无线传感器网络节点太阳能供电系统设计(20180724111033)-solarbe文库

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５６Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍｓ２０１２年第３期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ无线传感器网络节点太阳能供电系统设计王小强，欧阳骏，纪爱国（电子科技大学电子工程学院，成都６１１７３１）摘要ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点太阳能供电系统由太阳能电池板、充电控制电路和锂电池组成，采集光能并将其转换为电能存储在锂电池中。通过锂电池充电管理芯片ＣＮ３０６３组成充电控制电路对锂电池进行充电管理。利用超低功耗锂电池电压检测芯片ＣＮ３０１组成放电保护电路，最大限度地延长锂电池的寿命。由于电源能量来自太阳能，因此非常适合野外布置的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络数据采集节点使用。关键词太阳能；锂电池；充电管理芯片中图分类号ＴＰ２１２文献标识码ＡＤｅｓｉｇｎｏｆＳｏｌａｒ－ｐｏｗｅｒｅｄＺｉｇＢｅｅＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋＮｏｄｅＷａｎｇＸｉａｏｑｉａｎｇ，ＯｕＹａｎｇｊｕｎ，ＪｉＡｉｇｕｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１１７３１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｎｏｄｅｓｏｌａｒ－ｐｏｗｅｒｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｓｏｌａｒｐａｎｅｌｓ，ｃｈａｒｇｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｌｉｔｈｉｕｍｂａｔ－ｔｅｒｙｔｏｃｏｌｌｅｃｔｌｉｇｈｔｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄｃｏｎｖｅｒｔｉｔｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄｔｈｅｎｓｔｏｒｅｉｎｌｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒｉｅｓ．ＬｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒｙｃｈａｒｇｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｈｉｐＣＮ３０６３ｍａｋｅｓｕｐｔｈｅｃｈａｒｇｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｍａｎａｇｅｓｔｈｅｃｈａｒｇｅｓｏｆｌｉｔｈｉｕｍ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｕｓｅｓｕｌｔｒａｌｏｗ－ｐｏｗｅｒｌｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒｙｖｏｌｔａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｈｉｐＣＮ３０１ｔｏｃｏｍｐｏｓｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｍａｘｉｍａｌｌｙｅｘｔｅｎｄｓｔｈｅｌｉｆｅｏｆｌｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒｙ．Ａｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｍｅｓｆｒｏｍｓｏｌａｒｐｏｗｅｒ，ｉｔｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｆｉｅｌｄｒｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｏｌａｒ；ｌｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒｙ；ｃｈａｒｇｅｃｏｎｔｒｏｌＩＣ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３．３Ｖ，而锂电池的工作电压一般在３．６～４．２Ｖ（正常放电电压为３．７Ｖ，充满电时的电压为４．２Ｖ），所以需要ＤＣ－ＤＣ转换芯片产生所需要的工作电压［１］。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３．３Ｖ。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。图１太阳能供电系统总体示意图ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ（投稿专用）２０１２年第３期图２充电控制电路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，ＣＨＲＧ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，ＤＯＮＥ引脚输出低电平时绿色ＬＥＤ亮，表示充电完毕［３］。最大充电电流由ＩＳＥＴ引脚的外接电阻决定，考虑到系统扩展需要，在本设计中，外接电阻Ｒ１取值为３．６ｋ Ω ，５８Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍｓ２０１２年第３期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ则充电电流为ＩＣＨ＝１８００Ｒ１＝１８００Ａ３６００ Ω ＝５００ｍＡ这里需要注意一点，虽然最大充电电流设为５００ｍＡ，但是当使用单片太阳能板时，最大输出电流为１５０ｍＡ，此时ＣＮ３０６３芯片会自动调整最大允许充电电流为１５０ｍＡ，这就是 “ 输入限流模式 ” 。在此模式下用户只需要关注系统最大充电电流即可，所以该芯片非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源对锂电池进行充电的应用。这里设计的最大充电电流为５００ｍＡ，主要是考虑到系统升级需要，比如某些场合下可以使用两块太阳能板并联，则最大充电电流可以达到３００ｍＡ，此时系统硬件不需要改动。锂电池充电过程示意图如图３所示［４］。图３锂电池充电过充示意图锂电池充电过程分析。当ＦＢ端检测到锂电池端电压低于３Ｖ时，进行预充电，此时充电电流为最大充电电流的１０％；当ＦＢ端检测到锂电池端电压大于３Ｖ时，调整为恒流充电模式，同时自动检测锂电池端电压。当锂电池端电压达到４．２Ｖ时，自动调整充电模式为恒压充电模式，此时用小电流对锂电池充电，主要是为了防止 “ 虚充 ” ，当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束。从整个充电过程分析可以看到，ＣＮ３０６３芯片可以自动检测充电电压，进而实现自动调节充电模式，使得充电效率较高。因此，使用该芯片设计锂电池充电电路较为简单，利于推广应用。２．４放电保护电路和系统供电电路设计传统的放电保护电路是使用一路ＡＤＣ来不断检测电池电压，当电池电压降低到一定程度时切断放电电路。这在理论上是很容易实现的，但是在ＺｉｇＢｅｅ网络节点中，系统软件设计时需要定时查询该路ＡＤＣ的数值，这在一定程度上也增加了系统的功耗。在此提出了一种使用电池端电压检测芯片ＣＮ３０１组成的锂电池电压检测电路，无需系统软件支持，完全使用硬件电路来检测电池端电压，当达到过度放电阈值时，自动切断系统放电电路。放电保护电路如图４所示。图４放电保护电路该电路工作原理分析当电池端电压下降到过度放电低电压检测阈值时，ＬＢＯ引脚输出低电平，ＮＭＯＳ管截止，ＰＭＯＳ管栅极为高电平，ＰＭＯＳ管截止，放电回路被切断，起到了保护锂电池过度放电的作用；当太阳能板自动对锂电池充电，充电电压达到高电压检测阈值时，ＬＢＯ输出高电平，ＮＭＯＳ管导通，ＰＭＯＳ管栅极为低电平，ＰＭＯＳ管导通，放电回路重新被打开，如果ＺｉｇＢｅｅ节点软件设计时配置为上电后自动加入网络并进行数据采集，那么该节点将会自动加入到原来的网络中。锂电池过度放电低电压检测阈值计算公式如下ＶＢＡＴ＝Ｒ１＋Ｒ２Ｒ２Ｖｒｔｈ＋ＩＬＢＩＲ１其中，Ｖｒｔｈ为该芯片设定的阈值，大小为１．１３５Ｖ；ＩＬＢＩ为引脚偏置电流范围为－１００～１００ｎＡ，一般取０即可。因为该芯片工作电流在１．８ μ Ａ，所以对于电阻Ｒ１和Ｒ２的选型需要注意，应当选择阻值大一些的电阻。笔者选用Ｒ１为２Ｍ Ω ，Ｒ２为１Ｍ Ω ，这样流过电阻的电流在μ Ａ级，功耗很低。由于锂电池电压范围为３．６～４．２Ｖ，ＺｉｇＢｅｅ网络节点的工作电压为３．３Ｖ，所以需要根据输入／输出的电压差来选择适当的ＬＤＯ芯片，同时还需要考虑ＬＤＯ的静态电流和效率。笔者采用ＲＴ９１８３－３３ＰＧ芯片实现电压转换，该芯片在输出３．３Ｖ时，所需要的压差为１１０ｍＶ，静态电流为３８０ μ Ａ。３ＰＣＢ布局注意事项在具体的ＰＣＢ布局时需要注意以下问题 ① ＣＮ３０６３的ＩＳＥＴ引脚外接电阻Ｒ１（充电电流编程），应尽可能靠地近ＣＮ３０６３。② ＣＮ３０６３的ＶＩＮ、ＢＡＴ引脚的外接电容要尽可能地靠近ＣＮ３０６３。③ 为了使系统能够达到设定的最大充电电流，需要将ＣＮ３０６３背面裸露的金属板焊接到ＰＣＢ板的地端，以达到最大的散热效果；否则，在充电过程中，ＣＮ３０６３芯片的热阻将增大，这将导致充电电流减小。一般采取６１ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ（投稿专用）２０１２年第３期地址寄存器初始值设置值０ｘ７０ＲＸＤＣＭＤ０ｘ０００ｘ０Ｅ０ｘ４ＡＲＸＭＯＤ０ｘ０００ｘ２００ｘ４４Ｉ２ＳＣＮＦ＿ＯＵＴ０ｘ０００ｘ０００ｘ３６ＬＮＫＭＯＤ０ｘ０００ｘ０８０ｘ３９ＡＤＤＲ００ｘ０００ｘ９８０ｘ３ＡＡＤＤＲ１０ｘ０００ｘ３８０ｘ３ＢＡＤＤＲ２０ｘ０００ｘＡ２０ｘ３ＣＡＤＤＲ３０ｘ０００ｘ３４０ｘ３ＤＡＤＤＲ４０ｘ０００ｘ８５为了实现满意的音频质量，采用ＱｏＳ机制。自适应跳频是集成的一部分。自适应跳频算法所使用的频率由３８个频率寄存器所指定。发送端和接收端所使用的工作频率根据时间和空中出现的噪声而进行改变。跳频序列也由连续寄存器ＣＨ０～ＣＨ３７指定。因此在初始化配置时，发送端和接收端设置同一基本跳频序列，这样也可以使建链时间最短。接收端收到数字音频无线信号后，可分别通过Ｓ／ＰＤＩＦ或Ｉ２Ｓ接口输出音频信号。本文采用Ｉ２Ｓ接口输出，并选用ＷＭ８７１１ＢＬ的ＤＡＣ芯片进行数模转换，输出模拟音频并用耳机接收。ＷＭ８７１１ＢＬ芯片具有Ｉ２Ｃ总线接口，采用ＰＩＣ１８系列单片机对其相应的寄存器地址进行初始化配置。ＷＭ８７１１ＢＬ初始化配置如表３所列。ＤＡＣ芯片将数字音频转变为左右声道的模拟音频，实现相应的模拟接收。此时输出的音量为固定值，为了控表３ＷＭ８７１１ＢＬ初始化配置地址设置值功能描述０ｘ０Ｅ０ｘ１２Ｉ２Ｓ格式，输入音频数据长度１６位０ｘ１００ｘ２０正常模式，采样率４４．１ｋＨｚ０ｘ１２０ｘ０１激活数字接口０ｘ０５０ｘＥ０音量为－７３～＋６ｄＢ０ｘ０８０ｘ１０选中ＤＡＣ芯片０ｘ０Ｃ０ｘ６７掉电模式选择０ｘ０Ａ０ｘ００关闭软件静音制音量的增减，设置两个开关按键，通过ＰＩＣ１８系列单片机ＰＤ０和ＰＤ１口进行控制。为了能够节省电量的损耗，平时让射频芯片处于掉电模式，通过中断唤醒或定时器唤醒功能使其恢复工作状态。结语本文介绍了如何将机顶盒音频信号通过ｎＲＦ２４Ｚ１射频芯片实现数字音频无线传输。采用ＰＩＣ１８系统单片机进行配置，处理速度快。整个系统传输速率高、体积小、携带方便，且通信距离远，可广泛用于无线耳机、无线音响等产品中。参考文献［１］孙芳．采用ＦＥＣ技术的无线数字音频传输平台的设计与实现［Ｄ］．成都电子科技大学，２００７１９－２０．［２］ＮＯＲＤＩＣＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．Ｎｏｒｄｉｃ２．４ＧＨｚｗｉｒｅｌｅｓｓａｕｄｉｏｓｔｒｅａｍｅｒｎＲＦ２４ｚ１［ＥＢ／ＯＬ］．（２００７－１２－０３）［２０１１－１０］．ｈｔ－ｔｐ／／ｗｗｗ．ｎｏｒｄｉｃｓｅｍｉ．ｎｏ．［３］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ＰＩＣ１８Ｆ２３Ｋ２０／２４Ｋ２０／２５Ｋ２０／２６Ｋ２０／４３Ｋ２０／４４Ｋ２０／４５Ｋ２０／４６Ｋ２０ＤａｔａＳｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１－１０］．ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ｃｏｍ．［４］谭强．Ｎｏｒｄｉｃ中短距离无线应用入门与实践［Ｍ］．北京北京航空航天大学出版社，２００９．（责任编辑杨迪娜收稿日期２０１１－１０－１４）５８的措施是ＰＣＢ顶面放置焊盘，接到ＣＮ３０６３的裸露的铜面上，为了便于焊接，可以放置４个小焊盘，４个小焊盘的面积要略小于ＣＮ３０６３底部裸露铜片的面积，这样既有利于焊接，又有利于芯片的散热。结语电源的设计优劣关乎系统设计的成败，本文以ＺｉｇＢｅｅ网络节点太阳能供电系统为例进行了讲解，通过充电控制电路和放电保护电路来实现对锂电池充放电的保护功能，延长锂电池的使用寿命，非常适合于野外布置的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点使用，本文的分析方法也适用于其他需要太阳能供电的系统。参考文献［１］孟海滨，张红雨．嵌入式系统电源芯片选型与应用［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０１０（１２）．［２］ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＣＣ２５３０Ｄａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１０－０５］．ｈｔ－ｔｐ／／ｆｏｃｕｓ．ｔｉ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｃｎ／ｌｉｔ／ｄｓ／ｓｙｍｌｉｎｋ／ＣＣ２５３０．ｐｄｆ．［３］上海如韵电子有限公司．ＣＮ３０６３数据手册［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１－１０］．ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｕｎｉｔｅｋｃｏｍｐ．ｃｏｍ．［４］上海如韵电子有限公司．ＣＮ３０１数据手册［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１－１０］．ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｕｎｉｔｅｋｃｏｍｐ．ｃｏｍ．（责任编辑杨迪娜收稿日期２０１１－１０－２４）