室外传感器网络节点的微太阳能电源系统电池驱动设计-solarbe文库

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2011年第 30卷第 1期传感器与微系统 T ransducerandM icrosystem Technologies室外传感器网络节点的微太阳能电源系统电池驱动设计李珂 , 马骋 , 熊剑平 , 贾惠波清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 , 北京 100084摘要开发了一种新型用于室外传感器网络节点的微太阳能系统。在系统中 , 太阳能电池板将太阳能转换为电能 , 并存储于新型低自放电率的镍氢 AAA 电池中。为进一步延长电池的使用寿命 , 系统设计过程中采用了电池驱动的设计方法。超过 4周的测试结果表明本设计具有高可靠 , 低成本和高可行性等优势。关键词无线传感器网络 ; 微太阳能电源系统 ; 电池驱动设计中图分类号 TK 212 文献标识码 A 文章编号 1000 9787 201101 0097 03Design of a battery driven m icro solar power system for outdoorsensor networks nodesLI Ke, MA Cheng, X IONG Jian ping, JIA H u i bo State K ey L aboratory of Prec isionM easurement Techno logy and Instrum ents,T singhua U n iversity, B eijing 100084, Ch inaAbstract A novelm icro solar power system s for outdoor sensor nodes is developed. In th is system, a solar cellconverts the sunlight into electrical energypower wh ich is stored into a new typeof battery pack consisting of lowself dischargerate N Mi H AAA size batteries. In order to get an extra improvem ent of battery life, battery dr ivendesign technologies are used in the design processof the system. The results of field test lastingm ore than4 weeksshowthat th is new system has advantage of reliabitity, low cost and easyto im plem ent.K ey word s w ireless sensornetw orksWSNs; m icro solar pow er system; battery driven design0 引言长期自主地监测野外环境 , 如 , 对气温、土壤湿度等是无线传感器网络 w ireless sensornetw orks, WSNs的一个重要应用领域。在这类应用中 , 大量传感器节点被部署于广阔的目标地区 , 监测时间往往长达数月甚至数年。传感器节点一般由电池供电 , 电池能源的耗尽即代表该节点的死亡。为延长节点的使用寿命 , 多种降低功耗的方法已经被提出 , 如 , 数据压缩技术和低功耗路由技术等 , 但任何降低功耗的方法都不能彻底解决节点寿命有限的问题。可再生能源的利用 , 如 , 太阳能、振动、潮汐、和风能等的利用 , 被认为是解决上述问题的可行方案。对于室外系统 , 太阳能具有技术相对成熟 , 能量密度较大等优势 , 被认为是为节点提供额外能源的可行方法 [ 1, 2] 。同时大部分地区一天都会有数小时的日照时间 , 而其他能源 , 如潮汐等 ,对使用地点有苛刻的要求。一个典型的微太阳能系统由太阳能电池 , 充电电池和收稿日期 2010 05 18电源管理电路构成。充电电池有其自身的寿命 , 电池失效后 , 节点将随之死亡。因此 , 设计微太阳能系统的主要考虑因素之一是如何提高充电电池的寿命。研究表明充电电池的寿命受多种因素影响 , 尤其是电池充放电的使用方法。电池驱动系统设计是指在系统设计过程中充分考虑电池及其特点的设计方法 , 被认为是在传统低功耗设计方法上进一步延长电池寿命的方法 [ 3]。基于电池驱动设计技术 , 本文设计了一种新型用于室外传感器网络的微太阳能系统。持续 4周的测试结果表明该系统具有高可靠 , 低成本和高可行性等优势。1 微太阳能电源系统结构微太阳能电源系统的基本结构如图 1所示。在此系统中 , 太阳能电池将太阳能转换为电能 , 并经过输入稳压器存储于能量存储单元。输出稳压器将能量存储单元的输出电压进行转换 , 为负载提供稳定的电源。2 负载描述微太阳能电源系统的负载 , 即无线传感器网络中的传97传感器与微系统第 30卷图 1 微型太阳能能源系统典型结构F ig 1 A typ ical structure of m icro so lar power system s感器节点 , 主要由传感单元、数据处理单元、通信单元和能量供应单元等功能模块组成 [4] 。众多传感器节点平台均采用单片机做为数据处理单元 , 单一的射频芯片做为通信单元。除长寿命外 , 野外环境量监测 , 一般同时还要求节点具有较长的通信距离。因此 , 本微太阳能电源系统设计中的选择 Xbee PRO模块做为设计负载。为得到较长的通信距离大于 1 000m , X bee PRO模块在射频芯片外额外添加了低噪声放大器和射频功率放大器等器件 , 大大增加的模块的整体功耗。为 Xbee PRO模块在每 10m in采样一次的工作模式下提供充足而可靠的电能是本微太阳能系统的设计要求。测试结果表明在 3. 3V 供电状态下 , X bee PRO模块工作状态功耗约为 95mW, 休眠状态为 0. 18mW。按每 10m in工作 1. 5 s计算 , 一个原型机日均消耗能量 P n 约为 10mWh。3 微太阳能系统元器件选择与设计3. 1 能量存储单元选择选择何种能量存储单元有众多考虑因素 , 如 , 能量密度、使用寿命、充电方式及效率、安全性、体积、环境影响和价格等。铅锌电池能量密度不高且对环境有害 ; 锂电池能量密度高 , 充电效率高且自放电率低 , 但其充电方式复杂而且安全性要求较高 , 不适宜于室外长期使用 ; 超级电容器可以做为充电电池的替代品 , 其具有寿命长 , 充电效率高等优势 , 但其能量密度非常低 , 且自放电率非常高。镍氢充电电池 N Mi H 因其具有安全可靠 , 充电方式相对简单和能量密度较高等优势 , 成为首选。同时 , 普通的镍氢电池具有 2个显著的缺点高达每月 30 的自放电率和只有 66 左右的低充电效率。三洋 Sanyo公司最新的爱乐普 eneloop镍氢电池采用先进的电池制造技术 , 将自放电率降为每 3个月低于10 , 使得镍氢电池在本系统中更为理想。 66 充电效率指每三份能源中 , 镍氢电池只能存储约两份 , 另外一份以热量的方式散失。这就要求系统设计时适度加大太阳能电池板的输出能量。3. 2 电池容量与太阳能电池的选择为提高系统的可靠性 , 可认为能量存储单元在不充电状态下可以为节点提供 30 d的电能即满足本设计的需求。两节 AAA 爱乐普镍氢电池的容量充满点情况下可以提供 1920mWh电能。也就是说 , 即使在每 3 个月自放电10的情况下 , 两节电池依然可以满足节点超过 4个月的能量需求。对于太阳能电池的选择 , 为防止阴雨天等连续恶劣天气 , 可认为太阳能电池每天产生的能量需要满足节点 10 d的需求。同时 , 为了便于充电 , 太阳能电池的工作电压应该稍稍高于电池组的工作电压。镍氢电池的充电效率只有 66 , 充电电路也有其效率并消耗部分能量 , 因此 , 引入充电参数 s, 即太阳能电池输出能量存储于镍氢电池的百分比。在我们的设计中 , 此参数为 50。太阳能电池板并不是一个线性能量输出系统 , 加入负载后 , 太阳能电池板一般不会刚好工作在其最大功率输出的状态 , 因此 , 引入功率损失参数 s, 本设计中为 70 。综合上述考虑因素 , 每天系统的输入能量 Pd 应该为P d Png s 10mWh50 70 28. 6mWh . 1为了提供 10 d的电量 , 太阳能电池每天需产生 10倍于P d 的能量 , 即 286mWh 。在一天工作 5 h的假设下 , 太阳能电池的输出功率应该为 57. 2mW。基于上述考虑 , 太阳能电池选择小型单晶硅电池 , 尺寸为 40mm 26mm 2. 8mm,开路电压为 4. 4V, 短路电流为21. 6mA, 工作输出功率峰值为 77. 6mW。3. 3 电池驱动的管理策略与电路设计电池管理策略与电路设计主要考虑的因素就是电池的寿命问题。在实现电池驱动设计过程中 , 首先考虑何种因素会影响电池的寿命。3. 3. 1 影响电池寿命的主要因素电池生产厂家往往提供循环寿命做为电池寿命的指标参数。其定义为在电池容量降为原标定容量的 80 时 , 电池循环充电放电的次数 [ 5] 。例如三洋声称爱乐普镍氢电池的循环次数为 1 000次。但是 , 循环充放放电次数是在标准测试条件下获得的 ,并没有考虑外界环境因素的影响 , 其中最重要的是温度 , 充放电电流 , 过充 /过放使用 , 电池的电量状态和放电深度 depth of d ischarge, DOD [5 8] 。在室外传感器网络微太阳能系统中 , 环境温度和充放电电流并不是主要考虑的因素。1过充 /过放电在传感器网络应用中 , 充电电流和放电电流都相对较小。小电流的过充 /过放不会导致电池的过早失效 , 但会大大缩短其寿命。测试表明对镍氢电池持续过度放电0. 2 V,可导致循环寿命损失 40 。98第 1期李珂 , 等室外传感器网络节点的微太阳能电源系统电池驱动设计如上文所述 , 两节充满电的电池可以提供一个节点4个月的能量。因此 , 只要把电池充电到一个相对高的水平 , 天气状态良好时 , 电池电量将迅速得到补充 , 过度放电将是非常不可能的事件。电路设计中应着重避免过度充电的发生。2电池的电量状态摩托罗拉公司能源系统组测试实验室的 Ed Decker和CindyM illsaps指出 , 充电状态对充电电池的寿命有较大影响 , 充电电池不应该贮存于完全充电的状态下 [8] 。3放电深度放电深度是指每次充放电过程中 , 充电或者是放电的电量占总电池容量的百分比 , 也就是说一个完全充电的电池 DOD为 0 , 1个完全放电的电池的 DOD 为 100。实验表明电池充放电次数随每次 DOD 的减少而呈指数增加 [ 5, 8] , 图 2显示了这一趋势。在这个例子中 , 如果每次充放电的 DOD为 5 , 电池可以使用 15 000周期 ; 如果 DOD为 10 , 则有 7 000 个周期 ; 如果 DOD 为 100 , 只有500个周期。图 2 电池放电深度与其充放电周期寿命的关系F ig 2 R ela tionship between DOD and cycl e life本文设计目标是延长电池的使用寿命 , 即在电池失效前 , 让电池存储尽量多的能量。电池的总能量可以由每次充放电的 DOD 和循环周期的乘积计算。在上述例子中 , 假设电池的容量为 C, 那么 , 以每次 5 的 DOD 使用 , 电池总能量为 750C 5 C 15 000周期 , 在 DOD 为 10 和100的状态下 , 电池总能量分别为 700C 和 500C。基于这个原因 , 这里决定在每个周期中降低 DOD 的水平 , 从而达到提高电池的总能量的目的。3. 3. 2 电池管理策略考虑到上述各种因素 , 决定将电池充电到一个比较高的水平 , 如 80或 90 的充电状态 state of charg, SOC,每个放电充电循环中 , 使用小量的充放电 , 以减少与时间有关的容量损失。在这一策略中 , 只要电池组的 SOC小于特定的较高水平 , 并且阳光充足就进行充电。在每一个放电充电循环中 , DOD将很小 , 这增加了电池组在寿命内的总能量输出。3. 3. 3 电池管理电气设计上述电池管理策略实施的最大挑战是精确测量镍氢电的 SOC是非常困难的 , 而且非常昂贵。电池的输出电压可以反映电池的 SOC 水平。这种方法不是很准确 , 因为该电池的电压受放电电流和温度影响。但选择这个方法的原因是 1电压控制是相对简单和可靠的设计方法 ; 2 并不需要准确的 SOC设计的电路 7095的 SOC水平都可以达到设计目的。测量了两节三洋镍氢 AAA 电池串联在 21 室内以50mA小电流放电的放电曲线 , 结果如图 3所示。图 3 两节三洋镍氢 AAA 电池串联以 50mA 电流放电的放电曲线F ig 3 D ischarge curve of two Sanyo N Mi H ba tteri es inseries at discharge current of 50 mA如图所示 , 电池组的放电曲线在大部分 SOC时处在2. 60V左右的水平。当电池组 SOC为 95 85 时 , 其电压曲线波形是陡峭的并介于 2. 7 2. 8V 之间。因此 , 决定设计的充电电路中 , 充电电池的电压上限为 2. 75V, 因为 1保证在电池 SOC的管理策略在较高水平 90 左右 ,避免过充或完全充电 ; 2在此值附近陡峭的曲线为电压的测量带来了便利 , 同时减小温度与放电电流不同对管理策略的影响。图 4是所设计的电池管理电路框图。图 4 电池管理电路框图Fig 4 B lock diagram of battery managem ent circuit充电过程应独立于节点 , 不需要节点处理单元的管理 ,因为大部分时间节点将处于休眠状态。图 4 中 , 分压器将 3. 3 V 的稳压器输出电压降至2. 75V。比较器比较此值于电池组的电压值。比较器由电池组供电 , 这未在图 4中标出。当阳光充足并且电池的电压低于 2. 75 V 时 , 比较器打开负载开关 , 对电池组充电。否则 , 当电池的电压等于或大于 2. 75V 时 , 负载开关关闭 ,阻止充电过程。二极管用来阻止电流由电池流入太阳能电池板。4 测试结果根据上述设计原理制作了原型样机 , 并置于室外 , 以每下转第 103页 99第 1期吕云峰 , 等一种用于水质监测的 WSNs节点的设计与实现由表 1可以看出本文设计的无线传感器节点在空旷的环境下的有效传输距离可以达到 80 100m, 如果测量距离超出整个距离 , 可以在 2个节点间加入路由节点。表 1 点对点有效传输距离测试数据Tab 1 Tes ting data of effecti ve transm ission d istance ofpo int to po int测试环境测试距离 m 发射功率 dBm数据包长度 b it发送包个数丢包率学校操场天气晴朗 10204060801001200000000505050505050501 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0000. 00. 00. 20. 40. 920. 364. 25 结论本文设计的无线传感器网络节点是在 Z ig Bee技术基础上 , 采用了高集成射频芯片 CC2430为核心 , 通过模块化设计的多个节点构建成一个水质自动监测系统。节点具有体积小、集成度高、低功耗等特点。本节点设计灵活 , 在一定范围内可以随意增加传感器数量而不用改变总体硬件结构 , 能满足对某一宽广水域如 , 河流的河段、湖泊、水库、海水养殖水域等的水质进行在线实时监测的要求。参考文献 [ 1] Octav ian A P, PedroM B, S ilva G J, et a.l Self organizing m apsapplication in a remotew ater qualitym onitoring system [ J]. 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