶。同功率的单晶电池板价格要比同功率的多晶板高些。

本文采用的是输出电压为5．5 V，输出电流为140～150 mA的单晶太阳能电池板，尺寸为95 mm×95 mm；主要是考虑到野外安装时，如果太阳能电池板的体积太大不容易安装。

2．3 充电管理电路设计

充电管理电路连接着太阳能电池板和锂电池，主要功能是将收集到的能量有效地存储在锂电池中，同时提供对锂电池充电过程中的过压、过流保护，防止因过充对锂电池造成的损害。上海如韵电子有限公司的CN3063芯片可以用于太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。该芯片内部的8位模拟一数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适用于太阳能电池等电流输出能力有限的靠电压源供电的锂电池充电的应用。

充电控制电路如图2所示。

当太阳能电池板输入电压大于低电压检测阈值和锂电池端电压时，CN3063开始对锂电池进行充电，引脚输出低电平时红色LED亮，表示充电正在进行；当充满电后，