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太阳能供电的无线传感系统的设计

2014年01月09日 17:36 次阅读

  布置在野外的无线传感网络的供电问题极大地束缚了该系统的生命周期,为了延长该系统的生命周期,该文设计了一种太阳能供电系统,介绍了该供电电路在无线传感网络中的应用,通过实验分析了该系统的工作情况,所测温度和湿度的准确度。

  1.引言

  无线传感网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用范围。传感网络的节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通讯模块、电源模块构成。其中电源模块决定着该节点的生命周期的长短,目前,一般用高性能的电池作为电源,然而电池用完需要更换,这会增加系统的维护成本。太阳能供电不仅解决了野外长时间无人监护的网络节点的供电问题,还具有供电持久,节能环保的优点,具有良好的应用前景。本文设计了一种高效的太阳能供电电源,用来给无线节点供电,以保证该系统能够长时间工作,而不需要更换电池。经过整机测试,该电源成功运用在由Atmega16A,nRF905和SHT11组成的无线传感系统中,经测试,系统能够正常可靠工作。

  2.系统硬件电路设计

  本文中太阳能供电的无线传感系统:由电源部分、传感器部分、无线收发部分、处理器部分构成。电源部分为整个系统供电;传感器部分用来测量温湿度;收发部分用来进行无线数据的收发;处理器部分用来控制传感器部分,收发部分,以及对数据进行处理。接受部分把接收到的数据传给PC机终端。系统电路的结构框图如图1所示。

  

  3.无线收发模块nRF905

  nRF905是挪威Nordic公司的产品。该芯片采用1.9~3.6V供电,具有433/868 /915MHz三波段载波频率。具有特有的ShockBurst信号发射模式和发射信号载波监测功能,可有效避免数据冲突,能够很容易地通过SPI接口进行编程配置。电流消耗很低,在发射功率为-10dBm时,发射电流为11mA,接收电流为12.5mA,nRF905特别突出的优点是:该模块电路设计简单,需要的外围器件少,不工作时可以进入休眠状态,功耗很低。

  4.温湿度传感器SHT11

  SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。测温范围:-40~123℃,精度为0.5℃,测湿范围:0~100%RH,精度为3%RH;电流消耗极低,测量时为550μA,平均为28μA.在测量结束后,SHT11会自动转入休眠模式,以便节能,非常适合低功耗的场合。

  5.供电部分设计

  5.1 太阳能电池板的选择

  太阳能电池板主要分为单晶硅和双晶硅两种,单晶硅太阳板的转换效率比较高,但是加工工艺要求高,价格也高,多晶硅太阳能电池的转化效率低,成本较低,出于成本考虑,选择多晶硅的太阳能电池板。由于选用的电源管理芯片BQ25504的输入功率范围在 0~300mW之间,输入电压在0~5.5V,所以可以选用300mW,输出电压为2V,短路电流为150mA,尺寸为6cm&TImes;6cm的多晶硅太阳能电池板。

  5.2 锂电池的选择

  锂电池的选取取决于系统的总功耗及要持续工作的时间,nRF905以最大功率发射时的工作电流为30mA,接收时的工作电流为12.5mA;微控制器Atmega16A工作在1MHz时,正常工作的电流为1.1mA;SHT11测量温度、湿度时消耗的电流:测量时550μA,平均为28μA;总体消耗的电流约为33mA.

  采用的锂电池的容量为2400mAh,额定电压为3.7V,在不给锂电池充电的理想情况下,可以计算出系统能够连续工作的时间为:2400mAh/33mA=72小时,由于系统软件设定的是系统每隔1小时测量一次温度和湿度,假定测量一次系统工作2分钟,则可以计算出在不给电池充电的情况下该系统理论上可以连续工作大约90天。本文所选的锂电池2400mAh,3.7V,其充满电后的电压为4.2V, 放电电压的最低值为2.45V,不能够使锂电池过度充电和过度放电,否则会缩短电池的使用寿命,甚至使电池报废。

  

  5.3 电池管理电路

  电池管理电路连接着太阳能板,锂电池,和负载电路,如图2所示。电池管理电路功能:过压保护,欠压保护,电池状态良好监测。本文采用的是美国TI公司生产的超低功耗带电池管理功能的升压变换器BQ25504,该芯片可管理各种能源产生的mW,甚至μW 的电源,比如太阳能,热能,电磁能,机械震动能等。主要性能如下:

  330nA的静态电流;超过80%的高转换效率;最大功率跟踪技术;电池充电和放电保护;电池状态良好指示器。该芯片特别适用在太阳能供电系统中。

  设定欠压阈值VBAT_UV=2.83V,过压阈值VBAT_OV=4.2V,电池工作电压范围VBAT_OK_PROG=3.45V,VBAT_OK_HYST=3.96V.

  根据BQ25504的域值设定公式可以得到 R3=5.6M,R4=4.4M,R5=5.6M,R6=4.3M,R7=3.1M,R8=5.6M,R9=1.3M当把电池充电到4.1V,接上负载电路,进行放电试验,经过实际测量发现当BQ25504管脚VBAT的电压为3.5V,VSTOR管脚电压为0,即停止电池对外放电。接通电源,通过 BQ25504对锂电池进行充电,充电前VBAT为3.45V,VSTOR为3.50V,VBATOK为0,实际测量发现当锂电池电压充到3.97V 时,VBAT_OK输出由0变为3.97V,充电到4.2V时,电池电压就不再上升。在充电过程中,BQ25504的VSTOR管脚的电压略高 VBAT0.05V,当达到VBAT_OV时,两者相等;在放电过程中,BQ25504的VBAT管脚的电压略高VSTOR 0.02V.

  综上可知,实际的 VBAT_UV=2.93V,VBAT_OV=4.2V,VBAT_OK_PROG=3.5V,VBAT_OK_HYST=3.97V,它们与理论计算值有着大约100mV左右的偏差。实际值和理论计算值的偏差在5%之内,这是符合预期的。当电池电压VBAT小于VBAT_OK_PROG时,此时 VBAT_OK输出低电平0,NMOS管截止,PMOS管也截止,停止对负载供电,当锂电池电压从VBAT_OK_PROG逐渐上升到3.60V 时,VBAT_OK输出高电平,此时NMOS管导通,PMOS管的栅极为低电平,PMOS管也导通,可以对负载电路供电,直到电池电压降为3.5V为止。 2012年10月和11月,将该系统放到室外进行测试,运行2个月没有问题,在晴天经过8个小时左右,就可将电池电压从3.5V充到4.2V.

  这两月阴天较多,但是中间也有阳光,电池电压最低时为3.75V.至今该系统仍在正常工作。

  6.结语

  该系统所测室外温湿度值与温湿度计相比,温度平均有0 。 5℃的偏差,湿度有5%RH偏差,测量精度达到了一般应用要求,由于能源来自太阳能,该系统能够长久使用。如果在阴雨天较多的地区使用,可以采用更大容量的锂电池或者用多个电池轮流供电。

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