无线传感器网络节点太阳能电源系统设计

电时为了减少LTC4070能量消耗添加三极管Q1，当Q1基极电压下降时将LTC4070与锂电池隔离。在正常充电模式下大部分电流通过Q1流向锂电池。当VCC到达ADJ设置的浮点电压时，LTC4070分流Q1中bc结的电流持续的减少电池充电电流直至0，并且Q1进入饱和状态。如果热敏电阻T升高浮点电压降低，LTC4070将分流更多的电流，Q1强制进入反偏状态直到电池电压下降。ADJ引脚用于设置浮点电压，当接至地时为4．0 V，接至VCC时为4．2 V，悬空时为4．1 V。当锂电池电压低于3．2 V时LBO拉高D1点亮，当锂电池充电饱和后，HBO拉高，D2点亮。

1．2 供电管理单元

供电管理单元具有2方面的功能：一是为了不使锂电池深度放电，需要对其放电门限进行设置；二是获取当前电池的电压以决定节点采取的功耗模式。

由MAX680及MAX8211构成的锂电池放电门限设置电路如下图3所示。

在该电路中，当锂电池电压下降到由R1和R5所决定的门限电压时，MAX8211就会截止MAX680的供电电压，最后使IRF541处于关闭状态而断开供电电池与负载电路。IRF541功率开关的导通电流小于0．5 mA，关闭漏电流仅为8μA以下。该电路的启动门限Vu和截止门限V1与外加电阻R5，R6和R7之间的关系可由下式给出：

为了能够执行有效的电源管理，需要了解电池能量的储存情况，并根据任务需求和自身能量状态调整工作状态和通信策略。设计中采用LM4041电压基准芯片，有微处理器采样其端电压，并计算电池的实际电压值以供程序处理，其原理图如图4所示。

U4为LM4041-1．2，该芯片为微功耗精密稳压管。电阻Rs负责提供稳压电流IL和负载电流IQ。Rs的取值应满足流过稳压管的电流IQ不超过IQmin和IQmax。Rs的计算公式如下：

式中：当VS取4．2 V，VR取1．2 V，IL+IQ约为120 A，计算出Rs取值约为27 kΩ。在实现过程中，使用ADC0测量稳定电压VQ，选用电池供电电压作为ADC的参考电压Vref。当PC0置"0"时Q3导通，ADC0的读数为ADC_Data。ADC_Data与参考电压Vref的关系如式(4)所示：

式中：VQ为固定值1．2 V；ADC_FS为输入满量程的测量值，是一个常数如10 b的ADC为1 024。由式可以计算出Vref也就得到电池的实际电压。

1．3 电源输出模块

MCU的工作电压一般为2．7～3．3 V，传感器工作电压有3 V和5 V。由于MCU与传感器所需电压不一致，而且锂电池的供电电压为3．7～4．2 V，这就需要进行DC-DC装换。本方案中选用凌特公司的LTC3537芯片。LTC3537具有集成输出断接功能和LD0的2．2 MHz、电流模式同步升压型DC/DC转换器。该器件的升压型转换器内部600 mA开关可从启动时的0．68 V(工作时为0．5 V)至5 V输入电压范围提供高达5．25 V的输出电压，非常适用于锂离子/聚合物或单节/多节碱性/镍氢金属电池应用。LTC3537的应用原理图如图5所示。

将LTC3537的MODE引脚置为低电平工作在PWM模式，ENBST和ENLDO置为高电平工作在正常状态，亦可置为低电平使其截止。两路输出分别为3．3 V和5 V。

2 电源控制流程

根据太阳能电池和锂电池的工作状态，电源的控制流程如图6所示

3 实验与分析

本设计节点及电源组装如图7所示，实验中采用Micaz节点作为负载节点，将其工作周期设为2%，进行供电实验。

在实验中对太阳能电池板和锂电池电压进行监测，监测间隔为2 h，所得数据如图8所示。实验开始时间为正午12点，系统启动时锂电池为3．7 V，太阳能电池板达到最高输出电压5．1 V，此后锂电池一直进行充电，直至达到饱和电压4．2 V。进入下午随着太阳光逐渐减弱，太阳能电池板的输出电压逐渐降低。黄昏后太阳能电池板基本无输出并被截断，此时节点进入低功耗模式仅靠锂电池供电，这时采用低功耗方案减少能量消耗，锂电池在黎明时电压降至最低仅3．75V。此后随着太阳光的逐渐增强，锂电池又进入充电状态，在正时午达到最大值，并按上述过程循环。

4 结语

本文提出并初步实现了一种利用太阳能供能的无线传感器网络节点电源系统。实验结果表明本设计的电源系统由于具有补充能量的途径，并结合能量管理、能量转移技术提高了能量利用效率，从而有效地延长了节点的生存周期。本设计可以应用在户外能被阳光照射的节点上，如精细农业中布置在田间的节点，环境监测中布置于野外的节点等。