无线传感器的供电方案

程洪韦成张涛

（中国电子科技集团公司第二十七研究所450000）

摘要：在对无线传感器供电设计上，实现了其自然能量供电，探索了高效安全的充电控制方法。实验证明，这种以自然能量供电的无线传感器功耗较小，调整性能较好，生存周期较长，能适用于多种户外环境、森林防火以及精细农业等行业领域。这种无线传感器的供电设计为类似无线传感器自然能量的供电设计提供了可供参考的设计经验。

关键词：无线传感器；自然能量；供电设计

前言

无线传感器网络用于工业现场的状态信息采集时，应用对象和应用环境均发生变化。工业生产过程，除需对温度、压力等慢变量进行采集外还需对机械振动等快变量进行变送。由于在线监测时无线传感器网络节点连续工作时间长，耗电量较大，需要采用在线供电。工业环境存在大量电动设备和工具，尽管进行了相应保护，仍然对电网存在一定污染，呈现为浪涌电压和高次脉冲群等干扰。相对于线性电源，开关电源不仅效率高、体积小，而且调压范围广，抗干扰能力强，是工业环境理想的电源。然而，开关电源的工作原理决定了输出电压存在因功率器件开关动作引起的电源开关噪声，对后级电路将产生一定影响，尤其对噪声敏感的模拟量采集与无线通信模块影响显著。对低频电源噪声对微波振荡器的输出之间的关系进行了研究，而开关噪声频谱极宽，相对低频噪声来说，对通信模块的影响更加严重。目前，无线传感器网络所使用的通信芯片均针对电池供电进行设计，当电源出现一定噪声时，性能下降较多，研究噪声对无线传感器网络节点的影响，并提出一种合理的电源方案，对工业现场快信号的采集具有重要意义。

1.可充电传感器节点的供电设计

无线传感器若是仅仅使用蓄电池将受到充电次数的限制，使用超大电容的蓄电池可缓解充电次数受到限制的问题。根据自然能量向电能的转化技术，我们先进行了干电池以及充电电池的放电对比实验。分别以，1500mAh干电池和1700mAh充电电池对比两种电池都为相同的传感器节点供电，传感器节点以1min为周期，用1%的占空比让LFD灯工作，测试周期为3min。试验结果:干电池的放电特性好于充电电池的放电性能。在放电初期，干电池电压下降缓慢；在中间阶段，电压稳定，梯度几乎为零；在电量接近耗尽时，电压有大幅下降。而从放电开始，充电电池的电压就逐渐下降；在电量将近耗尽时，电压急剧下降；在充电以及放电同时进行的状况下，充电电池的电压不稳定，且具有较大的变化幅度，其特性更为复杂。由此可知，仅仅使用电池不能保证传感器节点的稳定持续供电，更难以保证传感器节点的持续稳定工作。

2无线传感器太阳能供电系统设计

传感器太阳能供电系统设计。比较干电池和充电电池的放电性能，我们在设计无线传感器自然能量的供电系统模式时，将充电电源和传感器节点之间增加了控制线路，用于能量的管理。整个供电系统由干电池、充电电池、太阳能板以及控制电路等几个部分组成，其中太阳能板是能量的来源，在对充电电池进行供电的，同时也可对传感器节点进行供电。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至关重要，主要由电池、电源管理模块及外围电路构成。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以降低功耗。传感器,MCU,无线射频模块等节点组成部分都有低工作电压选择余地，可选择自放电率低的铿电池作为充电电池，使用三段式的充电方式，也就是实现预充电、恒压充电以及恒流充电三个过程。电源和铿电池的充电控制和管理可使用Fuzzy控制模式，即在实现连续供电的基础之上，设计供电的顺序依次为太阳能板、充电电池(铿电池)和干电池。

3无线传感器自然能量供电设计实验

根据无线传感器的自然能量的供电设计方案制作了可充电传感器节点，并将新、旧版充电传感器节点的供电进行对比试验。实验的环境为室内以及阳光充足的室外，室内装有目光灯。实验的过程和阶段为2天。

在改进后的可充电传感器节点供电模式中，当时间为'129min时，显示铿电池依旧处于充电状况，并未对传感器节点进行供电，这段时间内都是由干电池进行供电。当超过129min时，铿电池进行供电，干电池停止供电。但由于充电电池的能量不足，在620min这一时间点上，充电电池停止了供电，由干电池进行供电。相对于原有的供电系统，改良后的系统具有更长的供电时间，同时又具有更为稳定的供电电压。新版无线传感器电力供应的状况显示:在小于850min时间段内，传感器的节点都通由干电池进行供电，供电电压保持在2.44V；在850min后，由充电电池进行供电，初始工作电压为2.68V，直到试验结束，其供电电压都保持在2.4V。新版供电系统的第二天试验与第一天试验相对比，系统的供电时间较长。根据试验可知，该无线传感器自然能量供电设计在室内的条件卜也能保证无线传感器节点的持续和稳定工作。

结语

分析总结了无线传感器电源供应的模式，明确了无线传感器供电设计利用自然能量进行供电的必要性。同时，通过对干电池以及充电电池充电和放电特性进行分析，构建了无线传感器自然能量供电设计的新模式，即将太阳能板、干电池以及充电电池、电能管理线路四个部分进行优化整合，构成了一个整体的、系统的无线传感器的能源供应体系。试验证明，该供电系统能够保证无线传感器的稳定以及持续工作。

参考文献

[1]基于nRF24L01的通用无线通信模块设计[J].沈勇,蒋文雄,段勇.电子设计工程.2013(18)

[2]磁耦合谐振式无线电能传输系统建模与分析[J].骆彦廷,杨拥民,陈仲生.中国集成电路.2013(08)

[3]简易无线充电器的设计[J].张洪镇,赵亚凤,郭婷婷.机电产品开发与创新.2013(04)

[4]磁耦合式无线电能传输装置的频率特性研究[J].王中钰,赵洛印,刁颖,李尚剑,李亚轩,李杰.黑龙江科技信息.2013(14)

[5]非接触供电装置研究与设计[J].赵洛印,李杰,田金艳,李盼福,王中钰.科技创新与应用.2013(12)

[6]无线输电技术发展及应用[J].张翼.江苏电机工程.2013(02)