OFweek 太阳能光伏网提供
无线传感器网络节点太阳能电源系统设计
无线传感器网络节点太阳能电源系统设计无线传感器网络节点太阳能电源系统设计
无线传感器网络节点太阳能电源系统设计
摘要:对于无线传感器网络节点而言,电源是系统的关键部分之一。在此提出一
种收集环境中太阳能为传感器节点供能的电源系统。该系统采用了高效安全的充电控
制技术,独特的电池电压监测电路,以及低功耗的 DC-DC 转换电路。通过实验验证,
基于此太阳能电源的传感器节点功耗动态调整节性能好,生存周期显著增加。该系统
可应用于各种户外监测的节点,如环境监测,精细农业,森林防火等。
关键词:无线传感器网络;传感器节点;能量收集;太阳能;DC—DC
0 引言
无线传感器网络在环境监测、智能家居、交通运输、精细农业等领域具有广泛
的应用前景,越来越受到人们的重视。传感器节点作为无线传感器网络的重要组成单
元,通常散布于一定的区域内协作地实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信
息。传感器节点部署环境和实际应用中的要求决定了节点电源大多数情况下不可能接
入正常的电力系统供电。例如 Crossbow 公司的 MICAz 节点如果采用 3 000 mAh 的电
池设置在 1%的工作周期,那么每隔 17.35 周就需要更换一次电池。此外由于节点常
被布置在恶劣及复杂的环境中,进一步增加了更换电池的成本。如何能稳定有效地为
传感器节点提供电源保证就成为传感器节点设计的关键问题。目前针对这一问题的研
究思路主要是如何从节点所处的环境中采集能量并进行有效的存储,使节点具有能量
补充能力从而有效地延长节点的生存周期。环境中具有各种丰富的能量,如太阳能、
风能、热能、机械振动能、声能、电磁能等。目前,已有一些公司研究和开发了利用
环境能量为无线传感器网络功能的系统。例如太阳能收集模块 CBC-EVAL-08 已成功应
用在 TI 公司的超低功耗无线传感器网络节点 eZ430-RF2500-SHE 上为其提供能源。创
业公司 Perpetuum 推出 PMG7 微型振动发电机,能从一个 100 mg 振动中产生高达 5 mW
/3.3 V 的输出功率。但是,目前的能量收集都具有一些局限性,如太阳能收集模块
CBC—EVAL-08 由于光伏薄膜电池收集能量较少且缺少备份能源仅能在有阳光时工作;
利用振动能量使得节点的布置环境受限制即使在间歇性的振动环境下,系统也无法稳
定地连续工作。
通过对环境中的各种能量比较分析得出户外的传感器节点利用太阳能供能不
失为一种较好的选择。本文提出一种基于太阳能的节点电源系统设计,该系统能够自
动管理充电过程并进行有效的能量储存,通过对电池电压的监测执行节能方案,以达
到延长节点生存周期的目的。此外由于节点上各种器件所需的电压不一致,高效的
DC—DC 转换也是必不可少的一环。
1 电源系统设计
电源单元是传感器节点能源供给部分,它决定着传感器网络的寿命,因此节点
的电源设计非常重要。电源单元主要由电池、电源管理模块及外围电路构成。电源设
计首先要考虑的是低功耗。由于负载的功耗与电压的平方成正比,因此在保证系统可
靠工作时尽量选用较低的工作电压。传感器、MCU、无线射频模块等节点组成部分都